数控车床的用途、组成及布局、分类等的介绍

1.数控车床的用途

数控车床能对轴类或盘类等回转体零件自动地完成内、外圆柱面，圆锥面，圆弧面和直、锥螺纹等工序的切削加工，并能进行切槽、钻、扩和铰等工作。它是目前国内使用极为广泛的一种数控机床，约占数控机床总数的25%。

2.数控车床的组成及布局

（1）数控车床的组成及特点图4-1所示为济南第一机床厂生产的MJ-50全功能型数控车床，一般由以下几个部分组成。

图4-1 MJ-5全功能型数控车床

1—主轴卡盘松、夹开关 2—对刀仪 3—主轴卡盘 4—主轴箱 5—机床防护门 6—压力表 7—对刀仪防护罩 8—导轨防护罩 9—对刀仪转臂 10—操作面板 11—回转刀架 12—尾座 13—床鞍 14—床身

1）主机。它是数控车床的机械部件，包括床身、主轴箱、刀架尾座、进给机构等。

2）数控装置。它是数控车床的控制核心，其主体是有数控系统运行的一台计算机（包括CPU、存储器、CRT等）。

3）伺服驱动系统。它是数控车床切削工作的动力部分，主要实现主运动和进给运动，由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成。伺服驱动装置主要有主轴电动机和进给伺服驱动装置（步进电动机或交、直流伺服电动机等）。

4）辅助装置。辅助装置是指数控车床的一些配套部件，包括液压、气压装置及冷却系统、润滑系统和排屑装置等。

与普通车床相比较，数控车床的结构有不少特点。由于数控车床刀架的纵向（Z向）和横向（X向）运动分别采用两台伺服电动机驱动，经滚珠丝杠传到滑板和刀架，不必使用交换齿轮、光杠等传动部件，所以它的传动链短；多功能数控车床是采用直流或交流主轴控制单元来驱动主轴，它可以按控制指令作无级变速，与主轴间无需再用多级齿轮副来进行变速，其床头箱内的结构也比普通车床简单得多。故数控车床的结构大为简化，其精度和刚度大大提高。另外，数控车床还具有轻拖动（刀架移动采用了滚珠丝杠副），加工时冷却充分、防护较严密等特点。

（2）数控车床的布局数控车床的布局形式与普通车床基本一致，但数控车床的刀架和导轨的布局形式有很大变化，直接影响着数控车床的使用性能及机床的结构和外观。此外，数控车床上都设有封闭的防护装置。

1）床身和导轨的布局。数控车床床身导轨水平面的相对位置如图4-2所示。

①图4-2a所示为平床身的布局。它的工艺性好，便于导轨面的加工。水平床身配上水平放置的刀架，可提高刀架的运动精度。这种布局一般可用于大型数控车床或小型精密数控车床。但是水平床身由于下部空间小，故排屑困难。从结构尺寸上看，刀架水平放置使滑板横向尺寸较长，从而加大了机床宽度方向的结构尺寸。

图4-2 数控车床的布局形式

a）平床身 b）斜床身 c）平床身斜滑板 d）立床身

②图4-2b所示为斜床身的布局。其导轨倾斜的角度分别为30°、45°、60°和75°等。当导轨倾斜的角度为90°时，称为立床身，如图4-2d所示。倾斜角度小，排屑不便；倾斜角度大，导轨的导向性及受力情况差。其倾斜角度的大小还直接影响机床外形尺寸高度与宽度的比例。综合考虑以上因素，中、小规格的数控车床，其床身的倾斜度以60°为宜。

③图4-2c所示为平床身斜滑板的布局。这种布局形式一方面具有水平床身工艺性好的特点，另一方面机床宽度方向的尺寸较水平配置滑板的要小，且排屑方便。

平床身斜滑板和斜床身的布局形式，被中、小型数控车床所普遍采用。这是由于此两种布局形式排屑容易，热切屑不会堆积在导轨上，也便于安装自动排屑器；操作方便，易于安装机械手，以实现单机自动化；机床占地面积小，外形美观，容易实现封闭式防护。

