1、第一章 数控加工与数控机床第一章 数控加工与数控机床第一节第一节 数控基本概念数控基本概念第二节第二节 数控机床的结构数控机床的结构习题习题第一章 数控加工与数控机床第一节第一节 数控基本概念数控基本概念一、数控机床一、数控机床1.数控数控数控是数字控制(Numerical Control，NC)的简称，是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控(Computerized Numerical Control，CNC)。第一章 数控加工与数控机床数控系统是指利用数控技术实现自动控制的系统，是数控机床的核心。为了对机械运动
2、及加工过程进行数字化信息控制，必须具备相应的硬件和软件。数控机床采用数控技术进行控制，它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础。因此，数控机床的水平代表了当前数控技术的性能、水平和发展方向。第一章 数控加工与数控机床2.数控机床的组成数控机床的组成数控机床主要由六部分组成，包括控制介质、数控装置、可编程逻辑控制器(PLC)、伺服系统、机床本体和检测装置等，如图1-1所示。图1-1 数控机床的组成第一章 数控加工与数控机床1)控制介质控制介质主要是指加工程序的载体。数控机床工作时，不需要工人直接去操作机床，要对数控机床
3、进行控制，必须编制加工程序。零件加工程序中，包括机床上刀具和工件的相对运动轨迹、工艺参数(进给量主轴转速等)和辅助运动等。将零件加工程序用一定的格式和代码，存储在一种程序载体上，如穿孔纸带、盒式磁带、软磁盘等，通过数控机床的输入装置，将程序信息输入到CNC单元。现在作为数控机床的组成部分，控制介质的功能已经弱化了。某些先进的数控机床将自动编程软件安装在数控装置中，可以在机床控制面板上直接进行图形编程，不再需要输入程序。第一章 数控加工与数控机床2)数控装置数控装置是数控机床的核心部分，相当于人的大脑。数控装置主要由输入、处理和输出三个基本部分构成。它的主要任务是通过输入装置，接收数控加工程序和
4、各种参数，然后进行译码和运算处理，由输出部分发出两类控制量：一类是连续的控制量，发送给伺服系统，以控制机床各轴的运动；以另一类是离散的开关控制量，送往可编程逻辑控制器(PLC)，以控制机床的机械辅助动作。所有这些工作都由计算机的系统程序进行合理的组织，使整个系统协调地进行工作。第一章 数控加工与数控机床3)伺服系统伺服系统是数控机床的重要组成部分，是由伺服驱动电机和伺服驱动装置组成的，用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。它接收数控装置发出的数字信号，将其转换成伺服电机的转动或移动，驱动并控制数控机床进给轴的运动和主轴的运动。伺服系统的主要部件有伺服电动机，包括步进电动机、直流伺服电动
5、机和交流伺服电动机，还有对应的驱动电源。第一章 数控加工与数控机床4)检测装置检测装置是用于测量数控机床进给运动和主运动的装置，包括编码盘、光栅、磁栅和旋转变压器等。检测进给运动的装置通常用于伺服系统为闭环和半闭环控制方式的数控机床，开环控制方式的数控机床没有进给运动的检测装置。对于主运动的检测装置，通常用于数控车床，作为车螺纹的多次进刀用；对于加工中心，则用于检测主轴的准停，以实现自动换刀。第一章 数控加工与数控机床5)机床本体机床本体是数控机床的主体，包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架及自动换刀装置等机械部件。它是在数控机床上自动地完成各种切削加工的机械部分。
6、6)可编程逻辑控制器(PLC)辅助装置是保证充分发挥数控机床功能所必需的配套装置。常用的辅助装置包括刀具自动交换装置(ATC)、工件自动交换装置(APC)、液压系统、润滑装置、冷却液装置、排屑装置等。第一章 数控加工与数控机床3.数控机床的分类数控机床的分类数控机床的种类很多，可从不同的角度进行分类。1)按照加工方式分类根据数控机床加工方式的不同，可分为以下几类：(1)金属切削类。(2)金属成型类。(3)特种加工类。(4)其他类。第一章 数控加工与数控机床2)按照控制刀具运动轨迹分类根据刀具的运动轨迹可以分为以下三类：(1)点位控制类。点位控制数控机床只能控制刀具点对点的运动，即从一个点准确地
