第一篇第一篇 数控加工设备及刀具基础数控加工设备及刀具基础第二章第二章 数控机床机械结构数控机床机械结构第一节第一节 数控机床机械结构的组成和特点数控机床机械结构的组成和特点 一、数控机床机械结构的组成一、数控机床机械结构的组成（1 1）机床基础部件，如床身、立柱、工作台等；）机床基础部件，如床身、立柱、工作台等；（2 2）主传动系统；）主传动系统；（3 3）进给传动系统；）进给传动系统；（4 4）实现某些动作和辅助功能的系统和装置，如液压、）实现某些动作和辅助功能的系统和装置，如液压、气动、润滑、冷却等系统及排屑、防护装置和刀架、气动、润滑、冷却等系统及排屑、防护装置和刀架、自动换刀装置；自动换刀装置；（5 5）工件实现回转、定位的装置及附件，如数控回转）工件实现回转、定位的装置及附件，如数控回转工作台工作台（6 6）特殊功能装置，如监控装置、加工过程图形显示、）特殊功能装置，如监控装置、加工过程图形显示、精度检测等。精度检测等。图图1-2-1 数控机床机械结构的组成数控机床机械结构的组成二、数控机床机械结构的特点二、数控机床机械结构的特点1高刚度和高抗振性高刚度和高抗振性2高灵敏度高灵敏度3热变形小热变形小4高精度保持性高精度保持性5高可靠性高可靠性6工艺复合化和功能集成化工艺复合化和功能集成化第二节第二节 数控机床主传动系统数控机床主传动系统一、数控机床主传动系统的特点一、数控机床主传动系统的特点 主传动部分是数控机床的重要组成部分之主传动部分是数控机床的重要组成部分之一，主要包括主轴电机、电机与主轴间传动一，主要包括主轴电机、电机与主轴间传动机构和主轴组件等。在数控机床上，主轴夹机构和主轴组件等。在数控机床上，主轴夹持工件或刀具旋转，直接参加表面成形运动。持工件或刀具旋转，直接参加表面成形运动。主轴部件的刚度、精度、抗振性和热变形直主轴部件的刚度、精度、抗振性和热变形直接影响加工零件的精度和表面质量。接影响加工零件的精度和表面质量。数控机床的主传动系统具有如下特点：数控机床的主传动系统具有如下特点：1主轴转速高、调速范围宽并实现无级调速主轴转速高、调速范围宽并实现无级调速2主轴部件具有较大的刚度和较高的精度主轴部件具有较大的刚度和较高的精度3良好的抗振性和热稳定性良好的抗振性和热稳定性4为实现刀具的快速或自动装卸，数控机床主为实现刀具的快速或自动装卸，数控机床主轴具有特有的刀具安装结构轴具有特有的刀具安装结构二、数控机床主轴的二、数控机床主轴的传动方式传动方式1齿轮传动方式齿轮传动方式它通过几对齿轮降速，它通过几对齿轮降速，确保低速时的扭矩，确保低速时的扭矩，以满足主轴输出扭矩以满足主轴输出扭矩特性的要求。特性的要求。图图1-2-2 数控机床主传动系统配置方式数控机床主传动系统配置方式图图1-2-3 齿轮传动实例齿轮传动实例2带传动方式带传动方式带传动是一种传统的传动方式，常见带的类型有带传动是一种传统的传动方式，常见带的类型有v带、带、平带、多楔带和齿形带。平带、多楔带和齿形带。多楔带又称复合三角带，横向断面呈多个楔形。多楔带又称复合三角带，横向断面呈多个楔形。同步齿形带的带型有梯形齿和圆弧齿，同步齿形带的带型有梯形齿和圆弧齿，同步齿形带传动具有如下优点：同步齿形带传动具有如下优点：（1）传动效率高，可达）传动效率高，可达98以上；以上；（2）无滑动，传动比准确；）无滑动，传动比准确；（3）传动平稳，噪声小；）传动平稳，噪声小；（4）使用范围较广，速度可达）使用范围较广，速度可达50m/s，速比可达，速比可达10左右，传递功率由几瓦至数千瓦；左右，传递功率由几瓦至数千瓦；（5）维修保养方便，不需要润滑；）维修保养方便，不需要润滑；（6）安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复）安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。杂，成本高。图图1-2-4 带传动式主轴带传动式主轴图图1-2-5 多楔带多楔带图图1-2-6 同步齿形带同步齿形带图图1-2-7 同步齿形带的结构和传动同步齿形带的结构和传动3直接驱动主轴传动方式直接驱动主轴传动方式 直接驱动主轴传动有两种方式，一种是调速电动机直接驱动主轴传动有两种方式，一种是调速电动机通过连轴器直接驱动主轴，另一种是电动机轴即为主通过连轴器直接驱动主轴，另一种是电动机轴即为主轴，即电主轴直接驱动方式。