2）刀架的布局分为排式刀架和回转式刀架两大类。目前两坐标联动数控车床多采用回转式刀架，它在机床上的布局有两种形式。一种是用于加工盘类零件的回转式刀架，其回转轴平行于主轴；另一种是用于加工轴类和盘类零件的回转式刀架，其回转轴垂直于主轴。

四坐标轴控制的数控车床，床身上安装有两个独立的滑板和回转式刀架，也称为双刀架四坐标数控车床。其上每个刀架的切削进给量是分别控制的，因此两刀架可以同时切削同一工件的不同部位，既扩大了加工范围，又提高了加工效率，适合于加工曲轴、飞机零件等形状复杂、批量较大的零件。

3.数控车床的分类

随着数控车床制造技术的不断发展，形成了产品繁多、规格不一的局面，因而也出现了几种不同的分类方法。

（1）按数控系统的功能分类

1）经济型数控车床。它一般采用步进电动机驱动形成开环伺服系统，其控制部分采用单板机或单片机来实现。此类车床结构简单，价格低廉，无刀尖圆弧半径自动补偿和恒线速切削等功能。

2）全功能型数控车床。如图4-1所示，它一般采用闭环或半闭环控制系统，具有高刚度、高精度和高效率等特点。

3）车削中心。它是以全功能型数控车床为主体，并配置刀库、换刀装置、分度装置，铣削动力头和机械手等，实现多工序的复合加工的机床，在工件一次装夹后，它可完成回转类零件的车、铣、钻、铰、攻螺纹等多种加工工序，其功能全面，但价格较高。

4）FMC车床。它实际上是一个由数控车床、机器人等构成的柔性加工单元。它能实现工件搬运、装卸的自动化和加工调整准备的自动化。

（2）按加工零件的基本类型分类

1）卡盘式数控车床。这类车床未设置尾座，适于车削盘类零件。其夹紧方式多为电动或液压控制，卡盘结构多数具有卡爪。

2）顶尖式数控车床。这类车床设置有普通尾座或数控尾座，适合车削较长的轴类零件及直径不太大的盘、套类零件。

（3）按主轴的配置形式分类

1）卧式数控车床。其主轴轴线处于水平位置，它又可分为水平导轨卧式数控车床和倾斜导轨卧式数控车床（其倾斜导轨结构可以使车床具有更大的刚性，并易于排屑）。

2）立式数控车床。其主轴轴线处于垂直位置，并有一个直径很大的圆形工作台，供装夹工件用。这类机床主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸较小的大型复杂零件。

具有两根主轴的车床，称为双轴卧式数控车床或双轴立式数控车床。

（4）其他分类按数控系统的不同控制方式等指标，数控车床可分为直线控制数控车床、轮廓控制数控车床等；按特殊或专门的工艺性能可分为螺纹数控车床、活塞数控车床、曲轴数控车床等；按刀架数量可分为单刀架数控车床和双刀架数控车床；另外也有把车削中心列为数控车床一类的。

4.数控车床的典型结构

下面主要介绍全功能型数控车床的典型结构。

如图4-1所示，MJ-50数控车床为两坐标连续控制的全功能卧式车床。床身14为平床身，床身导轨面上支承着30°倾斜布置的床鞍13，排屑方便。导轨的横截面为矩形，支承刚性好，且导轨上配置有导轨防护罩8。床身的左上方安装有主轴箱4，主轴由交流伺服电动机驱动，免去变速传动装置，因此主轴箱的结构变得十分简单。为了快速而省力地装夹工件，主轴卡盘3的夹紧与松开是由主轴尾端的液压缸来控制的。床身右方安装有尾座12。滑板的倾斜导轨上安装有回转刀架11，其刀盘上有10个工位，最多安装10把刀具。滑板上分别安装有X轴和Z轴的进给传动装置。

