第 二 章 數(shù) 控 機(jī) 床 的 結(jié) 構(gòu) 模 塊 2： 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 一 、 數(shù) 控 機(jī) 床 結(jié) 構(gòu) 要 求 與 總 體 布 局二 、 數(shù) 控 機(jī) 床 主 運(yùn) 動 的 特 點(diǎn)三 、 數(shù) 控 機(jī) 床 主 軸 的 變 速 方 式四 、 主 軸 部 件 本 章 內(nèi) 容 一、數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)要求 機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的主體部分。來自于數(shù)控裝置的各種運(yùn)動和動作指令，都必須由機(jī)床本體轉(zhuǎn)換成真實(shí)的、準(zhǔn)確的機(jī)械運(yùn)動和動作，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的功能，并保證數(shù)控機(jī)床的性能要求。數(shù)控機(jī)床的機(jī)床本體由下列各部分組成：（1）主傳動系統(tǒng)，其功用是實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動（2）進(jìn)給系統(tǒng) ，其功用是實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動（3）機(jī)床基礎(chǔ)件，通常指床身、底座、立柱、滑座、工作臺等。其功用是支承機(jī)床本體的零、部件，并保證這些零、部件在切削加工過程中占有的準(zhǔn)確位置。 （4）實(shí)現(xiàn)某些部件動作和某些輔助功能的裝置，如液壓、氣動、潤滑、冷卻以及防護(hù)、排屑等裝置。 （5）實(shí)現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)、分度定位的裝置和附件，如回轉(zhuǎn)工作臺。 （6）刀庫、刀架和自動換刀裝置 （7）自動托盤交換裝置 （8）特殊功能裝置，如刀具破損檢測、精度檢測和監(jiān)控裝置等。 其中，機(jī)床基礎(chǔ)件、主傳動系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)以及液壓、潤滑、冷卻等輔助裝置是構(gòu)成數(shù)控機(jī)床的機(jī)床本體的基本部件，其他部件則按數(shù)控機(jī)床的功能和需要選用。 盡管數(shù)控機(jī)床的機(jī)床本體的基本構(gòu)成與傳統(tǒng)的機(jī)床十分相似，但由于數(shù)控機(jī)床在功能和性能上的要求與傳統(tǒng)機(jī)床存在著巨大的差距，所以數(shù)控機(jī)床的機(jī)床本體在總體布局、結(jié)構(gòu)、性能上與傳統(tǒng)機(jī)床有許多明顯的差異。 數(shù)控技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展及在機(jī)床上的應(yīng)用，為數(shù)控機(jī)床的自動化、高精度、高效率提供了可能性，但要將可能性變成現(xiàn)實(shí)，則必須要求數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的特性才能保證。這些特征包括結(jié)構(gòu)的靜剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性、低速運(yùn)動的平穩(wěn)性及運(yùn)動時的摩擦特性、幾何精度、傳動精度等。 1、提高機(jī)床結(jié)構(gòu)的靜剛度 機(jī)床結(jié)構(gòu)的靜剛度是指在切削力和其他力的作用下，機(jī)床抵抗變形的能力。 有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)控機(jī)床的剛度系數(shù)應(yīng)比類似的普通機(jī)床高50%。 1）合理設(shè)計基礎(chǔ)件的截面形狀和尺寸 機(jī)床在外力的作用下，各基礎(chǔ)件將承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，其彎曲和扭轉(zhuǎn)變形的大小則取決于基礎(chǔ)件的截面抗彎和抗扭慣性矩，抗彎、抗扭慣性矩大，變形則小，剛度就高。 