7、移动到另一个点，而不控制移动的轨迹，在移动和定位过程中不进行任何加工。这个轨迹通常是折线。这类机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控电焊机等。点位控制方式如图1-2所示。第一章 数控加工与数控机床图1-2 点位控制方式第一章 数控加工与数控机床(2)点位直线控制类。点位直线控制数控机床可控制刀具点对点的运动和刀具平行于各轴进给方向的直线运动。它可准确地控制点的坐标和直线运动的速度及路线，在机床移动部件时进行切削加工。这类机床主要有数控坐标车床、数控磨床、数控镗铣床等。点位直线控制方式如图1-3所示。第一章 数控加工与数控机床图1-3 点位直线控制方式第一章 数控加工与数控机床(3)轮
8、廓控制类。轮廓控制是指数控机床可以控制刀具按照工件的轮廓进行加工，即可以同时控制两个或两个以上轴的运动，也叫作二坐标、三坐标、四坐标、五坐标甚至六坐标联动或更多的坐标联动加工。目前实际应用最多的是五坐标联动加工，它可控制刀具在轮廓每一点上的速度和位置。这种控制方式比较复杂，通常用于数控车床、数控铣床、数控加工中心、数控特种加工机床等。轮廓控制方式如图1-4所示。第一章 数控加工与数控机床图1-4 轮廓控制方式第一章 数控加工与数控机床3)按照伺服系统控制方式分类数控机床按照伺服系统的控制方式可分为开环控制、闭环控制和半闭环控制三类。(1)开环控制类。开环控制类数控机床是指没有位置检测装置的数控
9、机床，如图1-5所示。这类机床不带位置检测反馈装置，通常用步进电动机作为执行机构。这类数控机床的控制精度取决于步进电动机的步距精度和机械传动的精度。其控制线路简单，调节方便，精度较低(一般可以达到0.02 mm)，制造成本低，通常用于简易数控机床或小型机床。第一章 数控加工与数控机床图1-5 开环控制第一章 数控加工与数控机床(2)闭环控制类。闭环控制类数控机床是指有位置检测装置的机床，且检测的信息为工作台或刀架的位移量，如图1-6所示。这类数控机床带有位置检测反馈装置，其位置检测反馈装置采用直线位移检测元件，直接安装在机床的移动部件上，将测量结果直接反馈到数控装置中，与设定的指令值进行比较后
10、，利用其差值控制伺服电动机，直至差值为零，最终实现精确定位。这类数控机床控制精度高，可达0.001 mm0.003 mm，但制造成本高，维修复杂，通常用于一些高精度的数控机床，如数控加工中心、数控车削中心等。第一章 数控加工与数控机床图1-6 闭环控制第一章 数控加工与数控机床(3)半闭环控制类。半闭环控制类数控机床是指有位置检测装置的机床，但是检测元件(如感应同步器或光电编码器等)安装在伺服电动机的轴上或滚珠丝杠的端部，检测的信息不是工作台或刀架的位移量，而是丝杠或伺服电动机的角位移量，如图1-7所示。由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此可获得较稳定的控制特性。其控制精度虽不如
11、闭环控制数控机床，但调试比较方便，因而被广泛采用。因此，多数数控机床属于此类控制方式。第一章 数控加工与数控机床图1-7 半闭环控制第一章 数控加工与数控机床4)按照联动坐标数分类数控机床控制的联动坐标数目是指数控装置能同时控制的由几个伺服电动机同时驱动的机床移动部件的运动坐标数目。联动坐标控制数分类主要有：两轴联动数控机床、2.5轴联动数控机床、三轴联动数控机床、四轴联动数控机床和五轴联动数控机床。(1)两轴联动数控机床：能同时控制两个坐标轴联动的数控机床。如数控车床可同时控制X、Z两轴联动。第一章 数控加工与数控机床(2)2.5轴联动数控机床：有三个坐标轴，但是只能同时控制两个坐标轴联动，
12、第三个坐标轴仅能作等距的周期移动。(3)三轴联动数控机床：能同时控制三个坐标轴联动的数控机床。(4)四轴联动数控机床：能同时控制X、Y、Z三个直线轴与一个旋转轴联动的数控机床。(5)五轴联动数控机床：能同时控制X、Y、Z三个直线轴与两个旋转轴联动的数控机床，是功能最全、控制最复杂的一种数控机床。第一章 数控加工与数控机床二、数控机床加工二、数控机床加工1.数控机床加工过程数控机床加工过程数控机床加工过程是指用数控机床完成一个零件由毛坯到成品的工艺过程。数控机床加工过程和普通机床加工过程有非常相似之处，二者主要是在编程和操作上有一些区别。数控机床加工过程比普通机床加工过程多了几个环节，如图1-8
13、所示，即编制加工程序(包括切削仿真)、输入程序、建立工件坐标系，只要在普通机床加工的基础上掌握这几个环节，就可掌握数控机床的加工。第一章 数控加工与数控机床图1-8 数控机床加工过程第一章 数控加工与数控机床2.数控机床的特点数控机床的特点数控机床是高精度、高效率的机床，其特点非常突出，主要有以下几个方面：(1)适应性强。即柔性化程度高。柔性是指数控机床随生产对象变化而变化的适应能力。(2)精度高。数控机床的各轴移动由数控装置控制伺服系统，通过伺服电动机传动机构驱动各轴进给。(3)生产效率高。零件加工所需的时间主要包括机动时间和辅助时间两部分。第一章 数控加工与数控机床(4)零件结构复杂。数控
