第4章 数控机床的机械结构 认识数控机床的机械结构 数控机床机械结构的特点 数控机床的主传动系统 数控机床进给传动系统 自动换刀装置 1 数控机床机械结构的特点 2 3 数控机床的主传动系统 4 数控机床进给传动系统 5 自动换刀装置 6 数控机床的回转工作台 项目训练 7

4.1 认识数控机床的机械结构 1、熟悉数控车床的机械结构

4.1 认识数控机床的机械结构 2、熟悉加工中心的机械结构

4.2 数控机床机械结构的特点 一、数控机床机械结构特点 1）静刚度和动刚度高 合理选择构件的结构形式，如基础件采用封闭的完整箱体结构；合理选择及布局隔板和筋条，尽量减小接合面，提高部件间接触刚度等；合理进行结构布局；采取补偿构件变形的结构措施。 2）抗振性高

4.2 数控机床机械结构的特点 立柱结构 筋条结构

4.2 数控机床机械结构的特点 一、数控机床机械结构特点 3）灵敏度高 4）热变形小 在数控机床结构布局设计中可考虑尽量采用对称结构（如对称立柱等），进行强制冷却（如采用空冷机），使排屑通道对称布置等措施。 5）自动化程度高，操作方便

回转交换式APC 移动交换式APC

二、数控机床布局特点 1、不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量 数控铣床四种布局方案适应的工件重量、尺寸却不同。（a）适应较轻工件，（b）适应较大尺寸工件，（c）适应较重工件，（d）适应更重更大工件。

二、数控机床布局特点 2、不同布局有不同的运动分配及工艺范围 数控镗铣床的三种布局方案中，（a）主轴立式布置，上下运动，对工件顶面进行加工；（b）主轴卧式布置，加工工作台上分度工作台的配合，可加工工件多个侧面；（c）在（b）基础上再增加一个数控转台，可完成工件上更多内容的加工。

二、数控机床布局特点 3、不同布局有不同的机床结构性能 数控卧式镗铣床中，（a）、（b）为T形床身布局，工作台支承于床身，刚度好，工作台承载能力强；(c)、(d)工作台为十字形布局，（c）主轴箱悬挂于单立柱一侧，使立柱受偏载，(d)主轴箱装在框式立柱中间，对称布局，受力后变形小，有利于提高加工精度。

二、数控机床布局特点 4、不同布局影响机床操作方便程度 数控车床的四种不同布局方案，（a）为水平床身-水平滑板，床身工艺性好，便于导轨面的加工，下部空间小，故排屑困难，刀架水平放置加大了机床宽度方向的结构尺寸；

二、数控机床布局特点 4、不同布局影响机床操作方便程度 （b）为倾斜床身-倾斜滑板，排屑亦较方便，中小规格的数控车床其床身的倾斜度以60°为宜；（c）水平床身-倾斜滑板，具有水平床身工艺性好，宽度方向的尺寸小，且排屑方便，是卧式数控车床的最佳布局形式。

4.3 数控机床的主传动系统 4.3.1 数控机床主传动的特点 1）具有更大的调速范围并实现无级调速。一般要求主轴具备1∶（100～1000）的恒转矩调速范围和1∶10的恒功率调速范围。 2）具有较高的精度与刚度，传递平稳，噪声低 3）良好的抗振性和热稳定性。 4）在车削中心上，要求主轴具有C轴控制功能。 5）在加工中心上，要求主轴具有高精度的准停功能。 6）具有恒线速度切削控制功能。

(a)齿轮变速；(b)带传动；(c)两个电机分别驱动；(d)调速电机直接驱动 4.3 数控机床的主传动系统 4.3.2 数控机床主轴的变速方式 1、带有变速齿轮的主轴传动 　　大中型数控机床较常采用的配置方式，确保低速时有较大的扭矩，滑移齿轮的移位大多采用液压拨叉或直接由液压缸驱动齿轮来实现。 数控机床主传动的四种配置方式 (a)齿轮变速；(b)带传动；(c)两个电机分别驱动；(d)调速电机直接驱动

4.3.2 数控机床主轴的变速方式 2、通过带传动的主轴传动 　　主要用在转速较高、变速范围不大的小型数控机床上。可以避免由齿轮传动所引起的振动和噪声。适用于高速低转矩特性的主轴，常用有多楔带和同步齿形带。 带的结构形式 (a)多楔带;(b)同步齿形带