教材p56表3-1列出了在截面積相同（即重量相同）時，不同截面形狀和尺寸的慣性矩。 由表中數(shù)據(jù)可知：在形狀和截面積相同時，減小壁厚，加大截面輪廓尺寸，可大大增加剛度；封閉截面的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不封閉截面的剛度；圓形截面的抗扭剛度高于方形截面，抗彎剛度則低于方形截面；矩形截面在尺寸大的方向具有很高的抗彎剛度。 2）采用合理的結(jié)構(gòu)布局，改善機(jī)床的受力狀態(tài)，提高機(jī)床的靜剛度 如教材P59圖3-4所示 3）采取補(bǔ)償構(gòu)件變形的結(jié)構(gòu)措施 在外力作用下，機(jī)床的變形是不可避免的，如果能采取措施使變形對加工精度的影響減小，其結(jié)果相當(dāng)于提高了機(jī)床的剛度。依照這一思路，產(chǎn)生了許多補(bǔ)償有關(guān)零、部件的靜力變形的方法，這種方法普遍用于補(bǔ)償因自重而引起的靜力變形。如教材P60圖3-6所示。 2、提高機(jī)床結(jié)構(gòu)的抗振性 機(jī)床的振動會在被加工工件表面留下振紋，影響工件的表面質(zhì)量，嚴(yán)重時則使加工過程難以進(jìn)行下去。機(jī)床加工時可能產(chǎn)生兩種形式的振動：強(qiáng)迫振動和自激振動。機(jī)床的抗振性指的是抵抗這兩種振動的能力。 提高機(jī)床結(jié)構(gòu)抗振性的措施： P62 3、減小機(jī)床的熱變形熱膨脹是各種金屬和非金屬材料的固有特性。機(jī)床在工作時，有許多部件和部位會產(chǎn)生大量熱量，如電機(jī)、滾動軸承、切屑以及刀具與工件的切削部位、液壓系統(tǒng)等。這些產(chǎn)生熱量的部件和部位稱為熱源。熱源產(chǎn)生的熱量通過傳導(dǎo)、對流、輻射傳遞給機(jī)床的各個部件，引起溫升，產(chǎn)生膨脹。由于熱源分布不均勻，各熱源產(chǎn)生的熱量不等，零部件各處質(zhì)量不均勻，形成機(jī)床各部位溫升不一致，從而產(chǎn)生不均勻的溫度場合不均與的熱膨脹變形，以致破壞刀具與工件的正確相對位置，影響加工精度。 4、改善運(yùn)動導(dǎo)軌副的摩擦特性機(jī)床導(dǎo)軌是機(jī)床基本結(jié)構(gòu)的要素之一。機(jī)床的加工精度和使用壽命很大程度上取決于機(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，能在重載下長期連續(xù)工作；耐磨性要高，精度保持性要好等。這些都與導(dǎo)軌副的摩擦特性有關(guān)，要求摩擦系數(shù)小，靜、動摩擦系數(shù)之差小?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床采用的導(dǎo)軌主要由塑料滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。 二、數(shù)控機(jī)床的總體布局|數(shù)控車床的常用布局形式|臥式數(shù)控鏜銑床（臥式加工中心）的常用布局形式 |立式數(shù)控鏜銑床（立式加工中心）的常用布局形式|數(shù)控機(jī)床交換工作臺的布局|高速加工數(shù)控機(jī)床的特殊布局 |虛擬軸機(jī)床 1、數(shù)控車床的常用布局形式平床身斜床身立式床身 圖2-1 數(shù)控車床的三種常用布局(a)平床身布局(b)斜床身布局(c)立式床身布局| 常用布局形式 這三種布局方式各有特點(diǎn)，一般經(jīng)濟(jì)型、普及型數(shù)控車床以及數(shù)控化改造的車床，大都采用平床身；性能要求較高的中、小規(guī)格數(shù)控車床采用斜床身（有的機(jī)床是用平床身斜滑板）；大型數(shù)控車床或精密數(shù)控車床采用立式床身。 1）水平床身水平床身的工藝性好，便于導(dǎo)軌面的加工。水平床身配上水平放置的刀架可提高刀架的運(yùn)動精度，一般可用于大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床的布局。但是水平床身由于下部空間下，故排屑困難。從結(jié)構(gòu)尺寸上看，刀架水平放置使得滑板橫向尺寸較長，從而加大了機(jī)床寬度方向的結(jié)構(gòu)尺寸。如下圖所示： 2）斜床身 水平床身配置傾斜放置的滑板，并配置傾斜式導(dǎo)軌防護(hù)罩，這種布局形式一方面有水平床身工藝性好的特點(diǎn)，另一方面機(jī)床寬度方向的尺寸較水平配置滑板的要小，且排屑方便。水平床身配上傾斜放置的滑板和斜床身配置斜滑板布局形式被中、小型數(shù)控車床所普遍采用。