14、机床可以实现多轴联动加工，一般机床多可以二、三轴联动，高档次的机床可以进行四、五轴联动，能加工复杂的螺旋桨、汽轮机叶片等空间曲面类零件。第一章 数控加工与数控机床三、数控系统三、数控系统1.数控系统基本原理数控系统基本原理数控系统是数控机床的核心部件，通常由数控装置和伺服系统组成(有的书中定义为数控装置)。数控系统的作用是输入程序，编译、运算，输出信号给伺服系统，伺服系统由伺服控制单元、驱动单元、伺服电动机、传动机构、速度反馈单元、位置反馈单元组成，其作用为接收数控装置发来信号，输出电机的转动或移动，驱动机床完成加工。数控系统框图如图1-9所示。其基本组成为微机基本系统和接口电路，伺服系统的基
15、本组成为速度伺服单元和伺服电动机。第一章 数控加工与数控机床图1-9 数控系统框图第一章 数控加工与数控机床2.常用数控系统常用数控系统数控系统有不同的品牌、不同的种类，其指令代码中的基本代码也不完全相同。数控系统之间的不同指令对学习编程是一大障碍，因为学习的数控系统如果和操作使用的数控系统不一样，则编好的程序在数控系统不相同的机床上将不能使用。因此，在数控机床实际编程时，一定要遵循一个前提：编程前一定要仔细阅读机床编程说明书。这样才能保证所编程序与机床数控系统相适应，不会因为指令错误而发生加工错误。第一章 数控加工与数控机床3.数控机床的产生与发展数控机床的产生与发展在20世纪40年代，随着
16、科学技术和社会生产的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量要求越来越高，零件的形状越来越复杂，传统的机械加工方法已无法达到零件要求，迫切需要新的加工方法的出现。1948年，美国帕森斯(Parsons)公司在研制加工直升飞机叶片轮廓检查用样板的加工机床时，首先提出了数控机床的初始设想。后来由美国空军委托帕森斯公司和麻省理工学院进行数控机床的研制工作，历时三年，于1952年试制成功世界上第一台数控机床三坐标联动立式数控铣床。第一章 数控加工与数控机床数控机床的功能越来越强，从单一功能到复合功能，从数控车床到车削中心，从数控铣床到加工中心，从单轴到多轴，从立式或卧式到立卧转换，以至于到
17、车铣中心。目前，数控机床正朝着高速度、高精度、高可靠性、多功能、智能化、集成化、网络化及其开放性等技术方向发展。第一章 数控加工与数控机床第二节第二节 数控机床的结构数控机床的结构一、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和特点典型数控机床的机械结构主要由基础件、主传动系统、进给传动系统、回转工作台、自动换刀装置及其他机械功能部件等几部分组成。第一章 数控加工与数控机床(1)基础件。数控机床的基础件通常是指床身、立柱(或横梁)、工作台、底座等结构件，是机床的基本框架。其他部件附着在基础件上，有的部件还需要沿着基础件运动。由于基础件起着支承和导向的作用，因而对基础件的基本要求是刚
18、度好。此外，由于基础件通常固有频率较低，在设计时，还希望它的固有频率能高一些，阻尼能大一些。第一章 数控加工与数控机床(2)主传动系统。和传统机床一样，数控机床的主传动系统将动力传递给主轴，保证系统具有切削所需要的转矩和速度。但由于数控机床具有比传统机床更高的切削性能，因而要求数控机床的主轴部件具有更高的回转精度、更好的结构刚度和抗振性能。第一章 数控加工与数控机床(3)进给传动系统。数控机床的进给驱动机械结构是直接接收计算机发出的控制指令，实现直线或旋转运动的进给和定位，对机床的运行精度和质量影响最明显。因此，对数控机床传动系统的主要要求是精度、稳定性和快速响应的能力，即要求它能尽快地根据控
19、制指令，稳定地达到所需的加工速度和位置精度，并尽量少地出现振荡和超调现象。第一章 数控加工与数控机床(4)回转工作台。根据工作要求可将回转工作台分成两种类型，即数控转台和分度转台。数控转台在加工过程中参与切削，相当于进给运动坐标轴，因而对它的要求和进给传动系统的要求是一样的。分度转台只完成分度运动，其主要具备分度精度指标和在切削力作用下保持位置不变的能力。转塔刀架在原理和结构上都和分度转台类似。第一章 数控加工与数控机床(5)自动换刀装置。为了在次安装后能尽可能多地完成同一工件不同部位的加工要求，并尽可能减少数控机床的非故障停机时间，数控加工中心的机床常具有自动换刀装置和自动化托盘交换装置。对
