数控机床结构

(2) 主运动传动系统。 (3) 进给运动传动系统。 (4) 实现某些部件动作的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。 (5) 刀架或自动换刀（ATC）。 (6) 工件实现回转、 定位装置和附件， 如数控回转工作 台。 (7) 特殊功能装置， 如刀具破损监控、 精度检测和监控 装置。 (8) 各种反馈装置和元件。
1． 主轴轴承的配置形式
(1) 前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列 向心推力球轴承， 后支承采用向心推力球轴承， 如图6-2(a) 所示。该种配置形式的主轴刚性好，可以满足强力切削的要 求，广泛应用于各类数控机床的主轴。
图 6-2 数控机床主轴轴承配置形式
(2) 前支承采用高精度双列向心推力球轴承，如图6-2(b) 所示。该种配置形式的承载能力小，适应于高速、轻载和精密 的数控机床主轴。
数控机床主传动系统主要有四种配置方式， 如图6-1所示。
图6-1 (a） 齿轮变速; (b） 带传动; (c） 两个电动机分别驱动;
(d） 内装电动机主轴传动结构
6.2.2 主轴部件
主轴是机床的重要部件，其结构的先进性已成为衡量机 床水平的标志之一。因此，合理地选择主轴结构十分重要。 数控机床的主轴部件一般包括主轴、 主轴轴承和传动件等。 对于加工中心，主轴部件还包括刀具自动夹紧装置、主轴准 停装置和主轴装刀孔吹净装置。
6.1 概 述
1. 数控机床机械结构的主要组成
由于数控机床主轴驱动、进给驱动和CNC技术的发展， 以 及为适应高效率生产的需要，数控机床的机械结构已经从初期 对通用机床局部结构的改进，逐步发展到形成数控机床的独特 的机械结构。
数控机床的机械结构主要由下列各部分组成：
(1) 机床基础部件，又称为机床大件，通常是指床身、 底座、立柱、横梁、滑座和工作台等。
图6-3给出了机床常用的主轴端部结构。 图中（a）为车床 主轴端部，卡盘靠前端的短圆锥面和凸缘端面定位，用拨销传 递扭矩，卡盘装有固定螺栓，卡盘装于主轴端部时，螺栓从凸 缘上的孔中穿过， 转动快卸卡板将数个螺栓同时卡住， 再拧 紧螺母将卡盘固牢在主轴端部。主轴为空心前端有莫氏锥度孔， 用以安装顶尖或心轴。（b）为铣、 镗类机床的主轴端部， 铣 刀或刀杆在前端7∶24的锥孔内定位， 并用拉杆从主轴后端拉 紧，而且由前端的端面键传递扭矩。（c）为外圆磨床砂轮主轴 的端部。（d）为内圆磨床砂轮主轴端部。 （e）为钻床与普通 镗床主轴端部，刀杆或刀具由莫氏锥孔定位，用锥孔后端第一 扁孔传递扭矩，第二个扁孔用以拆卸刀具。但在数控镗床上要 使用（b）的形式，因为，7∶24的锥孔没有自锁作用，便于自 动换刀时拔出刀具。
图 6-3 常用的主轴轴端结构
3． 主轴的准停装置
主轴准停功能又称为主轴定位功能，即当主轴停止时，控 制其停于固定位置，这是自动换刀所必须的功能。在自动换刀 的镗铣加工中心上，切削的转矩通常是通过刀杆的端面键来传 递的。这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的功能， 如图6-4所示。当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时，为防止刀具与 小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面必须先让刀，再退刀， 而要让刀刀具必须具有准停功能， 如图6-5所示。主轴准停功 能分为机械准停和电气准停。
(5） 主轴组件的耐磨性: 主轴组件必须有足够的耐磨 性， 使之能够长期保持精度。凡有机械摩擦的部件， 如轴 承、 锥孔等都应有足够高的硬度， 轴承处还应有良好的润滑。
2． 数控机床主传动系统配置方式
数控机床的主传动要求具有较宽的调速范围，以保证在 加工时能选用合理的切削用量，并获得最佳的表面加工质量、 精度和生产率。数控机床的调速是按照控制指令自动进行的， 因此变速机构必须适应自动操作要求。 在主传动系统中， 目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系统， 为扩大调速范围，适应低速大转矩的要求，也经常采用齿轮 有级调速和电动机无级调速相结合的调速方式。
(3) 前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承采用单列圆锥 滚子轴承，如图6-2(c)所示。该种配置的承载能力强，安装和 调整方便，但主轴的转速不能太高，适用于中等精度、低速和 重载的数控机床。
在主轴的结构上必须处理好卡盘或刀具的安装、主轴的卸 荷、主轴轴承的定位、间隙调整、主轴部件的润滑和密封等问 题，对于某些立式数控加工中心，还必须处理好主轴部件的平 衡问题。
2. 数控机床机械结构的主要特点 (1)高刚度。 (2) 高灵敏性。 (3) 高抗振性。 (4) 热变形小。 (5) 高精度保持性。 (6) 高可靠性。 (7) 工艺复合化和功能集成化。
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6.2 数控机床的主轴部件
6.2.1 数控机床的主传动系统
1． 对数控机床主传动系统的要求 (1） 调速范围:各种不同的车床对调速范围的要求不同。 多用途、通用性大的机床要求主轴的调速范围大，不但有低速 大转矩功能，而且还要有较高的速度，如车削加工中心。 (2） 热变形: 电动机、主轴及传动件都是热源。低温升、 小的热变形是对主传动系统要求的重要指标。
(3） 主轴的旋转精度和运动精度: 主轴的旋转精度是指装 配后，在无载荷、低速转动条件下测量主轴前端和300 mm处的 径向和轴向跳动值。主轴在工作速度旋转时测量上述两项精度 称为运动精度。数控车床要求有高的旋转精度和运动精度。
(4） 主轴的静刚度和抗振性: 由于数控机床加工精度较高， 主轴的转速又很高, 因此对主轴的静刚度和抗振性要求较高。 主轴的轴径尺寸、轴承类型及配置方式，轴承预紧量大小，主 轴组件的质量分布是否均匀及主轴组件的阻尼等对主轴组件的 静刚度和抗振性都会产生影响。
对于数控镗铣床主轴，主轴上还必须设计刀具装卸、主轴 准停和主轴孔内的切屑清除装置。
2． 主轴端部的结构形状
主轴端部是指主轴前端，它的形状决定于机床的类型、 安装夹具或刀具的形式，并应保证夹具或刀具安装可靠，装卸 方便，具有较高的定位精度和连接刚度，同时也能传递足够的 扭矩。 轴端结构应使悬伸长度尽量短， 以便于提高主轴刚度。 由于刀具、卡盘或夹具已经标准化， 机床的主轴端部结构形 状和尺寸也已标准化。