數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)及數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)及常見故障分析常見故障分析 主要內(nèi)容主要內(nèi)容一一. .數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成與分類數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成與分類二二. .數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)三三. .數(shù)控車床介紹數(shù)控車床介紹四四. .數(shù)控加工中心和數(shù)控銑床介紹數(shù)控加工中心和數(shù)控銑床介紹五五. .數(shù)控機(jī)床的輔助裝置數(shù)控機(jī)床的輔助裝置一一. .數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成與分類數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成與分類 （一）（一）. .數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成 數(shù)控機(jī)床一般由下列幾個部分組成1.主機(jī) 是數(shù)控機(jī)床的主體，包括床身、立柱、工作臺、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件。2.CNC裝置 （控制裝置） 是數(shù)控機(jī)床的核心，包括硬件和相應(yīng)的軟件等部分。

2、3.驅(qū)動裝置 是數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動部件，包括主軸驅(qū)動單元、進(jìn)給驅(qū)動單元、主軸電機(jī)、進(jìn)給電機(jī)等等。4.數(shù)控機(jī)床的輔助裝置 指數(shù)控機(jī)床的一些必須的配套部件，用以保證數(shù)控機(jī)床的正常運(yùn)行。如液壓和氣動裝置、排屑裝置、交換工作臺、數(shù)控轉(zhuǎn)臺和分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測裝置等立式加工中心主機(jī)床身拖板（床鞍）工作臺 立 柱主軸主軸箱刀庫 臥式加工中心主機(jī)全功能數(shù)控車床主機(jī)全功能數(shù)控車床主機(jī) 床身部件床身部件進(jìn)給絲杠直線導(dǎo)軌組件潤滑系統(tǒng) （二）（二）. .數(shù)控機(jī)床的分類數(shù)控機(jī)床的分類 目前，為了研究數(shù)控機(jī)床，可從不同的角度對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行分類 1.1.按控制系統(tǒng)的特點(diǎn)分類按控制系統(tǒng)的特點(diǎn)分類 1）點(diǎn)位控制數(shù)

3、控 2）直線控制數(shù)控機(jī)床 3）輪廓控制的數(shù)控機(jī)床 2. 2.按照可聯(lián)動（同時控制）軸數(shù)分按照可聯(lián)動（同時控制）軸數(shù)分 按照可聯(lián)動（同時控制）且相互軸數(shù)，可以分為2軸控制、2.5軸控制、3軸控制、4軸控制、5軸控制等。 3. 3.按執(zhí)行機(jī)構(gòu)的伺服系統(tǒng)類型分類按執(zhí)行機(jī)構(gòu)的伺服系統(tǒng)類型分類 1）開環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床 2）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床 3）閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床電機(jī)電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件機(jī)械執(zhí)行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插補(bǔ)指令插補(bǔ)指令脈沖頻率脈沖頻率f脈沖個數(shù)脈沖個數(shù)n換算換算脈沖環(huán)脈沖環(huán)形分配形分配變換變換功率功率放大放大 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖所示，是從驅(qū)動裝置(常用伺

4、服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測，不是直接檢測運(yùn)動部件的實際位置。位置控制調(diào)節(jié)器位置控制調(diào)節(jié)器速度控制速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元檢測與反饋單元位置控制單元位置控制單元速度控制單元速度控制單元+-電機(jī)電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)插補(bǔ)指令指令實際位實際位置反饋置反饋實際速實際速度反饋度反饋 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線所示，直接對運(yùn)動部件的實際位置進(jìn)行檢測。位置控制調(diào)節(jié)位置控制調(diào)節(jié)器器速度控制速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元檢測與反饋單元位置控制單元位置控制單元速度控制單元速度控制單元+-電機(jī)電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)插補(bǔ)指令指令實際

5、實際位置位置反饋反饋實際實際速度速度反饋反饋二二. .數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)（）數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要組成）數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要組成數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)，除機(jī)床基礎(chǔ)件外，由下列各部分組成：數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)，除機(jī)床基礎(chǔ)件外，由下列各部分組成：1.1.主傳動系統(tǒng)；主傳動系統(tǒng)；2.2.進(jìn)給系統(tǒng)；進(jìn)給系統(tǒng)；3.3.實現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)、定位的裝置和附件；實現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)、定位的裝置和附件；4.4.實現(xiàn)某些部件動作和輔助功能的系統(tǒng)和裝置如液壓、氣動、實現(xiàn)某些部件動作和輔助功能的系統(tǒng)和裝置如液壓、氣動、潤滑；冷卻等系統(tǒng)和排屑、防護(hù)等裝置；潤滑；冷卻等系統(tǒng)和排屑、防護(hù)等裝置；5.5.刀架或自動換刀裝置刀

6、架或自動換刀裝置 (ATC)(ATC)；6.6.自動托盤交換裝置自動托盤交換裝置(APC)(APC)；7.7.特殊功能裝置特殊功能裝置 如刀具破損監(jiān)控、精度檢測和監(jiān)控裝置等；如刀具破損監(jiān)控、精度檢測和監(jiān)控裝置等； 8.8.為完成自動化控制功能的各種反饋信號裝置及元件。為完成自動化控制功能的各種反饋信號裝置及元件。 機(jī)床基礎(chǔ)件或稱機(jī)床大件，通常是指床身、底座、立柱、機(jī)床基礎(chǔ)件或稱機(jī)床大件，通常是指床身、底座、立柱、橫梁、滑座、工作臺等。它是整臺機(jī)床的基礎(chǔ)和框架。機(jī)橫梁、滑座、工作臺等。它是整臺機(jī)床的基礎(chǔ)和框架。機(jī)床的其他零、部件，或者固定在基礎(chǔ)件上，或者工作時在它床的其他零、部件，或者固定在基礎(chǔ)

7、件上，或者工作時在它的導(dǎo)軌上運(yùn)動。的導(dǎo)軌上運(yùn)動。 其他機(jī)械結(jié)構(gòu)組成則按機(jī)床的功能需要選用。如一般的其他機(jī)械結(jié)構(gòu)組成則按機(jī)床的功能需要選用。如一般的數(shù)控機(jī)床除基礎(chǔ)件外，還有主傳動系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)以及液壓、數(shù)控機(jī)床除基礎(chǔ)件外，還有主傳動系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)以及液壓、潤滑、冷卻等其他輔助裝置，這是數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本潤滑、冷卻等其他輔助裝置，這是數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成。加工中心則至少還應(yīng)有構(gòu)成。加工中心則至少還應(yīng)有ATCATC，有的還有雙工位，有的還有雙工位APCAPC等。等。柔性制造單元柔性制造單元(FMC)(FMC)除除ATCATC外還帶有工位數(shù)較多的外還帶有工位數(shù)較多的APCAPC，有的甚，有的

8、甚至還配有用于上下料的工業(yè)機(jī)器人。至還配有用于上下料的工業(yè)機(jī)器人。 （二）（二）. .數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1 1）機(jī)床剛度的基本概念）機(jī)床剛度的基本概念 機(jī)床的剛度是機(jī)床的技術(shù)性能之一，它反映了機(jī)床結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。根據(jù)機(jī)床所受載荷性質(zhì)的不同，機(jī)床在靜態(tài)力作用下所表現(xiàn)的剛度稱為機(jī)床的靜剛度；機(jī)床在動態(tài)力作用下所表現(xiàn)的剛度稱為機(jī)床的動剛度。2 2）提高數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)剛度的常用措施）提高數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)剛度的常用措施 （1） 提高機(jī)床構(gòu)件的靜剛度和固有頻率。 常用方法有合理布置的筋板結(jié)構(gòu) ；設(shè)置卸荷裝置來平衡載荷以補(bǔ)償有關(guān)零、部件的靜力變形 ；改善構(gòu)件間的接觸剛度或構(gòu)件與地基聯(lián)

