数控机床机械结构设计

1、数控机床机械结构及数控机床机械结构及常见故障分析常见故障分析 主要内容主要内容一一. .数控机床的构成与分类数控机床的构成与分类二二. .数控机床的机械结构数控机床的机械结构三三. .数控车床介绍数控车床介绍四四. .数控加工中心和数控铣床介绍数控加工中心和数控铣床介绍五五. .数控机床的辅助装置数控机床的辅助装置一一. .数控机床的构成与分类数控机床的构成与分类 （一）（一）. .数控机床的构成数控机床的构成 数控机床一般由下列几个部分组成1.主机 是数控机床的主体，包括床身、立柱、工作台、主轴、进给机构等机械部件。2.CNC装置 （控制装置） 是数控机床的核心，包括硬件和相应的软件等部分。

2、3.驱动装置 是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给驱动单元、主轴电机、进给电机等等。4.数控机床的辅助装置 指数控机床的一些必须的配套部件，用以保证数控机床的正常运行。如液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和分度头，还包括刀具及监控检测装置等立式加工中心主机床身拖板（床鞍）工作台 立 柱主轴主轴箱刀库 卧式加工中心主机全功能数控车床主机全功能数控车床主机 床身部件床身部件进给丝杠直线导轨组件润滑系统 （二）（二）. .数控机床的分类数控机床的分类 目前，为了研究数控机床，可从不同的角度对数控机床进行分类 1.1.按控制系统的特点分类按控制系统的特点分类 1）点位控制数

3、控 2）直线控制数控机床 3）轮廓控制的数控机床 2. 2.按照可联动（同时控制）轴数分按照可联动（同时控制）轴数分 按照可联动（同时控制）且相互轴数，可以分为2轴控制、2.5轴控制、3轴控制、4轴控制、5轴控制等。 3. 3.按执行机构的伺服系统类型分类按执行机构的伺服系统类型分类 1）开环伺服系统数控机床 2）半闭环伺服系统数控机床 3）闭环伺服系统数控机床电机电机机械执行部件机械执行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插补指令插补指令脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功率功率放大放大 半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺

4、服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调节器位置控制调节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈单元检测与反馈单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际位实际位置反馈置反馈实际速实际速度反馈度反馈 全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调节位置控制调节器器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈单元检测与反馈单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际

5、实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈二二. .数控机床的机械结构数控机床的机械结构（）数控机床机械结构的主要组成）数控机床机械结构的主要组成数控机床的机械结构，除机床基础件外，由下列各部分组成：数控机床的机械结构，除机床基础件外，由下列各部分组成：1.1.主传动系统；主传动系统；2.2.进给系统；进给系统；3.3.实现工件回转、定位的装置和附件；实现工件回转、定位的装置和附件；4.4.实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置如液压、气动、实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置如液压、气动、润滑；冷却等系统和排屑、防护等装置；润滑；冷却等系统和排屑、防护等装置；5.5.刀架或自动换刀装置刀

6、架或自动换刀装置 (ATC)(ATC)；6.6.自动托盘交换装置自动托盘交换装置(APC)(APC)；7.7.特殊功能装置特殊功能装置 如刀具破损监控、精度检测和监控装置等；如刀具破损监控、精度检测和监控装置等； 8.8.为完成自动化控制功能的各种反馈信号装置及元件。为完成自动化控制功能的各种反馈信号装置及元件。 机床基础件或称机床大件，通常是指床身、底座、立柱、机床基础件或称机床大件，通常是指床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台等。它是整台机床的基础和框架。机横梁、滑座、工作台等。它是整台机床的基础和框架。机床的其他零、部件，或者固定在基础件上，或者工作时在它床的其他零、部件，或者固定在基础

7、件上，或者工作时在它的导轨上运动。的导轨上运动。 其他机械结构组成则按机床的功能需要选用。如一般的其他机械结构组成则按机床的功能需要选用。如一般的数控机床除基础件外，还有主传动系统，进给系统以及液压、数控机床除基础件外，还有主传动系统，进给系统以及液压、润滑、冷却等其他辅助装置，这是数控机床机械结构的基本润滑、冷却等其他辅助装置，这是数控机床机械结构的基本构成。加工中心则至少还应有构成。加工中心则至少还应有ATCATC，有的还有双工位，有的还有双工位APCAPC等。等。柔性制造单元柔性制造单元(FMC)(FMC)除除ATCATC外还带有工位数较多的外还带有工位数较多的APCAPC，有的甚，有的

8、甚至还配有用于上下料的工业机器人。至还配有用于上下料的工业机器人。 （二）（二）. .数控机床机械结构的特点数控机床机械结构的特点1 1）机床刚度的基本概念）机床刚度的基本概念 机床的刚度是机床的技术性能之一，它反映了机床结构抵抗变形的能力。根据机床所受载荷性质的不同，机床在静态力作用下所表现的刚度称为机床的静刚度；机床在动态力作用下所表现的刚度称为机床的动刚度。2 2）提高数控机床结构刚度的常用措施）提高数控机床结构刚度的常用措施 （1） 提高机床构件的静刚度和固有频率。 常用方法有合理布置的筋板结构 ；设置卸荷装置来平衡载荷以补偿有关零、部件的静力变形 ；改善构件间的接触刚度或构件与地基联

9、结处的刚度等。（2）改善机床结构的阻尼特性。 常用方法有大件内腔充填泥芯和混凝土等阻尼材料，在振动时利用相对摩擦来耗散振动能量；在大件表面采用阻尼涂层 ；充分利用接合面间的摩擦阻尼；采用新材料和钢板焊接结构等。 1.1.高刚度和高抗振性高刚度和高抗振性2.2.减少机床热变形的影响减少机床热变形的影响 机床的热学特性是影响加工精 度的重要因素之一。由于数控机床主轴转速、进给速度远高于普通机床，而大切削用量产生的炽热切削对工件和机床部件的热传导影响远较普通机床严重，而热变形对加工精度的影响往往难以由操作者修正。因此，减少数控机床热变形影响的措施应予特别重视。常用的措施有下列几种： 1 1）改进机床

