项目二 数控机床的功能部件
学习任务：1. 数控机床功能部件的专业化制造。
2. 数控机床的主运动传动部件和进给运动传动部件。 3. 数控回转刀架和回转工作台的加工特征及工作过程。 4. 数控机床的床身布局和导轨结构。
5. 加工中心自动换刀系统的刀库结构及自动换刀装置。 6. 数控机床的防护装置、排屑装置和润滑系统。 7. 数控机床常用的刀具及工具系统 第一单元：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
学习目标：1.了解功能部件是组成数控机床的基本单元。
2.了解功能部件实施专业化生产对数控机床发展的重要意义。
3.了解数控机床主运动传动系统、进给运动传动系统的特点及主传动系统的典型结构。
4.掌握数控机床主轴常用的轴承配置形式。 教学重点：1.数控机床的功能部件及其专业化制造。
2.数控机床主运动传动系统的特点及变速方式。 3.数控机床主轴单元。
教学难点：1.数控机床主运动传动系统变速方式
2.主轴轴承及配置形式。 3.主轴准停装置。
辅助教学：多媒体课件 教学过程：
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
主轴单元（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，它是数控机床的重要组成部分，功能部件的性能已成为整机性能的决定性因素。
图2-1(a)所示为去掉防护装置的卧式加工中心，主轴单元、滚珠丝杠副、回转工作台、刀库和机械手及防护装置等是组成卧式加工中心的主要功能部件。
图2-1(b)所示为去掉防护装置的数控车床，主轴单元、回转刀架、滚珠丝杠副、滚动导轨副及防护装置等是组成数控车床的主要功能部件。
二、功能部件的专业化制造
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功能部件是数控机床不可缺少的重要组成部份,其本身也是高科技产品。
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。
近几年，我国数控机床制造业发展迅速，带动了功能部件技术水平和产品档次的提高。
模块二 数控机床的运动部件
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，能满足数控机床高速切削和大功率切削的需要，实现高效率加工。
(2)主轴能自动无级变速且变换迅速可靠，使切削工作始终在最佳状态下进行。 (3)为实现加工中心的刀具快速或自动装卸，主轴单元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。
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。目前数控机床普遍采用无级变速系统或电主轴。
数控机床主传动系统主要有如图2-2所示的三种配置方式。
图2-2数控机床主传动系统的配置方式
（1）带有变速齿轮的主传动系统
如图2-2(a)所示的配置方式在大、中型数控机床中采用较多，一部分小型数控机床也采用这种传动方式。它通过少数几对齿轮的降速传动，使主传动系统实现分段无级变速，确保低速时输出大扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。图2-3所示为二级齿轮变速的主传动
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系统，滑移齿轮轴的右端与主轴电动机相连接。当滑移齿轮处于左位时，主轴转速的无级变速呈高速段分布；当滑移齿轮处于右位时，主轴转速的无级变速呈低速段分布。
（2）同步带传动的主传动系统
如图2-2(b)所示的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图2-4(b)所示，同步带的工作面及带轮外圆上均制成齿形。工作时，带齿与带轮的轮槽相啮合，是一种啮合传动，它综合了齿轮传动、带传动和链传动的优点。与一般带传动相比，同步带传动具有如下优点：
1)齿啮合传动无相对滑动，传动比准确； 2)传动效率高，可达98％以上； 3)传动平稳，噪声小；
4)使用范围较广，速度可达50 m／s，速比可达10左右，传递功率由几瓦至数千瓦； 5)维修保养方便，不需要润滑。
（3）由调速电动机直接驱动的主传动系统
如图2-2(c)所示的主传动方式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，但是主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴的精度影响较大。
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。对于数控镗铣床的主轴，为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设计有刀具的自动装卸、主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除等装置。
（1）主轴及主轴前端结构
数控机床的主轴单元是机床的重要部件之一，它带动工件或刀具按照系统指令，执行机床的切削运动，由主轴直接承受切削力，而且主轴的转速范围很大，因此数控机床主轴单元要具有高的回转精度、刚度、抗振性和耐磨性。
