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大连理工大学出社版教育部“十二五”国家规划教材大连理工大学出版社项目二数控机床的功能部件大连理工大学出版社模块一数控机床功能部件及专业化制造模块二数控机床的运动部件模块三数控机床导轨及基础件模块四中心的自动换刀系统模块五数控机床的辅助装置模块六数控机床常用的刀具及工具系统大连理工大学出版社模块一数控机床功能部件及专业化制造一、数控机床的功能部件单元（含电主轴）、五轴联动摆头、数控系统、伺服驱动及电机、滚珠丝杠副、滚动导轨副、刀库与换刀机构、数控回转刀架、回转工作台、数控工具系统、冷却润滑系统、测量反馈以及安全防护装置等统称为数控机床的功能部件。功能部件是数控机床的重要组成部分，它的性能已成为整机性能主轴的决定性因素。大连理工大学出版社模块一数控机床功能部件及专业化制造如图（a）所示组成卧式加工中心的主要功能部件包括：主轴单元、滚珠丝杠副、回转工作台、刀库、机械手及防护装置等。大连理工大学出版社如图（b）所示组成数控车床的主要功能部件包括：主轴单元、回转刀架、滚珠丝杠副、滚动导轨副及防护装置等.★了解和掌握各功能部件的组成、结构特点及工作性能，对操作或维护数控机床有直接的指导意义。模块一数控机床功能部件及专业化制造大连理工大学出版社模块一数控机床功能部件及专业化制造二、功能部件的专业化制造★功能部件的成本在一台数控机床的总成本中占有很大的比重,根据机床功能配置的不同,一般都占到60%以上。★功能部件生产的专业化已成为国内外数控机床制造行业的普遍做法，只有实施专业化生产，才能不断提升功能部件的发展水平，为机床制造厂提供功能完善、品质优良、运行可靠、结构标准化且性价比合适的选件，缩短机床新产品开发和制造周期，为数控机床的快速发展奠定坚实的基础。大连理工大学出版社一、主运动传动部件1.主传动系统的特点（1）主轴转速高，输出功率大，能实现高效率加工。（2）主轴转数的变换迅速可靠，且自动无级变速，使切削工作始终在最佳状态下进行。（3）为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设计有刀具自动装卸、夹紧、主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社一、主运动传动部件2.主传动系统的变速方式★数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，以保证在加工不同材料的工件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。★数控机床加工过程中的主轴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，目前数控机床普遍采用无级变速系统或电主轴。模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社2.主传动系统的变速方式（1）带有变速齿轮的主传动系统该传动方式在大、中型数控机床中采用，右图所示为二级齿轮变速的主传动系统。模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社（2）同步带传动的主传动系统同步带传动是数控机床上应用较多的一种传动结构，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声。同步带的传动结构如下图所示。图2-2（b）（a）同步带的结构（b）同步带的传动结构模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社2.主传动系统的变速方式（3）由调速电动机直接驱动的主传动系统简化了主轴箱体与主轴的结构，但是主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴的精度影响较大。使用这种电动机可实现纯电气定向，而且主轴的控制功能可以很容易与数控系统相连接并可提高启动、停止的响应特性。图2-2（c）模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社3.主轴单元主轴单元在结构上要处理好卡盘或刀具的装夹，主轴轴承的定位和间隙调整，主轴的润滑和密封等一系列问题。（1）主轴及主轴前端结构数控车床主轴前端结构数控镗铣床和加工中心主轴前端结构外圆、平面、无心磨床砂轮主轴前端结构内圆磨床砂轮主轴前端结构模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社（2）主轴轴承及配置形式数控机床的主轴轴承的类型、结构、精度、配置、安装、润滑都直接影响主轴单元的工作性能。1）主轴轴承：中小型数控机床上普遍采用的是滚动轴承。一般重型数控机床上主轴支承采用静压轴承。