轴，即电主轴直接驱动方式。电机直接带动主轴运动，因此这种主传动方式大大电机直接带动主轴运动，因此这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴的件的刚度，但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴的精度影响较大。精度影响较大。内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体。内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体。图图1-2-8 直接驱动主轴传动结构图直接驱动主轴传动结构图图图1-2-9 日本研制的立式加工中心电主轴结构图日本研制的立式加工中心电主轴结构图1-后轴承；后轴承；2-定子磁极；定子磁极；3-转子磁极；转子磁极；4-前轴承；前轴承；5-主轴主轴图图1-2-10 电主轴结构解剖图电主轴结构解剖图图图1-2-11 直接驱动主轴直接驱动主轴图图1-2-12 电主轴电主轴三、主轴组件三、主轴组件 主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等组成了主轴组件。组成了主轴组件。主轴在结构上要处理好卡盘或刀具的装卡，主轴的主轴在结构上要处理好卡盘或刀具的装卡，主轴的卸荷，主轴轴承的定位和间隙调整，主轴组件的润滑卸荷，主轴轴承的定位和间隙调整，主轴组件的润滑和密封等一系列问题。对于加工中心的主轴，为实现和密封等一系列问题。对于加工中心的主轴，为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设有刀具的自刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设有刀具的自动装卸、主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。动装卸、主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。（一）数控机床的主轴支承（一）数控机床的主轴支承1主轴轴承类型主轴轴承类型 数控机床主轴经常采用滚动轴承和滑动轴承数控机床主轴经常采用滚动轴承和滑动轴承两类轴承。两类轴承。（1）滚动轴承）滚动轴承 滚动轴承具有摩擦系数小，能够预紧，润滑滚动轴承具有摩擦系数小，能够预紧，润滑维护简单，并且在一定的转速范围和载荷变动维护简单，并且在一定的转速范围和载荷变动范围内能稳定地工作等特点。范围内能稳定地工作等特点。图图1-2-13 双列圆柱滚子轴承双列圆柱滚子轴承图图1-2-14 双列圆锥滚子轴承双列圆锥滚子轴承图图1-2-15 双向推力角接触球轴承双向推力角接触球轴承图图1-2-16 角接触球轴承角接触球轴承图图1-2-17 单列圆锥滚子轴承单列圆锥滚子轴承（2）滑动轴承）滑动轴承 数控机床上采用的滑动轴承通常是静压滑动数控机床上采用的滑动轴承通常是静压滑动轴承。静压滑动轴承的油膜压强由液压缸从外轴承。静压滑动轴承的油膜压强由液压缸从外界供给，与主轴转速的高低无关（忽略旋转时界供给，与主轴转速的高低无关（忽略旋转时的动压效应）。它的承载能力不随转速而变化，的动压效应）。它的承载能力不随转速而变化，而且无磨损，启动和运转时摩擦力矩相同。所而且无磨损，启动和运转时摩擦力矩相同。所以静压轴承的回转精度高，刚度大。但静压轴以静压轴承的回转精度高，刚度大。但静压轴承需要一套液压装置，成本较高，污染大。承需要一套液压装置，成本较高，污染大。2主轴轴承的配置主轴轴承的配置典型的主轴轴承的结构配置形式有下面三种：典型的主轴轴承的结构配置形式有下面三种：（1）图）图1-2-18a所示结构配置形式：前轴承为双列圆柱滚所示结构配置形式：前轴承为双列圆柱滚子轴承与双向推力角接触球轴承组合，后轴承采用一对角接子轴承与双向推力角接触球轴承组合，后轴承采用一对角接触球轴承。触球轴承。（2）图）图1-2-18 b所示结构配置形式：前支承采用所示结构配置形式：前支承采用3个超精个超精密级角接触球轴承组合，后支承采用密级角接触球轴承组合，后支承采用2个角接触球轴承或用个角接触球轴承或用一个圆柱滚子轴承。