9、結(jié)處的剛度等。（2）改善機(jī)床結(jié)構(gòu)的阻尼特性。 常用方法有大件內(nèi)腔充填泥芯和混凝土等阻尼材料，在振動時利用相對摩擦來耗散振動能量；在大件表面采用阻尼涂層 ；充分利用接合面間的摩擦阻尼；采用新材料和鋼板焊接結(jié)構(gòu)等。 1.1.高剛度和高抗振性高剛度和高抗振性2.2.減少機(jī)床熱變形的影響減少機(jī)床熱變形的影響 機(jī)床的熱學(xué)特性是影響加工精 度的重要因素之一。由于數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度遠(yuǎn)高于普通機(jī)床，而大切削用量產(chǎn)生的熾熱切削對工件和機(jī)床部件的熱傳導(dǎo)影響遠(yuǎn)較普通機(jī)床嚴(yán)重，而熱變形對加工精度的影響往往難以由操作者修正。因此，減少數(shù)控機(jī)床熱變形影響的措施應(yīng)予特別重視。常用的措施有下列幾種： 1 1）改進(jìn)機(jī)床

10、布局和緒構(gòu)設(shè)計）改進(jìn)機(jī)床布局和緒構(gòu)設(shè)計 。 如對熱源來說比較對稱的采用熱對稱結(jié)構(gòu) ；數(shù)控車床采用采用傾斜床身、平床身和斜滑板結(jié)構(gòu) ；某些重型數(shù)控機(jī)床由于結(jié)構(gòu)限制采用熱平衡措施。2 2）控制溫升。）控制溫升。 對機(jī)床發(fā)熱部分（如主軸箱、靜壓導(dǎo)軌液壓油等）采取散熱、風(fēng)冷和液冷等控制溫升的辦法來吸收熱源發(fā)出的熱量，是在各類數(shù)控機(jī)床上使用較多的一種減少熱變形影響的對策。3 3）對切削部位采取強(qiáng)冷措施。）對切削部位采取強(qiáng)冷措施。 在大切削量切削時，落在工作臺、床身等部件上的熾熱切屑量一個重要的熱源?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床，特別是加工中心和數(shù)控車床普遍采用多噴嘴、大流量冷卻液來冷卻并排除這些熾熱的切屑，并對冷卻液用

11、大容量循環(huán)散熱或用冷卻裝置致冷以控制溫升。4 4）熱位移補(bǔ)償。）熱位移補(bǔ)償。 預(yù)測熱變形規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型存入計算機(jī)中進(jìn)行實時補(bǔ)償。熱變形附加修正裝置已在國外產(chǎn)品上作商品供貨。 3.3.傳動系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡化傳動系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡化 數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動系統(tǒng)和進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)分別采數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動系統(tǒng)和進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)分別采用交、直流主軸電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動，這兩類電機(jī)調(diào)用交、直流主軸電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動，這兩類電機(jī)調(diào)速范圍大，并可無級調(diào)速，因此使主軸箱、進(jìn)給變速速范圍大，并可無級調(diào)速，因此使主軸箱、進(jìn)給變速箱及傳動系統(tǒng)大為簡化，箱體結(jié)構(gòu)簡單、齒輪、軸承箱及傳動系統(tǒng)大為簡化，箱體結(jié)構(gòu)簡單、齒輪、軸承和軸類零件數(shù)

12、量大為減少甚至不用齒輪，由電機(jī)直接和軸類零件數(shù)量大為減少甚至不用齒輪，由電機(jī)直接帶動主軸或進(jìn)給滾珠絲杠。帶動主軸或進(jìn)給滾珠絲杠。4.4.高傳動效率和無間隙的傳動裝置和元件高傳動效率和無間隙的傳動裝置和元件 數(shù)控機(jī)床在高進(jìn)給速度下，工作要平穩(wěn)；并有高數(shù)控機(jī)床在高進(jìn)給速度下，工作要平穩(wěn)；并有高的定位精度。因此，對進(jìn)給系統(tǒng)中的機(jī)械傳動裝置和的定位精度。因此，對進(jìn)給系統(tǒng)中的機(jī)械傳動裝置和元件要求具有高壽命、高剛度、無間隙、高靈敏度和元件要求具有高壽命、高剛度、無間隙、高靈敏度和低摩擦阻力的特點(diǎn)。目前數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)中常低摩擦阻力的特點(diǎn)。目前數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)中常用的機(jī)械傳動裝置主要有三種，即滾珠

13、絲杠副，靜壓用的機(jī)械傳動裝置主要有三種，即滾珠絲杠副，靜壓蝸杠蝸杠蝸母條和預(yù)加載荷雙齒輪蝸母條和預(yù)加載荷雙齒輪齒條。齒條。三、數(shù)控機(jī)床常見機(jī)械部件三、數(shù)控機(jī)床常見機(jī)械部件1 1、滾珠絲杠副、滾珠絲杠副2 2、導(dǎo)軌、導(dǎo)軌3 3、主軸部件、主軸部件4 4、軸承、軸承5 5、刀架、刀庫、刀架、刀庫1 1、滾珠絲杠副、滾珠絲杠副 滾珠絲杠副是在絲杠和螺母之間以滾珠為滾動體滾珠絲杠副是在絲杠和螺母之間以滾珠為滾動體的螺旋傳動元件。它由絲桿、螺母、滾珠和滾珠循環(huán)的螺旋傳動元件。它由絲桿、螺母、滾珠和滾珠循環(huán)返回裝置返回裝置 ( (俗稱回珠器俗稱回珠器) )等組成。當(dāng)絲杠和螺母相對運(yùn)等組成。當(dāng)絲杠和螺母相對

14、運(yùn)動時，滾珠沿著絲桿螺旋滾道面滾動，滾動數(shù)圈后離動時，滾珠沿著絲桿螺旋滾道面滾動，滾動數(shù)圈后離開絲桿滾道面，通過循環(huán)返回裝置返回其入口處繼續(xù)開絲桿滾道面，通過循環(huán)返回裝置返回其入口處繼續(xù)參加工作，如此往復(fù)循環(huán)滾動。參加工作，如此往復(fù)循環(huán)滾動。 （1 1）按滾珠循環(huán)方式分）按滾珠循環(huán)方式分分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類。外循環(huán)的回珠器有螺旋槽式和插管式兩種，目前國內(nèi)、外生產(chǎn)廠用插管式的較多，內(nèi)循環(huán)的回珠器有腰形槽嵌塊式反向器和圓柱凸鍵式反向器兩種，目前國內(nèi)、外生產(chǎn)廠用腰形槽嵌塊式的較多。（2 2）按預(yù)加負(fù)載形式分）按預(yù)加負(fù)載形式分，可分為單螺母無預(yù)緊，單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊，單螺母加大鋼球徑向預(yù)緊，雙螺母

15、墊片預(yù)緊、雙螺母齒差預(yù)緊、雙螺母螺紋預(yù)緊6種。 一般在數(shù)控機(jī)床上常用雙螺母墊片式預(yù)緊。1 1）滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)型式）滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)型式（3 3）按精度等級分）按精度等級分我國原機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)JB3162.282分為6級，根據(jù)數(shù)控機(jī)床類別、按機(jī)床精度要求和位置控制系統(tǒng)型式(閉環(huán)、半閉環(huán)、開環(huán))的不同分別選用，數(shù)控機(jī)床中大多用P3、P4，P5等3個等級。滾珠絲杠副與滑動絲杠螺母副比較有很多優(yōu)點(diǎn)滾珠絲杠副與滑動絲杠螺母副比較有很多優(yōu)點(diǎn)（1 1）傳動效率高。）傳動效率高。 滾珠絲杠副的機(jī)械效率可達(dá)90%以上，比梯形滑動絲杠副高24倍左右（2 2）靈敏度高，傳動平穩(wěn)）靈敏度高，傳動平穩(wěn) 。 由于是滾動摩擦

