【正文】 第七章 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)第一節(jié) 概 述數(shù)控機(jī)床是高精度和高生產(chǎn)率的自動化機(jī)床，其加工過程中的動作順序、運(yùn)動部件的坐標(biāo)位置及輔助功能，都是通過數(shù)字信息自動控制的，操作者在加工過程中無法干預(yù)，不能像在普通機(jī)床上加工零件那樣，對機(jī)床本身的結(jié)構(gòu)和裝配的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行人為補(bǔ)償，所以數(shù)控機(jī)床幾乎在任何方面均要求比普通機(jī)床設(shè)計(jì)得更為完善，制造得更為精密。為滿足高精度、高效率、高自動化程度的要求，數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已形成自己的獨(dú)立體系，在這一結(jié)構(gòu)的完善過程中，數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)了不少完全新穎的結(jié)構(gòu)及元件。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)有許多特點(diǎn)。在主傳動系統(tǒng)方面，具有下列特點(diǎn)：(1)目前數(shù)控機(jī)床的主傳動電機(jī)已不再采用普通的交流異步電機(jī)或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電機(jī)，它們已逐步被新型的交流調(diào)速電機(jī)和直流調(diào)速電機(jī)所代替。 (2)轉(zhuǎn)速高，功率大。它能使數(shù)控機(jī)床進(jìn)行大功率切削和高速切削，實(shí)現(xiàn)高效率加工。 (3)變速范圍大。數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍，一般Rn＞100，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。(4)主軸速度的變換迅速可靠。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)自動操作的要求。由于直流和交流主軸電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，不僅能夠方便地實(shí)現(xiàn)寬范圍的無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。在進(jìn)給傳動系統(tǒng)方面，具有下列特點(diǎn)：（1）盡量采用低摩擦的傳動副。如采用靜壓導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)滾和滾珠絲杠等，以減小摩擦力。（2）選用最佳的降速比，以達(dá)到提高機(jī)床分辨率，使工作臺盡可能大地加速以達(dá)到跟蹤指令、系統(tǒng)折算到驅(qū)動軸上的慣量盡量小的要求。（3）縮短傳動鏈以及用預(yù)緊的方法提高傳動系統(tǒng)的剛度。如采用大扭矩寬調(diào)速的直流電機(jī)與絲杠直接相連應(yīng)用預(yù)加負(fù)載的滾動導(dǎo)軌和滾動絲杠副，絲杠支承設(shè)計(jì)成兩端軸向固定的、并可預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等辦法來提高傳動系統(tǒng)的剛度。（4）盡量消除傳動間隙，減小反向死區(qū)誤差。如采用消除間隙的聯(lián)軸節(jié)（如用加錐銷固定的聯(lián)軸套、用鍵加頂絲緊固的聯(lián)軸套以及用無扭轉(zhuǎn)間隙的撓性聯(lián)軸器等），采用有消除間隙措施的傳動副等。第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)一、對主傳動系統(tǒng)的要求1．