一个圆柱滚子轴承。（3）图）图1-2-18 c所示结构配置形式：前支承采用双列圆锥所示结构配置形式：前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承采用单列圆锥滚子轴承。滚子轴承，后支承采用单列圆锥滚子轴承。图图1-2-18 数控机床主轴轴承配置形式数控机床主轴轴承配置形式3主轴轴承的装配主轴轴承的装配 轴承、主轴、支承孔等主轴组件均存在着轴承、主轴、支承孔等主轴组件均存在着制造误差，通过对各种误差的分析，采用选制造误差，通过对各种误差的分析，采用选配定向法进行装配可提高主轴组件的精度。配定向法进行装配可提高主轴组件的精度。装配时尽可能使主轴定位锥孔中心与主轴轴装配时尽可能使主轴定位锥孔中心与主轴轴颈中心的偏心量和轴承内圈与滚道的偏心量颈中心的偏心量和轴承内圈与滚道的偏心量接近，并使其方向相反，这样可使装配后的接近，并使其方向相反，这样可使装配后的偏心量减小。偏心量减小。4滚动轴承的间隙与预紧滚动轴承的间隙与预紧 当滚动轴承存在较大间隙时，载荷将集中作用于受当滚动轴承存在较大间隙时，载荷将集中作用于受力方向上的少数滚动体，使得轴承刚度下降，承载能力方向上的少数滚动体，使得轴承刚度下降，承载能力下降，旋转精度差。将滚动轴承进行适当预紧，使力下降，旋转精度差。将滚动轴承进行适当预紧，使滚动体与内外圈滚道在接触处产生预变形，使受载后滚动体与内外圈滚道在接触处产生预变形，使受载后承载的滚动体数量增多，受力趋向均匀，从而提高承承载的滚动体数量增多，受力趋向均匀，从而提高承载能力和刚度，有利于减少主轴回转轴线的漂移，提载能力和刚度，有利于减少主轴回转轴线的漂移，提高旋转精度。若过盈量太大，轴承磨损加剧，承载能高旋转精度。若过盈量太大，轴承磨损加剧，承载能力将显著下降。力将显著下降。（二）主轴准停功能（二）主轴准停功能 机床的切削扭矩由主轴上的端面键（见图机床的切削扭矩由主轴上的端面键（见图1-2-19）来传递，每次机械手自动装取刀具时，必须）来传递，每次机械手自动装取刀具时，必须保征刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求主保征刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求主轴具有准确定位的功能。为满足主轴这一功能而设轴具有准确定位的功能。为满足主轴这一功能而设计的装置称为主轴准停装置或称主轴定向装置。主计的装置称为主轴准停装置或称主轴定向装置。主轴准停装置是加工中心换刀过程中所要求的特别装轴准停装置是加工中心换刀过程中所要求的特别装置，为了将主轴准确地停在某一固定位置上，以便置，为了将主轴准确地停在某一固定位置上，以便在该处进行换刀等动作，这就要求主轴定向控制。在该处进行换刀等动作，这就要求主轴定向控制。图图1-2-19 数控机床主轴上的端面键数控机床主轴上的端面键 电气式的主轴准停装置设置在主轴的尾端，如图电气式的主轴准停装置设置在主轴的尾端，如图1-2-20所所示。当主轴需要准停时，无论主轴是转动还是停止状态，一旦示。当主轴需要准停时，无论主轴是转动还是停止状态，一旦接收到数控装置发来的准停开关信号，主轴立即加速或减速至接收到数控装置发来的准停开关信号，主轴立即加速或减速至某一准停速度（可在主轴驱动装置中设定）。主轴达到准停速某一准停速度（可在主轴驱动装置中设定）。主轴达到准停速度且准停位置到达时（即固定装在支架上的磁发体永久磁铁度且准停位置到达时（即固定装在支架上的磁发体永久磁铁4对准装在带轮对准装在带轮5上的磁传感器上的磁传感器3），主轴立即减速至某一爬行速），主轴立即减速至某一爬行速度（可在主轴驱动装置中设定）。然后当磁传感器信号出现时，度（可在主轴驱动装置中设定）。然后当磁传感器信号出现时，主轴驱动立即进入磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制，目主轴驱动立即进入磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制，目标位置为准停位置，最后准确停止。准停完成后，主轴驱动装标位置为准停位置，