4.3.2 数控机床主轴的变速方式 同步齿形带传动是一种综合了带传动和链传动优点的新型传动方式，带型有梯形齿和圆弧齿。 　　同步齿形带传动是一种综合了带传动和链传动优点的新型传动方式，带型有梯形齿和圆弧齿。 同步齿形带的结构和传动

4.3.2 数控机床主轴的变速方式 3、用两个电机分别驱动主轴传动 　　3、用两个电机分别驱动主轴传动 　　高速时，由一个电机通过带传动；低速时，由另一个电机通过齿轮传动，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，使恒功率区增大，扩大了变速范围，避免了低速时转矩不够且电机功率不能充分利用的问题。

4.3.2 数控机床主轴的变速方式 4、调速电机直接驱动主轴传动 　　4、调速电机直接驱动主轴传动 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，但主轴输出的扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。 直接驱动式

(a)形式一；(b)形式二；(c)形式三 4.3 数控机床的主传动系统 4.3.3 主轴部件 1、主轴轴承的支撑形式　 　　1）前支撑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组合，后支撑采用成对向心推力球轴承。可提高主轴的综合刚度，满足强力切削的要求。普遍用于各类数控机床主轴。 主轴轴承常见的支撑形式 (a)形式一；(b)形式二；(c)形式三

　 2）前支撑采用高精度双列向心推力球轴承。向心推力轴承有良好的高速性，主轴最高转速可达4000r／min，但承载能力小，适于高速、轻载、高精密的数控机床主轴。 　 3）前后支撑分别采用双列和单列圆锥滚子轴承。径向和轴向刚度高，能承受重载荷，其安装、调整性能好，但限制了主轴转速和精度，因此可用于中等精度、低速、重载的数控机床的主轴。

4.3.3 主轴部件 2、刀具自动装卸切屑清除装置 加工中心主轴前端有7∶24号锥孔，内部和后端安装的是刀具自动夹紧机构。 机床执行换刀指令，机械手从主轴拔刀时，主轴需松开刀具。这时，液压缸上腔通压力油，活塞推动拉杆向下移动，使碟形弹簧压缩，钢球进入主轴锥孔上端的槽内，刀柄尾部的拉钉被松开，机械手拔刀。

4.3.3 主轴部件 2、刀具自动装卸切屑清除装置 压缩空气进入活塞和拉杆的中孔，吹净主轴锥孔，为装入新刀具做好准备。当机械手将下一把刀具插入主轴后，液压缸上腔无油压，在碟形弹簧和弹簧的恢复力作用下，拉杆、钢球和活塞退回到图示的位置，使刀具被夹紧。刀杆夹紧机构用弹簧夹紧，液压放松，以保证在工作中突然停电时，刀杆不会自行松脱。

4.3.3 主轴部件 2、刀具自动装卸切屑清除装置 　　机床采用的是7∶24号锥柄刀具，锥柄的尾端安装有拉钉，拉杆通过4个钢球拉住拉钉的凹槽，使刀具在主轴锥孔内定位及夹紧。

4.3.3 主轴部件 3、主轴的准停 又称为主轴定位功能，这是自动换刀所必需的功能。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。 主轴准停换刀示意图

4.3.3 主轴部件 3、主轴的准停 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，因此，刀具就必须具有定位功能。 主轴准停阶梯孔或精镗孔示意图

4.3.3 主轴部件 　　1）机械准停控制 采用机械凸轮机构或光电盘方式进行粗定位，然后有一个液动或气动的定位销插入主轴上的销孔或销槽实现精确定位，完成换刀后定位销退出，主轴才开始旋转。 结构复杂，在早期数控机床上使用较多。 典型的V形槽轮定位盘机械准停原理示意图

4.3.3 主轴部件 2）电气准停控制 磁传感器主轴准停控制 在主轴上安装一个永久磁铁与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹1~2mm处固定一个磁传感器，它经过放大器并与主轴控制单元相连接，当主轴需要定向时，便可停止在调整好的位置上。 永久磁铁与磁传感器在主轴上的位置

4.3.3 主轴部件 编码器主轴准停控制 通过主轴电动机内置安装的位置编码器或在机床主轴箱上安装一个与主轴1：1同步旋转的位置编码器来实现准停控制，准停角度可任意设定。 编码器主轴准停控制原理图