具有更大的調(diào)速范圍，并能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。數(shù)控機(jī)床為了保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量，必須具有更大的調(diào)速范圍。對于自動換刀的數(shù)控機(jī)床，為了適應(yīng)各種工序和各種加工材料的需要，主運(yùn)動的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。2．有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。數(shù)控機(jī)床加工精度的提高，與主傳動系統(tǒng)具有較高的精度密切相關(guān)。為此，要提高傳動件的制造精度與剛度，齒輪齒面應(yīng)高頻感應(yīng)加熱淬火以增加耐磨性；最后一級采用斜齒輪傳動，使傳動平穩(wěn)；采用精度高的軸承及合理的支承跨距等，以提高主軸組件的剛性。3．良好的抗振性和熱穩(wěn)定性。數(shù)控機(jī)床在加工時，可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運(yùn)動部件不平衡以及切削過程中的自振等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時可能破壞刀具或主傳動系統(tǒng)中的零件，使其無法工作。主傳動系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生熱變形，降低傳動效率，破壞零部件之間的相對位置精度和運(yùn)動精度，造成加工誤差。為此，主軸組件要有較高的固有頻率，實(shí)現(xiàn)動平衡，保持合適的配合間隙并進(jìn)行循環(huán)潤滑等。二、主傳動的變速方式1．具有變速齒輪的主傳動這是大、中型數(shù)控機(jī)床采用較多的一種變速方式。通過幾對齒輪降速，增大輸出扭矩，以滿足主軸輸出扭矩特性的要求，見圖71所示。一部分小型數(shù)控機(jī)床也采用此種傳動方式以獲得強(qiáng)力切削時所需要的扭矩。圖71 XK5040型數(shù)控立式銑床主傳動系統(tǒng)圖在帶有齒輪變速的主傳動系統(tǒng)中，液壓撥叉和電磁離合器是兩種常用的變速操縱方法。(1) 圖72是三位液壓撥叉的作用原理圖。通過改變不同的通油方式可以使三聯(lián)齒輪獲得三個不同的變速位置。這套機(jī)構(gòu)除了液壓缸和活塞桿之外，還增加了套筒4。當(dāng)液壓缸1通壓力油而液壓缸5排油卸壓時（圖72a），活塞桿2帶動撥叉3使三聯(lián)齒輪移到左端。當(dāng)液壓缸5通壓力油而液壓缸1排油卸壓時（圖72b），活塞桿2和套筒4一起向右移動，在套筒4碰到液壓缸5的端部之后，活塞桿2繼續(xù)右移到極限位置，此時三聯(lián)齒輪被撥叉3移到右端。當(dāng)壓力油同時進(jìn)入左右兩缸時（圖72c），由于活塞桿2的兩端直徑不同，使活塞桿向左移動。在設(shè)計(jì)活塞桿2和套筒4的截面面積時，應(yīng)使油壓作用在套筒4的圓環(huán)上向右的推力大于活塞桿2向左的推力，因而套筒4仍然壓在液壓缸5的右端，使活塞桿2緊靠在套筒4的右端，此時，撥叉和三聯(lián)齒輪被限制在中間位置。圖72 三位液壓撥叉作用原理圖5液壓缸 2活塞桿 3撥叉 4套筒液壓撥叉變速必須在主軸停車之后才能進(jìn)行，但停車時撥動滑移齒輪嚙合又可能出現(xiàn)“頂齒”現(xiàn)象。在XK5040型數(shù)控立銑中需按“點(diǎn)動”按鈕使主電動機(jī)瞬時沖動接通，在其它自動變速的數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動系統(tǒng)中，通常增設(shè)一臺微電機(jī)，它在撥叉移動滑移齒輪的同時帶動各傳動齒輪作低速回轉(zhuǎn)，這樣，滑移齒輪便能順利嚙合。液壓撥叉變速是一種有效的方法，但它增加了數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且必須將數(shù)控裝置送來的信號先轉(zhuǎn)換成電磁閥的機(jī)械動作，然后再將壓力油分配到相應(yīng)的液壓缸，因而增加了變速的中間環(huán)節(jié)，帶來了更多的不可靠因素。