16、，動、靜摩擦系數(shù)相差極小。因此，無論靜止時、還是在低、高速度傳動時摩擦轉(zhuǎn)矩幾乎不變。（3 3）磨損小，壽命長）磨損小，壽命長 。 滾珠絲杠副的主要零件采用優(yōu)質(zhì)合金鋼制成，其滾道表面淬火硬度至HRC6062，并有較低的表面粗糙度，再加上滾動摩擦的磨損很少，因而具有良好的耐磨性，且可高速運(yùn)行。（4 4）可消除軸向間隙，提高軸向剛度。）可消除軸向間隙，提高軸向剛度。 可用多種消除間隙的預(yù)加負(fù)載方法，使反向時無空行程；此外，安裝時給滾珠絲杠預(yù)加拉伸負(fù)載，可提高絲杠的系統(tǒng)剛度和減少滾珠絲杠的熱伸長，因而定位精度高。2 2、低摩擦系數(shù)的導(dǎo)軌、低摩擦系數(shù)的導(dǎo)軌 機(jī)床導(dǎo)軌是機(jī)床基本結(jié)構(gòu)的要素之一。從機(jī)械結(jié)構(gòu)的

17、角度來說，機(jī)床的加工精度和使用壽命很大程度上決定于機(jī)床導(dǎo)軌的質(zhì)量，而對數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌則有更高的要求.如:高速進(jìn)給時不振動，低速進(jìn)給時不爬行，有高的靈敏度，能在重負(fù)載下長期連續(xù)工作，耐磨性要高，精度保持性要好等?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床使用的導(dǎo)軌，從類型來說雖仍是滑動導(dǎo)軌，滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌3種，但在材料和結(jié)構(gòu)上已起了“質(zhì)”的變化，已不同于普通機(jī)床的導(dǎo)軌。1 1）. .貼塑滑動導(dǎo)軌貼塑滑動導(dǎo)軌 傳統(tǒng)的鑄鐵鑄鐵滑動導(dǎo)軌， 除簡易型數(shù)控機(jī)床外， 在其他數(shù)控機(jī)床上已不采用。 取而代之的是鑄鐵塑料或鑲鋼塑料滑動導(dǎo)軌。 塑料導(dǎo)軌常用在導(dǎo)軌副的運(yùn)動導(dǎo)軌上， 與之相配的金屬導(dǎo)軌用鑄鐵或鋼質(zhì)兩種；鑄鐵牌號為止HT30-54

18、，表面淬火硬度至 HRC4550,表面粗糙度磨削至Ra0.200.10 ； 鑲鋼導(dǎo)軌常用 55 號鋼或其他合金鋼； 淬硬至 HRC5862。 導(dǎo)軌塑料常用聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶和環(huán)氧型耐磨導(dǎo)軌涂層兩類。 塑料導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn) （1） 摩擦特性好 鑄鐵淬火鋼導(dǎo)軌副的靜、動摩擦系數(shù)相差較大，幾乎近一倍，而導(dǎo)軌軟帶的靜、動摩擦系數(shù)基本不變。這種良好的摩擦特性能防止低速爬行，使運(yùn)行平穩(wěn)和獲得高的定位精度。 （2） 耐磨性好 除摩擦系數(shù)低外， 導(dǎo)軌軟帶材料中含有青銅、二硫化銅和石墨，因此，本身即具有潤滑作用，對潤滑油的供油量要求不高，采用間歇式供油即可。此外塑料質(zhì)地較軟，即便嵌入金屬碎屑、灰塵等，也不至損傷金屬導(dǎo)

19、軌面和軟帶本身，可延長導(dǎo)軌副的使用壽命。 （3） 減振性好 塑料的阻尼性能好， 其減振消聲的性能對提高摩擦副的相對運(yùn)動速度有很大意義。 （4） 工藝性好 可降低對粘貼塑料的金屬基體的硬度和表面質(zhì)量。而且塑料易于加工(銑、刨、磨、刮)，使導(dǎo)軌副接觸面獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量。 2).2).滾動導(dǎo)軌滾動導(dǎo)軌滾動導(dǎo)軌具有摩擦系數(shù)低(一般在 0.003 左右)，動、靜摩擦系數(shù)相差小，且?guī)缀醪皇苓\(yùn)動速度變化的影響，定位精度和靈敏度高，精度保持性好等優(yōu)點(diǎn)。在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用也較為普遍，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床常用的滾動導(dǎo)軌有兩種。 （1 1）. .滾動導(dǎo)軌塊滾動導(dǎo)軌塊 這是一種滾動體作循環(huán)運(yùn)動的滾動導(dǎo)軌。 移動部件運(yùn)動時，滾

20、動體沿封閉軌道作循環(huán)運(yùn)動，滾動體為滾珠或滾柱。數(shù)控機(jī)床上采用的滾柱式滾動導(dǎo)軌塊如圖所示， 它多用于中等負(fù)荷導(dǎo)軌。滾動導(dǎo)軌塊由專業(yè)廠生產(chǎn)，有各種規(guī)格、型式供用戶選用。使用時，導(dǎo)軌塊裝在運(yùn)動部件上，每一導(dǎo)軌應(yīng)至少用兩塊或更多塊， 導(dǎo)軌塊的數(shù)目取決于導(dǎo)軌的長度和負(fù)載的大小，與之相配的導(dǎo)軌多用鑲鋼淬火導(dǎo)軌。 （2 2）. .直線滾動導(dǎo)軌直線滾動導(dǎo)軌 直線滾動導(dǎo)軌是近年來新出現(xiàn)的一種滾動導(dǎo)軌， 其突出的優(yōu)點(diǎn)為無間隙， 并且能夠施加預(yù)緊力。 這種導(dǎo)軌的外形和結(jié)構(gòu)見圖所示。直線滾動導(dǎo)軌主要由導(dǎo)軌體、滑塊、滾珠、保持器、端蓋等組成。它由生產(chǎn)廠組裝成，故又稱單元式直線滾動導(dǎo)軌。使用時，導(dǎo)軌體固定在不運(yùn)動部件上，

21、滑塊固定在運(yùn)動部件上。 當(dāng)滑塊沿導(dǎo)軌體移動時， 滾珠在導(dǎo)軌體和滑塊之間的圓弧直槽內(nèi)滾動， 并通過端蓋內(nèi)的滾道， 從工作負(fù)荷區(qū)到非工作負(fù)荷區(qū)， 然后再滾動回工作負(fù)荷區(qū)， 不斷循環(huán)， 從而把導(dǎo)軌體和滑塊之間的移動變成了滾珠的滾動。 為防止灰塵和臟物進(jìn)入導(dǎo)軌滾道， 滑塊兩端及下部均裝有塑料密封墊?；瑝K上還有潤滑油柱油杯。 直線滾動導(dǎo)軌副的優(yōu)點(diǎn)直線滾動導(dǎo)軌副的優(yōu)點(diǎn)a. 動、靜摩擦力之差很小，隨動性極好，即驅(qū)動信號與機(jī)械動作滯后的時間間隔極短， 有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的呼應(yīng)速度和靈敏度。 b. 驅(qū)動功率大幅下降， 只相當(dāng)于普通機(jī)床的十分之一。 c. 適應(yīng)高速直線運(yùn)動， 其瞬時速度比滑動導(dǎo)軌提高約 10 倍。

22、 d. 能實現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度。 e. 能實現(xiàn)無間隙運(yùn)動，提高機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動剛度。 f. 成對使用導(dǎo)軌副時，具有“誤差均化效應(yīng)” ，從而降低基礎(chǔ)件（導(dǎo)軌安裝面）的加工精度要求，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計、降低了制造成本和難度。 g. 導(dǎo)軌表面采用硬化處理，使導(dǎo)軌具有良好的可校性，且心部能保持良好的機(jī)械性能。 （3 3）. .靜壓導(dǎo)軌靜壓導(dǎo)軌靜壓導(dǎo)軌是在兩個相對運(yùn)動的導(dǎo)軌面間通入壓力油， 使運(yùn)動件浮起。 工作過程中， 導(dǎo)軌面上油腔中的油壓能隨外加負(fù)載的變化自動調(diào)節(jié)， 以平衡外加負(fù)載， 保證導(dǎo)軌面間始終處于純液體摩擦狀態(tài)。 靜壓導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)極小(約為 0.0005)，功率消耗少。由于系統(tǒng)液體摩