主轴的轴端用于安装刀具和夹具，表2-1为几种典型的数控机床的主轴轴端结构。数控车床的主轴端部结构，一般采用短圆锥法兰盘结构，具有定心精度高、主轴的悬伸长度短、刚度好等优点。数控铣床和加工中心的主轴前端为7∶24锥孔，刀柄安装在主轴锥孔中，定心精度高。
（2）主轴轴承及配置形式 1）主轴轴承
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。滚动轴承的摩擦力小，预紧方便，润滑维护简单，可以在一定转速范围和载荷变动范围内稳定地工作，中小型数控机床上普遍采用滚动轴承。一般重型数控机床主轴采用静压轴承。
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数控机床主轴常用滚动轴承类型如图2-5所示。
图2-5(a)所示为双列短圆柱滚子轴承，其内孔为1∶12的锥孔，承载能力大、支承刚性好、允许的极限转速高。
图2-5(b)所示为双向推力角接触球轴承，接触角为60°，能承受双向轴向载荷。该轴承轴向刚度较高，允许的极限转速高，一般与双列短圆柱滚子轴承配套使用。
图2-5(c)所示为角接触球轴承，能同时承受径向和轴向载荷，结构简单，调整方便，允许的极限转速高，承载能力较低。
图2-5(d)所示为双列圆锥滚子轴承，能同时承受径向和轴向载荷，允许的极限转速低。 图2-5(e)所示为空心圆锥滚子轴承，结构上与图2-5(d)所示的轴承相似，但其滚子是空心的，保持架为整体结构，采用油润滑。
2）主轴轴承的配置形式
主轴承受的切削力分为径向力和轴向力，在使用时，应根据主轴的精度、刚度和转速来选择轴承及配置形式。
图2-6所示为适应高刚度主轴的轴承配置形式。这种配置形式使主轴的综合刚度得到大幅度提高，可以满足强力切削的要求。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2-7所示为适应高速主轴的轴承配置形式。前支承采用三个超精密级角接触球轴承组合，可以是图示的一对角接触球轴承和一个角接触球轴承的组合方式，也可以是三个角接触球轴承都靠在一起的结构方式。如图2-7(a)所示的后支承由两个角接触球轴承组合；如图2-7(b)所示的后支承采用双列短圆柱滚子轴承。
主轴轴承的配置除了以上两种形式之外，还有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的配置形式。适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。
（3）数控车床的液压动力卡盘
图2-8 所示为数控车床用液压动力卡盘的液压缸结构图。 （4）加工中心主轴准停装置
加工中心的切削扭矩是由主轴端面键来传递的，刀具装入主轴锥孔时，刀柄上的键槽必须对准主轴前端面的凸键，因此加工中心的主轴部件均设有准停装置。其作用首先是使主轴每次都准确地停止在固定的周向位置上，以保证换刀时主轴上的端面键能对准刀柄上的键槽；其次是对于镗孔加工使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，从而提高孔加工时孔径的一致性。图2-10所示为主轴电气准停装置工作原理图。该主轴准停装置可保证主轴准停的重复精度在±1°范围内。
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。而最适于高速运转的主轴形式是将主轴电机的定子、转子直
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接装入主轴单元内部，称之为电主轴。图2-11所示为电主轴的基本组成，电源接口1与主轴电气控制模块相连接，主轴壳体2相当于电动机座，它安装在主轴箱内。主轴5由前轴承6和后轴承7来支承。冷却装置强制循环以控制电动机的温升。
图2-11电主轴的基本组成
1—电源接口；2—主轴壳体；3—电机定子；4—电机转子； 5—主轴；6—前轴承；7—后轴承
图2-12所示为SIEMENS公司生产的2SP1系列标准铣削电主轴，可用于数控铣床和加工中心。
电主轴最初主要用于轴承行业的高速内圆磨削领域，随着数控技术和变频技术的发展，电主轴在数控机床中的应用日益广泛，不仅在高速切削机床上得到广泛应用，也应用于对工件加工有高效率、高表面质量要求的场合以及对小孔的加工。
第二单元：模块二 数控机床的运动部件 学习目标：1.滚珠丝杠螺母副工作原理和特点。
2.消除滚珠丝杠副间隙的调整方法。 3.掌握齿轮副传动间隙的调整方法。
学习重点：1.数控机床滚珠丝杠副的工作原理。 2.滚珠丝杠副间隙的调整方法。
3.齿轮副传动间隙的调整方法。
学习难点：1.消除滚珠丝杠副间隙的调整方法。
2.齿轮副传动间隙的调整方法。
辅助教学：多媒体课件 教学过程：
二、进给运动传动部件
数控机床的进给运动是数字控制的直接对象，采用无级调速伺服驱动方式，被加工工件的最终位置精度和轮廓精度都与进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性有关。
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数控机床第项目二(电子教案)