此兩種布局形式的特點(diǎn)是排屑容易，熱鐵屑不會堆積在導(dǎo)軌上，也便于安裝自動排屑器；操作方便，易于安裝機(jī)械手，以實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動化；機(jī)床占地面積小，外形簡單、美觀，容易實(shí)現(xiàn)封閉式防護(hù)。 斜床身其導(dǎo)軌傾斜的角度分別為30、45、60、75和90（稱為立式床身）。若傾斜角度小，排屑不便；若傾斜角度大，導(dǎo)軌的導(dǎo)向性差，受力情況也差。導(dǎo)軌傾斜角度的大小還會直接影響機(jī)床外形尺寸高度與寬度的比例。綜合考慮上面的因素，中小規(guī)格的數(shù)控車床其床身的傾斜角度以60為宜。 2、臥式數(shù)控鏜銑床（臥式加工中心）的常用布局形式 臥式數(shù)控鏜銑床（臥式加工中心）的布局形式種類較多，其主要區(qū)別在于立柱的結(jié)構(gòu)形式和X、Z坐標(biāo)軸的移動方式上（Y軸移動方式無區(qū)別）。 單立柱框架結(jié)構(gòu)雙立柱圖2-2臥式數(shù)控鏜銑床（臥式加工中心）常見的布局形式|常用的立柱 Z坐標(biāo)軸的移動方式有工作臺移動式（圖2-2a、b）和立柱移動式（圖2-2c）兩種。以上基本形式通過不同組合，還可以派生其他多種變形，如X、Z兩軸都采用立柱移動，工作臺完全固定的結(jié)構(gòu)形式；或X軸為立柱移動、Z軸為工作臺移動的結(jié)構(gòu)形式等。 圖2-2 臥式數(shù)控鏜銑床（臥式加工中心）的 常用布局形式 在圖2-2所示的三種中、小規(guī)格臥式數(shù)控鏜銑床（臥式加工中心）常見的布局形式中，圖2-2a所示的結(jié)構(gòu)形式和傳統(tǒng)的臥式鏜床相同，多見于早期的數(shù)控機(jī)床或數(shù)控化改造的機(jī)床；圖2-2b所示的采用了框架結(jié)構(gòu)雙立柱、Z軸工作臺移動式布局，為中、小規(guī)格臥式數(shù)控機(jī)床常用的結(jié)構(gòu)形式。圖2-2c所示的采用了T形床身、框架結(jié)構(gòu)雙立柱、立柱移動式（Z軸）布局，為臥式數(shù)控機(jī)床典型結(jié)構(gòu)。 框架結(jié)構(gòu)雙立柱采用了對稱結(jié)構(gòu)，主軸箱在兩立柱中間上、下運(yùn)動，與傳統(tǒng)的主軸箱側(cè)掛式結(jié)構(gòu)相比，大大提高了結(jié)構(gòu)剛度。另外，主軸箱是從左、右兩導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)進(jìn)行定位，熱變形產(chǎn)生的主軸軸線變位被限制在垂直方向上，因此，可以通過對Y軸的補(bǔ)償，減小熱變形的影響。 2.2.2臥式數(shù)控鏜銑床（臥式加工中心）的常用布局形式 T形床身布局可以使工作臺沿床身做X 方向移動時，在全行程范圍內(nèi)，工作臺和工件完全支承在床身上，因此，機(jī)床剛性好，工作臺承載能力強(qiáng)，加工精度容易得到保證。而且，這種結(jié)構(gòu)可以很方便地增加X軸行程，便于機(jī)床品種的系列化、零部件的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化。 立柱移動式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：首先，這種形式減少了機(jī)床的結(jié)構(gòu)層次，使床身上只有回轉(zhuǎn)工作臺、工作臺，共三層結(jié)構(gòu)，它比傳統(tǒng)的四層十字工作臺，更容易保證大件結(jié)構(gòu)剛性；同時又降低了工件的裝卸高度，提高了操作性能。其次，Z軸的移動在后床身上進(jìn)行，進(jìn)給力與軸向切削力在同一平面內(nèi)，承受的扭曲力小，鏜孔和銑削精度高。此外，由于Z軸的導(dǎo)軌的承重是固定不變的，它不隨工件重量改變而改變，因此有利于提高Z軸的定位精度和精度的穩(wěn)定性。但是，由于Z軸承載較重，對提高Z軸的快速性不利， 這是其不足之處。 3、立式數(shù)控鏜銑床（立式加工中心）的常用布局形式 立式數(shù)控鏜銑床（立式加工中心）的布局形式與臥式數(shù)控鏜銑床類似，圖2-3所示的是三種常見布局形式。 這三種布局形式中，圖2-3a所示的結(jié)構(gòu)形式是常見的工作臺移動式數(shù)控鏜銑床（立式加工中心）的布局，為中、小規(guī)格機(jī)床的常用結(jié)構(gòu)形式；圖2-3C所示的采用了T形床身，X、Y、Z三軸都是立柱移動式的布局，多見于長床身（大X軸行程）或采用交換工作臺的立式數(shù)控機(jī)床。