10、布局和绪构设计）改进机床布局和绪构设计 。 如对热源来说比较对称的采用热对称结构 ；数控车床采用采用倾斜床身、平床身和斜滑板结构 ；某些重型数控机床由于结构限制采用热平衡措施。2 2）控制温升。）控制温升。 对机床发热部分（如主轴箱、静压导轨液压油等）采取散热、风冷和液冷等控制温升的办法来吸收热源发出的热量，是在各类数控机床上使用较多的一种减少热变形影响的对策。3 3）对切削部位采取强冷措施。）对切削部位采取强冷措施。 在大切削量切削时，落在工作台、床身等部件上的炽热切屑量一个重要的热源。现代数控机床，特别是加工中心和数控车床普遍采用多喷嘴、大流量冷却液来冷却并排除这些炽热的切屑，并对冷却液用

11、大容量循环散热或用冷却装置致冷以控制温升。4 4）热位移补偿。）热位移补偿。 预测热变形规律，建立数学模型存入计算机中进行实时补偿。热变形附加修正装置已在国外产品上作商品供货。 3.3.传动系统机械结构简化传动系统机械结构简化 数控机床的主轴驱动系统和进给驱动系统分别采数控机床的主轴驱动系统和进给驱动系统分别采用交、直流主轴电机和伺服电机驱动，这两类电机调用交、直流主轴电机和伺服电机驱动，这两类电机调速范围大，并可无级调速，因此使主轴箱、进给变速速范围大，并可无级调速，因此使主轴箱、进给变速箱及传动系统大为简化，箱体结构简单、齿轮、轴承箱及传动系统大为简化，箱体结构简单、齿轮、轴承和轴类零件数

12、量大为减少甚至不用齿轮，由电机直接和轴类零件数量大为减少甚至不用齿轮，由电机直接带动主轴或进给滚珠丝杠。带动主轴或进给滚珠丝杠。4.4.高传动效率和无间隙的传动装置和元件高传动效率和无间隙的传动装置和元件 数控机床在高进给速度下，工作要平稳；并有高数控机床在高进给速度下，工作要平稳；并有高的定位精度。因此，对进给系统中的机械传动装置和的定位精度。因此，对进给系统中的机械传动装置和元件要求具有高寿命、高刚度、无间隙、高灵敏度和元件要求具有高寿命、高刚度、无间隙、高灵敏度和低摩擦阻力的特点。目前数控机床进给驱动系统中常低摩擦阻力的特点。目前数控机床进给驱动系统中常用的机械传动装置主要有三种，即滚珠

13、丝杠副，静压用的机械传动装置主要有三种，即滚珠丝杠副，静压蜗杠蜗杠蜗母条和预加载荷双齿轮蜗母条和预加载荷双齿轮齿条。齿条。三、数控机床常见机械部件三、数控机床常见机械部件1 1、滚珠丝杠副、滚珠丝杠副2 2、导轨、导轨3 3、主轴部件、主轴部件4 4、轴承、轴承5 5、刀架、刀库、刀架、刀库1 1、滚珠丝杠副、滚珠丝杠副 滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。它由丝杆、螺母、滚珠和滚珠循环的螺旋传动元件。它由丝杆、螺母、滚珠和滚珠循环返回装置返回装置 ( (俗称回珠器俗称回珠器) )等组成。当丝杠和螺母相对运等组成。当丝杠和螺母相对

14、运动时，滚珠沿着丝杆螺旋滚道面滚动，滚动数圈后离动时，滚珠沿着丝杆螺旋滚道面滚动，滚动数圈后离开丝杆滚道面，通过循环返回装置返回其入口处继续开丝杆滚道面，通过循环返回装置返回其入口处继续参加工作，如此往复循环滚动。参加工作，如此往复循环滚动。 （1 1）按滚珠循环方式分）按滚珠循环方式分分为外循环和内循环两大类。外循环的回珠器有螺旋槽式和插管式两种，目前国内、外生产厂用插管式的较多，内循环的回珠器有腰形槽嵌块式反向器和圆柱凸键式反向器两种，目前国内、外生产厂用腰形槽嵌块式的较多。（2 2）按预加负载形式分）按预加负载形式分，可分为单螺母无预紧，单螺母变位导程预紧，单螺母加大钢球径向预紧，双螺母

15、垫片预紧、双螺母齿差预紧、双螺母螺纹预紧6种。 一般在数控机床上常用双螺母垫片式预紧。1 1）滚珠丝杠副结构型式）滚珠丝杠副结构型式（3 3）按精度等级分）按精度等级分我国原机械工业部标准JB3162.282分为6级，根据数控机床类别、按机床精度要求和位置控制系统型式(闭环、半闭环、开环)的不同分别选用，数控机床中大多用P3、P4，P5等3个等级。滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点（1 1）传动效率高。）传动效率高。 滚珠丝杠副的机械效率可达90%以上，比梯形滑动丝杠副高24倍左右（2 2）灵敏度高，传动平稳）灵敏度高，传动平稳 。 由于是滚动摩擦

16、，动、静摩擦系数相差极小。因此，无论静止时、还是在低、高速度传动时摩擦转矩几乎不变。（3 3）磨损小，寿命长）磨损小，寿命长 。 滚珠丝杠副的主要零件采用优质合金钢制成，其滚道表面淬火硬度至HRC6062，并有较低的表面粗糙度，再加上滚动摩擦的磨损很少，因而具有良好的耐磨性，且可高速运行。（4 4）可消除轴向间隙，提高轴向刚度。）可消除轴向间隙，提高轴向刚度。 可用多种消除间隙的预加负载方法，使反向时无空行程；此外，安装时给滚珠丝杠预加拉伸负载，可提高丝杠的系统刚度和减少滚珠丝杠的热伸长，因而定位精度高。2 2、低摩擦系数的导轨、低摩擦系数的导轨 机床导轨是机床基本结构的要素之一。从机械结构的