(a)形式一；(b)形式二；(c)形式三 4.3.3 主轴部件 4、主轴的密封 非接触式密封 (a)形式一；(b)形式二；(c)形式三

(a)油毡圈密封；(b)耐油橡胶密封圈密封 4.3.3 主轴部件 接触式密封 (a)油毡圈密封；(b)耐油橡胶密封圈密封

4.4 数控机床进给传动系统 4.4.1 对数控机床进给系统的要求 1）摩擦阻力要小 广泛采用滚珠丝杠和滚动导轨以及塑料导轨和静压导轨。 2）传动刚度要高 3）转动惯量要小　　 4）谐振频率要高 5）传动间隙要小

4.4 数控机床进给传动系统 4.4.2 滚珠丝杠螺母机构 1、工作原理与特点 滚珠丝杠副结构原理

4.4.2 滚珠丝杠螺母机构 1、工作原理与特点 滚珠丝杠螺母副优点： 1)传动效率高，摩擦损失小。 2)运动平稳无爬行。 3)传动精度高，反向时无空程。 4)磨损小，精度保持性好，使用寿命长。 5)具有运动的可逆性。

4.4.2 滚珠丝杠螺母机构 2、滚珠丝杠螺母副的结构类型 　　1)外循环。滚珠在循环过程结束后，通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。 结构简单，工艺性好，承载能力较高，但径向尺寸较大。应用最为广泛，也可用于重载传动系统。 外循环式滚珠丝杠结构

4.4.2 滚珠丝杠螺母机构 2）内循环。靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚珠成单圈循环。反向器2的数目与滚珠圈数相等。 　　2）内循环。靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚珠成单圈循环。反向器2的数目与滚珠圈数相等。 结构紧凑，刚度好，滚珠流通性好，摩擦损失小，制造较困难，适用于高灵敏、高精度的进给系统。 　 内循环式滚珠丝杠结构

4.4.2 滚珠丝杠螺母机构 3、滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法 　　通常采用预加载荷的方法来减小弹性变形所带来的轴向间隙，以保证反向传动精度和轴向刚度。 （1）垫片调隙式 双螺母消隙

4.4.2 滚珠丝杠螺母机构 3、滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法 （2）螺纹调隙式

3、滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法 　　（3）齿差调隙式 在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与套筒两端内齿圈相啮合，其齿数相差一个齿。调整时，让两个螺母相对于套筒方向都转动一个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量s=（1/z1-1/z2)Pn。 齿差调隙式 　　能精确调整预紧量，调整方便、可靠，结构尺寸较大，多用于高精度的传动。

4.4.2 滚珠丝杠螺母机构 单螺母消隙 （4）单螺母变位螺距预紧

4.4.2 滚珠丝杠螺母机构 　（5）单螺母螺钉预紧 螺母在专业生产工厂完成精磨之后，沿径向开一薄槽，通过内六角调整螺钉实现间隙的调整和预紧。间隙的调整和预紧极为方便。

(a)仅一端装推力轴承；(b)一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承； (c)两端装推力轴承，(d)两端装推力轴承和深沟球轴承 4.4.2 滚珠丝杠螺母机构 4、滚珠丝杠的支撑 滚珠丝杠的支撑方式 (a)仅一端装推力轴承；(b)一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承； (c)两端装推力轴承，(d)两端装推力轴承和深沟球轴承

4.4.2 滚珠丝杠螺母机构 　　5、滚珠丝杠副的制动装置 　 机床工作时，电磁铁通电，使摩擦离合器脱开，运动由电机经减速齿轮传给丝杠，使主轴箱上、下移动。当加工完毕或中间停车时，电机和电磁铁同时断电，借压力弹簧作用合上摩擦离合器，使丝杠不能转动，主轴箱便不会下落。 数控铣镗床主轴箱进给丝杠制动示意图

4.4 数控机床进给传动系统 4.4.3 传动齿轮间隙调整机构 1、直齿圆柱齿轮传动副消除间隙的方法 1）偏心套调整法 偏心套消除间隙结构

4.4.3 传动齿轮间隙调整机构 2）锥度齿轮轴向垫片调整法 锥度齿轮轴向垫片消除间隙结构

4.4.3 传动齿轮间隙调整机构 3）双片薄齿轮错齿调整法 双片薄齿轮错齿消除间隙结构 (a)结构一；(b)结构二

4.4.3 传动齿轮间隙调整机构 2、斜齿圆柱齿轮传动副消除间隙的方法  1）斜齿轮轴向垫片调整法 2、斜齿圆柱齿轮传动副消除间隙的方法　　  1）斜齿轮轴向垫片调整法 薄片斜齿轮1和2的齿形拼装在一起加工，装配时在两薄片齿轮间装入已知厚度为t的垫片3，这样螺旋线便错开了，使两薄片斜齿轮分别与宽齿轮4的左、右齿面贴紧，从而消除间隙。 承载能力较小，且不能自动补偿消除间隙，属刚性消除间隙的范畴。 斜齿轮轴向垫片消除间隙结构

