第2章数控机床的机械结构 2.1概述 2.2数控机床的总体布局 2.3数控机床的主传动系统 2.4数控机床的进给系统 2.5数控机床的导轨

第2章数控机床的机械结构 2.1概述 2.2数控机床的总体布局 2.3数控机床的主传动系统 2.4数控机床的进给系统 2.5数控机床的导轨
2002/12总结第2章数控机床的机械结构 2.1概述 2.2数控机床的总体布局 2.3数控机床的主传动系统 2.4数控机床的进给系统 2.5数控机床的导轨 2.6数控机床的自动换刀装置 2.7数控机床的回转工作台本章要点返回下页图库

2.1 概述数控机床机械结构的主要特点数控机床对机械结构的基本要求提高数控机床性能的措施
从本质上说，数控机床和普通机床一样，也是一种经过切削将金属材料加工成各种不同形状零件的设备。早期的数控机床，包括目前部分改造、改装的数控机床，大都是在普通机床的基础上，通过对进给系统的革新、改造而成的。因此，在许多场合，普通机床的构成模式、零部件的设计计算方法仍然适用于数控机床。但是，随着数控技术（包括伺服驱动、主轴驱动）的迅速发展，为了适应现代制造业对生产效率、加工精度、安全环保等方面越来越高的要求，现代数控机床的机械结构已经从初期对普通机床的局部改造，逐步发展形成了自己独特的结构。特别是随着电主轴、直线电动机等新技术、新产品在数控机床上的推广应用，部分机械结构日趋简化，新的结构、功能部件不断涌现，数控机床的机械机构正在发生重大的变化，虚拟轴机床的出现和实用化，使传统的机床结构面临着更严峻的挑战。数控机床机械结构的主要特点数控机床对机械结构的基本要求提高数控机床性能的措施返回上页下页图库

2.1.1数控机床机械结构的主要特点结构简单、操作方便、自动化程度高结构简单、操作更方便，更简单
数控机床需要根据数控系统的指令，自动完成对进给速度、主轴转速、道具运动轨迹以及其他机床辅助技能（如自动换刀，自动冷却）的控制。它必须利用伺服进给系统代替普通机床的进给系统，并可以通过主轴调速系统实现主轴自动变速。因此，在机械结构上，数控机床的主轴箱、进给变速箱结构一般非常简单；齿轮、轴类零件、轴承的数量大为减少；电动机可以直接连接主轴和滚珠丝杠，不用齿轮；在使用直线电动机，电主轴的场合，甚至可以不用丝杠、主轴箱。在操作上，它不像普通机床那样，需要操作者通过手柄进行调整和变速，操作机构比普通机床要简单多，许多机床甚至没有手动机械操作系统。此外，由于数控机床的大部分辅助动作都可以通过数控系统的辅助技能（M技能）进行控制，因此，常用的操作按钮也较普通机床少。结构简单、操作更方便，更简单返回上页下页图库

2.1.1数控机床机械结构的主要特点广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品
数控机床进行的是高速、高精度加工，再简化机械结构的同时，对于机械传动装置和元件也提出了更高的要求。高效、无间隙传动装置和元件在数控机床上去得了广泛的应用。如：滚珠丝杠副、塑料滑动导轨、静压导轨、直线滚动导轨等高效执行部件，不仅可以减少进给系统的摩擦阻力，提高传动效率；而且还可以使运动平稳和获得较高的定位精度。特别是随着新材料，新工艺的普及、应用，高速加工已经成为目前数控机床的发展方向之一，快进速度达到了每分钟数十米，甚至上百米，主轴转速达到了每分钟上万转、甚至十几万转，采用电主轴、支线电动机、直线滚动导轨等新产品、新技术已势在必行。返回上页下页图库

2.1.1数控机床机械结构的主要特点具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件
2002/12总结 2.1.1数控机床机械结构的主要特点具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件 “工艺复合化”和“功能集成化”是无人化、柔性加工的基本要求，也是数控机床最显著的特点和当前的发展方向。因此，自动换刀装置（ATC）、动力刀架、自动换屑装置、自动润滑装置等特殊机械部件是必不可少，有的机床还带有自动工作台交换装置（APC）。 “功能集成化”是当前数控机床的另一重要发展方向。在现代数控机床上，自动换刀装置、自动工作台交换装置等已经成为基本装置。随着数控机床向无人化、柔性化加工发展，功能集成化更多体现在：工件的自动装卸、自动定位，刀具的自动对刀、破损检测、寿命管理，工件的自动测量和自动补偿功能上，因此，国外还新近开发了集中突破传统机床界限，集钻、铣、镗、车、磨等加工于一体的所谓“万能加工机床”，大大提高了附加值，并随之不断出现新的机械部件。在加工中心上，工件一次装夹，可以完成钻、铣、镗、攻丝等多工序加工；在车削中心上，除能加工内孔、外圆、端面外，还可以在外圆、端面的任意位置进行钻、铣、镗、攻丝和曲面加工等。返回上页下页图库