23、擦， 故導(dǎo)軌不會磨損， 因而導(dǎo)軌的精度保持性好，壽命長。油膜厚度幾乎不受速度的影響，油膜承載能力大、剛性高、吸振性良好，導(dǎo)軌運(yùn)行平穩(wěn)，既無爬行，也不會產(chǎn)生振動。 但靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 并需要有一個具有良好過濾效果的液壓裝置，制造成本高。目前，靜壓導(dǎo)軌較多地應(yīng)用于大型、重型數(shù)控機(jī)床上。 靜壓導(dǎo)軌按導(dǎo)軌形式，可分為開式和閉式兩種，數(shù)控機(jī)床用閉式的靜壓導(dǎo)軌。 按供油方式， 可分為恒壓式(即定壓)供油和恒量(即定量)供油兩種。 恒壓供油方式中以毛細(xì)管節(jié)流和單面薄膜反饋節(jié)流用得較多， 但近年來隨著多頭泵技術(shù)的發(fā)展，恒流靜壓導(dǎo)軌在重型數(shù)控機(jī)床上用得越來越普遍。 6.6.能實現(xiàn)工藝復(fù)合化和功能集成化的要求能

24、實現(xiàn)工藝復(fù)合化和功能集成化的要求復(fù)合加工功能、 多功能的結(jié)構(gòu)與裝置的控制都與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)緊密相關(guān)，在應(yīng)用中兩者相互促進(jìn)和不斷發(fā)展。 當(dāng)前， 工藝復(fù)合化和功能集成化的潮流正沿縱向和橫向深入發(fā)展，各種新結(jié)構(gòu)、新機(jī)種不斷出現(xiàn)。在縱向，加工中心、數(shù)控車床及車削中心，正向著高速化、精密化、高效化和柔性化發(fā)展； 在橫向， 復(fù)合加工中心的技術(shù)不僅是加工中心、 車削中心等在同類技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的復(fù)合， 而且正向不同類技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的復(fù)合發(fā)展， 如日本日精樹脂工業(yè)公司已推出可進(jìn)行銑削加工和放電加工的復(fù)合機(jī)床。 三三. .數(shù)控車床數(shù)控車床從總體上來看數(shù)控車床沒有脫離普通車床的結(jié)構(gòu)形式，即由床身、主軸箱、刀架、進(jìn)給系統(tǒng)、液壓

25、、冷卻、潤滑系統(tǒng)等部分組成。由于實現(xiàn)了 CNC，進(jìn)給用伺服電機(jī)驅(qū)動，以連續(xù)控制刀具的縱向(Z 軸)和橫向(X 軸)運(yùn)動，從而完成對各類回轉(zhuǎn)體零件的內(nèi)外型面加工，如車削圓柱、圓錐、圓弧、各類螺紋等。數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)與普通車床的進(jìn)給系統(tǒng)有質(zhì)的區(qū)別，它沒有傳統(tǒng)的走刀箱、溜板箱和掛輪架，而是直接用伺服電機(jī)通過滾珠絲杠驅(qū)動溜板和刀架，實現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動，因而進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大為簡化。數(shù)控車床能加工種類(公制、英制、錐螺紋、端面螺紋、多頭螺紋、變距螺紋等)，這是因為數(shù)控車床采用主軸伺服電機(jī)驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，同時還安裝有與主軸同步運(yùn)轉(zhuǎn)的脈沖編碼器，以便發(fā)出檢測脈沖信號使主軸電機(jī)的旋轉(zhuǎn)與切削進(jìn)給同 步， 這是實現(xiàn)螺紋切

26、削的必要條件。 車削螺紋一般都要 多次走刀才能完成， 為防止亂扣， 脈沖編碼器在發(fā)出進(jìn)給脈沖時， 還要發(fā)出同步脈沖(每轉(zhuǎn)發(fā)一個脈沖)， 以保證每次走刀刀具都在工件的同一點(diǎn)切入。 脈沖編碼器一般不直接安裝在主軸上， 而是通過一對齒輪或同步齒形帶(傳動比 1:1)同主軸聯(lián)系起來。 （一）（一）. .機(jī)床的布局和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)機(jī)床的布局和結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 機(jī)床布局對數(shù)控車床是十分重要的，因為它直接影響影響機(jī)床結(jié)構(gòu)、外觀和使用性能?，F(xiàn)代數(shù)控車床一般都采用機(jī)電一體化的布局形式和封閉式防護(hù)裝置。隨著生產(chǎn)率和自動化程度的提高，數(shù)控車床刀架和導(dǎo)軌的布局便成為突出的問題。 1.1.床身和導(dǎo)軌床身和導(dǎo)軌 按照床身導(dǎo)軌面與水平面

27、的相關(guān)位置，主要可分為平床身、斜床身、平床身斜滑板和立床身 4 種布局形式(見圖)。一般來說，中、小型規(guī)格的數(shù)控車床采用床身和平床身斜滑板居多，少數(shù)也用立床身。只有大型數(shù)控車床或小型精密車床才采用平床身。 水平床身工藝性好， 容易加工制造。 由于刀架水平放置，對提高刀架的運(yùn)動精度有好處。但床身下部空間小，排屑困難。刀架橫向滑板較長，加大了機(jī)床的寬度尺寸，影響外觀。平床身斜滑板結(jié)構(gòu)適用于中、小型數(shù)控車床，其滑板設(shè)計成傾斜式，配置傾斜的導(dǎo)軌防護(hù)罩，這樣，既保持了平床身的工藝性好的優(yōu)點(diǎn)，床身寬度也不會太大，機(jī)床剛度能滿足要求，排屑也方便。斜床身和平床身斜滑板結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代車床中被廣泛應(yīng)用，是因為這種布局

28、形式具有以下特點(diǎn)： 1) 容易實現(xiàn)機(jī)電一體化。 2) 機(jī)床外形簡潔、美觀、占地面積小。 3) 容易實現(xiàn)封閉式防護(hù)。 4) 容易排屑和安裝自動排屑器。 5) 從工件上切下的熾熱鐵屑不致堆積在導(dǎo)軌上。 6) 便于操作，宜人性好； 7) 便于安裝機(jī)械手，實現(xiàn)單機(jī)自動化。 斜床身按導(dǎo)軌的傾斜角度不同，可分為 30、45、60、75和 90(即立式床身)。常用的有 45、60和75。較小的傾斜角宜人性差，排屑不方便。與此相反，較大的傾斜角， 床身導(dǎo)軌導(dǎo)向性能差， 受力情況也不好。 此外，導(dǎo)軌的傾斜角度還影響機(jī)床外形尺寸高度和寬度的比例， 以及刀架重量作用于導(dǎo)軌面垂直分力的大小。 從機(jī)床布局和床身導(dǎo)軌受力

29、情況來看， 中， 小規(guī)格數(shù)控車床床身傾斜角度以60為宜。 2.2.刀架布局刀架布局 刀架是數(shù)控車床的重要部件， 它對機(jī)床整體布局影響很大。兩坐標(biāo)連續(xù)控制的數(shù)控車床，一般都采用 12 工位的回轉(zhuǎn)刀盤(也有采用 6、8、10 工位的)?；剞D(zhuǎn)刀架在機(jī)床上的布局主要有兩種：一種是適用于加工軸類和盤形零件的刀架，其回轉(zhuǎn)軸與主軸平行;另一種是專門用于加工盤類零件的刀架，其回轉(zhuǎn)軸與主軸垂置。 3.3.潤滑系統(tǒng)潤滑系統(tǒng) 潤滑系統(tǒng)對數(shù)控車床的正常運(yùn)行起重要作用。 主軸箱內(nèi)的軸承和傳動齒輪一般都設(shè)有專用油箱， 單獨(dú)供油潤滑， 并帶走部分主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的熱量。 有的機(jī)床由液壓站直接供油潤滑，潤滑油在循環(huán)中經(jīng)過專門

30、設(shè)置的空氣冷卻器冷卻，這不僅改善了潤滑條件，還能降低主軸溫升，減少熱變形。 機(jī)床不同部位需要的潤滑油流量是不同的。 導(dǎo)軌面及滾珠絲杠的潤滑， 一般采用定時供油的潤滑系統(tǒng)， 有自動和手動之分。 4.4.分類分類數(shù)控車床品種繁多， 規(guī)格不一， 可按如下方法進(jìn)行分類。按數(shù)控系統(tǒng)的功能按數(shù)控系統(tǒng)的功能可分為全功能型和經(jīng)濟(jì)型兩種。按主軸按主軸軸線處于水平位置或垂直位置軸線處于水平位置或垂直位置可分為臥式和立式數(shù)控車床。 如果具有兩根主軸則為雙軸(臥式或立式)數(shù)控車床。 一般數(shù)控車床為兩坐標(biāo)控制， 具有兩獨(dú)立回轉(zhuǎn)刀架的數(shù)控車床為 4 軸控制。 車削中心和柔性制造單元則需要增加其它的附加坐標(biāo)軸。 目前應(yīng)用較