图2-5主轴常用滚动轴承类型模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社（2）主轴轴承及配置形式2）主轴轴承的配置形式高刚度主轴：主要适用于大中型卧式加工中心主轴和强力切削机床主轴。图2-6所示为高刚度主轴的轴承配置形式。高速主轴：适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。图2-7所示为高速主轴的轴承配置形式.图2-6高刚度主轴的轴承配置形式图2-7高速主轴的轴承配置形式模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社（3）数控车床的液压动力卡盘如图2-8所示为数控车床用液压动力卡盘的液压缸结构图。如图2-9所示是动力卡盘前端的结构图。图2-8图2-9模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社（4）加工中心主轴准停装置加工中心切削时，扭矩是由主轴端面键传递的，机械手每次换刀时必须保证刀柄上的键槽与主轴上的端面键能对准，因此要求主轴部件设有准停装置。主轴准停装置的另一个作用是每次装刀时刀夹与主轴的相对位置不变，提高刀具的重复安装精度，提高孔加工时孔径的一致性。主轴电气准停装置工作原理如图所示。图2-10模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社4.电主轴数控机床为了实现高速、高效、高精度的加工，要采用特定的主轴功能部件，并且要具有大功率、宽调速范围的特性。最适于高速运转的主轴形式是将主轴电机的定子、转子直接装入主轴单元内部，称之为电主轴。图2-11所示为电主轴的组成结构示意图。图2-11电主轴的组成模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社4.电主轴★在性能方面电主轴是一种智能型功能部件，保证主轴高速运转的可靠性与安全性。★在结构方面电主轴取消了带传动和齿轮传动，提高了主轴动态响应速度和工作精度。★实现了“零传动”，解决了主轴高速运转时传动件的振动和噪声问题。★在控制方面电主轴通过交流变频控制系统，使主轴获得所需的工作速度和扭矩。模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社4.电主轴a）图是2sp120标准铣削电主轴外观图；b）图是2sp125标准铣削电主轴外观图；目前，电主轴在数控机床中的应用日益广泛。b)a)模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社二、进给运动传动部件1.进给传动系统特点进给传动系统通常是由伺服电动机、同步带轮传动副和滚珠丝杠螺母副所组成，有的机床是直接将伺服电动机与滚珠丝杠连接。数控机床对进给系统中的传动装置和元件要求具有高的寿命、高的刚度、无传动间隙、高的灵敏度和低摩擦阻力的特点。模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社2.滚珠丝杠螺母副（1）滚珠丝杠螺母副的结构滚珠丝杠副是回转运动与直线运动相互转换的理想传动装置，也是数控机床上重要的功能部件。结构特点：在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少传动副的摩擦。模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社（1）滚珠丝杠螺母副的结构按滚珠循环方式的不同可以分为内循环式和外循环式两种。图2-13滚珠丝杠副的结构图（a）内循环式（b）外循环式模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社（1）滚珠丝杠螺母副的结构内循环式：滚珠在循环滚动过程中与丝杠始终接触。内循环式的滚珠丝杠带有反向器，返回的滚珠从螺纹滚道进入反向器，借助反向器迫使滚珠越过丝杠牙顶进入相邻滚道，实现循环。优点:径向尺寸紧凑，刚性好。因其返回滚道行程较短，摩擦损失小，效率高。（a）内循环式模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社外循环式:滚珠在返回过程中与丝杠脱离接触。按滚珠返回的方式不同，有插管式和螺旋槽式。a）图为插管式，其特点是:结构简单、容易制造，但由于回珠管突出于螺母体外，径向尺寸较大。b）图所示为螺旋槽式，特点是:相对插管式其径向尺寸小，但制造上较为复杂。a）插管式b）螺旋槽式模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社（2）滚珠丝杠副的特点1）传动效率高传动效率可达92%～98%，是普通丝杠传动的2～4倍。