20、自动换刀装置的基本要求主要是结构简单、工作可靠。第一章 数控加工与数控机床(6)其他机械功能部件。这主要指润滑、冷却、排屑和监控机构。由于数控机床是生产效率极高并可以长时间实现自动化加工的机床，因而润滑、冷却、排屑问题比传统机床更为突出。大切削量的加工需要强力冷却和及时排屑，冷却不足或排屑不畅会严重影响刀具的寿命，甚至使得加工无法继续进行。大量冷却和润滑的作用还对系统的密封和防漏提出了更高的要求，从而导致半封闭、全封闭结构的机床出现。第一章 数控加工与数控机床为满足数控机床的高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化程度的要求，在设计和制造数控机床的过程中，在机床的机械传动和结构方面采取了许
21、多相应的措施，这就使得数控机床与同类的普通机床在结构上虽然十分相似，但两者之间实际存在很大的差异。这些差异主要包括：(1)机床的支承件应有更高的静、动刚度，以及更好的抗振性。(2)采用在效率、刚度、精度等方面较优良的传动副，如滚珠丝杠-螺母副、静压丝杠-螺母副等。第一章 数控加工与数控机床(3)采用消除间隙的传动副，以消除传动链中反向空行程死区，提高伺服性能。(4)采用自动换刀和自动更换工件装置，以减少停机时间。(5)采用多主轴、多刀架的结构，以提高单位时间的切削效率。(6)采用自动排屑、自动润滑和冷却等装置。(7)采取措施减小机床的热变形，保证机床的精度稳定，获得可靠的加工质量。第一章 数控
22、加工与数控机床二、提高机床的结构刚度二、提高机床的结构刚度根据床身所受载荷性质的不同，床身刚度分为静刚度和动刚度。床身的静刚度包括支承件的自身机构刚度、局部刚度和接触刚度，静刚度直接影响机床的加工精度及其生产率。动刚度直接反映机床的动态特征，其表征机床在交变载荷作用下所具有的抵抗变形的能力和抵抗受迫振动及自振动的能力。静刚度和固有频率是影响动刚度的重要因素。数控机床要求具有更高的静刚度和动刚度。第一章 数控加工与数控机床机床在加工过程中，承受各种外力的作用。承受的静态力有运动部件和工件的自重，承受的动态力有切削力、驱动力、加速和减速所引起的惯性力、摩擦阻力等。机床的各个部件在这些力的作用下，将
23、产生变形。如固定连接表面或运动啮合表面的接触变形，各支承零部件的弯曲和扭转变形，以及某些支承件的局部变形等，这些变形都会直接或间接地影响刀具和工件之间的相对位移，从而导致工件的加工误差，或者影响机床切削过程的特性。第一章 数控加工与数控机床1.合理选择构件的结构形式合理选择构件的结构形式1)正确选择截面的形状和尺寸构件在承受弯曲和扭转载荷后，其变形大小取决于断面的抗弯和扭转惯性矩，抗弯和扭转惯性矩大的其刚度就高。表1-1列出了在截面面积相同(即重力相同)时各断面形状的惯性矩，从表中的数据可知，形状相同的截面，当保持相同的截面面积时，应减小壁厚、加大截面的轮廓尺寸；圆形截面的抗扭刚度比方形截面的
24、大，抗弯刚度则比方形截面的小，封闭式截面的刚度比不封闭式截面的刚度大很多；壁上开孔将使刚度下降，在孔周加上凸缘可使抗弯刚度得到恢复。第一章 数控加工与数控机床第一章 数控加工与数控机床第一章 数控加工与数控机床2)合理选择及布置隔板和筋条隔板的作用是将支承板的局部载荷传递给其他壁板，从而使整个支承件承受载荷，提高支承件的自身刚度。合理布置承重件的隔板和筋条，可提高构件的静、动刚度。常见的筋条如图1-10所示，其中以蜂窝状加强筋较好。第一章 数控加工与数控机床图1-10 筋条种类第一章 数控加工与数控机床对一些薄壁构件，为减小壁面的翘曲和构件截面的畸变，可以在壁板上设置如图1-11所示的筋条。如
25、图1-11(a)所示，它除了能提高构件的刚度外，还能减小铸造时的收缩应力。图1-11 薄壁板上的筋条第一章 数控加工与数控机床最常见的隔板形状为T形、门形、V形等，如图1-12所示。图1-12 隔板形状第一章 数控加工与数控机床3)提高构件的局部刚度机床的导轨和支承件的连接部件，往往是局部刚度最弱的部分，但是连接方式对局部刚度的影响很大，需增加导轨与支承件的连接部分的刚度。支承件在连接处抵抗变形的能力,称为支承件的连接刚度。如图1-13所示为导轨和床身连接的几种形式。当导轨的尺寸较宽时，应用双壁连接形式，如图1-13(d)、(e)、(f)所示；当导轨较窄时，可用单壁或加厚的单壁连接，或者在单壁