为方便对刀和刀具检测，主轴箱前端面上可安装对刀仪2，用于机床的机内对刀。检测刀具时，对刀仪转臂9摆出，其上端的接触式传感器测头对所用刀具进行检测。检测完成后，对刀仪转臂摆回至图4-1所示的原位，且测头被锁在对刀仪防护罩7中。

（1）主轴结构与主传动系统

1）主轴结构。图4-3所示为MJ-50数控车床的主轴箱结构，主轴交流伺服电动机（11kW）通过带轮15把运动传给主轴7。主轴采用两支承结构，前支承由一个双列圆柱滚子轴承11和一对角接触球轴承10组成，双列圆柱滚子轴承11用来承受径向载荷，两个角接触球轴承一个大口朝向主轴前端，另一个大口朝向主轴后端，用来承受双向的轴向载荷和径向载荷。前支承轴承的间隙用螺母8来调整。螺钉12用来防止螺母8回松。主轴的后支承为双列圆柱滚子轴承14，轴承间隙由螺母1和6来调整。螺钉17和13是防止螺母1和6回松的。主轴的支承形式为前端定位，主轴受热膨胀向后伸长。前后支承所用双列圆柱滚子轴承的支承刚性好，允许的极限转速高。前支承中的角接触球轴承能承受较大的轴向载荷，且允许的极限转速高。主轴所采用的支承结构适宜高速大载荷切削的需要。主轴的运动经过同步带轮16和3以及同步带2带动脉冲编码器4，使其与主轴同速运转。脉冲编码器用螺钉5固定在主轴箱体9上。

图4-3 MJ-50数控车床的主轴箱结构

1、6、8—螺母 2—同步带 3、16—同步带轮 4—脉冲编码器 5、12、13、17—螺钉 7—主轴 9—主轴箱体 10—角接触球轴承 11、14—双列圆柱滚子轴承 15—带轮

2）主传动系统。数控车床主运动要求速度在一定范围内可调，有足够的驱动功率，主轴回转轴心线的位置准确稳定，并有足够的刚性与抗振性。

全功能型数控车床的主轴变速是按照加工程序指令自动进行的。为确保机床主传动的精度，降低噪声，减轻振动，主传动链要尽可能地缩短；为保证满足不同的加工工艺要求并能获得最低切削速度，主转动系统应能无级地大范围变速；为提高端面加工的生产率和加工质量还应能实现恒切削速度控制。此外，主轴应能配合其他构件实现工件自动装夹。

图4-4所示为MJ-50数控车床的传动系统，其中主运动传动系统由功率为11kW的交流伺服电动机驱动，经一级1∶1的带传动带动主轴旋转，使主轴在35～13500r/min的转速范围内实现无级调速，主轴箱内部省去了齿轮传动变速机构，因此减小了齿轮传动对主轴精度的影响，并且维修方便。另外，在主轴箱内还安装有脉冲编码器，主轴的运动通过同步带轮以及同步带1∶1地传到脉冲编码器。当主轴旋转时，脉冲编码器发出检测脉冲信号给数控系统，使主轴电动机的旋转与刀架的切削进给保持同步关系，即实现加工螺纹时主轴转一转，刀架Z向移动一个工件导程的运动关系。

图4-4 MJ-50数控车床的传动系统

（2）进给传动系统数控车床进给传动系统是用数字控制X、Z坐标轴的直接对象，工件最后的尺寸精度和轮廓精度都直接受进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此，数控车床的进给传动系统应充分注意减小摩擦力，提高传动精度和刚度，消除传动间隙以及减小运动件的惯量等。

为使全功能型数控车床进给传动系统达到高精度、快速响应、低速大转矩等要求，一般采用交、直流伺服进给驱动装置，通过滚珠丝杠螺母副带动刀架移动。刀架的快速移动和进给移动为同一条传动路线。