2.1.1数控机床机械结构的主要特点对机械结构、零部件的要求高
2002/12总结 2.1.1数控机床机械结构的主要特点对机械结构、零部件的要求高高速、高效、高精度的加工要求，无人化管理以及工艺复合化、功能集成化，一方面可以大大的提高生产率，同时，也必然会使机床的开机时间，工作负载随之增加，机床必须在高负荷下，长时间可靠工作。因此，对组成机床的各种零部件和控制系统的可靠性要求很高。此外，为了提高加工效率，充分发挥机床性能，数控机床通常都能够同时进行粗细加工。这就要求机床技能满足大切削量的粗加工对机床的刚度、强度和抗震性的要求，而且也能达到精密加工机床对机床精度的要求。因此，数控机床的主轴电机的功率一般比同规格的普通机床大，主要部件和基础件的加工精度通常比普通机床高，对组成机床各部件的动、静态性能以及热稳定性的精度保持性也提出了更高的要求。在加工中心上，工件一次装夹，可以完成钻、铣、镗、攻丝等多工序加工；在车削中心上，除能加工内孔、外圆、端面外，还可以在外圆、端面的任意位置进行钻、铣、镗、攻丝和曲面加工等。返回上页下页图库

2.1.2数控机床对机械结构的基本要求具有较高的静、动刚度和良好抗震性
机床的刚度反映了机床机构抵抗变形的能力，。机床变形产生的误差，通常很难通过调整和补偿的方法予以彻底的解决。为了满足数控机床高效、高精度、高可靠性以及自动化的要求，与普通机床相比，数控机床应具有更高的精刚度。此外，为了充分发挥机床的效率，加大切削用量，还必须提高机床的抗震性，避免切削时产生的共振和颤振。而提高机构的动刚度是提高机床抗震性的基本途径。返回上页下页图库

2.1.2数控机床对机械结构的基本要求具有较好的热稳定性
机床的热变性是影响机床加工精度的主要因素之一。由于数控机床的主轴转速、快速进给都远远超过普通机床，机床又长时间处于连续工作状态，电动机、丝杠、轴承、导轨的发热都比较严重，加上高速切削产生的切屑的影响，使得数控机床的热变性影响比普通机床要严重得多。虽然在先进的数控系统具有热变性补偿功能，但是它并不能完全消除热变性对于加工精度的影响，在数控机床上还应采取必要的措施，尽可能减小机床的热变性。返回上页下页图库

2.1.2数控机床对机械结构的基本要求具有较高的运动精度和良好的低速稳定性
利用伺服系统代替普通机床的进给系统是数控机床的主要特点。伺服系统最小的移动量（脉冲当量），一般只有0.001mm，甚至更小；最低进给速度，一般只有1mm/min，甚至更低。这就要求进给系统具有较高的运动精度，良好的跟踪性能和低速稳定性，才能对数控系统的位置指令做出准确的响应，从而得到要求的定位精度。传动装置的间隙直接影响着机床的定位精度，虽然在数控系统中可以通过间隙补偿、单向定位等措施减小这一影响，但不能完全消除。特别是对于非均匀间隙，必须机械消除间隙措施，才能得到较好的解决。返回上页下页图库

2.1.2数控机床对机械结构的基本要求具有良好的操作、安全防护性能
方便、舒适的操作性能，是操作者普遍关心的问题。在大部分数控机床上，刀具和工件的装卸、刀具和夹具的调整、还需要操作者完成，机床的维修更离不开人，而且由于加工效率的提高，数控机床的工件装卸可能比普通机床更加频繁，因此良好的操作性能是数控机床设计时必须的问题。数控机床是一种高度自动化的加工设备，动作复杂，高速运动部件较多，对机床动作互锁、安全防护性能的要求也比普通机床要高很多。同时，数控机床一般都有高压、大流量的冷却系统，为了防止切屑、冷却液的飞溅，数控机床通常都应采用封闭和半封闭的防护形式，增加防护性能。返回上页下页图库