17、角度来说，机床的加工精度和使用寿命很大程度上决定于机床导轨的质量，而对数控机床的导轨则有更高的要求.如:高速进给时不振动，低速进给时不爬行，有高的灵敏度，能在重负载下长期连续工作，耐磨性要高，精度保持性要好等。现代数控机床使用的导轨，从类型来说虽仍是滑动导轨，滚动导轨和静压导轨3种，但在材料和结构上已起了“质”的变化，已不同于普通机床的导轨。1 1）. .贴塑滑动导轨贴塑滑动导轨 传统的铸铁铸铁滑动导轨， 除简易型数控机床外， 在其他数控机床上已不采用。 取而代之的是铸铁塑料或镶钢塑料滑动导轨。 塑料导轨常用在导轨副的运动导轨上， 与之相配的金属导轨用铸铁或钢质两种；铸铁牌号为止HT30-54

18、，表面淬火硬度至 HRC4550,表面粗糙度磨削至Ra0.200.10 ； 镶钢导轨常用 55 号钢或其他合金钢； 淬硬至 HRC5862。 导轨塑料常用聚四氟乙烯导轨软带和环氧型耐磨导轨涂层两类。 塑料导轨的优点 （1） 摩擦特性好 铸铁淬火钢导轨副的静、动摩擦系数相差较大，几乎近一倍，而导轨软带的静、动摩擦系数基本不变。这种良好的摩擦特性能防止低速爬行，使运行平稳和获得高的定位精度。 （2） 耐磨性好 除摩擦系数低外， 导轨软带材料中含有青铜、二硫化铜和石墨，因此，本身即具有润滑作用，对润滑油的供油量要求不高，采用间歇式供油即可。此外塑料质地较软，即便嵌入金属碎屑、灰尘等，也不至损伤金属导

19、轨面和软带本身，可延长导轨副的使用寿命。 （3） 减振性好 塑料的阻尼性能好， 其减振消声的性能对提高摩擦副的相对运动速度有很大意义。 （4） 工艺性好 可降低对粘贴塑料的金属基体的硬度和表面质量。而且塑料易于加工(铣、刨、磨、刮)，使导轨副接触面获得优良的表面质量。 2).2).滚动导轨滚动导轨滚动导轨具有摩擦系数低(一般在 0.003 左右)，动、静摩擦系数相差小，且几乎不受运动速度变化的影响，定位精度和灵敏度高，精度保持性好等优点。在数控机床中应用也较为普遍，现代数控机床常用的滚动导轨有两种。 （1 1）. .滚动导轨块滚动导轨块 这是一种滚动体作循环运动的滚动导轨。 移动部件运动时，滚

20、动体沿封闭轨道作循环运动，滚动体为滚珠或滚柱。数控机床上采用的滚柱式滚动导轨块如图所示， 它多用于中等负荷导轨。滚动导轨块由专业厂生产，有各种规格、型式供用户选用。使用时，导轨块装在运动部件上，每一导轨应至少用两块或更多块， 导轨块的数目取决于导轨的长度和负载的大小，与之相配的导轨多用镶钢淬火导轨。 （2 2）. .直线滚动导轨直线滚动导轨 直线滚动导轨是近年来新出现的一种滚动导轨， 其突出的优点为无间隙， 并且能够施加预紧力。 这种导轨的外形和结构见图所示。直线滚动导轨主要由导轨体、滑块、滚珠、保持器、端盖等组成。它由生产厂组装成，故又称单元式直线滚动导轨。使用时，导轨体固定在不运动部件上，

21、滑块固定在运动部件上。 当滑块沿导轨体移动时， 滚珠在导轨体和滑块之间的圆弧直槽内滚动， 并通过端盖内的滚道， 从工作负荷区到非工作负荷区， 然后再滚动回工作负荷区， 不断循环， 从而把导轨体和滑块之间的移动变成了滚珠的滚动。 为防止灰尘和脏物进入导轨滚道， 滑块两端及下部均装有塑料密封垫。滑块上还有润滑油柱油杯。 直线滚动导轨副的优点直线滚动导轨副的优点a. 动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短， 有益于提高数控系统的呼应速度和灵敏度。 b. 驱动功率大幅下降， 只相当于普通机床的十分之一。 c. 适应高速直线运动， 其瞬时速度比滑动导轨提高约 10 倍。

22、 d. 能实现高定位精度和重复定位精度。 e. 能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。 f. 成对使用导轨副时，具有“误差均化效应” ，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，简化了机械结构的设计、降低了制造成本和难度。 g. 导轨表面采用硬化处理，使导轨具有良好的可校性，且心部能保持良好的机械性能。 （3 3）. .静压导轨静压导轨静压导轨是在两个相对运动的导轨面间通入压力油， 使运动件浮起。 工作过程中， 导轨面上油腔中的油压能随外加负载的变化自动调节， 以平衡外加负载， 保证导轨面间始终处于纯液体摩擦状态。 静压导轨的摩擦系数极小(约为 0.0005)，功率消耗少。由于系统液体摩

23、擦， 故导轨不会磨损， 因而导轨的精度保持性好，寿命长。油膜厚度几乎不受速度的影响，油膜承载能力大、刚性高、吸振性良好，导轨运行平稳，既无爬行，也不会产生振动。 但静压导轨结构复杂， 并需要有一个具有良好过滤效果的液压装置，制造成本高。目前，静压导轨较多地应用于大型、重型数控机床上。 静压导轨按导轨形式，可分为开式和闭式两种，数控机床用闭式的静压导轨。 按供油方式， 可分为恒压式(即定压)供油和恒量(即定量)供油两种。 恒压供油方式中以毛细管节流和单面薄膜反馈节流用得较多， 但近年来随着多头泵技术的发展，恒流静压导轨在重型数控机床上用得越来越普遍。 6.6.能实现工艺复合化和功能集成化的要求能

