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第七章数控机床的机械结构第一节概述数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，其加工过程中的动作顺序、运动部件的坐标位置及辅助功能，都是通过数字信息自动控制的，操作者在加工过程中无法干预，不能像在普通机床上加工零件那样，对机床本身的结构和装配的薄弱环节进行人为补偿，所以数控机床几乎在任何方面均要求比普通机床设计得更为完善，制造得更为精密。为满足高精度、高效率、高自动化程度的要求，数控机床的结构设计已形成自己的独立体系，在这一结构的完善过程中，数控机床出现了不少完全新颖的结构及元件。与普通机床相比，数控机床机械结构有许多特点。在主传动系统方面，具有下列特点：(1)目前数控机床的主传动电机已不再采用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机，它们已逐步被新型的交流调速电机和直流调速电机所代替。(2)转速高，功率大。它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。(3)变速范围大。数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，一般Rn＞100，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。(4)主轴速度的变换迅速可靠。数控机床的变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的要求。由于直流和交流主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能够方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。在进给传动系统方面，具有下列特点：（1）尽量采用低摩擦的传动副。如采用静压导轨、滚动导滚和滚珠丝杠等，以减小摩擦力。（2）选用最佳的降速比，以达到提高机床分辨率，使工作台尽可能大地加速以达到跟踪指令、系统折算到驱动轴上的惯量尽量小的要求。（3）缩短传动链以及用预紧的方法提高传动系统的刚度。如采用大扭矩宽调速的直流电机与丝杠直接相连应用预加负载的滚动导轨和滚动丝杠副，丝杠支承设计成两端轴向固定的、并可预拉伸的结构等办法来提高传动系统的刚度。（4）尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。如采用消除间隙的联轴节（如用加锥销固定的联轴套、用键加顶丝紧固的联轴套以及用无扭转间隙的挠性联轴器等），采用有消除间隙措施的传动副等。第二节数控机床的主传动系统一、对主传动系统的要求1．具有更大的调速范围，并能实现无级调速。数控机床为了保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有更大的调速范围。对于自动换刀的数控机床，为了适应各种工序和各种加工材料的需要，主运动的调速范围还应进一步扩大。2．有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。数控机床加工精度的提高，与主传动系统具有较高的精度密切相关。为此，要提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面应高频感应加热淬火以增加耐磨性；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用精度高的轴承及合理的支承跨距等，以提高主轴组件的刚性。3．良好的抗振性和热稳定性。数控机床在加工时，可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自振等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时可能破坏刀具或主传动系统中的零件，使其无法工作。主传动系统的发热使其中所有零部件产生热变形，降低传动效率，破坏零部件之间的相对位置精度和运动精度，造成加工误差。为此，主轴组件要有较高的固有频率，实现动平衡，保持合适的配合间隙并进行循环润滑等。二、主传动的变速方式1．具有变速齿轮的主传动这是大、中型数控机床采用较多的一种变速方式。