這三種布局形式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基本和臥式數(shù)控鏜銑床（臥式加工中心）的對應(yīng)結(jié)構(gòu)相同。 同樣，以上基本形式通過不同組合，還可以派生其他多種變形，如X、Z兩軸都采用立柱移動、工作臺完全固定的結(jié)構(gòu)形式， 或X軸為立柱移動、Z軸為工作臺移動的結(jié)構(gòu)形式等等。圖2-3立式數(shù)控鏜銑床（立式加工中心）常見的布局形式 圖2-3立式數(shù)控鏜銑床（立式加工中心）的常用布局形式 4、數(shù)控機(jī)床交換工作臺的布局 為了提高數(shù)控機(jī)床的加工效率，在加工中心上經(jīng)常采用雙交換工作臺，進(jìn)行工件的自動交換，以進(jìn)一步縮短輔助加工時間，提高機(jī)床效率。 圖2-4a是移動式雙交換工作臺布局圖，用于工作臺移動式加工中心。對于圖示的初始狀態(tài)，其工作過程是：首先在工位工作臺上裝上工件，交換開始后，X軸自動運(yùn)動到工位的位置，并松開工作臺夾緊機(jī)構(gòu)；交換機(jī)構(gòu)通過液壓缸或輔助電動機(jī)將機(jī)床上的工作臺拉到工位上；X軸再自動運(yùn)動到工位的位置，交換機(jī)構(gòu)將裝有工件的工位工作臺送到機(jī)床上，并夾緊。在機(jī)床進(jìn)行工件加工的同時，操作者可以在工位裝卸工件，準(zhǔn)備第二次交換。這樣就使得工件的裝卸和機(jī)床加工可以同時進(jìn)行，節(jié)省了加工輔助時間，提高了機(jī)床的效率。圖2-4所示的是兩種常見的雙交換工作臺布局形式 4、數(shù)控機(jī)床交換工作臺的布局 圖2-4b 是回轉(zhuǎn)式雙交換工作臺布局圖，用于立柱移動式加工中心。其工作過程是：首先在工位（裝卸工位）工作臺上裝上工件，交換開始后，工位（加工工位）的工作臺夾緊機(jī)構(gòu)自動松開；交換回轉(zhuǎn)臺抬起，進(jìn)行180 回轉(zhuǎn)，將工位上工作臺轉(zhuǎn)到工位的位置，并夾緊。在機(jī)床進(jìn)行工件加工的同時，操作者可以在工位裝卸工件，準(zhǔn)備第二次交換。 回轉(zhuǎn)式雙交換工作臺的優(yōu)點(diǎn)是交換速度快，定位精度高；對冷卻、切屑的防護(hù)容易；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，占地面積大。 4、數(shù)控機(jī)床交換工作臺的布局 此外，還有一種通過雙工作區(qū)，進(jìn)行工件交換的布局形式（如圖2-5所示），多用于長床身（X軸行程在1500mm以上），且X、Y、Z三軸都是立柱移動式的加工中心上。它的基本結(jié)構(gòu)和立柱移動式機(jī)床完全相同，區(qū)別僅在于利用中間防護(hù)，使機(jī)床原工作臺分成了兩個相對獨(dú)立的操作區(qū)域。其工作過程是：立柱首先運(yùn)動到區(qū)，對安裝在該區(qū)的零件進(jìn)行正常加工；與此同時，操作者可以在區(qū)裝卸工件。在區(qū)的零件加工完成后，通過X軸的快速移動，將立柱運(yùn)動到區(qū)，進(jìn)行區(qū)零件的加工；操作者可以在區(qū)裝卸工件，如此循環(huán)。機(jī)床通過電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的互鎖，對于加工區(qū)的防護(hù)門也需要通過機(jī)電聯(lián)鎖裝置予以封閉，確保機(jī)床的安全性、可靠性。 圖2-5 雙工作區(qū)交換的布局圖 圖2-5 雙工作區(qū)交換的布局圖 5、高速加工數(shù)控機(jī)床的特殊布局 5、高速加工數(shù)控機(jī)床的特殊布局圖 6、虛擬軸機(jī)床 三、數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)|主傳動的基本要求和變速方式|主軸的聯(lián)接形式 |主軸部件的支承|主軸部件的結(jié)構(gòu) 1、主傳動的基本要求和變速方式 數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床一樣，主傳動系統(tǒng)也必須通過變速，才能使主軸獲得不同的傳遞，以適應(yīng)不同的加工要求，并且，在變速的同時，還要求傳遞一定的功率和 足夠的轉(zhuǎn)矩，滿足切削的需要。 | 數(shù)控機(jī)床作為高度自動化的設(shè)備，它對主傳動系統(tǒng)的基本要求有以下幾點(diǎn)： 1)為了達(dá)到最佳的切削效果，一般都應(yīng)在最佳的切削條件下工作，因此，主軸一般都要求能自動實(shí)現(xiàn)無級變速。 2)要求機(jī)床主軸系統(tǒng)必須具有足夠高的轉(zhuǎn)速和足夠大的功率，以適應(yīng)高效、高速的加工需要。 1、主傳動的基本要求和變速方式 3)為了降低噪聲、減輕發(fā)熱、減少振動，主傳動系統(tǒng)應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，減少傳動件。 4)在加工中心上，還必須具有安裝道具和刀具交換所需要的自動夾緊裝置，以及主軸定向準(zhǔn)停裝置，以保證刀具和主軸、刀庫、機(jī)械手的正確嚙合。 5)為了擴(kuò)大機(jī)床的功能，實(shí)現(xiàn)對C軸的控制，主軸還需安裝位置檢測裝置，以便實(shí)現(xiàn)對主軸位置的控制。 數(shù) 控 機(jī) 床 的 變 速 是 按 照 控 制 指 令 自 動 進(jìn) 行 的 ， 因 此 變 速機(jī) 構(gòu) 必 須 適 應(yīng) 自 動 操 作 的 再 求 。 故 大 多 數(shù) 數(shù) 控 機(jī) 床 采 用 無 級變 速 系 統(tǒng) ， 數(shù) 控 機(jī) 床 主 傳 動 系 統(tǒng) 主 要 有 以 下 三 種 配 置 方 式 。 數(shù) 控 機(jī) 床 的 主 傳 動 要 求 較 大 的 調(diào) 速 范 圍 ， 以 保 證 加 工時 能 選 用 合 理 的 切 削 用 量 ， 從 而 獲 得 最 佳 的 生 產(chǎn) 率 、 加 工精 度 和 表 面 質(zhì) 量 。1、主傳動的基本要求和變速方式 這 種 配 置 方 式 大 、 中 型 數(shù) 控 機(jī) 床 采 用 較 多 。它 通 過 少 數(shù) 幾 對 齒 輪 降 速 ， 使 之 成 為 分 段 無 級 變 速 ， 確 保 低 速時 的 扭 矩 ， 以 滿 足 主 軸 輸 出 扭 矩 特 性 的 要 求 。但 有 一 部 分 小 型 數(shù) 控 機(jī) 床 也 采 用 這 種 傳 動 方 式 ， 以 獲 得 強(qiáng) 力 切削 時 所 需 要 的 扭 矩 ?；?移 齒 輪 的 移 位 大 都 采 用 液 壓 撥 叉 或 直 接 由 液 壓 缸 帶 動 齒 輪 來實(shí) 現(xiàn) 。（ 1） 帶 有 變 速 齒 輪 的 主 傳 動 （ 如 圖 ） 主 要 應(yīng) 用 在 小 型 數(shù) 控 機(jī) 床 上 ， 可 以 避 免 齒輪 傳 動 時 引 起 的 振 動 和 噪 聲 ， 但 它 只 能 適用 于 低 扭 矩 特 性 要 求 的 主 軸 。（ 2） 通 過 帶 傳 動 的 主 傳 動 （ 如 圖 ） 同 步 帶 的 結(jié) 構(gòu) 和 傳 動 如 圖 所 示 。 帶 的 工 作 面 及 帶 輪外 圓 上 均 制 成 齒 形 ， 通 過 帶 輪 與 輪 齒 相 嵌 合 ， 作 無滑 動 的 嚙 合 傳 動 。 帶 內(nèi) 采 用 了 承 載后 無 彈 性 伸 長 的材 料 作 強(qiáng) 力 層 ，以 保 持 帶 的 節(jié) 距不 變 ， 使 主 、 從動 帶 輪 可 作 無 相對 滑 動 的 同 步 傳動 。同 步 帶 傳 動 是 一 種 綜 合 了 帶 、 鏈 傳 動優(yōu) 點(diǎn) 的 新 型 傳 動 。 這 種 主 傳 動 方 式 大 大 簡 化 了 主 軸 箱 體 與 主 軸 的 結(jié) 構(gòu) ，有 效 地 提 高 了 主 軸 部 件 的 剛 度 ， 但 主 軸 輸 出 扭 矩 小 ，電 動 機(jī) 發(fā) 熱 對 主 軸 的 精 度 影 響 較 大 。（ 3） 由 調(diào) 速 電 動 機(jī) 直 接 驅(qū) 動 的 主 傳 動 （ 如 圖 ） 從 直 流 主 軸 電 動 機(jī) 的 速 度 與 轉(zhuǎn) 矩 關(guān) 系圖 中 可 以 看 出 ， 在 低 于 額 定 轉(zhuǎn) 速 時 為恒 轉(zhuǎn) 矩 輸 出 ， 高 于 額 定 轉(zhuǎn) 矩 時 為 恒 功率 輸 出 。 使 用 這 種 電 動 機(jī)可 實(shí) 現(xiàn) 純 電 氣 定向 ， 而 且 主 軸 的控 制 功 能 可 以 很容 易 與 數(shù) 控 系 統(tǒng)相 連 接 并 實(shí) 現(xiàn) 修調(diào) 輸 入 、 速 度 和負(fù) 載 測 量 輸 出 等 。 （4）采用電主軸 在高速加工機(jī)床上，大多數(shù)使用電動機(jī)轉(zhuǎn)子和主軸一體的電主軸，可以使主軸達(dá)到每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)、甚至十幾萬轉(zhuǎn)的高速，主軸傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更簡單，剛性更好。 車床用電主軸銑床用電主軸 機(jī) 床 的 主 軸 部 件 是 機(jī) 床 重 要 部 件 之 一 ， 它 帶 動 工 件 或 刀具 執(zhí) 行 機(jī) 床 的 切 削 運(yùn) 動 ， 因 此 數(shù) 控 機(jī) 床 主 軸 部 件 的 精 度 ， 抗振 性 和 熱 變 形 對 加 工 質(zhì) 量 有 直 接 的 影 響 ， 由 于 數(shù) 控 機(jī) 床 在 加工 過 程 中 不 進(jìn) 行 人 工 調(diào) 整 ， 這 些 影 響 就 更 為 嚴(yán) 重 。 所 以 ： 2、 主 軸 部 件主 軸 在 結(jié) 構(gòu) 上 要 處 理 好 卡 盤 或 刀 具 的 裝 卡 ，主 軸 的 卸 荷 ，主 軸 軸 承 的 定 位 和 間 隙 調(diào) 整 ，主 軸 部 件 的 潤 滑 和 密 封 等 一 系 列 問 題 。對 于 數(shù) 控 鏜 銑 床 的 主 軸 為 實(shí) 現(xiàn) 刀 具 的 快 速 或 自 動 裝 卸 ， 主 軸上 還 必 須 設(shè) 計 有 刀 具 的 自 動 裝 卸 ， 主 軸 定 向 停 止 和 主 軸 孔 內(nèi)的 切 屑 清 除 裝 置 。 數(shù) 控 機(jī) 床 的 主 軸 部 件 主 要 有 以 下 幾 個 部 分 ：主 軸 本 體 及 密 封 裝 置 、 支 承 主 軸 的 軸 承 、 配 置在 主 軸 內(nèi) 部 的 刀 具 卡 進(jìn) 及 吹 屑 裝 置 、 主 軸 的 準(zhǔn)停 裝 置 等 。 1）主軸本體 主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀（見P88圖4-5） 主軸的材料和熱處理 2） 數(shù) 控 機(jī) 床 的 主 軸 軸 承 3）軸承的配置 合理配置軸承,可以提高主軸精度,降低溫升,簡化支承結(jié)構(gòu)。在數(shù)控機(jī)床上配制軸承時,前后軸承都應(yīng)能承受徑向載荷,支承間的距離要選擇合理,并根據(jù)機(jī)床的實(shí)際情況配制軸向力的軸承。 在圖（a)所示的配置形式中，前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和60角接觸球軸承組合，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用成對角接觸球軸承，這種配置可提高主軸的綜合剛度，滿足強(qiáng)力切削的要求，普遍應(yīng)用于各類數(shù)控機(jī)床。 在圖(b)所示的配置形式中，前軸承采用角接觸球軸承，由23個軸承組成一套，背靠背安裝，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承，這種配置適用于高速、重載的主軸部件。 在圖(c)所示前后支承均采用成對角接觸球軸承，以承受徑向載荷和軸向載荷，這種配置適用于高速、輕載荷精密的數(shù)控機(jī)床主軸。 在圖(d)所示前支承采用雙列圓錐滾子軸承，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用單列圓錐滾子軸承，這種配置可承受重載荷和較強(qiáng)的動載荷，安裝與調(diào)整性能好，但主軸轉(zhuǎn)速和精度的提高受到限制，適用于中等精度，低速與重載荷的數(shù)控機(jī)床主軸。 在 自 動 換 刀 的 數(shù) 控 機(jī) 床 中 為 了 實(shí) 現(xiàn) 刀 具 在主 軸 內(nèi) 的 自 動 裝 卸 ， 其 主 軸 必 須 設(shè) 計 有 刀具 的 自 動 夾 緊 機(jī) 構(gòu) ， 如 圖 所 示 。3、 主 軸 內(nèi) 刀 具 的 自 動 夾 緊 和 切 屑 清 除 裝 置 刀 桿 采 用 7： 24的 大 錐 度 錐 柄 ， 采 用 大錐 度 的 錐 柄 既 有 利 于 定 心 ， 也 為 松 夾帶 來 了 方 便 。在 錐 柄 的 尾 端 軸 頸 被 拉 緊 的 同 時 ， 通 過 錐 柄 的 定 心和 摩 擦 作 用 將 刀 桿 夾 緊 于 主 軸 的 端 部 。 