31、多的還是中等規(guī)格的兩坐標(biāo)連續(xù)控制數(shù)控車床。 （二）（二）. .機(jī)床的主傳動系統(tǒng)機(jī)床的主傳動系統(tǒng) 1.1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)一般采用直流或交流主軸電機(jī)，通過皮帶傳動和主軸箱內(nèi)的變速齒輪帶動主軸旋轉(zhuǎn)。 由于這種電機(jī)高速范圍廣， 又可以無級調(diào)速， 使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡化。主軸電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時可輸出全部功率和最大轉(zhuǎn)矩，隨著轉(zhuǎn)速的變化，功率和轉(zhuǎn)矩將發(fā)生變化。在調(diào)壓范圍內(nèi)(從額定轉(zhuǎn)速調(diào)到最低轉(zhuǎn)速)為恒轉(zhuǎn)矩， 功率隨轉(zhuǎn)速升高或正比例下降。 在調(diào)速范圍內(nèi)(從額定轉(zhuǎn)速調(diào)到最高轉(zhuǎn)速)為恒功率， 轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高成正比例減小。 這種變化規(guī)律是符合正常加工要求的。 即低速切削所需轉(zhuǎn)矩大， 調(diào)整切削消

32、耗功率大。 由此看出電機(jī)的有效轉(zhuǎn)速范圍并不能完全滿足主軸的工作需要。所以主軸箱一般仍需設(shè)置幾檔變速(24 檔)。機(jī)械變檔一般只需 1。 有些小型的或調(diào)速范圍不需太大的數(shù)控車床， 也常采用電機(jī)直接帶動主軸或用皮帶傳動主軸旋轉(zhuǎn)。 主傳動系統(tǒng)除了滿足主軸轉(zhuǎn)速范圍外， 還需要有較高的精度和剛度， 并盡可能的降低噪聲。 主軸箱的傳動齒輪都要經(jīng)過高頻淬硬，精密磨削。在結(jié)構(gòu)允許條件下，應(yīng)適當(dāng)增加齒輪寬度， 提高齒輪的重疊系數(shù)。 變速的滑移齒輪一般都用花鍵傳動， 采用內(nèi)徑定心。 但側(cè)面定心的花鍵對降低噪聲更為有利，因為這種定心方式傳動間隙小，接觸面積大，但加工這種花鍵需要專門的刀具和花鍵磨床。 皮帶傳動容易產(chǎn)

33、生振動，在皮帶長度不一致的情況下更為嚴(yán)重。因此，在選擇在選擇皮帶時，應(yīng)盡可能縮短皮帶長度。如因結(jié)構(gòu)限制，皮帶長皮帶時，應(yīng)盡可能縮短皮帶長度。如因結(jié)構(gòu)限制，皮帶長度無法縮短，可增設(shè)壓緊輪，將皮帶張緊，以減少振動。度無法縮短，可增設(shè)壓緊輪，將皮帶張緊，以減少振動。采用多楔帶傳動能使傳動更為平衡。采用多楔帶傳動能使傳動更為平衡。 2.2.設(shè)計要點(diǎn)設(shè)計要點(diǎn)為了提高主傳動系統(tǒng)的精度和剛度，降低噪聲，在設(shè)計時，還應(yīng)采取下列措施： 1)提高傳動零件精度。 2)提高傳動軸的剛度，盡可能縮短軸的支承距離。 3)傳動齒輪應(yīng)靠近箱壁支承處，最后一級傳動可用斜齒輪，以增加重疊系數(shù)，使傳動平穩(wěn)。 4)變速齒輪端應(yīng)倒圓

34、高速傳動齒輪的齒形應(yīng)修緣，并提高精度，保持合理的傳動間隙。 5)為了改變振動頻率，有時在齒輪端面留出 1mm 左右的凸臺或鉆幾個孔。以降低噪聲。 6)具備充分的潤滑條件，最好用單獨(dú)油箱供油，進(jìn)行循環(huán)潤滑。 7)主軸支承要選用超精密級軸承，保證前后支承的合理距離。必要時可加長箱體孔內(nèi)壁臍子，縮短前后支承的距離。 8)主軸和其它傳動軸組裝后，要進(jìn)行動平衡試驗。 3.3.主軸結(jié)構(gòu)主軸結(jié)構(gòu)數(shù)控車床的主軸結(jié)構(gòu)一般有一下： 1)前后支承均采用雙列短圓柱滾子軸承來承受徑向負(fù)荷，安裝在前端的兩個推力球軸承用來承受前后方向的軸向負(fù)載(見圖 2-10a)。這種結(jié)構(gòu)能承受較大的負(fù)載（特別是軸向負(fù)載） ，可適應(yīng)強(qiáng)力切

35、削，但主轉(zhuǎn)速不能太高，軸承在高轉(zhuǎn)速時容易發(fā)熱。由于推力球軸承安裝在主軸前端，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時前軸承和后軸承溫度差較大，熱變形對主軸精度影響也較大。前軸承溫度高，主軸前端升高量大，后軸承溫度低，主軸末端升高量小(主軸軸線不是平行升高)，因此，這種結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用較少。 2)前后支承用雙列短圓柱滾子軸承來承受徑向負(fù)荷， 用安裝在主軸前端的雙向向心推力球軸承來承整軸向負(fù)載(見圖 2-101b)。這種結(jié)構(gòu)剛性較好，能進(jìn)行強(qiáng)力切削。適用于中等轉(zhuǎn)速，中、小規(guī)格的數(shù)控車床，一般主軸轉(zhuǎn)速不超過2000r/min。 3)前軸承用單列向心推力球軸承，背靠背安裝，由 23 個軸承組成一套，用以承受徑 向和軸向負(fù)載；后軸承用

36、雙列短圓柱滾子軸承(見圖 2-101c)。這種結(jié)構(gòu)適應(yīng)較高轉(zhuǎn)速、較重切削負(fù)載，主軸精度較好。但所承受的軸向負(fù)載較前兩種結(jié)構(gòu)小。 4)前后支承均采用成組單列向心推力滾球軸承， 用以承受徑向和軸向負(fù)載(見圖 2101d)。這種結(jié)構(gòu)適應(yīng)高轉(zhuǎn)速，中等切削負(fù)載的數(shù)控車床。 在中、 小規(guī)格的數(shù)控車床上采用這種結(jié)構(gòu)較多。 （三）（三）. .進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)給系統(tǒng) 1.1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)是用伺服電機(jī)(直流或交流)驅(qū)動，通過滾珠絲杠帶動刀架完成縱向(Z軸)和橫向(X軸)的進(jìn)給運(yùn)動。其傳動方式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與普通車床、自動和半自動車床截然不同。 由于數(shù)控車床采用了寬調(diào)速伺服電機(jī)及伺服系統(tǒng)，因此進(jìn)給和車

37、螺紋的范圍很大?？焖僖苿雍瓦M(jìn)給傳動均經(jīng)同一傳動路線。一般數(shù)控車床刀架的快速移動速度可達(dá) 1015m/min數(shù)控車床所用的伺服電機(jī)除有較寬的調(diào)速范圍并能無級調(diào)速外，還能實現(xiàn)準(zhǔn)確的定位。在走刀和快速移動下停止，刀架的定位精度和重復(fù)定位精度誤差不超過 0.01mm。進(jìn)給系統(tǒng)的傳動要求準(zhǔn)確，無間隙。因此，伺服電機(jī)與絲杠的連接，絲杠與螺母的配合及支承絲杠兩端的軸承都要消除間隙。如果經(jīng)調(diào)整后，仍有間隙存在，可通過數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行間隙補(bǔ)償，但補(bǔ)償?shù)拈g隙量最好不超過 0.05mm。這主要是考慮 傳動間隙太大對加工精度有影響。特別是在鏡象加工(對稱切削)方式下車削圓弧和錐面時，傳動間隙對精度影響較大。除上述要求外，