通过几对齿轮降速，增大输出扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求，见图7-1所示。一部分小型数控机床也采用此种传动方式以获得强力切削时所需要的扭矩。图7-1XK5040型数控立式铣床主传动系统图在带有齿轮变速的主传动系统中，液压拨叉和电磁离合器是两种常用的变速操纵方法。(1)图7-2是三位液压拨叉的作用原理图。通过改变不同的通油方式可以使三联齿轮获得三个不同的变速位置。这套机构除了液压缸和活塞杆之外，还增加了套筒4。当液压缸1通压力油而液压缸5排油卸压时（图7-2a），活塞杆2带动拨叉3使三联齿轮移到左端。当液压缸5通压力油而液压缸1排油卸压时（图7-2b），活塞杆2和套筒4一起向右移动，在套筒4碰到液压缸5的端部之后，活塞杆2继续右移到极限位置，此时三联齿轮被拨叉3移到右端。当压力油同时进入左右两缸时（图7-2c），由于活塞杆2的两端直径不同，使活塞杆向左移动。在设计活塞杆2和套筒4的截面面积时，应使油压作用在套筒4的圆环上向右的推力大于活塞杆2向左的推力，因而套筒4仍然压在液压缸5的右端，使活塞杆2紧靠在套筒4的右端，此时，拨叉和三联齿轮被限制在中间位置。图7-2三位液压拨叉作用原理图1、5-液压缸2-活塞杆3-拨叉4-套筒液压拨叉变速必须在主轴停车之后才能进行，但停车时拨动滑移齿轮啮合又可能出现“顶齿”现象。在XK5040型数控立铣中需按“点动”按钮使主电动机瞬时冲动接通，在其它自动变速的数控机床主运动系统中，通常增设一台微电机，它在拨叉移动滑移齿轮的同时带动各传动齿轮作低速回转，这样，滑移齿轮便能顺利啮合。液压拨叉变速是一种有效的方法，但它增加了数控机床液压系统的复杂性，而且必须将数控装置送来的信号先转换成电磁阀的机械动作，然后再将压力油分配到相应的液压缸，因而增加了变速的中间环节，带来了更多的不可靠因素。(2)电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操纵元件。电磁离合器用于数控机床的主传动，能简化变速机构，通过若干个安装在各传动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。图7-3所示为THK6380型自动换刀数控铣镗床的主传动系统图，该机床采用双速电机和六个电磁离合器完成18级变速。图7-3THK6380型自动换刀数控铣镗床的主传动系统图2．通过带传动的主传动通常选用同步齿形带或多楔带传动，这种传动方式多见于数控车床，它可避免齿轮传动时引起的振动和噪声。图7-4是TND360型数控机床的主传动系统，主电动机一端经同步齿形带（m＝3.183mm）拖动主轴箱内的轴Ⅰ，另一端带动测速发电机实现速度反馈。主轴Ⅰ上有一双联滑移齿轮，经84/60使主轴得到800～3150r/min的高速段，经29/86使主轴得到7～760r/min的低速段。主电动机为德国西门子公司的产品，额定转速为2000r/min，最高转速为4000r/min，最低转速为35r/min。额定转速至最高转速之间为调磁调速，恒功率；最低转速至额定转速之间为调压调速，恒扭矩。滑移齿轮变速采用液压缸操纵。图7-4TND360型数控机床的主传动系统3．由调速电机直接驱动的主传动这种主传动是由电动机直接驱动主轴，即电动机的转子直接装在主轴上，因而大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。如图7-5所示。图7-5用磁力轴承的高速主轴部件1-刀具系统2、9-捕捉轴承3、8-传感器4、7-径向轴承5-轴向推力轴承6-高频电机10-冷却水管路11-气-液压力放大器近年来，出现了一种新式的内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体。其优点是主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声。缺点是电动机运转产生的热量亦使主轴产生热变形。因此，温度控制和冷却是使用内装电动机主轴的关键问题。日本研制的立式加工中心主轴组件，其内装电动机最高转速可达20000r/min。三、主轴箱与主轴组件1．主轴箱对于一般数控机床和自动换刀数控机床（加工中心）来说，由于采用了电动机无级变速，减少了机械变速装置，因此，主轴箱的结构较普通机床简化，但主轴箱材料要求较高，一般用HT250或HT300，制造与装配精度也较普通机床要高。