4.4.3 传动齿轮间隙调整机构 2）斜齿轮轴向压簧错齿调整法 轴向尺寸较大，只适合于负载较小的场合。 斜齿轮轴向压簧错齿消除间隙结构

4.4.3 传动齿轮间隙调整机构 4、锥齿轮传动副消除间隙的方法 1）锥齿轮轴向压簧调整法 锥齿轮轴向压簧消除间隙结构

4.4.3 传动齿轮间隙调整机构 2）锥齿轮周向弹簧调整法 锥齿轮周向弹簧消除间隙结构

　　5、齿轮齿条传动副消除间隙的方法 　 如果通过弹簧在轴2上作用一个轴向力F，使斜齿轮产生微量轴向移动，这时轴1和轴3便以相反的方向转过微小的角度，使齿轮4和5分别与齿条的两齿面贴紧，从而消除间隙。 齿轮齿条消除间隙结构

4.4 数控机床进给传动系统 4.4.4 联轴器 1、锥环无键联轴器 锥环无键消隙联轴器

4.4.4 联轴器 挠性联轴器

(a)结构一；(b)结构二；(c)结构三 4.4.4 联轴器 2、套筒式联轴器 　　其结构简单，径向尺寸小，但拆装困难(要求两中心轴线严格对准)，使用受到一定限制。 套筒式联轴器 (a)结构一；(b)结构二；(c)结构三

4.4 数控机床进给传动系统 4.4.5 数控机床的导轨 1、对导轨的要求 1）高的导向精度。 2）良好的耐磨性。 3）足够的刚度。 1）高的导向精度。　　 2）良好的耐磨性。 3）足够的刚度。 4）具有低速运动的平稳性。

4.4.5 数控机床的导轨 2、滚动导轨 （1)直线滚动导轨 导轨体固定在不动部件上，滑块固定在运动部件上。 　 导轨体固定在不动部件上，滑块固定在运动部件上。 除导向外还能承受颠覆力矩，其制造精度高，可高速运行，并能长时间保持精度，通过预加负载可提高刚性，具有自调的能力，安装基面允许误差大。

4.4.5 数控机床的导轨 直线滚动导轨的外形和结构 直线滚动导轨

4.4.5 数控机床的导轨 （2）滚动导轨块 滚动导轨块多用于中等负荷导轨。使用时导轨块装在运动部件上，每一导轨应至少用两块或更多块，导轨块的数目取决于导轨的长度和负载的大小。与之相对的导轨多用镶钢淬火导轨。

(a)单元滚动块;(b)在加工中心上的应用 4.4.5 数控机床的导轨 滚柱式滚动导轨块 (a)单元滚动块;(b)在加工中心上的应用

4.4.5 数控机床的导轨 （3）滚动导轨的预紧 　 为了提高滚动导轨的刚度，应对滚动导轨进行预紧。预紧可提高接触刚度，消除间隙；在立式滚动导轨上，预紧可防止滚动体脱落和歪斜。常见的预紧方法： 　　①采用过盈配合。 　　②调整法。调整螺钉、斜块或偏心轮来进行预紧。

(a)滚柱或滚针导轨自由支撑;(b)滚柱或滚针导轨预加载荷； (c)交叉式滚柱导轨;(d)循环式滚动导轨块 4.4.5 数控机床的导轨 滚动导轨的预紧方法 (a)滚柱或滚针导轨自由支撑;(b)滚柱或滚针导轨预加载荷； (c)交叉式滚柱导轨;(d)循环式滚动导轨块

(a)矩形导轨；(b)三角形导轨；(c)燕尾槽导轨；(d)圆柱形导轨 3、滑动导轨 　 在矩形和三角形导轨中，M面主要起支撑作用，N面是保证直线移动精度的导向面，J面是防止运动部件抬起的压板面；而在燕尾形导轨中，M面起导向和压板作用，J面起支撑作用。 滑动导轨常见的截面形状 (a)矩形导轨；(b)三角形导轨；(c)燕尾槽导轨；(d)圆柱形导轨 　　在数控机床上，滑动导轨的组合形式主要是三角形配矩形式和矩形配矩形式。只有少部分结构采用燕尾式。　