24、实现工艺复合化和功能集成化的要求复合加工功能、 多功能的结构与装置的控制都与机床数控系统紧密相关，在应用中两者相互促进和不断发展。 当前， 工艺复合化和功能集成化的潮流正沿纵向和横向深入发展，各种新结构、新机种不断出现。在纵向，加工中心、数控车床及车削中心，正向着高速化、精密化、高效化和柔性化发展； 在横向， 复合加工中心的技术不仅是加工中心、 车削中心等在同类技术领域内的复合， 而且正向不同类技术领域内的复合发展， 如日本日精树脂工业公司已推出可进行铣削加工和放电加工的复合机床。 三三. .数控车床数控车床从总体上来看数控车床没有脱离普通车床的结构形式，即由床身、主轴箱、刀架、进给系统、液压

25、、冷却、润滑系统等部分组成。由于实现了 CNC，进给用伺服电机驱动，以连续控制刀具的纵向(Z 轴)和横向(X 轴)运动，从而完成对各类回转体零件的内外型面加工，如车削圆柱、圆锥、圆弧、各类螺纹等。数控车床的进给系统与普通车床的进给系统有质的区别，它没有传统的走刀箱、溜板箱和挂轮架，而是直接用伺服电机通过滚珠丝杠驱动溜板和刀架，实现进给运动，因而进给系统的结构大为简化。数控车床能加工种类(公制、英制、锥螺纹、端面螺纹、多头螺纹、变距螺纹等)，这是因为数控车床采用主轴伺服电机驱动主轴旋转，同时还安装有与主轴同步运转的脉冲编码器，以便发出检测脉冲信号使主轴电机的旋转与切削进给同 步， 这是实现螺纹切

26、削的必要条件。 车削螺纹一般都要 多次走刀才能完成， 为防止乱扣， 脉冲编码器在发出进给脉冲时， 还要发出同步脉冲(每转发一个脉冲)， 以保证每次走刀刀具都在工件的同一点切入。 脉冲编码器一般不直接安装在主轴上， 而是通过一对齿轮或同步齿形带(传动比 1:1)同主轴联系起来。 （一）（一）. .机床的布局和结构特点机床的布局和结构特点 机床布局对数控车床是十分重要的，因为它直接影响影响机床结构、外观和使用性能。现代数控车床一般都采用机电一体化的布局形式和封闭式防护装置。随着生产率和自动化程度的提高，数控车床刀架和导轨的布局便成为突出的问题。 1.1.床身和导轨床身和导轨 按照床身导轨面与水平面

27、的相关位置，主要可分为平床身、斜床身、平床身斜滑板和立床身 4 种布局形式(见图)。一般来说，中、小型规格的数控车床采用床身和平床身斜滑板居多，少数也用立床身。只有大型数控车床或小型精密车床才采用平床身。 水平床身工艺性好， 容易加工制造。 由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处。但床身下部空间小，排屑困难。刀架横向滑板较长，加大了机床的宽度尺寸，影响外观。平床身斜滑板结构适用于中、小型数控车床，其滑板设计成倾斜式，配置倾斜的导轨防护罩，这样，既保持了平床身的工艺性好的优点，床身宽度也不会太大，机床刚度能满足要求，排屑也方便。斜床身和平床身斜滑板结构在现代车床中被广泛应用，是因为这种布局

28、形式具有以下特点： 1) 容易实现机电一体化。 2) 机床外形简洁、美观、占地面积小。 3) 容易实现封闭式防护。 4) 容易排屑和安装自动排屑器。 5) 从工件上切下的炽热铁屑不致堆积在导轨上。 6) 便于操作，宜人性好； 7) 便于安装机械手，实现单机自动化。 斜床身按导轨的倾斜角度不同，可分为 30、45、60、75和 90(即立式床身)。常用的有 45、60和75。较小的倾斜角宜人性差，排屑不方便。与此相反，较大的倾斜角， 床身导轨导向性能差， 受力情况也不好。 此外，导轨的倾斜角度还影响机床外形尺寸高度和宽度的比例， 以及刀架重量作用于导轨面垂直分力的大小。 从机床布局和床身导轨受力

29、情况来看， 中， 小规格数控车床床身倾斜角度以60为宜。 2.2.刀架布局刀架布局 刀架是数控车床的重要部件， 它对机床整体布局影响很大。两坐标连续控制的数控车床，一般都采用 12 工位的回转刀盘(也有采用 6、8、10 工位的)。回转刀架在机床上的布局主要有两种：一种是适用于加工轴类和盘形零件的刀架，其回转轴与主轴平行;另一种是专门用于加工盘类零件的刀架，其回转轴与主轴垂置。 3.3.润滑系统润滑系统 润滑系统对数控车床的正常运行起重要作用。 主轴箱内的轴承和传动齿轮一般都设有专用油箱， 单独供油润滑， 并带走部分主轴在运转中产生的热量。 有的机床由液压站直接供油润滑，润滑油在循环中经过专门

30、设置的空气冷却器冷却，这不仅改善了润滑条件，还能降低主轴温升，减少热变形。 机床不同部位需要的润滑油流量是不同的。 导轨面及滚珠丝杠的润滑， 一般采用定时供油的润滑系统， 有自动和手动之分。 4.4.分类分类数控车床品种繁多， 规格不一， 可按如下方法进行分类。按数控系统的功能按数控系统的功能可分为全功能型和经济型两种。按主轴按主轴轴线处于水平位置或垂直位置轴线处于水平位置或垂直位置可分为卧式和立式数控车床。 如果具有两根主轴则为双轴(卧式或立式)数控车床。 一般数控车床为两坐标控制， 具有两独立回转刀架的数控车床为 4 轴控制。 车削中心和柔性制造单元则需要增加其它的附加坐标轴。 目前应用较