在 蝶 形 彈 簧 8的 作 用 下 ， 拉桿 7始 終 保 持約 10000N的 拉力 ； 并 通 過 拉桿 右 端 的 鋼 球6將 刀 桿 的 尾部 軸 頸 拉 緊 。 換 刀 時 首 先 將 壓 力 油 通 入 主 軸 尾 部 的 液壓 缸 左 腔 ， 活 塞 1推 動 拉 桿 7向 有 移 動 ，將 刀 柄 松 開 ， 同 時 使 蝶 形 彈 簧 8壓 緊 。拉 桿 7的 右 移 使 右 端 的 鋼 球 6位 于 套 筒 的 喇 叭 口 處 ，消 除 了 刀 桿 上 的 拉 力 。當(dāng) 拉 桿 繼 續(xù) 右 移 時 ， 噴 氣 嘴 的 端 部 把 刀 具 頂 松 ， 使機(jī) 械 手 方 便 地 取 出 刀 桿 。 機(jī) 械 手 將 應(yīng) 換 刀 具 裝 入 后 ， 電 磁 換 向 閥 動 作 使 壓 力油 通 入 油 缸 右 腔 ， 活 塞 1向 左 退 回 原 位 ， 蝶 形 彈 簧復(fù) 原 又 將 刀 桿 拉 緊 、 螺 旋 彈 簧 2使 活 塞 1在 液 壓 缸 右腔 無 壓 力 油 時 也 始 終 退 在 最 左 端 。當(dāng) 活 塞 處 于 左 右 兩 個 極 限 位 置 時 ， 相 應(yīng) 限 位 開 關(guān) 12、13發(fā) 出 松 開 和 夾 緊 的 信 號 。 自 動 清 除 主 軸 孔 內(nèi) 的 灰 塵 和 切 屑 是 換刀 過 程 中 的 一 個 不 容 忽 視 的 問 題 。如 果 主 軸 錐 孔 中 落 入 了 切 屑 、 灰 塵 或 其 它 污 物 ， 在拉 緊 刀 桿 時 ， 錐 孔 表 面 和 刀 桿 的 錐 柄 就 會 被 劃 傷 ，甚 至 會 使 刀 桿 發(fā) 生 偏 斜 ， 破 壞 了 刀 桿 的 正 確 定 位 ，影 響 零 件 的 加 工 精 度 ， 甚 至 會 使 零 件 超 差 報 廢 。為 了 保 持 主 軸 錐 孔 的 清 潔 ， 常 采 用 的 方 法 是 使 用 壓縮 空 氣 吹 屑 。 如 圖 所 示 活 塞 1的 心 部 鉆 有 壓 縮 空 氣 通 道 ， 當(dāng) 活 塞向 左 移 動 時 ， 壓 縮 空 氣 經(jīng) 過 活 塞 由 主 軸 孔 內(nèi) 的 空 氣嘴 噴 出 ， 將 錐 孔 清 理 干 凈 。為 了 提 高 吹 屑 效 率 ， 噴 氣 小 孔 要 有 合 理 的 噴 射 角 度 ，并 均 勻 布 置 。 在數(shù)控鏜床、數(shù)控銑床和以鏜銑為主的加工中心上，為了實(shí)現(xiàn)自動換刀，使機(jī)械手準(zhǔn)確地將刀具裝入主軸孔中，刀具的鍵槽必須與主軸的鍵位在周向?qū)?zhǔn)；在鏜削加工退刀時，要求刀具向刀尖反方向徑向移動一段距離后才能退出，以免劃傷工件，這都需要主軸具有周向定位功能；另外，一些特殊工藝要求情況下，如在通過前壁小孔鏜內(nèi)壁的同軸大孔，或進(jìn)行反倒角等加工時，也要求主軸實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停，使刀尖停在一個固定的方位上，以便主軸偏移一定尺寸后，使大切削刃能通過前壁小孔進(jìn)入箱體內(nèi)對大孔進(jìn)行鏜削，所以在主軸上必須設(shè)有準(zhǔn)停裝置。 目前，主軸準(zhǔn)停裝置很多，主要分為機(jī)械式和電氣式兩種。 4、 主 軸準(zhǔn)停裝置 1)、 定 位 盤 準(zhǔn) 停 原 理 示 意 圖 傳統(tǒng)的做法是采用機(jī)械擋塊等來定向。圖2為V形槽輪定位盤準(zhǔn)停裝置原理圖，在主軸上固定一個V形槽輪定位盤，使V形槽與主軸上的端面鍵保持所需要的相對位置關(guān)系。當(dāng)主軸需要停車換刀時，發(fā)出降速信號，主軸轉(zhuǎn)換到最低速運(yùn)轉(zhuǎn)，延時繼電器開始動作，并延時4s6s后，無觸點(diǎn)開關(guān) 1接通電源，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)到圖示位置即 V形槽輪定位盤 3上的感應(yīng)塊2與無觸點(diǎn)開關(guān)1相接觸后發(fā)出信號，使主軸電動機(jī)停轉(zhuǎn)。另一延時繼電器延時0.2s0.4s后，壓力油進(jìn)入定位液壓缸4下腔，使定向活塞向左移動，當(dāng)定向活塞上的定向滾輪 5頂入定位盤的 V形槽內(nèi)時，行程開關(guān) LS2發(fā)出信號，主軸準(zhǔn)停完成。若延時繼電器延時1s后行程開關(guān)LS2仍不發(fā)信號，說明準(zhǔn)停沒完成，需使定向活塞6后退，重新準(zhǔn)停。