38、 進(jìn)給系統(tǒng)的傳動還應(yīng)靈敏和有較高的傳動效率。 2.2.傳動方式及傳動元件傳動方式及傳動元件 中、小型數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)普遍采用滾珠絲杠副傳動。伺服電機(jī)與滾珠絲杠的傳動連接方式有兩種： 1. 滾珠絲杠與伺服電機(jī)軸端用錐環(huán)等聯(lián)軸器直接連接,如下圖， 當(dāng)旋緊聯(lián)接套的壓緊螺栓時， 錐環(huán)(由內(nèi)壞和外環(huán)組成)因其錐面受擠壓而向內(nèi)， 外徑向膨脹，消除配合間隙，并產(chǎn)生接觸壓力以傳遞轉(zhuǎn)矩和軸向力。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，傳動無間隙。 2. 滾珠絲杠與伺服電機(jī)通過齒輪或同步帶輪等間接傳動。因為受空間尺寸的限制，電機(jī)無法與絲杠副直接連接。如下圖 四四. . 加工中心和數(shù)控銑床加工中心和數(shù)控銑床加工中心是一種備有刀庫并能自

39、動更換刀具對工件進(jìn)行多工序加工的數(shù)控機(jī)床。 工件經(jīng)一次裝夾后， 數(shù)控系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序自動選擇和更換刀具； 自動改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給量和刀具相對工件的運(yùn)動軌跡及其它輔助機(jī)能； 依次完成工件幾個面上多工序加工。 由于加工中心能集中完成多種工序， 因而可減少工件裝夾、 測量和機(jī)床的調(diào)整時間，減少工作周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時間，使機(jī)床的切削利用率(切削時間與開機(jī)時間之比)高于普通機(jī)床34倍， 達(dá)80%以上。尤其是在加工形狀比較復(fù)雜、精度要求較高、品種更換頻繁的零件時，更具有良好的經(jīng)濟(jì)效果。 （一）加工中心的結(jié)構(gòu)（一）加工中心的結(jié)構(gòu)1958 年美國的卡尼特雷克公司在一臺數(shù)控鏜床上增加了自動換刀裝置，

40、第一吧問世加工中心至今 50 多年來，出現(xiàn)了各種類型的加工中心，雖然外形結(jié)構(gòu)各異，但從總體結(jié)構(gòu)來看不外乎以下幾大部分組成。 1.1.基礎(chǔ)部件基礎(chǔ)部件 由床身、立柱和工作臺等大件組成。它們是加工中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，這些大件可以是鑄鐵件也可以是焊接的鋼結(jié)構(gòu)件，它們要承受加工中心的靜載荷以及在加工時的切削負(fù)載， 因此必須是剛度很高的部件， 也是加工中心中重量和體積最大的部件。 2.2.主軸部件主軸部件由主軸箱、主軸電機(jī)、主軸和主軸承等零件組成。其啟動， 停止和轉(zhuǎn)速等動作均由數(shù)控系統(tǒng)控制， 并通過裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動， 是切削加工的功率輸出部件。 主軸是加工中心的關(guān)鍵部件， 其結(jié)構(gòu)的好壞， 對加工

41、中心的性能有很大的影響。 3.3.數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)單臺加工中心的數(shù)控部份是由 CNC 裝置、可編程控制器、 伺服驅(qū)動裝置以及電機(jī)等部份組成。 它們是加工中心執(zhí)行順序控制動作和完成加工過程中的控制中心 4.4.自動換刀系統(tǒng)自動換刀系統(tǒng)由刀庫、 機(jī)械手等部件組成。 刀庫是存放加工過程所要使用的全部刀具的裝置。 當(dāng)需要換刀時， 根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的指令， 由機(jī)械手(或通過別的方式)將刀具從刀庫取出裝入主軸孔中。刀庫有盤式，鼓式和鏈?zhǔn)降榷喾N形式，容量從幾把到幾百把。 機(jī)械手結(jié)構(gòu)根據(jù)刀庫與主軸的相對位置及結(jié)構(gòu)不同也有多種形式。如單臂式、雙臂式、回轉(zhuǎn)式和軌道式等等。有的加工中心不用機(jī)械手而利用主軸箱或刀庫的移動

42、來實現(xiàn)換刀的。 5.5.輔助系統(tǒng)輔助系統(tǒng)包括潤滑、冷卻、排屑、防護(hù)、液壓和隨機(jī)檢測系統(tǒng)等部分。 輔助系統(tǒng)雖不直接參與切削運(yùn)動， 但對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）. .加工中心的分類加工中心的分類加工中心通常以主軸在加工時的空間位置分類，分為臥式、立式和萬能(多面)加工中心。 1.1.臥式加工中心臥式加工中心是指主軸軸線水平設(shè)置的加工中心。 臥式加工中心有多種形式， 如固定立柱式或固定工作臺式。 固定立柱式的臥式加工中心的立柱不動， 主軸箱在立柱上做上下移動， 而工作臺可在水平面上做兩個坐標(biāo)移動； 固定工作臺式的臥式加工中心

43、其三個坐標(biāo)的運(yùn)動由立柱和主軸箱的移動來定位， 安裝工件的工作臺是固定不動的(指直線運(yùn)動)。 臥式加工中心一般具有 35 個運(yùn)動坐標(biāo)，常見的是三個直線運(yùn)動坐標(biāo)加一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動坐標(biāo)(回轉(zhuǎn)工作臺)， 它能夠在工作一次裝夾完成除安裝面和頂面以外的四個面的加工，最適合加工箱體類零件。 但是臥式加工中心與立式加工中心相比， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 占地面積大，重量大，價格也高。 2.2.立式加工中心立式加工中心立式加工中心主軸的軸線為垂直設(shè)置， 其結(jié)構(gòu)多為固定立柱式。工作臺為十字滑臺，適合加工盤類零件。一般具有三個直線運(yùn)動坐標(biāo)， 并可在工作臺上安置一個水平軸的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(第四軸)來加工螺旋線類零件。 立式加工中心的結(jié)構(gòu)簡

44、單、占地面積小、價格低。配備各種附件后，可滿足大部分的工作的加工。 大型的龍門式加工中心多為垂直設(shè)置， 尤其適用于大型或形狀復(fù)雜的工作。 像航空、 航天工作及大型汽輪機(jī)上的某些零件的加工都需要用這類的多坐標(biāo)龍門式加工中心。 3.3.五面加工中心五面加工中心這種加工中心具有立式和臥式加工中心的功能， 在工作一次裝夾后， 能完成除安裝面外的所有五個面的加工， 這種加工方式可以使工件的形位誤差降到最低； 省去二次裝夾的工裝，從而提高生產(chǎn)效率，降低加工成本。 常見的五面加工中心有兩個形式，一種是主軸可做 90度旋轉(zhuǎn)， 既可以象臥式加工中心那樣切削， 也可以象立式加工中心那樣切削；另一種工作臺可帶著工件

45、做 90 度旋轉(zhuǎn)，而主軸不改變方向來完成五面加工； 但是無論是哪種形式的五面加工中心都存在著構(gòu)造復(fù)雜、造價高的缺點(diǎn)。 有主軸轉(zhuǎn)位式，也有工作臺轉(zhuǎn)位式。 （三）（三）. .加工中心的主傳動系統(tǒng)加工中心的主傳動系統(tǒng)加工中心的主傳動系統(tǒng)是指將主軸電機(jī)的原動力通過改傳動系統(tǒng)變成可供切削加工用的切削力矩和切削速度。 為適應(yīng)各種不同材料的加工及各種不同的加工方法， 要求加工中心的主傳動系統(tǒng)有較寬的轉(zhuǎn)速范圍及相應(yīng)的輸出力矩。 此外， 由于主軸部件將直接裝夾刀具對工件進(jìn)行切削， 因而對加工質(zhì)量質(zhì)量 （包括加工粗糙度） 及刀具壽命有很大的影響，這就要求主傳動系統(tǒng)具有良好的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)參數(shù)， 并且具有高精度、高