2.1.3提高数控机床性能的措施合理选择数控机床的总体布局
机床的总体布局直接影响到机床的结构和性能。合理选择机床布局，不但可以使机械结构更简单、合理、经济，而且能提高机床刚度、改善机床受力情况，提高热稳定性和操作性能，使机床满足数控化的要求。如：在数控机床上采用斜床身布局，可以改善受力情况，提高床身的刚度，提高操作性能。卧式数控镗床采用T形床身，框架结构双立柱、立柱移动式（Z）布局，可以减少机床的机构层次，大大提高机床结构刚度和加工精度，精度的稳定性好，热变性的影响小。在高速加工机床上，则通过采用固定门式立柱、“箱中箱”等特殊的布局型式，以最大限度地降低运动部件的质量，提高机床部件的快进速度和加速度，以满足高速加工的需要。返回上页下页图库

2.1.3提高数控机床性能的措施提高结构件的刚度结构的刚度直接影响机床的精度和动态性能。机床的刚度主要决定于组成机械系统的部件质量、刚度、阻尼、固有频率以及负载激振频率等。提高机床结构刚度主要措施有：改善机械部分构件；利用平衡机构补偿部件变性；改善并构件间的连接形式；缩短传动链，适当加大传动轴，对轴承和滚珠丝杠等传动部件进行预紧等等。返回上页下页图库

2.1.3提高数控机床性能的措施提高机床抗振性高速转动零部件的动态不平衡力与切削产生的振动，是引起机床振动的主要原因。提高数控机床抗振性的主要措施有：对机床高速转旋转部件，特别是主轴部件进行动平衡，对传动部件进行消隙处理，减少机床激振力；提高机械部件的静态刚度和固有频率，避免共振，在机床结构大件中充填阻尼材料，在大件表面喷涂阻尼涂层抑制振动等。返回上页下页图库

2.1.3提高数控机床性能的措施改善机床的热变形引起机床热变形的主要原因是机床内部热源发热，摩擦以及切削产生的发热。减少机床热变形的措施主要有：采用伺服电动机和主轴电动机、变量泵等低能耗执行元件，减少热量的产生；简化传动系统的结构，减少传动齿轮、传动轴，采用低摩擦系数的导轨和轴承，减少摩擦发热；改善散热条件、增加隔热措施、对发热部件（如：电柜、丝杆、油箱等）进行强制冷却，吸收热量，避免温升；采用对称结构设计，使部件均匀受热；对切削部分采用高压、大流量冷却系统冷却等等。返回上页下页图库

2.1.3提高数控机床性能的措施保证运动的精度和稳定性
机床的运动精度和稳定性，不仅和数控系统的分辨率、伺服系统的精度的稳定性有关，而且还在很大程度上取决于机械传动的精度。传动系统的刚度、间隙、摩擦死区、非线性环节都对机床的精度和稳定性产生很大的影响。减小运动部件的质量，采用低摩擦系数的导轨和轴承以及滚珠丝杆副、静压导轨、直线滚动导轨、塑料滑动导轨等高效执行部件，可以减少系统的摩擦阻力，提高运动精度，避免低速爬行。缩短传动链，对传动部件进行消隙，对轴承和滚珠丝杠进行预紧，可以减消机械系统的间隙和非线性影响，提高机床的运动精度和稳定性。返回上页下页图库

2.2 数控机床的总体布局数控车床的常用布局形式卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布局形式
立式数控镗铣床（立式加工中心）的常用布局形式数控机床交换工作台的布局高速加工数控机床的特殊布局虚拟轴机床返回上页下页图库

2.2.1数控车床的常用布局形式常用布局形式平床身斜床身立式床身 (a)平床身布局(b)斜床身布局(c)立式床身布局
这三种布局方式各有特点，一般经济型、普及型数控车床以及数控化改造的车床，大都采用平床身；性能要求较高的中、小规格数控车床采用斜床身（有的机床是用平床身斜滑板）；大型数控车床或精密数控车床采用立式床身。图2-1 数控车床的三种常用布局 (a)平床身布局(b)斜床身布局(c)立式床身布局返回上页下页图库

2.2.1数控车床的常用布局形式常用布局形式斜床身布局的数控车床（导轨倾斜角度通常选择45º、60º或75º），不仅可以在同等条件下，改善受力情况，而且还可通过整体封闭式截面设计，提高床身的刚度，特别是自动换刀装置的布置较方便。而平床身、立式床身布局的机床受结构的局限，布置比较困难，限制了机床性能。因此，斜床身布局的数控车床应用比较广泛。返回上页下页图库