31、多的还是中等规格的两坐标连续控制数控车床。 （二）（二）. .机床的主传动系统机床的主传动系统 1.1.结构特点结构特点数控车床的主传动系统一般采用直流或交流主轴电机，通过皮带传动和主轴箱内的变速齿轮带动主轴旋转。 由于这种电机高速范围广， 又可以无级调速， 使得主轴箱的结构大为简化。主轴电机在额定转速时可输出全部功率和最大转矩，随着转速的变化，功率和转矩将发生变化。在调压范围内(从额定转速调到最低转速)为恒转矩， 功率随转速升高或正比例下降。 在调速范围内(从额定转速调到最高转速)为恒功率， 转矩随转速升高成正比例减小。 这种变化规律是符合正常加工要求的。 即低速切削所需转矩大， 调整切削消

32、耗功率大。 由此看出电机的有效转速范围并不能完全满足主轴的工作需要。所以主轴箱一般仍需设置几档变速(24 档)。机械变档一般只需 1。 有些小型的或调速范围不需太大的数控车床， 也常采用电机直接带动主轴或用皮带传动主轴旋转。 主传动系统除了满足主轴转速范围外， 还需要有较高的精度和刚度， 并尽可能的降低噪声。 主轴箱的传动齿轮都要经过高频淬硬，精密磨削。在结构允许条件下，应适当增加齿轮宽度， 提高齿轮的重叠系数。 变速的滑移齿轮一般都用花键传动， 采用内径定心。 但侧面定心的花键对降低噪声更为有利，因为这种定心方式传动间隙小，接触面积大，但加工这种花键需要专门的刀具和花键磨床。 皮带传动容易产

33、生振动，在皮带长度不一致的情况下更为严重。因此，在选择在选择皮带时，应尽可能缩短皮带长度。如因结构限制，皮带长皮带时，应尽可能缩短皮带长度。如因结构限制，皮带长度无法缩短，可增设压紧轮，将皮带张紧，以减少振动。度无法缩短，可增设压紧轮，将皮带张紧，以减少振动。采用多楔带传动能使传动更为平衡。采用多楔带传动能使传动更为平衡。 2.2.设计要点设计要点为了提高主传动系统的精度和刚度，降低噪声，在设计时，还应采取下列措施： 1)提高传动零件精度。 2)提高传动轴的刚度，尽可能缩短轴的支承距离。 3)传动齿轮应靠近箱壁支承处，最后一级传动可用斜齿轮，以增加重叠系数，使传动平稳。 4)变速齿轮端应倒圆

34、高速传动齿轮的齿形应修缘，并提高精度，保持合理的传动间隙。 5)为了改变振动频率，有时在齿轮端面留出 1mm 左右的凸台或钻几个孔。以降低噪声。 6)具备充分的润滑条件，最好用单独油箱供油，进行循环润滑。 7)主轴支承要选用超精密级轴承，保证前后支承的合理距离。必要时可加长箱体孔内壁脐子，缩短前后支承的距离。 8)主轴和其它传动轴组装后，要进行动平衡试验。 3.3.主轴结构主轴结构数控车床的主轴结构一般有一下： 1)前后支承均采用双列短圆柱滚子轴承来承受径向负荷，安装在前端的两个推力球轴承用来承受前后方向的轴向负载(见图 2-10a)。这种结构能承受较大的负载（特别是轴向负载） ，可适应强力切

35、削，但主转速不能太高，轴承在高转速时容易发热。由于推力球轴承安装在主轴前端，当主轴旋转时前轴承和后轴承温度差较大，热变形对主轴精度影响也较大。前轴承温度高，主轴前端升高量大，后轴承温度低，主轴末端升高量小(主轴轴线不是平行升高)，因此，这种结构目前应用较少。 2)前后支承用双列短圆柱滚子轴承来承受径向负荷， 用安装在主轴前端的双向向心推力球轴承来承整轴向负载(见图 2-101b)。这种结构刚性较好，能进行强力切削。适用于中等转速，中、小规格的数控车床，一般主轴转速不超过2000r/min。 3)前轴承用单列向心推力球轴承，背靠背安装，由 23 个轴承组成一套，用以承受径 向和轴向负载；后轴承用

36、双列短圆柱滚子轴承(见图 2-101c)。这种结构适应较高转速、较重切削负载，主轴精度较好。但所承受的轴向负载较前两种结构小。 4)前后支承均采用成组单列向心推力滚球轴承， 用以承受径向和轴向负载(见图 2101d)。这种结构适应高转速，中等切削负载的数控车床。 在中、 小规格的数控车床上采用这种结构较多。 （三）（三）. .进给系统进给系统 1.1.结构特点结构特点 数控车床的进给系统是用伺服电机(直流或交流)驱动，通过滚珠丝杠带动刀架完成纵向(Z轴)和横向(X轴)的进给运动。其传动方式和结构特点与普通车床、自动和半自动车床截然不同。 由于数控车床采用了宽调速伺服电机及伺服系统，因此进给和车

37、螺纹的范围很大。快速移动和进给传动均经同一传动路线。一般数控车床刀架的快速移动速度可达 1015m/min数控车床所用的伺服电机除有较宽的调速范围并能无级调速外，还能实现准确的定位。在走刀和快速移动下停止，刀架的定位精度和重复定位精度误差不超过 0.01mm。进给系统的传动要求准确，无间隙。因此，伺服电机与丝杠的连接，丝杠与螺母的配合及支承丝杠两端的轴承都要消除间隙。如果经调整后，仍有间隙存在，可通过数控系统进行间隙补偿，但补偿的间隙量最好不超过 0.05mm。这主要是考虑 传动间隙太大对加工精度有影响。特别是在镜象加工(对称切削)方式下车削圆弧和锥面时，传动间隙对精度影响较大。除上述要求外，

38、 进给系统的传动还应灵敏和有较高的传动效率。 2.2.传动方式及传动元件传动方式及传动元件 中、小型数控车床的进给系统普遍采用滚珠丝杠副传动。伺服电机与滚珠丝杠的传动连接方式有两种： 1. 滚珠丝杠与伺服电机轴端用锥环等联轴器直接连接,如下图， 当旋紧联接套的压紧螺栓时， 锥环(由内坏和外环组成)因其锥面受挤压而向内， 外径向膨胀，消除配合间隙，并产生接触压力以传递转矩和轴向力。这种方式结构简单，传动无间隙。 2. 滚珠丝杠与伺服电机通过齿轮或同步带轮等间接传动。因为受空间尺寸的限制，电机无法与丝杠副直接连接。如下图 四四. . 加工中心和数控铣床加工中心和数控铣床加工中心是一种备有刀库并能自