如图4-4所示，MJ-50数控车床的进给传动系统分为X轴进给传动和Z轴进给传动。Y轴进给由功率为0.9kW的交流伺服电动机驱动，经20∶24的同步带轮传动到滚珠丝杠，其螺母带动回转刀架移动，滚珠丝杠螺距为6mm。Z轴进给由功率为1.8kW的交流伺服电动机驱动，经24∶30的同步带轮传动到滚珠丝杠，其上螺母带动滑板移动，滚珠丝杠螺距为10mm。

滚珠丝杠螺母副的轴向间隙可通过预紧方法消除，预紧载荷以能有效地减小弹性变形所带来的轴向位移为度，过大的预紧力将增大摩擦阻力，降低传动效率，并使寿命大为缩短。所以，一般要经过几次仔细调整才能保证机床在最大轴向载荷下，既消除间隙，又能灵活运转。目前，丝杠螺母副已由专业厂生产，其预紧力由制造厂调好后供用户使用。

（3）机床尾座图4-5所示为MJ-50数控车床出厂时配置的标准尾座结构简图。尾座体的移动由滑板带动实现。尾座体移动后，由手动控制的液压缸将其锁紧在床身上。

图4-5 MJ-50型数控车床尾座结构简图

1—顶尖 2—尾座套筒 3—尾座体 4—活塞杆 5—端盖 6—移动挡块 7—固定挡块 8、9—确认开关 10—行程杆

在调整机床时，可以手动控制尾座套筒移动。顶尖1与尾座套筒2用锥孔连接，尾座套筒可带动顶尖一起移动。在机床自动工作循环中，可通过加工程序由数控系统控制尾座套筒的移动。当数控系统发出尾座套筒伸出的指令后，液压电磁阀动作，压力油通过活塞杆4的内孔进入套筒液压缸的左腔，推动尾座套筒伸出。当数控系统指令其退回时，压力油进入套筒液压缸右腔，从而使尾座套筒退回。

尾座套筒移动的行程，靠调整套筒外部连接的行程杆10上面的移动挡块6来完成。图中所示移动挡块的位置在右端极限位置时，套筒的行程最长。

当套筒伸出到位时，行程杆上的移动挡块6压下确认开关9，向数控系统发出尾座套筒到位信号。当套筒退回时，行程杆上的固定挡块7压下确认开关8，向数控系统发出套筒退回的确认信号。

（4）自动回转刀架数控车床的刀架是机床的重要组成部分，其结构直接影响机床的切削性能和工作效率。回转式刀架上回转头各刀座用于安装或支持各种不同用途的刀具，通过回转头的旋转、分度和定位，实现机床的自动换刀。回转刀架分度准确，定位可靠，重复定位精度高，转位速度快，夹紧性好，可以保证数控车床的高精度和高效率。

按照回转刀架的回转轴相对于机床主轴的位置，可分为立式和卧式回转刀架。

1）立式回转刀架。立式回转刀架的回转轴垂直于机床主轴，有四方刀架和六方刀架等外形，多用于经济型数控车床上。

2）卧式回转刀架。卧式回转刀架的回转轴与机床主轴平行（图4-1），可径向与轴向安装刀具。径向刀具多用作外圆柱面及端面加工，轴向刀具多用作内孔加工。回转刀架的工位数最多可达到20个，常用的有8、10、12、14工位四种。刀架回转及松开、夹紧的动力可采用全电动、全液压、电动回转与松开—碟形弹簧夹紧、电动回转—液压松开与夹紧等。刀位计数采用光电编码器。由于回转刀架的机械结构复杂，使用中故障率相对较高，因此在选用及使用维护中要给予足够重视。

MJ-50数控车床的自动回转刀架为卧式回转刀架的结构，其转位换刀过程为：当接收到数控系统的换刀指令后，刀盘松开—刀盘旋转到指令要求的刀位—刀盘夹紧并发出转位结束信号。在机床自动工作状态下，当指定换刀的刀号后，数控系统可以通过内部的运算判断，实现刀盘就近转位换刀，即刀盘可正转也可反转。但当手动操作机床时，从刀盘方向观察，只允许刀盘顺时针转动换刀。