26、上增加垂直筋条以提高刚度。第一章 数控加工与数控机床图1-13 导轨与床身的连接形式第一章 数控加工与数控机床4)增加机床各部件的接触刚度和承载能力在机床各部件的固定连接面和运动副的结合面之间，总会存在宏观和微观不平，两个面之间真正接触的只是一些高点，实际接触面积小于两接触表面的面积，因此，在承载时，作用于这些接触点的压强要比平均压强大得多，从而产生接触变形。由于机床总有为数较多的静、动连接面，如果不注意提高接触刚度，则各连接面的接触变形就会大大降低机床的整体刚度，对加工精度产生非常不利的影响。第一章 数控加工与数控机床影响接触刚度的根本因素是实际接触面积的大小，任何增大实际接触面积的方法都能
27、有效地提高接触刚度。如机床的导轨常采用人工铲刮工艺作为最终的精加工工序，通过刮研可以增加单位面积上的接触点，并使接触点分布均匀，从而增加导轨副结合面的实际接触面积，提高接触刚度；又如采用滚动轴承作为支承的主轴部件，都要设计预紧结构来调整轴承间隙，使轴承在有预加载荷的条件下运转，以提高主轴的支承刚度。预加载荷增大了实际接触点的面积，从而达到提高接触刚度的目的；采用螺纹紧固的固定连接面，合理布置一定数量的螺栓，并对螺栓的拧紧力矩提出严格要求以保证适当的预紧力，也是为提高接触刚度而常采用的措施。第一章 数控加工与数控机床5)采用钢板焊接结构机床的床身、立柱等支承件，采用钢板和型钢焊接而成，具有减小质
28、量提高刚度的显著优点。钢的弹性模量约为铸铁的2倍，在形状和轮廓尺寸相同的前提下，如要求焊接件与铸件的刚度相同，则焊接件的壁厚只需铸件的1/2；如果要求局部刚度相同，则因局部刚度与壁厚的三次方成正比，所以焊接件的壁厚只需铸件壁厚的80%左右。此外，无论是刚度相同以减轻质量，或者质量相同以提高刚度，都可以提高构件的谐振频率，使共振不易发生。第一章 数控加工与数控机床用钢板焊接有可能将构件做成封闭的箱形结构，从而有利于提高构件的刚度。所以，近年来以钢板焊接结构代替铸铁件的趋势不断扩大，从开始在单件和小批量的重型和超重型机床上的应用，逐步发展到有一定批量的中型机床。第一章 数控加工与数控机床2.合理的
29、结构布局可以提高刚度合理的结构布局可以提高刚度机床的总体布局直接影响到机床的结构和性能。合理选择机床布局，不但可以使机械结构更简单、合理、经济，而且能提高机床刚度，改善机床受力情况，提高热稳定性和操作性能，使机床满足数控化的要求。第一章 数控加工与数控机床以卧式镗床或卧式加工中心为例进行分析，如图1-14所示的几种布局形式中，如图(a)、(b)、(c)三种方案的主轴箱是单面悬挂在立柱侧面，主轴箱的自重将使立柱产生弯曲变形；切削力将使立柱产生弯曲和扭转变形，这些变形将影响到加工精度；图(d)的主轴箱中心位于立柱的对称面内，主轴箱的自重不再引起立柱的变形，相同的切削力所引起的立柱的弯曲和扭转变形均
30、大为减小，这就相当于提高了机床的刚度。第一章 数控加工与数控机床图1-14 卧式加工中心的几种布局形式(a)、(b)、(c)主轴箱单面悬挂在立柱侧面；(d)主轴箱位于立柱对称面内第一章 数控加工与数控机床数控机床的拖板或工作台，由于结构尺寸的限制，厚度尺寸不能设计得太大，但是宽度或跨度又不能减小，因而刚度不足。为弥补这个缺陷，除主导轨外，在悬伸部位增设辅助导轨，可大大提高拖板或工作台的刚度。如图1-15所示为采用辅助导轨的结构实例。第一章 数控加工与数控机床图1-15 采用辅助导轨结构第一章 数控加工与数控机床3.采取补偿构件变形的结构措施采取补偿构件变形的结构措施当测量机床着力点的相对变形的
31、大小和方向，或者预知构件的变形规律时，可以采取相应的措施来补偿变形以消除其影响，补偿的结果相当于提高了机床的刚度。图1-16(a)所示的大型龙门铣床与主轴部件移到横梁的中部时，横梁的弯曲变形最大。为此，可将横梁导轨做成“拱形”，即中部为凸起的抛物线形，可使其变形得到补偿。或者通过在横梁内部安装的辅助横梁和预校正螺钉对主导轨进行预校正，也可以用加平衡重的办法，减少横梁同主轴箱自重而产生的变形，如图1-16(b)所示。第一章 数控加工与数控机床图1-16 采用平衡装置补偿部件变形第一章 数控加工与数控机床三、数控机床主轴部件三、数控机床主轴部件主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴的支承、安装在
32、主轴上的传动零件等。主轴部件质量的好坏直接影响加工质量。1.主轴部件的结构设计主轴部件的结构设计1)主轴端部的结构形状主轴的轴端用于安装夹具和刀具，要求夹具和刀具在轴端定位精度高、定位刚度好、装卸方便，同时使主轴的悬伸长度短。在设计要求上，应能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。主轴端部的结构形状都已标准化。第一章 数控加工与数控机床数控车床的主轴端部结构一般采用短圆锥法兰盘式。短圆锥法兰结构有很高的定心精度，主轴的悬伸长度短，大大提高了主轴的刚度。加工中心主轴如图1-17所示。其他类型机床的主轴轴端结构见表1-2所示。图1-17 加工中心主轴第一章 数控加工与数控