39、动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。 工件经一次装夹后， 数控系统能控制机床按不同工序自动选择和更换刀具； 自动改变机床主轴转速，进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助机能； 依次完成工件几个面上多工序加工。 由于加工中心能集中完成多种工序， 因而可减少工件装夹、 测量和机床的调整时间，减少工作周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率(切削时间与开机时间之比)高于普通机床34倍， 达80%以上。尤其是在加工形状比较复杂、精度要求较高、品种更换频繁的零件时，更具有良好的经济效果。 （一）加工中心的结构（一）加工中心的结构1958 年美国的卡尼特雷克公司在一台数控镗床上增加了自动换刀装置，

40、第一吧问世加工中心至今 50 多年来，出现了各种类型的加工中心，虽然外形结构各异，但从总体结构来看不外乎以下几大部分组成。 1.1.基础部件基础部件 由床身、立柱和工作台等大件组成。它们是加工中心的基础结构，这些大件可以是铸铁件也可以是焊接的钢结构件，它们要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削负载， 因此必须是刚度很高的部件， 也是加工中心中重量和体积最大的部件。 2.2.主轴部件主轴部件由主轴箱、主轴电机、主轴和主轴承等零件组成。其启动， 停止和转速等动作均由数控系统控制， 并通过装在主轴上的刀具参与切削运动， 是切削加工的功率输出部件。 主轴是加工中心的关键部件， 其结构的好坏， 对加工

41、中心的性能有很大的影响。 3.3.数控系统数控系统单台加工中心的数控部份是由 CNC 装置、可编程控制器、 伺服驱动装置以及电机等部份组成。 它们是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程中的控制中心 4.4.自动换刀系统自动换刀系统由刀库、 机械手等部件组成。 刀库是存放加工过程所要使用的全部刀具的装置。 当需要换刀时， 根据数控系统的指令， 由机械手(或通过别的方式)将刀具从刀库取出装入主轴孔中。刀库有盘式，鼓式和链式等多种形式，容量从几把到几百把。 机械手结构根据刀库与主轴的相对位置及结构不同也有多种形式。如单臂式、双臂式、回转式和轨道式等等。有的加工中心不用机械手而利用主轴箱或刀库的移动

42、来实现换刀的。 5.5.辅助系统辅助系统包括润滑、冷却、排屑、防护、液压和随机检测系统等部分。 辅助系统虽不直接参与切削运动， 但对加工中心的加工效率、 加工精度和可靠性起到保障作用， 因此也是加工中心不可缺少的部分。 （二）（二）. .加工中心的分类加工中心的分类加工中心通常以主轴在加工时的空间位置分类，分为卧式、立式和万能(多面)加工中心。 1.1.卧式加工中心卧式加工中心是指主轴轴线水平设置的加工中心。 卧式加工中心有多种形式， 如固定立柱式或固定工作台式。 固定立柱式的卧式加工中心的立柱不动， 主轴箱在立柱上做上下移动， 而工作台可在水平面上做两个坐标移动； 固定工作台式的卧式加工中心

43、其三个坐标的运动由立柱和主轴箱的移动来定位， 安装工件的工作台是固定不动的(指直线运动)。 卧式加工中心一般具有 35 个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标加一个回转运动坐标(回转工作台)， 它能够在工作一次装夹完成除安装面和顶面以外的四个面的加工，最适合加工箱体类零件。 但是卧式加工中心与立式加工中心相比， 结构复杂， 占地面积大，重量大，价格也高。 2.2.立式加工中心立式加工中心立式加工中心主轴的轴线为垂直设置， 其结构多为固定立柱式。工作台为十字滑台，适合加工盘类零件。一般具有三个直线运动坐标， 并可在工作台上安置一个水平轴的数控转台(第四轴)来加工螺旋线类零件。 立式加工中心的结构简

44、单、占地面积小、价格低。配备各种附件后，可满足大部分的工作的加工。 大型的龙门式加工中心多为垂直设置， 尤其适用于大型或形状复杂的工作。 像航空、 航天工作及大型汽轮机上的某些零件的加工都需要用这类的多坐标龙门式加工中心。 3.3.五面加工中心五面加工中心这种加工中心具有立式和卧式加工中心的功能， 在工作一次装夹后， 能完成除安装面外的所有五个面的加工， 这种加工方式可以使工件的形位误差降到最低； 省去二次装夹的工装，从而提高生产效率，降低加工成本。 常见的五面加工中心有两个形式，一种是主轴可做 90度旋转， 既可以象卧式加工中心那样切削， 也可以象立式加工中心那样切削；另一种工作台可带着工件

45、做 90 度旋转，而主轴不改变方向来完成五面加工； 但是无论是哪种形式的五面加工中心都存在着构造复杂、造价高的缺点。 有主轴转位式，也有工作台转位式。 （三）（三）. .加工中心的主传动系统加工中心的主传动系统加工中心的主传动系统是指将主轴电机的原动力通过改传动系统变成可供切削加工用的切削力矩和切削速度。 为适应各种不同材料的加工及各种不同的加工方法， 要求加工中心的主传动系统有较宽的转速范围及相应的输出力矩。 此外， 由于主轴部件将直接装夹刀具对工件进行切削， 因而对加工质量质量 （包括加工粗糙度） 及刀具寿命有很大的影响，这就要求主传动系统具有良好的运动学及动力学参数， 并且具有高精度、高