46、剛度、振動小、熱變形及噪聲都能滿足要求的主軸部件。 由于加工中心帶有 ATC，這要求主傳動系統(tǒng)具有可靠的自動定向裝置、刀柄孔清潔裝置及刀具鎖緊松開裝置。 1. 1. 主傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與分類主傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與分類 為了適應(yīng)不同的加工需要， 目前主動傳動系統(tǒng)大致分為三類；一是由電機(jī)直接帶動主軸旋轉(zhuǎn)一是由電機(jī)直接帶動主軸旋轉(zhuǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小， 轉(zhuǎn)換效率高， 但主軸轉(zhuǎn)速的變化及轉(zhuǎn)矩的輸出和電機(jī)的輸出特性完全一致， 因而在使用上受到一定的限制(如圖 1)。二是經(jīng)過一級變速二是經(jīng)過一級變速，目前多用皮帶(同步帶傳動)來完成，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)試方便，且在一定的程度上能滿足轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的輸

47、出要求； 但其調(diào)整范圍比仍與電機(jī)一樣，受電機(jī)調(diào)整范圍比的約束(如圖 2)。三是經(jīng)過二級三是經(jīng)過二級以上的變速以上的變速， 目前多采用齒輪來完成， 其優(yōu)點(diǎn)是能夠滿足各種切削運(yùn)動的轉(zhuǎn)矩輸出， 且具有大范圍的速度變化能力。 但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需增加潤滑及溫度控制系統(tǒng)，成本較高。此外制造與維修也較困難(如圖 3)。 圖二 一級皮帶變速主軸 圖三 齒輪變速主軸 2.2.主傳動系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)參數(shù)主傳動系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)參數(shù) 1 1）. .轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速加工中心在工作中對工件要進(jìn)行鉆、鏜、銑、攻螺紋和鉸孔等加工， 有時甚至要進(jìn)行磨削加工， 因此要求主軸具有較寬的轉(zhuǎn)速范圍。 如果對各種加工工序進(jìn)行主軸傳動系的轉(zhuǎn)速功率分析，

48、就會發(fā)現(xiàn)， 在較低轉(zhuǎn)速下經(jīng)常使用的是攻螺紋、 鉸孔或部分精加工工序， 這些工序相對來說需要的輸出功率較小， 因此主軸在低速區(qū)需要較大的恒轉(zhuǎn)矩輸出。 主軸自某一轉(zhuǎn)速起至最高轉(zhuǎn)速止則為恒功率輸出， 在這個工作區(qū)內(nèi)， 任何轉(zhuǎn)速都能傳遞全部功率， 而轉(zhuǎn)矩的輸出則隨轉(zhuǎn)速的增加而減少。 恒轉(zhuǎn)矩輸出與恒功率輸出的交界點(diǎn)的轉(zhuǎn)速稱為計算轉(zhuǎn)速(上圖中 nj 點(diǎn)的轉(zhuǎn)速)， 也就是說計算轉(zhuǎn)速是傳動系統(tǒng)傳遞全部主軸電機(jī)功率時的最低轉(zhuǎn)速。 所以對于加工中心的設(shè)計者來說， 要將加工中心的加工能力(輸出轉(zhuǎn)矩及功率曲線形式的覆蓋面)劃定一定的范圍， 然后依據(jù)所需要的功率轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線覆蓋范圍決定采用何種主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。對加工中心

49、的用戶來說，是要根據(jù)所要加工的工件類型選擇能滿足功率轉(zhuǎn)矩輸出要求的機(jī)床。由于電子技術(shù)的發(fā)展，目前所用的主軸電機(jī)的調(diào)速比都達(dá)到或超過 1:100，所以目前多數(shù)加工中心的主傳動變速不超過二級，與過去復(fù)雜的主傳動系統(tǒng)相比，機(jī)械大大簡化，制造與維修也更方便，使機(jī)床在機(jī)械結(jié)構(gòu)上朝著優(yōu)化的方向前進(jìn)了一步，在一定的程序上也使機(jī)床設(shè)計進(jìn)入了一個新的階段。 2).2).回轉(zhuǎn)精度回轉(zhuǎn)精度當(dāng)主軸作回轉(zhuǎn)運(yùn)動時， 線速度為零的點(diǎn)的連線稱為主軸的回轉(zhuǎn)中心線， 回轉(zhuǎn)中心線的空間位置， 在理想的情況下是固定不變的。實際上，由于各種原因的影響，回轉(zhuǎn)中心線的空間位置每一瞬間都是變化的， 這些瞬時回轉(zhuǎn)中心線的平均空間位稱為理想回轉(zhuǎn)

50、中心線。 瞬時回轉(zhuǎn)中心線相對于理想回轉(zhuǎn)中心線在空間的位置距離，就是主軸回轉(zhuǎn)誤差， 而回轉(zhuǎn)誤差的范圍， 就是主軸的回轉(zhuǎn)精度。 回轉(zhuǎn)誤差的基本形式為純徑向誤差、角度誤差和軸向誤差，它們很少單獨(dú)存在。當(dāng)純徑向誤差和角度誤差同時存在時， 構(gòu)成徑向跳動， 而軸向誤 差和角度誤差。這兩種誤差出現(xiàn)的頻率(周期)可分為周期性和隨機(jī)性兩種。 周期性誤差主要造成被加工工件的形狀誤差和波紋度，其值大約為空載測得值的 70%80%，而隨機(jī)誤差則主要影響被加工工件的表面粗糙度。 這種方法由于不能在工作轉(zhuǎn)速下測量，而且其誤差包括了檢棒的誤差及檢棒的安裝誤差，因此不能真正的反映主軸在工作時的情況。但是由于這種方法簡單，在裝

51、配現(xiàn)場易于實現(xiàn)；而且當(dāng)主軸在徑向和軸向剛度較大時，此種方法一定程度上可以說明主軸的回轉(zhuǎn)精度。所以，在我國加工中心的出廠檢驗中，大部分仍采用這種方法。 動態(tài)測量，是用一標(biāo)準(zhǔn)球裝在主軸中心線上，與主軸同時旋轉(zhuǎn)； 在工作臺上安裝兩個互相成 90角的非接觸傳感器，通過儀器記錄回轉(zhuǎn)情況。 間接測量是用小的切削量加工有然金屬試件，然后在圓度儀上測量試件的圓度來評價。 目前出廠時，普通級加工中心的回轉(zhuǎn)精度用靜態(tài)法測量，當(dāng) L300mm 時允差應(yīng)小于 0.02mm。 造成主軸回轉(zhuǎn)精度的主要原因在于主軸的結(jié)構(gòu)及其加工精度， 主軸承的選用及剛度等， 而主軸及其回轉(zhuǎn)零件的不平衡，在回轉(zhuǎn)時引起的激振力，也會造成主軸的

52、回轉(zhuǎn)誤差。因此，加工中心的主軸不平衡量一般要控制在 0.4mm/s 以下。 3.3.主傳動系統(tǒng)的動力學(xué)參數(shù)主傳動系統(tǒng)的動力學(xué)參數(shù)主軸傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩或功率的傳遞是通過電機(jī)變速機(jī)構(gòu)主軸刀具這樣一個傳動鏈完成的。目前電機(jī)絕大多數(shù)采用直流或交流的主軸電機(jī)，變速機(jī)構(gòu)的動力學(xué)參數(shù)與一般機(jī)床的原理是一樣的，在結(jié)構(gòu)上甚至還更簡單一些。單級變速多用同步齒形帶；二級以上的變速主要采用齒輪，變速的方法多用動力缸(液壓或氣動)來帶動拔叉進(jìn)行變速。由于電機(jī)本身可以用很大的調(diào)整范圍，因此，變速檔次不需很多；使用中，變速的頻率也不是很高。 主傳動系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)在工作時，除了要傳遞功率，還要保證在切削運(yùn)動中進(jìn)行高質(zhì)量加工，這