當(dāng)活塞桿向右移到位時，行程開關(guān)LS1發(fā)出定向滾輪5退出凸輪定位盤凹槽的信號，此時主軸可啟動工作。機(jī)械式主軸準(zhǔn)停裝置準(zhǔn)確可靠，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床一般采用電氣式主軸準(zhǔn)停裝置，只要數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令信號，主軸就可以準(zhǔn)確的定向。 2）、凸輪準(zhǔn)停裝置見教材P96圖4-19 3）磁傳感器主軸準(zhǔn)停 在主軸上安裝有一個永久磁鐵4與主軸一起旋轉(zhuǎn)，在距離永久磁鐵4旋轉(zhuǎn)軌跡外12mm處固定有一個磁傳感器5，當(dāng)銑床主軸需要停車換刀時，數(shù)控裝置發(fā)出主軸停轉(zhuǎn)的指令，主軸電動機(jī)3立即降速，使主軸以很低的轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)，當(dāng)永久磁鐵4對準(zhǔn)磁傳感器5時，磁傳感器發(fā)出準(zhǔn)停信號，此信號經(jīng)放大后，由定向電路使電動機(jī)準(zhǔn)確地停止在規(guī)定的周向位置上。這種準(zhǔn)停裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)磁體與磁感傳感器間沒有接觸摩擦，準(zhǔn)停的定位精度可達(dá)1。,能滿足一般換刀要求。而且定向時間短，可靠性較高。 4）編碼器型主軸準(zhǔn)停 這種準(zhǔn)停功能也是由主軸驅(qū)動完成的，控制結(jié)構(gòu)如下圖所示。CNC只需發(fā)出ORT命令，主軸驅(qū)動完成準(zhǔn)停后回答準(zhǔn)停完成信號ORE。其控制步驟與傳感器類似，所不同的是準(zhǔn)停角度可由編碼（12位）設(shè)定，更加靈活方便。 5）數(shù)控系統(tǒng)控制準(zhǔn)停 這種準(zhǔn)?？刂品绞绞怯蓴?shù)控系統(tǒng)完成的，其原理與進(jìn)給位置控制的原理非常相似，如圖所示。 圖3為JCS018加工中心主軸電氣準(zhǔn)停裝置原理圖，在帶動主軸旋轉(zhuǎn)的多楔帶輪1的端面上裝有一個厚墊片4，墊片4上裝有一個體積很小的永久磁鐵3，在主軸箱體對應(yīng)主軸準(zhǔn)停的位置上，裝有磁傳感器2。當(dāng)機(jī)床需要停車換刀時，數(shù)控裝置發(fā)出主軸停轉(zhuǎn)指令，主軸電動機(jī)立即降速，在主軸以最低轉(zhuǎn)速慢轉(zhuǎn)幾圈、永久磁鐵3對準(zhǔn)磁傳感器2時，磁傳感器2發(fā)出準(zhǔn)停信號，該信號經(jīng)放大后，由定向電路控制主軸電動機(jī)停在規(guī)定的周向位置上，同時限位開關(guān)發(fā)出信號，表示準(zhǔn)停已完成。 ， 當(dāng) 主 軸 需 要 停 車換 刀 時 ， 發(fā) 出 降 速信 號 ， 主 軸 箱 自 動改 變 傳 動 路 線 ， 使主 軸 換 到 最 低 轉(zhuǎn) 速運(yùn) 轉(zhuǎn) 。 在 時 間 繼 電器 延 時 數(shù) 秒 后 ， 開始 接 通 無 觸 點(diǎn) 開 關(guān) 。主 軸 的 準(zhǔn) 停 裝 置 設(shè) 置 在 主 軸 的 尾 端（ 如 圖 ） 。 交 流 調(diào) 速 電 動 機(jī) 11通 過 多聯(lián) 三 角 帶 9和 皮 帶 輪 10帶 動 主 軸 旋 轉(zhuǎn) ， 在 凸 輪 上 的 感 應(yīng) 片 對 準(zhǔn) 無 觸 點(diǎn) 開 關(guān) 時 ， 發(fā) 出 準(zhǔn) 停 信號 ， 立 即 切 斷 主 軸 電 動 機(jī) 電 源 ， 脫 開 與 主 軸 的 傳 動聯(lián) 系 ， 以 排 除 傳 動 系 統(tǒng) 中 大 部 分 回 轉(zhuǎn) 零 件 的 慣 性 對主 軸 準(zhǔn) 停 的 影 響 ， 使 主 軸 作 低 速 慣 性 空 轉(zhuǎn) 。 位 于 圖 中 帶輪 5左 側(cè) 的 永久 磁 鐵 4對 準(zhǔn)磁 傳 感 器 3時 ，主 軸 準(zhǔn) 確 停止 ， 同 時 限位 開 關(guān) 發(fā) 出信 號 ， 表 示已 完 成 。電 氣 式 主 軸 定 向 控 制 的 特 點(diǎn) 是 ： 不 需 要 機(jī) 械部 件 ， 定 向 時 間 短 可 靠 性 高 ， 只 需 要 簡 單 的強(qiáng) 電 順 序 控 制 ， 精 度 和 剛 度 高 。