2.2.1数控车床的常用布局形式常用布局形式在其他方面则三种布局方式各具特点：
（1）热稳定性：当主轴箱因发热使主轴轴线产生热变位时，斜床身的影响最小；斜床身、立式床身因排屑性能好，受切屑产生的热量影响也小。（2）运动精度：平床身布局由于刀架水平布置，不受刀架、滑板自重的影响，容易提高定位精度；立式床身受自重的影响最大，有时需要加平衡机构消除；斜床身介于两者之间。返回上页下页图库

2.2.1数控车床的常用布局形式常用布局形式（3）加工制造：平床身的加工工艺性较好，部件精度较容易保证。另外，平床身机床工件重量产生的变形方向竖直向下，它和刀具运动方向垂直，对加工精度的影响较小；立式床身产生的变形方向正好沿着运动方向，对精度影响最大；斜床身介于两者之间。（4）操作、防护、排屑性能：斜床身的观察角度最好、工件的调整比较方便，平床身有刀架的影响，加上滑板突出前方，观察、调整较困难。但是，在大型工件和刀具的装卸方面，平床身因其敞开面宽，起吊容易，装卸比较方便。立式床身因切屑可以自由落下，排屑性能最好，导轨防护也较容易。在防护罩的设计上，斜床身和立式床身结构较简单，安装也比较方便；而平床身则需要三面封闭，结构较复杂，制造成本较高。返回上页下页图库

2.2.2卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布局形式卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的布局形式种类较多，其主要区别在于立柱的结构形式和X、Z坐标轴的移动方式上（Y轴移动方式无区别）。
常用的立柱单立柱框架结构双立柱图2-2卧式数控镗铣床（卧式加工中心）常见的布局形式 Z坐标轴的移动方式有工作台移动式（图2-2a、b）和立柱移动式（图2-2c）两种。以上基本形式通过不同组合，还可以派生其他多种变形，如X、Z两轴都采用立柱移动，工作台完全固定的结构形式；或X轴为立柱移动、Z轴为工作台移动的结构形式等。返回上页下页图库

2.2.2卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布局形式
在图2-2所示的三种中、小规格卧式数控镗铣床（卧式加工中心）常见的布局形式中，图2-2a所示的结构形式和传统的卧式镗床相同，多见于早期的数控机床或数控化改造的机床；图2-2b所示的采用了框架结构双立柱、Z轴工作台移动式布局，为中、小规格卧式数控机床常用的结构形式。图2-2c所示的采用了T形床身、框架结构双立柱、立柱移动式（Z轴）布局，为卧式数控机床典型结构。框架结构双立柱采用了对称结构，主轴箱在两立柱中间上、下运动，与传统的主轴箱侧挂式结构相比，大大提高了结构刚度。另外，主轴箱是从左、右两导轨的内侧进行定位，热变形产生的主轴轴线变位被限制在垂直方向上，因此，可以通过对Y轴的补偿，减小热变形的影响。返回上页下页图库

2.2.2卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布局形式
T形床身布局可以使工作台沿床身做X 方向移动时，在全行程范围内，工作台和工件完全支承在床身上，因此，机床刚性好，工作台承载能力强，加工精度容易得到保证。而且，这种结构可以很方便地增加X轴行程，便于机床品种的系列化、零部件的通用化和标准化。立柱移动式结构的优点是：首先，这种形式减少了机床的结构层次，使床身上只有回转工作台、工作台，共三层结构，它比传统的四层十字工作台，更容易保证大件结构刚性；同时又降低了工件的装卸高度，提高了操作性能。其次，Z轴的移动在后床身上进行，进给力与轴向切削力在同一平面内，承受的扭曲力小，镗孔和铣削精度高。此外，由于Z轴的导轨的承重是固定不变的，它不随工件重量改变而改变，因此有利于提高Z轴的定位精度和精度的稳定性。但是，由于Z轴承载较重，对提高Z轴的快速性不利，这是其不足之处。返回上页下页图库

2.2.3立式数控镗铣床（立式加工中心）的常用布局形式
立式数控镗铣床（立式加工中心）的布局形式与卧式数控镗铣床类似，图2-3所示的是三种常见布局形式。图2-3立式数控镗铣床（立式加工中心）常见的布局形式这三种布局形式中，图2-3a所示的结构形式是常见的工作台移动式数控镗铣床（立式加工中心）的布局，为中、小规格机床的常用结构形式；图2-3b所示的采用了T形床身，X、Y、Z三轴都是立柱移动式的布局，多见于长床身（大X轴行程）或采用交换工作台的立式数控机床。这三种布局形式的结构特点，基本和卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的对应结构相同。同样，以上基本形式通过不同组合，还可以派生其他多种变形，如X、Z两轴都采用立柱移动、工作台完全固定的结构形式，或X轴为立柱移动、Z轴为工作台移动的结构形式等等。返回上页下页图库