33、机床第一章 数控加工与数控机床2)主轴部件的支承机床主轴带着刀具或夹具在支承中作回转运动能传递切削扭矩承受切削抗力，并保证必要的旋转精度。(1)主轴部件常用滚动轴承的类型：包括锥孔双列圆柱滚子轴承、双列推力向心球轴承、双列圆锥滚子轴承、带凸肩的双列圆锥滚子轴承等。图1-18(a)为锥孔双列圆柱滚子轴承，内圈为112的锥孔，当内圈沿锥形轴作轴向移动时，内圈胀大，可以调整滚道间隙。特点：滚子数量多，两列滚子交错排列，因此承载能力大，刚性好，允许转速较高。但它对箱体孔、主轴颈的加工精度要求高，且只能承受径向载荷。第一章 数控加工与数控机床图1-18(b)为双列推力向心球轴承，接触角为60。这种轴承的
34、球径小、数量多，允许转速高，轴向刚度较高，能承受双向载荷。该种轴承一般与双列圆柱滚子轴承配套用作主轴的前支承。图1-18(c)为双列圆锥滚子轴承。这种轴承的特点是内、外列滚子数量相差一个，能使振动频率不一致，因此，可以改善轴承的动态性能。该轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷，通常用作主轴的前支承。第一章 数控加工与数控机床图1-18(d)为带凸肩的双列圆锥滚子轴承。这种轴承的结构和图1-18(c)相似，特点是滚子做成空心，因此能进行有效润滑和冷却；此外，还能在承受冲击载荷时产生微小变形，增加接触面积，起到有效的吸振和缓冲作用。常见滚动轴承的性能比较见表1-3。第一章 数控加工与数控机床图1-1
35、8 常用的主轴轴承第一章 数控加工与数控机床第一章 数控加工与数控机床(2)滚动轴承的精度。主轴部件所用滚动轴承的精度有：高级E、精密级D、特精级C和超精级B。前轴承的精度一般比后支承的精度高一级，也可以用相同的精度等级。普通精度的机床通常前支承取C、D级，后支承用D、E级。特高精度的机床前后支承均用B级精度。第一章 数控加工与数控机床3)主轴滚动轴承的配置合理配置轴承，对提高主轴部件的精度和刚度、降低支承温升、简化支承结构有很大的作用。主轴的前后支承均应有承受径向载荷的轴承，承受轴向力的轴承的配置主要根据主轴部件的工作精度、刚度、温升和支承结构的复杂程度等因素来决定。一般中、小型数控机床的主
36、轴部件多数采用滚动轴承作为主轴支承，目前主要有以下四种配置方式，如图1-19所示。第一章 数控加工与数控机床图1-19 数控机床主轴轴承配置方式第一章 数控加工与数控机床(1)前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60角接触双列推力向心球轴承组合，如图1-19(a)所示。(2)如图1-19(b)所示，前轴承采用成组推力角接触球轴承，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用双列圆柱滚子轴承。(3)前支承采用高精度双列推力向心球轴承，如图1-19(c)所示。(4)前、后轴承采用双列和单列圆锥滚子轴承，如图1-19(d)所示。第一章 数控加工与数控机床4)主轴滚动轴承的预紧为了提高轴承的旋转精度，增加轴承装置的刚
37、性，减少机床工作时轴的振动，常采用预紧的滚动轴承。主轴轴承的内部间隙必须能够调整，多数轴承还应在过盈状态下工作，使滚动体与滚道之间有一定的预变形，这就是轴承的预紧第一章 数控加工与数控机床轴承预紧后，内部无间隙，滚动体从各个方向支承主轴，有利于提高运动精度。滚动体的直径不可能绝对相等，滚道也不可能绝对正圆，因而预紧前只有部分滚动体与滚道接触。预紧后，滚动体和滚道都有了一定的变形，参加工作的滚动体将更多，各滚动体的受力将更为均匀，这些都有利于提高轴承的精度、刚度和寿命。如主轴产生振动，则由于各个方面都有滚动体支承，可以提高抗振性，但是，预紧后发热较多，温升较高，且太大的预紧将使寿命下降，故预紧要
38、适量。第一章 数控加工与数控机床(1)双列圆柱滚子轴承的预紧。这种轴承是靠内孔的锥面，使内圈径向胀大实现预紧的，故称径向预紧。衡量预紧量大小的是滚子包络圆直径D2(见图1-20(a)与外圈滚道直径D1之差=D2D1。将称为径向预紧量或简称预紧量，单位为m。装配时，把外圈装入壳体孔内，测出D1。先不装隔套(见图1-20(b)，把内圈装上主轴，拧动螺母，用专门的包络圆测量仪测量滚动体的包络圆直径，直到使它比D1大，测出距离，按值研磨隔套的厚度。装上隔套，拧紧螺母，便可得到预定的预紧量。第一章 数控加工与数控机床(2)角接触轴承的预紧。这种轴承是在轴向力Fa0的作用下，使内、外圈产生轴向错位以实现预