4.4.5 数控机床的导轨 现代数控机床采用铸铁-塑料滑动导轨和镶钢-塑料滑动导轨。导轨上的塑料常用聚四氟乙烯导轨软带和环氧型耐磨导轨涂层两类。

聚四氟乙烯导轨软带 以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结，并做成软带状。特点： 　  聚四氟乙烯导轨软带 以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结，并做成软带状。特点： 　（1）摩擦特性好 图中 Turcite-B 和 TSF 分别是美国霞板公司和广州机床研究所生产的聚四氟乙烯导轨软带。采用聚四氟乙烯导轨软带的摩擦副的摩擦系数小，静、动摩擦系数差别小，且曲线斜率为正值。这种良好的摩擦特性能防止导轨低速爬行，使运行平稳和获得高的定位精度。 摩擦 - 速度曲线 1 一铸铁 - 铸铁 ；   2 — Turcite-B- 铸铁 ( 干摩擦 ) ； 3 — Turcite-B- 铸铁 ( 机油 ) ；  4 — TSF- 铸铁 ( 干摩擦 ) ；5 — TSF- 铸铁 ( 机油 )

4.4.5 数控机床的导轨 （2）耐磨性 （3）减振性好 （4）工艺性好 （3）减振性好 　 （4）工艺性好 首先，将导轨粘贴面加工至表面粗糙度为 3.2~1.6 的表面，为了对软带起定位作用，导轨粘贴面应加工成 0.5~ 1.0mm 深的凹槽，用汽油或金属清洁剂或丙酮清洗粘接面后，用胶粘剂粘合，加压初固化 1~2 小时后再合拢到配对的固定导轨或专用夹具上，施以一定压力，并在室温下固化 24 小时，取下清除余胶，即可开油槽和进行精加工。

4.4.5 数控机床的导轨 镶粘塑料—金属导轨结构

4.4.5 数控机床的导轨 　　4、静压导轨 　　在两个相对运动的导轨面间通以压力油，将运动件浮起，使导轨面间处于纯液体摩擦状态。导轨不会磨损，精度保持性好，寿命长，而且导轨摩擦系数极小 ( 约为 0.0005) ，功率消耗少。油膜承载能力大，刚度高，吸振性好，导轨运行平稳，既无爬行，也不会产生振动。 静压导轨较多应用在大型、重型数控机床上。

由于承载的要求不同，静压导轨分为开式和闭式两种。 开式静压导轨只能承受垂直方向的负载，承受颠覆力矩的能力差。而闭式静压导轨能承受较大的颠覆力矩，导轨刚度也较高。 闭式静压导轨恒压供油原理

4.5自动换刀装置 4.5.1数控车床的 回转刀架

4.5.2 加工中心自动换刀装置 1.刀库 (1)盘式刀库 A、径向取刀 B、轴向取刀 C、刀具径向安装 D、刀具轴线与刀盘轴线成一定角度 4.5.2 加工中心自动换刀装置 1.刀库 (1)盘式刀库 A、径向取刀 B、轴向取刀 C、刀具径向安装 D、刀具轴线与刀盘轴线成一定角度 (2)链式刀库 A、单链环布局B、多链环布局B、折叠链环布局 (3)格子盒式刀库

4.5.2 加工中心自动换刀装置 2.刀具的选择方式 (1)顺序选刀 (2)任意选刀 A、刀具编码方式 B、编码附件方式 C、刀座编码方式 4.5.2 加工中心自动换刀装置 2.刀具的选择方式 (1)顺序选刀 (2)任意选刀 A、刀具编码方式 B、编码附件方式 C、刀座编码方式 D、计算机记忆方式

4.5.2 加工中心自动换刀装置 3.刀具识别装置 (1)接触式刀具识别装置 (2)非接触式刀具识别装置

4.5.2 加工中心自动换刀装置 4.刀具交换装置 (1)无机械手换刀

4.5.2 加工中心自动换刀装置 4.刀具交换装置 (2)机械手换刀

4.7 项目训练 熟悉数控机床的机械结构 1.目的与要求 仪器与设备 训练内容 训练报告

本章小结 本章介绍了数控机床机械结构的特点、数控机床的主传动系统、数控机床的进给传动系统及数控机床的自动换刀装置。要求读者了解数控机床机械结构的特点，熟悉数控机床的主传动系统、进给传动系统和自动换刀装置，经过学习和训练，达到项目训练的要求。

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