(2) 電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運(yùn)動的元件，由于它便于實(shí)現(xiàn)自動操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因而它已成為自動裝置中常用的操縱元件。電磁離合器用于數(shù)控機(jī)床的主傳動，能簡化變速機(jī)構(gòu)，通過若干個安裝在各傳動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實(shí)現(xiàn)主軸的變速。圖73所示為THK6380型自動換刀數(shù)控銑鏜床的主傳動系統(tǒng)圖，該機(jī)床采用雙速電機(jī)和六個電磁離合器完成18級變速。圖73 THK6380型自動換刀數(shù)控銑鏜床的主傳動系統(tǒng)圖2．通過帶傳動的主傳動通常選用同步齒形帶或多楔帶傳動，這種傳動方式多見于數(shù)控車床，它可避免齒輪傳動時引起的振動和噪聲。圖74是TND360型數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)，主電動機(jī)一端經(jīng)同步齒形帶（m＝）拖動主軸箱內(nèi)的軸Ⅰ，另一端帶動測速發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)速度反饋。主軸Ⅰ上有一雙聯(lián)滑移齒輪，經(jīng)84/60使主軸得到800～3150r/min的高速段，經(jīng)29/86使主軸得到7～760r/min的低速段。主電動機(jī)為德國西門子公司的產(chǎn)品，額定轉(zhuǎn)速為2000r/min，最高轉(zhuǎn)速為4000r/min，最低轉(zhuǎn)速為35r/min。額定轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速之間為調(diào)磁調(diào)速，恒功率；最低轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速之間為調(diào)壓調(diào)速，恒扭矩?；讫X輪變速采用液壓缸操縱。圖74 TND360型數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)3．由調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動的主傳動這種主傳動是由電動機(jī)直接驅(qū)動主軸，即電動機(jī)的轉(zhuǎn)子直接裝在主軸上，因而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，電機(jī)發(fā)熱對主軸的精度影響較大。如圖75所示。圖75 用磁力軸承的高速主軸部件1刀具系統(tǒng) 9捕捉軸承 8傳感器 7徑向軸承 5軸向推力軸承6高頻電機(jī) 10冷卻水管路 11氣液壓力放大器近年來，出現(xiàn)了一種新式的內(nèi)裝電動機(jī)主軸，即主軸與電動機(jī)轉(zhuǎn)子合為一體。其優(yōu)點(diǎn)是主軸組件結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，慣量小，可提高起動、停止的響應(yīng)特性，并利于控制振動和噪聲。缺點(diǎn)是電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量亦使主軸產(chǎn)生熱變形。因此，溫度控制和冷卻是使用內(nèi)裝電動機(jī)主軸的關(guān)鍵問題。日本研制的立式加工中心主軸組件，其內(nèi)裝電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20000r/min。三、主軸箱與主軸組件1．