39、紧(见图1-20(c)。衡量预紧大小的是轴向预紧力Fa0，简称预紧力，单位为N。多联角接触球轴承是根据预紧力组配的。轴承厂规定了轻预紧、中预紧、重预紧几级预紧。订货时可指定预紧级别。轴承厂在内圈(背靠背组配，见图1-20(d)或外圈(面对面组配，见图1-20(e)的端面根据预紧力磨去。装配时通过挤紧便可得到预定的预紧力，如果两个轴承间需隔开一定的距离，可在两轴承之间加入厚度相同的内、外隔套，在轴向载荷作用下，不受力侧轴承的滚动体与滚道不能脱离接触。第一章 数控加工与数控机床图1-20 轴承预紧第一章 数控加工与数控机床5)主轴的材料和热处理主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变
40、形大小等因素确定。主轴材料常采用的有45钢、38CrMoAlA、GCr15、9Mn2V，需经渗氮和感应淬火。第一章 数控加工与数控机床2.立式加工中心主轴部件立式加工中心主轴部件如图1-21所示为立式加工中心主轴箱的结构简图。主轴为中空外圆柱零件，前端装定向键，与刀柄配合部位采用724的锥度。为了保证主轴部件刚度，前支承由三个C级向心推力角接触球轴承4组成，前两个大口朝上，承受切削力，提高主轴刚度，后一个大口朝下，后支承采用两个D级向心推力角接触球轴承6，小口相对，后支承仅承受径向载荷，故外圈轴向不定位。轴承采用油脂润滑。第一章 数控加工与数控机床刀具自动拉紧与松开机构及切屑清除装置装在主轴内
41、孔中，刀夹自动拉与紧松开机构由拉杆7和头部的四个5/16英寸(1英寸25.4 mm)钢球3、蝶形弹簧8、活塞10和圆柱螺旋弹簧9组成。夹紧时，活塞10的上端无油压，弹簧9使活塞10向上移到图示位置。蝶形弹簧8使拉杆7上移至图示位置，钢球进入刀杆尾部拉钉2的环形槽内，将刀杆拉紧。当需松开刀柄时，液压缸的上腔进油，活塞10向下移动压缩弹簧9，并推动拉杆7向下移动。与此同时，蝶形弹簧8被压缩。钢球随拉杆一起向下移动。移至主轴孔径较大处时，便松开刀杆，刀具连同刀杆将一起被机械手拔出。第一章 数控加工与数控机床图1-21 立式加工中心主轴箱结构简图第一章 数控加工与数控机床该机床用钢球拉紧刀柄，此拉紧方
42、法的缺点是接触应力太大，易将主轴孔和刀柄压出坑痕，改进后的刀杆拉紧机构采用弹力卡爪。卡爪由两瓣组成，装在拉杆1的下端，如图1-22所示。夹紧刀具时，拉杆1带动弹力卡爪2上移，卡爪下端的外周是锥面B，与套3的锥孔相配合使爪收紧，从而卡紧刀柄。这种卡爪与刀柄的接合面A与拉力垂直，故拉紧力较大。卡爪与刀柄为面接触，接触应力较小，不易压溃。第一章 数控加工与数控机床图1-22 改进后的刀柄拉紧机构1拉杆；2卡爪；3套第一章 数控加工与数控机床活塞10对蝶形弹簧8的压力如果作用在主轴上，并传至主轴的支承，使主轴承受附加的载荷，这样不利于主轴支承的工作。因此采用了卸荷结构，使对蝶形弹簧8的压力转化为内力，
43、不致传递到主轴的支承上去。图1-23为其卸荷结构。第一章 数控加工与数控机床图1-23 卸荷结构1螺母；2箱体；3连接座；4弹簧；5螺钉；6油缸体；7活塞杆；8拉杆；9套环；10垫圈第一章 数控加工与数控机床3.主轴的准停装置主轴的准停装置为了保证刀具在主轴中的准确定位，提高机床的工作效率和自动化程度，多数数控机床具有主轴准停功能。所谓准停，就是当主轴停转进行刀具交换时，主轴需停在一个固定不变的方位上，因而保证主轴端面的键也在一个固定的方位，使刀柄上的键槽能恰好对正端面键。第一章 数控加工与数控机床目前准停装置很多，主要分电气定向式和机械控制式两种形式。(1)电气定向式主轴准停装置。现代的数控
44、机床一般都采用电气定向式主轴准停装置，这种准停装置结构简单，动作迅速、可靠，精度和刚度较高。在主轴上或与主轴有传动联系的传动轴上安装位置编码器或磁性传感器，配合直流或交流调速电机实现纯电气定向准停。电气定向式主轴准停装置的结构原理如图1-24所示。第一章 数控加工与数控机床图1-24 电气定向式主轴准停装置结构原理图1多楔带轮；2磁传感器；3永久磁铁；4垫片；5主轴第一章 数控加工与数控机床(2)机械控制式主轴准停装置。机械控制式主轴准停装置采用机械凸轮机构或光电盘方式进行粗定位，然后由一个液动或气动的定位销插入主轴上的销孔或销槽实现精确定位，完成换刀后定位销退出，主轴才开始旋转。这种传统方法