46、刚度、振动小、热变形及噪声都能满足要求的主轴部件。 由于加工中心带有 ATC，这要求主传动系统具有可靠的自动定向装置、刀柄孔清洁装置及刀具锁紧松开装置。 1. 1. 主传动系统的结构与分类主传动系统的结构与分类 为了适应不同的加工需要， 目前主动传动系统大致分为三类；一是由电机直接带动主轴旋转一是由电机直接带动主轴旋转，其优点是结构紧凑，占用空间小， 转换效率高， 但主轴转速的变化及转矩的输出和电机的输出特性完全一致， 因而在使用上受到一定的限制(如图 1)。二是经过一级变速二是经过一级变速，目前多用皮带(同步带传动)来完成，其优点是结构简单，安装调试方便，且在一定的程度上能满足转速与转矩的输

47、出要求； 但其调整范围比仍与电机一样，受电机调整范围比的约束(如图 2)。三是经过二级三是经过二级以上的变速以上的变速， 目前多采用齿轮来完成， 其优点是能够满足各种切削运动的转矩输出， 且具有大范围的速度变化能力。 但由于结构复杂、需增加润滑及温度控制系统，成本较高。此外制造与维修也较困难(如图 3)。 图二 一级皮带变速主轴 图三 齿轮变速主轴 2.2.主传动系统的运动学参数主传动系统的运动学参数 1 1）. .转速转速加工中心在工作中对工件要进行钻、镗、铣、攻螺纹和铰孔等加工， 有时甚至要进行磨削加工， 因此要求主轴具有较宽的转速范围。 如果对各种加工工序进行主轴传动系的转速功率分析，

48、就会发现， 在较低转速下经常使用的是攻螺纹、 铰孔或部分精加工工序， 这些工序相对来说需要的输出功率较小， 因此主轴在低速区需要较大的恒转矩输出。 主轴自某一转速起至最高转速止则为恒功率输出， 在这个工作区内， 任何转速都能传递全部功率， 而转矩的输出则随转速的增加而减少。 恒转矩输出与恒功率输出的交界点的转速称为计算转速(上图中 nj 点的转速)， 也就是说计算转速是传动系统传递全部主轴电机功率时的最低转速。 所以对于加工中心的设计者来说， 要将加工中心的加工能力(输出转矩及功率曲线形式的覆盖面)划定一定的范围， 然后依据所需要的功率转矩转速曲线覆盖范围决定采用何种主传动系统结构。对加工中心

49、的用户来说，是要根据所要加工的工件类型选择能满足功率转矩输出要求的机床。由于电子技术的发展，目前所用的主轴电机的调速比都达到或超过 1:100，所以目前多数加工中心的主传动变速不超过二级，与过去复杂的主传动系统相比，机械大大简化，制造与维修也更方便，使机床在机械结构上朝着优化的方向前进了一步，在一定的程序上也使机床设计进入了一个新的阶段。 2).2).回转精度回转精度当主轴作回转运动时， 线速度为零的点的连线称为主轴的回转中心线， 回转中心线的空间位置， 在理想的情况下是固定不变的。实际上，由于各种原因的影响，回转中心线的空间位置每一瞬间都是变化的， 这些瞬时回转中心线的平均空间位称为理想回转

50、中心线。 瞬时回转中心线相对于理想回转中心线在空间的位置距离，就是主轴回转误差， 而回转误差的范围， 就是主轴的回转精度。 回转误差的基本形式为纯径向误差、角度误差和轴向误差，它们很少单独存在。当纯径向误差和角度误差同时存在时， 构成径向跳动， 而轴向误 差和角度误差。这两种误差出现的频率(周期)可分为周期性和随机性两种。 周期性误差主要造成被加工工件的形状误差和波纹度，其值大约为空载测得值的 70%80%，而随机误差则主要影响被加工工件的表面粗糙度。 这种方法由于不能在工作转速下测量，而且其误差包括了检棒的误差及检棒的安装误差，因此不能真正的反映主轴在工作时的情况。但是由于这种方法简单，在装

51、配现场易于实现；而且当主轴在径向和轴向刚度较大时，此种方法一定程度上可以说明主轴的回转精度。所以，在我国加工中心的出厂检验中，大部分仍采用这种方法。 动态测量，是用一标准球装在主轴中心线上，与主轴同时旋转； 在工作台上安装两个互相成 90角的非接触传感器，通过仪器记录回转情况。 间接测量是用小的切削量加工有然金属试件，然后在圆度仪上测量试件的圆度来评价。 目前出厂时，普通级加工中心的回转精度用静态法测量，当 L300mm 时允差应小于 0.02mm。 造成主轴回转精度的主要原因在于主轴的结构及其加工精度， 主轴承的选用及刚度等， 而主轴及其回转零件的不平衡，在回转时引起的激振力，也会造成主轴的

52、回转误差。因此，加工中心的主轴不平衡量一般要控制在 0.4mm/s 以下。 3.3.主传动系统的动力学参数主传动系统的动力学参数主轴传动系统的转矩或功率的传递是通过电机变速机构主轴刀具这样一个传动链完成的。目前电机绝大多数采用直流或交流的主轴电机，变速机构的动力学参数与一般机床的原理是一样的，在结构上甚至还更简单一些。单级变速多用同步齿形带；二级以上的变速主要采用齿轮，变速的方法多用动力缸(液压或气动)来带动拔叉进行变速。由于电机本身可以用很大的调整范围，因此，变速档次不需很多；使用中，变速的频率也不是很高。 主传动系统的各个环节在工作时，除了要传递功率，还要保证在切削运动中进行高质量加工，这

53、就要求直接带动刀具的主轴部件能有力地和平稳地进行工作；也就是说，主传动系统的动力特性应该保证原动力的功率以最小的损耗传递到切削刀具上，同时保证在一定的功率输出下，平衡地、高精度地进行切削。 1 1）. .静刚度静刚度静刚度是指主轴抵抗静态外力引起变形的能力。在主传动系中，主轴及主轴轴承的综合刚度对加工中心的性能及加工精度都有影响，如刚度不足则会造成加工件的尺寸误差和形状误差，影响齿轮及轴承的工作性能及寿命，引起切削过程不稳，发生振颤，降低加工质量，限制了机床功率的充分利用，从而影响切削生产率。 影响主轴静刚度的主要因素有：主轴的直径、支承间的距离及工作端的悬伸量；轴承的径向刚度和角刚度；传动件