主軸箱對于一般數(shù)控機(jī)床和自動換刀數(shù)控機(jī)床（加工中心）來說，由于采用了電動機(jī)無級變速，減少了機(jī)械變速裝置，因此，主軸箱的結(jié)構(gòu)較普通機(jī)床簡化，但主軸箱材料要求較高，一般用HT250或HT300，制造與裝配精度也較普通機(jī)床要高。對于數(shù)控落地銑鏜床來說，主軸箱結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主軸箱可沿立柱上的垂直導(dǎo)軌作上下移動，主軸可在主軸箱內(nèi)作軸向進(jìn)給運(yùn)動，除此以外，大型落地銑鏜床的主軸箱結(jié)構(gòu)還有攜帶主軸的部件作前后進(jìn)給運(yùn)動的功能，它的進(jìn)給方向與主軸的軸向進(jìn)給方向相同。此類機(jī)床的主軸箱結(jié)構(gòu)通常有兩種方案，即滑枕式和主軸箱移動式。（1）滑枕式數(shù)控落地銑鏜床有圓形滑枕、方形或矩形滑枕以及棱形或八角形滑枕?；韮?nèi)裝有銑軸和鏜軸，除鏜軸可實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)給外，滑枕自身也可作沿鏜軸軸線方向的進(jìn)給，且兩者可以疊加。滑枕進(jìn)給傳動的齒輪和電動機(jī)是與滑枕分離的，通過花鍵軸或其它系統(tǒng)將運(yùn)動傳給滑枕以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動。1）圓形滑枕 圓形滑枕又稱套筒式滑枕，這種圓形斷面的滑枕和主軸箱孔的制造工藝簡便，使用中便于接近工件加工部位。但其斷面面積小，抗扭慣性矩較小，且很難安裝附件，磨損后修復(fù)調(diào)整困難，因而現(xiàn)已很少采用。2）矩形或方形滑枕 滑枕斷面形狀為矩形，其移動的導(dǎo)軌面是其外表面的四個直角面，如圖76所示。這種形式的滑枕，有比較好的接近工件性能，其滑枕行程可做得較長，端面有附件安裝部位，工藝適應(yīng)性較強(qiáng)，磨損后易于調(diào)整?？古嗝鎽T性矩比同樣規(guī)格的圓形滑枕大。這種滑枕國內(nèi)外均有采用，尤以長方形滑枕采用較多。圖76 數(shù)控落地銑鏜床的矩形滑枕3） 棱形、八角形滑枕 棱形、八角形滑枕的斷面工藝性較差。與矩形或方形滑枕比較，在同等斷面面積的情況下，雖然高度較大，但寬度較窄，如圖77，這對安裝附件不利，而且在滑枕表面使用靜壓導(dǎo)軌時，靜壓面小，主軸在工作過程中抗振能力較差，受力后主軸中心位移大。圖77 棱形滑枕a）滑枕外形 b）滑枕截面（2） 主軸箱移動式這種結(jié)構(gòu)又有兩種型式，一種是主軸箱移動式，另一種是滑枕主軸箱移動式。1）主軸箱移動式 主軸箱內(nèi)裝有銑軸和鏜軸，鏜軸實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)給，主軸箱箱體在滑板上可作沿鏜軸軸線方向的進(jìn)給。箱體作為移動體，其斷面尺寸遠(yuǎn)比同規(guī)格滑枕式銑鏜床大得多。這種主軸箱端面可以安裝各種大型附件，使其工藝適應(yīng)性增加，擴(kuò)大了功能。缺點(diǎn)是接近工件性能差，箱體移動時對平衡補(bǔ)償系統(tǒng)的要求高，主軸箱熱變形后產(chǎn)生的主軸中心偏移大。2）滑枕主軸箱移動式 這種形式的銑鏜床，其本質(zhì)仍屬于主軸箱移動式，只不過是把大斷面的主軸箱移動體尺寸做成同等主軸直徑的滑枕式而已。這種主軸箱結(jié)構(gòu)，銑軸和鏜軸及其傳動和進(jìn)給驅(qū)動機(jī)構(gòu)都裝在滑枕內(nèi)，鏜軸實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)給，滑枕在主軸箱內(nèi)作沿鏜軸軸線方向的進(jìn)給?；頂嗝娉叽绫韧?guī)格的主軸箱移動式的主軸箱小，但比滑枕移動式的大。其斷面尺寸足可以安裝各種附件。這種結(jié)構(gòu)型式不僅具有主軸箱移動式的傳動鏈短、輸出功率大及制造方便等優(yōu)點(diǎn)，同時還具有滑枕式的接近工件方便靈活的優(yōu)點(diǎn)?？朔酥鬏S箱體移動式的具有危險(xiǎn)斷面和主軸中心受熱變形后位移大等缺點(diǎn)。2．