45、定位比较可靠、精确，但结构复杂，在早期数控机床上使用较多。第一章 数控加工与数控机床四、四、进给系统的机械传动结构进给系统的机械传动结构1.进给运动的要求进给运动的要求数控机床进给系统的机械传动结构，包括引导和支承执行部件的导轨、丝杠螺母副、齿轮齿条副、蜗杆蜗轮副、齿轮或齿链副及其支承部件等。数控机床的进给运动是数字控制的直接对象，不论点位控制还是轮廓控制，被加工工件的最终坐标位置精度和轮廓精度都与其传动结构的几何精度、传动精度、灵敏度和稳定性密切相关。为此，数控机床的进给系统应充分注意减小摩擦阻力，提高传动精度和刚度，减小运动部件惯量等。第一章 数控加工与数控机床1)减小摩擦阻力为了提高数控
46、机床进给系统的快速响应性能和运动精度，必须减小运动件的摩擦阻力和动、静摩擦力之差。为满足上述要求，在数控机床进给系统中，普遍采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、滚动导轨、静压导轨和塑料导轨。在减小摩擦阻力的同时，还必须考虑传动部件要有适当的阻尼，以保证系统的稳定性。第一章 数控加工与数控机床2)提高传动精度和刚度进给传动系统的传动精度和刚度，从机械结构方面考虑，主要取决于传动间隙以及丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副(圆周进给时)及其支承结构的精度和刚度。传动间隙主要来自传动齿轮副、蜗轮蜗杆副、丝杠螺母副及其支承部件之间，应施加预紧力或采取消除间隙的措施。缩短传动链和在传动链中设置减速齿轮，也可提高传动精
47、度。加大丝杠直径，以及对丝杠螺母副、支承部件、丝杠本身施加预紧力，是提高传动刚度的有效措施。刚度不足还会导致工作台(或拖板)产生爬行和振动。第一章 数控加工与数控机床3)减小运动部件惯量运动部件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有影响，尤其是处于高速运转的零部件，其惯量的影响更大。因此，在满足部件强度和刚度的前提下，尽可能减小运动部件的质量，减小旋转零件的直径和质量，以减小运动部件的惯量。第一章 数控加工与数控机床2.电动机与丝杠间的连接电动机与丝杠间的连接数控机床进给传动对位置精度、快速响应性能、调速范围等有较高的要求。实现进给传动的电动机主要有三种：步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动
48、机。目前，步进电动机只用于经济型数控机床，直流伺服电动机在我国正广泛使用，交流伺服电动机作为比较理想的传动元件正逐步替代直流伺服电动机。当数控机床的进给系统采用不同的传动元件时，其传动结构有所不同。电动机与丝杠间的连接主要有三种形式，如图1-25所示。第一章 数控加工与数控机床1)齿轮传动方式 如图1-25(a)所示，数控机床在进给传动装置中一般采用齿轮传动副来达到一定的降速比要求。进给系统采用齿轮传动装置，是为了使丝杠、工作台的惯量在系统中占有较小的比重；同时可使高转速低转矩的伺服驱动装置的输出变为低转速大扭矩，从而适应驱动执行件的需要；另外，在开环系统中还可计算所需的脉冲当量。在设计齿轮传
49、动装置时，除了要考虑满足强度、精度之外，还应考虑其速比分配及传动级数对传动件的转动惯量和执行件的传动的影响。第一章 数控加工与数控机床增加传动级数，可以减小转动惯量，但级数增加，使传动装置结构复杂，降低了传动效率，增大了噪声，同时也加大了传动间隙和摩擦损失，对伺服系统不利。因此，不能单纯根据转动惯量来选取传动级数，要综合考虑，选取最佳的传动级数和各级的速比。齿轮速比分配及传动级数对失动的影响规律为：级数愈多，存在传动间隙的可能性愈大；若传动链中的齿轮速比按递减原则分配，则传动链的起始端的间隙影响较小，末端的间隙影响大。第一章 数控加工与数控机床图1-25 电动机与丝杠的连接形式第一章 数控加工
50、与数控机床2)同步带轮传动形式如图1-25(b)所示，这种连接形式的结构较为简单。同步带传动综合了带传动和链传动的优点，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但只能适用于低扭矩特性要求的场合，安装时对中心距要求严格，带与带轮的制造工艺复杂。第一章 数控加工与数控机床3)联轴器传动形式如图1-25(c)所示，通常电动机轴和丝杠之间采用锥环无键连接或高精度十字连轴器连接，从而使进给传动系统具有较高的传动精度和传动刚度，并大大简化了传动结构。在加工中心和精度较高的数控机床的进给传动中，普遍采用这种连接形式。第一章 数控加工与数控机床3.消除传动齿轮间隙的措施消除传动齿轮间隙的措施齿轮在制造中不可能达到