54、所处的位置及动力、切削力的相对作用方向等。所以要提高静刚度就要对上述几个因素进行选择，选择的方法可按整机刚度的比例指标或依据加工精度要求来计算，计算方法与普通机床类似，可参照机床设计的参考书。 2 2）. .抗振性抗振性加工中心在工作时，通过主传动系统的运动，电机的功率被传递到主轴上的刀具上，在切削过程中，不仅有静态力的作用，同时还受到由于断续切削、加工余量变化、运动部件的不平衡、零件在加工或装配时的缺陷及在切削过程中的再生自振等原因引起的冲击力或交变力的干扰，从而使主轴产生振动，降低加工精度，影响表面粗糙度，严重的甚至可能破坏刀具或主传动系统为的零件，使其无法工作。因此在主传动系统中的各个主

55、要零部件不但要有具有一定的静刚度，而且要求要有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力抗振力。抗振力用动刚度或动柔度来衡量。要想有一个抗振性能好的主轴部件，则必须使动刚度的值较大，即应尽量使阻尼比、当量静刚度或固有频率的值较高。那么在设计加工中心的主轴传动系统时，要注意选择上述几个参数的合理关系；而在使用时要选择切削参数，不要在低动刚度下切削，以免产生可能的共振，造成损失。 3 3）. .热稳定热稳定在主传动系统中，工作时产生的热因素是较多的，例如：主电机的运行、传动部件(皮带、齿轮)的摩擦、主轴轴承的运转、通过刀具传来的切削热等，这些热量使主轴轴承和主轴的变形引起配合间隙变化和主轴与加工件的空间位

56、置和精度变化，造成加工误差，严重时影响到加工中心的使用。衡量热稳定的标准是达到热平衡的时间及温升。当主传动系统在工作时，发热量和接受到的热量等于散射到周围环境和传到其它部件去的热量时，即为热平衡状态(一般以温度变化小于 35/h 时作为检测时的界限)。而达到这种状态所需的时间，一般的加工中心在 120min 以内，通常其温升不超过 35。这一数值是表面积、表面散热系数、比热、质量及工作环境温度的函数。从工件尺寸精度的一致性和加工中心的加工精度及安装调试的方便角度来 说， 热平衡的时间短一些和温升值小些为好， 因为在稳定的温度下加工出来的工件尺寸也较稳定， 而低的温升值使主轴轴承在装配时能更接近

57、工作状态，主轴也易于调整。 4.4.主传动系统的关键零部件主传动系统的关键零部件加工中心的主传动系统一般都设计成一个主轴箱， 它主要包括主轴电机、传动装置、主轴、主轴轴承，主轴定向装置、拉刀装置及清洁、润滑和冷却装置等，其中主轴电机，润滑和冷却装置等， 在机床附件内另有叙述。 而传动装置中用的齿轮、三角带及联轴节与普通机床中使用情况基本相似。这里主要介绍主轴轴承、同步传动带、主轴定向和拉刀装置。 1 1）. .主轴轴承主轴轴承加工中心的主轴轴承绝大多数采用滚动轴承。滚动轴承一般采用二个或三个角接触球轴承组成或用角接触轴承与圆柱滚子轴承组成。这种轴承经过预紧后可得到较高的刚度，所以在中、小型加工

58、中心上多用角接触球轴承的组合。只有当要求很大的刚性时，才采用圆柱滚子轴承和双向推力球轴承的组合。但这时要受极限转速的限制，因此使用转速不能过高。由于这种轴承的发热较多，有时需配备润滑油恒温装置，提高了成本，也使结构复杂化。常用角接触球轴承的组合形式由 2 个、3 个或 4 个轴承组成，有的还在轴承间加隔套来提高刚度和精度。 当使用滚动轴承时， 为了简化结构， 降低成本和方便使用， 多采用脂润滑， 但其极限 dn 值 d 为轴承平均直径(mm)，n 为轴承每分钟的转数为 80410。如要进一步提高转速就要采用油气润滑或喷油润滑， 或采用陶瓷滚珠。 陶瓷滚珠在脂润滑的情况下 dn 值可达 1204

59、10。 陶瓷滚珠轴承的特点是：a.由于滚珠重量轻，离心力小，动摩擦力矩减小。 b.因温升引起的热膨胀小，使轴承的预紧力稳定。 c.弹性变形量小，刚度高，寿命长。 上述特点为加工中心向高速主轴的方向发展提供了良好的条件。 虽然目前因成本较高还未普及使用， 但随着材料工 业的发展， 制造成本的降低， 今后一定会在高速主轴上广泛应用。 2 2）. .传动带传动带带传动是一种传统的传动方式， 常见的类型有 V 带、 平带、 多楔带和齿形带。 由于加工中心换刀系统要求主轴准备定向， 因此常用多楔带和齿形带； 而在加工中心的伺服进给传动中，有时也和齿形带。 多楔带又称复合三角带，综合了三角带和平皮带的优点

60、，运转 时振动小，发热少，运转平衡，重量轻，因此可在 40m/s 的线速度下使用。 此外， 多楔带与带轮不会产生打滑，而传功率比三角带大 29% 30%。因此能够满足加工中心传动要求的高速、 大转矩和不打滑的条件。 楔带安装时需要较大的张紧力， 使得主轴和电机承受较大的径向负载。 这是多楔带的一大缺点。 多楔带 同步带轮 齿形带又称为同步齿形带， 根据齿形不同又分为梯形齿同步带和圆弧齿同步带， 梯形齿同步带在传递功率时由于应力集中在齿根部位，使功率传递能力下降。同时由于与带轮是圆弧形接触，当小带轮直径较小时，将使齿形变形，影响与带轮齿的啮合，不仅受力情况不好，而且在速度很高时，会产生较大的噪声