2）定位精度和重复定位精度高驱动力矩小，发热率大幅降低，温升减小。并采取预紧方法消除轴向间隙。3）使用寿命长滚珠丝杠副采用优质合金钢，其滚道表面硬度高达60～62HRC，使用寿命远高于滑动丝杠。4）刚度高滚珠丝杠副预紧后消除轴向间隙，提高系统的刚度。5）传动的可逆性旋转运动直线运动，且消除爬行。滚珠丝杠副由于其摩擦系数小、不能自锁，当作用于垂直位置时，必须加有制动装置。模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社（3）滚珠丝杠副间隙的调整滚珠丝杠副的传动间隙是轴向间隙。消除轴向间隙的常用的方法是用双螺母消除丝杠螺母的间隙。1）双螺母垫片调隙式结构结构简单、刚性好、装卸方便、可靠。但调整精度不高，不能随时消除间隙和进行预紧。该调整结构仅适用于一般精度的数控机床。模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社2）双螺母齿差调隙式结构结构较为复杂，尺寸较大，但是调整方便，可获得精确的调整量，预紧可靠不会松动，适用于高精度传动。调整方法：螺母1和2凸缘上两个圆柱齿轮的齿数相差一个齿，根据滚珠丝杠副间隙的大小，分别调整两个螺母1、2向相同的方向转过一个或多个齿。使两个螺母在轴向移近了相应的距离达到调整间隙和预紧的目的。模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社2）双螺母齿差调隙式结构间隙消除量Δ可用下式简便地计算：Δ=nt／（z1·z2）或n=Δz1·z2/tn为螺母在同一方向转过的齿数；t为滚珠丝杠的导程；z1、z2为螺母凸圆上齿轮的齿数。例如，z1=99、z2=100，t=10mm，如果两个螺母各转过一个齿时，其相对轴向位移量为：s=t/（z1·z2）=10mm/（100×99）=0.001mm模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社3）双螺母螺纹调隙式结构螺母5和螺母座之间用平键连接，以限制螺母在螺母座内的转。调整时，拧紧圆螺母1使螺母5沿轴向移动一定距，在消除间隙之后用圆螺母2将其锁紧。此调整方法的结构简单紧凑，调整方便但调整精度较差。7模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社（4）滚珠丝杠的安装滚珠丝杠所承受的主要是轴向载荷，因此对滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求较高。丝杠两端的支承布置结构形式有四种：a）一端固定一端自由的支承形式；b）一端固定一端浮动的支承形式；c）和d）都是两端固定的支承形式.模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社3.传动齿轮间隙消除机构（1）直齿圆柱齿轮传动间隙的调整1）为偏心套调整如图所示通过转动偏心套，使相互啮合的两个齿轮的中心距减小，从而方便地消除齿侧间隙。特点：结构比较简单、传动刚度好、能传递较大的动力，但齿轮磨损后齿侧间隙不能自动补偿。图2-19模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社（1）直齿圆柱齿轮传动间隙的调整2）轴向垫片调如图所示采用轴向垫片来消除间隙。调整时只需改变垫片3的厚度，使齿轮2做轴向移动，则两齿轮沿轴向产生相对位移，即可达到消除齿侧间隙的目的。特点：同偏心套调整特点图2-20模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社（1）直齿圆柱齿轮传动间隙的调整3）双齿轮错齿调整薄片齿轮1、2的齿数相同并套装在一起，由于弹簧4的作用，两齿轮可做相对回转运动。特点：结构较复杂，传动刚度低，不宜传递大扭矩，对齿轮的齿厚和齿距要求较低，可始终保持齿侧无间隙啮合，尤其适用于检测装置。图2-21模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社（2）斜齿圆柱齿轮传动间隙的消除1）垫片调整在两斜齿轮之间加厚度为t的垫片3。调整：拧紧螺母4，使两斜齿轮螺旋线产生错位，其齿面分别与宽齿轮4的齿面贴紧，消除了齿侧间隙。垫片的厚度和齿侧间隙的关系可由下式算出:t=Δcotβ图2-22模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社（2）斜齿圆柱齿轮传动间隙的消除2）轴向压簧调整齿轮1和2用键与轴连接，相互间无相对转动。齿轮1和2同时与齿轮5啮合。调整：转动螺母3调节弹簧4，使薄片齿轮1和2的齿侧分别贴紧宽齿轮5的齿槽左、右两侧，消除了间隙。特点：齿轮内孔有较长的导向长度，因而轴向尺寸较大，结构不紧凑，优点是可以自动补偿间隙。图2-23模块二数控机床的运动部件大连理工大学出版社（3）