对于数控落地铣镗床来说，主轴箱结构比较复杂，主轴箱可沿立柱上的垂直导轨作上下移动，主轴可在主轴箱内作轴向进给运动，除此以外，大型落地铣镗床的主轴箱结构还有携带主轴的部件作前后进给运动的功能，它的进给方向与主轴的轴向进给方向相同。此类机床的主轴箱结构通常有两种方案，即滑枕式和主轴箱移动式。（1）滑枕式数控落地铣镗床有圆形滑枕、方形或矩形滑枕以及棱形或八角形滑枕。滑枕内装有铣轴和镗轴，除镗轴可实现轴向进给外，滑枕自身也可作沿镗轴轴线方向的进给，且两者可以叠加。滑枕进给传动的齿轮和电动机是与滑枕分离的，通过花键轴或其它系统将运动传给滑枕以实现进给运动。1）圆形滑枕圆形滑枕又称套筒式滑枕，这种圆形断面的滑枕和主轴箱孔的制造工艺简便，使用中便于接近工件加工部位。但其断面面积小，抗扭惯性矩较小，且很难安装附件，磨损后修复调整困难，因而现已很少采用。2）矩形或方形滑枕滑枕断面形状为矩形，其移动的导轨面是其外表面的四个直角面，如图7-6所示。这种形式的滑枕，有比较好的接近工件性能，其滑枕行程可做得较长，端面有附件安装部位，工艺适应性较强，磨损后易于调整。抗扭断面惯性矩比同样规格的圆形滑枕大。这种滑枕国内外均有采用，尤以长方形滑枕采用较多。图7-6数控落地铣镗床的矩形滑枕3）棱形、八角形滑枕棱形、八角形滑枕的断面工艺性较差。与矩形或方形滑枕比较，在同等断面面积的情况下，虽然高度较大，但宽度较窄，如图7-7，这对安装附件不利，而且在滑枕表面使用静压导轨时，静压面小，主轴在工作过程中抗振能力较差，受力后主轴中心位移大。图7-7棱形滑枕a）滑枕外形b）滑枕截面（2）主轴箱移动式这种结构又有两种型式，一种是主轴箱移动式，另一种是滑枕主轴箱移动式。1）主轴箱移动式主轴箱内装有铣轴和镗轴，镗轴实现轴向进给，主轴箱箱体在滑板上可作沿镗轴轴线方向的进给。箱体作为移动体，其断面尺寸远比同规格滑枕式铣镗床大得多。这种主轴箱端面可以安装各种大型附件，使其工艺适应性增加，扩大了功能。缺点是接近工件性能差，箱体移动时对平衡补偿系统的要求高，主轴箱热变形后产生的主轴中心偏移大。2）滑枕主轴箱移动式这种形式的铣镗床，其本质仍属于主轴箱移动式，只不过是把大断面的主轴箱移动体尺寸做成同等主轴直径的滑枕式而已。这种主轴箱结构，铣轴和镗轴及其传动和进给驱动机构都装在滑枕内，镗轴实现轴向进给，滑枕在主轴箱内作沿镗轴轴线方向的进给。滑枕断面尺寸比同规格的主轴箱移动式的主轴箱小，但比滑枕移动式的大。其断面尺寸足可以安装各种附件。这种结构型式不仅具有主轴箱移动式的传动链短、输出功率大及制造方便等优点，同时还具有滑枕式的接近工件方便灵活的优点。克服了主轴箱体移动式的具有危险断面和主轴中心受热变形后位移大等缺点。2．主轴组件数控机床主轴组件的精度、刚度和热变形对加工质量有着直接的影响，由于数控机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重。（1）主轴轴承的配置形式目前主轴轴承的配置形式主要有三种，如图7-8所示。图7-8数控机床主轴轴承配置形式1）前支承采用双列圆柱滚子轴承和双列60o角接触球轴承组合，后支承采用成对角接触球轴承（图7-8a）。此种配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强力切削的要求，因此普遍应用于各类数控机床的主轴中。2）采用高精度双列角接触球轴承（图7-8b）。角接触球轴承具有良好的高速性能，主轴最高转速可达4000r/min，但它的承载能力小，因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。在加工中心的主轴中，为了提高承载能力，有时应用3个或4个角接触球轴承组合的前支承，并用隔套实现预紧。3）采用双列和单列圆锥轴承（图7-8c）。这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能好。但这种轴承配置限制了主轴的最高转速和精度，因此适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。随着材料工业的发展，在数控机床主轴中有使用陶瓷滚珠轴承的趋势。这种轴承的特点是：滚珠重量轻，离心力小，动摩擦力矩小；因温升引起的热膨胀小，使主轴的预紧力稳定；弹性变形量小，刚度高，寿命长。缺点是成本较高。在主轴的结构上，要处理好卡盘或刀具的装夹、主轴的卸荷、主轴轴承的定位和间隙的调整、主轴组件的润滑