主軸組件數(shù)控機(jī)床主軸組件的精度、剛度和熱變形對加工質(zhì)量有著直接的影響，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。（1）主軸軸承的配置形式目前主軸軸承的配置形式主要有三種，如圖78所示。圖78 數(shù)控機(jī)床主軸軸承配置形式1）前支承采用雙列圓柱滾子軸承和雙列60o角接觸球軸承組合，后支承采用成對角接觸球軸承（圖78a）。此種配置形式使主軸的綜合剛度大幅度提高，可以滿足強(qiáng)力切削的要求，因此普遍應(yīng)用于各類數(shù)控機(jī)床的主軸中。2）采用高精度雙列角接觸球軸承（圖78b）。角接觸球軸承具有良好的高速性能，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)4000r/min，但它的承載能力小，因而適用于高速、輕載和精密的數(shù)控機(jī)床主軸。在加工中心的主軸中，為了提高承載能力，有時應(yīng)用3個或4個角接觸球軸承組合的前支承，并用隔套實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。3）采用雙列和單列圓錐軸承（圖78c）。這種軸承徑向和軸向剛度高，能承受重載荷，尤其能承受較強(qiáng)的動載荷，安裝與調(diào)整性能好。但這種軸承配置限制了主軸的最高轉(zhuǎn)速和精度，因此適用于中等精度、低速與重載的數(shù)控機(jī)床主軸。隨著材料工業(yè)的發(fā)展，在數(shù)控機(jī)床主軸中有使用陶瓷滾珠軸承的趨勢。這種軸承的特點(diǎn)是：滾珠重量輕，離心力小，動摩擦力矩?。灰驕厣鸬臒崤蛎浶?，使主軸的預(yù)緊力穩(wěn)定；彈性變形量小，剛度高，壽命長。缺點(diǎn)是成本較高。在主軸的結(jié)構(gòu)上，要處理好卡盤或刀具的裝夾、主軸的卸荷、主軸軸承的定位和間隙的調(diào)整、主軸組件的潤滑和密封以及工藝上的一系列問題。為了盡可能減少主軸組件溫升引起的熱變形對機(jī)床工作精度的影響，通常利用潤滑油的循環(huán)系統(tǒng)把主軸組件的熱量帶走，使主軸組件和箱體保持恒定的溫度。在某些數(shù)控銑鏜床上采用專用的制冷裝置，比較理想地實(shí)現(xiàn)了溫度控制。近年來，某些數(shù)控機(jī)床的主軸軸承采用高級油脂潤滑，每加一次油脂可以使用7~10年，簡化了結(jié)構(gòu)，降低了成本且維護(hù)保養(yǎng)簡單。但需防止?jié)櫥秃陀椭旌?，通常采用迷宮式密封方式。對于數(shù)控車床主軸，因?yàn)樵谒膬啥税惭b著動力卡盤和夾緊液壓缸，主軸剛度必須進(jìn)一步提高，并應(yīng)設(shè)計(jì)合理的聯(lián)結(jié)端，以改善動力卡盤與主軸端部的聯(lián)接剛度。（2）主軸內(nèi)刀具的自動夾緊和切屑清除裝置在帶有刀庫的自動換刀數(shù)控機(jī)床中，為實(shí)現(xiàn)刀具在主軸上的自動裝卸，其主軸必須設(shè)計(jì)有刀具的自動夾緊機(jī)構(gòu)。自動換刀立式銑鏜床主軸的刀具夾緊機(jī)構(gòu)如圖79所示。刀夾1以錐度為7:24的錐柄在主軸3前端的錐孔中定位，并通過擰緊在錐柄尾部的拉釘2拉緊在錐孔中。夾緊刀夾時，液壓缸上腔接通回油，彈簧11推活塞6上移，處于圖示位置，拉桿4在碟形彈簧5作用下向上移動；由于此時裝在拉桿前端徑向孔中的鋼球12，進(jìn)入主軸孔中直徑較小的處，見圖79b，被迫徑向收攏而卡進(jìn)拉釘2的環(huán)形凹槽內(nèi)，因而刀桿被拉桿拉緊，依靠摩擦力緊固在主軸上。切削扭矩則由端面鍵13傳遞。換刀前需將刀夾松開時，壓力油進(jìn)入液壓缸上腔，活塞6推動拉桿4向下移動，碟形彈簧被壓縮；當(dāng)鋼球12 隨拉桿一起下移至進(jìn)入主軸孔直徑較大的處時，它就不再能約束拉釘?shù)念^部，緊接著拉桿前端內(nèi)孔的臺肩端面a碰到拉釘，把刀夾頂松。此時行程開關(guān)10發(fā)出信號，換刀機(jī)械手隨即將刀夾取下。與此同時，壓縮空氣由管接頭9經(jīng)活塞和拉桿的中心通孔吹入主軸裝刀孔內(nèi)，把切屑或臟物清除干凈，以保證刀具的安裝精度。機(jī)械手把新刀裝上主軸后，液壓缸7接通回油，