53、就要求直接帶動刀具的主軸部件能有力地和平穩(wěn)地進(jìn)行工作；也就是說，主傳動系統(tǒng)的動力特性應(yīng)該保證原動力的功率以最小的損耗傳遞到切削刀具上，同時保證在一定的功率輸出下，平衡地、高精度地進(jìn)行切削。 1 1）. .靜剛度靜剛度靜剛度是指主軸抵抗靜態(tài)外力引起變形的能力。在主傳動系中，主軸及主軸軸承的綜合剛度對加工中心的性能及加工精度都有影響，如剛度不足則會造成加工件的尺寸誤差和形狀誤差，影響齒輪及軸承的工作性能及壽命，引起切削過程不穩(wěn)，發(fā)生振顫，降低加工質(zhì)量，限制了機(jī)床功率的充分利用，從而影響切削生產(chǎn)率。 影響主軸靜剛度的主要因素有：主軸的直徑、支承間的距離及工作端的懸伸量；軸承的徑向剛度和角剛度；傳動件

54、所處的位置及動力、切削力的相對作用方向等。所以要提高靜剛度就要對上述幾個因素進(jìn)行選擇，選擇的方法可按整機(jī)剛度的比例指標(biāo)或依據(jù)加工精度要求來計算，計算方法與普通機(jī)床類似，可參照機(jī)床設(shè)計的參考書。 2 2）. .抗振性抗振性加工中心在工作時，通過主傳動系統(tǒng)的運(yùn)動，電機(jī)的功率被傳遞到主軸上的刀具上，在切削過程中，不僅有靜態(tài)力的作用，同時還受到由于斷續(xù)切削、加工余量變化、運(yùn)動部件的不平衡、零件在加工或裝配時的缺陷及在切削過程中的再生自振等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，從而使主軸產(chǎn)生振動，降低加工精度，影響表面粗糙度，嚴(yán)重的甚至可能破壞刀具或主傳動系統(tǒng)為的零件，使其無法工作。因此在主傳動系統(tǒng)中的各個主

55、要零部件不但要有具有一定的靜剛度，而且要求要有足夠的抑制各種干擾力引起振動的能力抗振力?？拐窳τ脛觿偠然騽尤岫葋砗饬?。要想有一個抗振性能好的主軸部件，則必須使動剛度的值較大，即應(yīng)盡量使阻尼比、當(dāng)量靜剛度或固有頻率的值較高。那么在設(shè)計加工中心的主軸傳動系統(tǒng)時，要注意選擇上述幾個參數(shù)的合理關(guān)系；而在使用時要選擇切削參數(shù)，不要在低動剛度下切削，以免產(chǎn)生可能的共振，造成損失。 3 3）. .熱穩(wěn)定熱穩(wěn)定在主傳動系統(tǒng)中，工作時產(chǎn)生的熱因素是較多的，例如：主電機(jī)的運(yùn)行、傳動部件(皮帶、齒輪)的摩擦、主軸軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)、通過刀具傳來的切削熱等，這些熱量使主軸軸承和主軸的變形引起配合間隙變化和主軸與加工件的空間位

56、置和精度變化，造成加工誤差，嚴(yán)重時影響到加工中心的使用。衡量熱穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)是達(dá)到熱平衡的時間及溫升。當(dāng)主傳動系統(tǒng)在工作時，發(fā)熱量和接受到的熱量等于散射到周圍環(huán)境和傳到其它部件去的熱量時，即為熱平衡狀態(tài)(一般以溫度變化小于 35/h 時作為檢測時的界限)。而達(dá)到這種狀態(tài)所需的時間，一般的加工中心在 120min 以內(nèi)，通常其溫升不超過 35。這一數(shù)值是表面積、表面散熱系數(shù)、比熱、質(zhì)量及工作環(huán)境溫度的函數(shù)。從工件尺寸精度的一致性和加工中心的加工精度及安裝調(diào)試的方便角度來 說， 熱平衡的時間短一些和溫升值小些為好， 因為在穩(wěn)定的溫度下加工出來的工件尺寸也較穩(wěn)定， 而低的溫升值使主軸軸承在裝配時能更接近

57、工作狀態(tài)，主軸也易于調(diào)整。 4.4.主傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件主傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件加工中心的主傳動系統(tǒng)一般都設(shè)計成一個主軸箱， 它主要包括主軸電機(jī)、傳動裝置、主軸、主軸軸承，主軸定向裝置、拉刀裝置及清潔、潤滑和冷卻裝置等，其中主軸電機(jī)，潤滑和冷卻裝置等， 在機(jī)床附件內(nèi)另有敘述。 而傳動裝置中用的齒輪、三角帶及聯(lián)軸節(jié)與普通機(jī)床中使用情況基本相似。這里主要介紹主軸軸承、同步傳動帶、主軸定向和拉刀裝置。 1 1）. .主軸軸承主軸軸承加工中心的主軸軸承絕大多數(shù)采用滾動軸承。滾動軸承一般采用二個或三個角接觸球軸承組成或用角接觸軸承與圓柱滾子軸承組成。這種軸承經(jīng)過預(yù)緊后可得到較高的剛度，所以在中、小型加工

58、中心上多用角接觸球軸承的組合。只有當(dāng)要求很大的剛性時，才采用圓柱滾子軸承和雙向推力球軸承的組合。但這時要受極限轉(zhuǎn)速的限制，因此使用轉(zhuǎn)速不能過高。由于這種軸承的發(fā)熱較多，有時需配備潤滑油恒溫裝置，提高了成本，也使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。常用角接觸球軸承的組合形式由 2 個、3 個或 4 個軸承組成，有的還在軸承間加隔套來提高剛度和精度。 當(dāng)使用滾動軸承時， 為了簡化結(jié)構(gòu)， 降低成本和方便使用， 多采用脂潤滑， 但其極限 dn 值 d 為軸承平均直徑(mm)，n 為軸承每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)為 80410。如要進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速就要采用油氣潤滑或噴油潤滑， 或采用陶瓷滾珠。 陶瓷滾珠在脂潤滑的情況下 dn 值可達(dá) 1204

59、10。 陶瓷滾珠軸承的特點(diǎn)是：a.由于滾珠重量輕，離心力小，動摩擦力矩減小。 b.因溫升引起的熱膨脹小，使軸承的預(yù)緊力穩(wěn)定。 c.彈性變形量小，剛度高，壽命長。 上述特點(diǎn)為加工中心向高速主軸的方向發(fā)展提供了良好的條件。 雖然目前因成本較高還未普及使用， 但隨著材料工 業(yè)的發(fā)展， 制造成本的降低， 今后一定會在高速主軸上廣泛應(yīng)用。 2 2）. .傳動帶傳動帶帶傳動是一種傳統(tǒng)的傳動方式， 常見的類型有 V 帶、 平帶、 多楔帶和齒形帶。 由于加工中心換刀系統(tǒng)要求主軸準(zhǔn)備定向， 因此常用多楔帶和齒形帶； 而在加工中心的伺服進(jìn)給傳動中，有時也和齒形帶。 多楔帶又稱復(fù)合三角帶，綜合了三角帶和平皮帶的優(yōu)點(diǎn)

60、，運(yùn)轉(zhuǎn) 時振動小，發(fā)熱少，運(yùn)轉(zhuǎn)平衡，重量輕，因此可在 40m/s 的線速度下使用。 此外， 多楔帶與帶輪不會產(chǎn)生打滑，而傳功率比三角帶大 29% 30%。因此能夠滿足加工中心傳動要求的高速、 大轉(zhuǎn)矩和不打滑的條件。 楔帶安裝時需要較大的張緊力， 使得主軸和電機(jī)承受較大的徑向負(fù)載。 這是多楔帶的一大缺點(diǎn)。 多楔帶 同步帶輪 齒形帶又稱為同步齒形帶， 根據(jù)齒形不同又分為梯形齒同步帶和圓弧齒同步帶， 梯形齒同步帶在傳遞功率時由于應(yīng)力集中在齒根部位，使功率傳遞能力下降。同時由于與帶輪是圓弧形接觸，當(dāng)小帶輪直徑較小時，將使齒形變形，影響與帶輪齒的嚙合，不僅受力情況不好，而且在速度很高時，會產(chǎn)生較大的噪聲