2002/12总结 2.2.4数控机床交换工作台的布局为了提高数控机床的加工效率，在加工中心上经常采用双交换工作台，进行工件的自动交换，以进一步缩短辅助加工时间，提高机床效率。图2-4所示的是两种常见的双交换工作台布局形式图2-4a是移动式双交换工作台布局图，用于工作台移动式加工中心。对于图示的初始状态，其工作过程是：首先在Ⅱ工位工作台上装上工件，交换开始后，X轴自动运动到Ⅰ工位的位置，并松开工作台夹紧机构；交换机构通过液压缸或辅助电动机将机床上的工作台拉到Ⅰ工位上；X轴再自动运动到Ⅱ工位的位置，交换机构将装有工件的Ⅱ工位工作台送到机床上，并夹紧。在机床进行工件加工的同时，操作者可以在Ⅰ工位装卸工件，准备第二次交换。这样就使得工件的装卸和机床加工可以同时进行，节省了加工辅助时间，提高了机床的效率。移动式双交换工作台的优点是结构简单，占地面积小，维修方便；缺点是交换时间较长，交换台定位精度不容易提高，另外，对冷却、切屑的防护也较困难。返回上页下页图库

2002/12总结 2.2.4数控机床交换工作台的布局图2-4b 是回转式双交换工作台布局图，用于立柱移动式加工中心。其工作过程是：首先在Ⅱ工位（装卸工位）工作台上装上工件，交换开始后，Ⅰ工位（加工工位）的工作台夹紧机构自动松开；交换回转台抬起，进行180 º回转，将Ⅱ工位上工作台转到Ⅰ工位的位置，并夹紧。在机床进行工件加工的同时，操作者可以在Ⅱ工位装卸工件，准备第二次交换。回转式双交换工作台的优点是交换速度快，定位精度高；对冷却、切屑的防护容易；缺点是结构较复杂，占地面积大。返回上页下页图库

2002/12总结 2.2.4数控机床交换工作台的布局此外，还有一种通过双工作区，进行工件交换的布局形式（如图2-5所示），多用于长床身（X轴行程在1500mm以上），且X、Y、Z三轴都是立柱移动式的加工中心上。它的基本结构和立柱移动式机床完全相同，区别仅在于利用中间防护，使机床原工作台分成了两个相对独立的操作区域。其工作过程是：立柱首先运动到Ⅰ区，对安装在该区的零件进行正常加工；与此同时，操作者可以在Ⅱ区装卸工件。在Ⅰ区的零件加工完成后，通过X轴的快速移动，将立柱运动到Ⅱ区，进行Ⅱ区零件的加工；操作者可以在Ⅰ区装卸工件，如此循环。机床通过电气控制系统实现严格的互锁，对于加工区的防护门也需要通过机电联锁装置予以封闭，确保机床的安全性、可靠性。这种交换方式，只需通过X轴从Ⅰ区到Ⅱ区的快速移动，即可完成交换动作，交换速度非常快，同时，定位精度也很高（仅取决于X轴的定位精度）。而且无需设计交换机构，结构非常简单，占地面积很小，防护也很容易。在需要时还可以通过拆除中间防护，加工长零件，故使用十分灵活。因此，它在现代高效加工机床上得到了广泛的应用。图2-5 双工作区交换的布局图返回上页下页图库

2.2.5高速加工数控机床的特殊布局常用布局形式立式数控机床采用的固定门式立柱布局形式卧式数控机床采用的“内外双框架”结构布局
2002/12总结 2.2.5高速加工数控机床的特殊布局常用布局形式立式数控机床采用的固定门式立柱布局形式卧式数控机床采用的“内外双框架”结构布局即“箱中箱”（Box in Box)结构图2-6 高速加工机床布局 1-X轴导轨 2-内框 3-主轴箱 4-Y轴导轨返回上页下页图库

2002/12总结 2.2.6虚拟轴机床常用布局形式立式布局形式卧式布局形式图2-7虚拟轴机床返回上页下页图库

2.3 数控机床的主传动系统主传动的基本要求和变速方式主轴的联接形式主轴部件的支承电主轴与高速主轴系统主轴部件的结构返回上页
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2.3.1主传动的基本要求和变速方式数控机床和普通机床一样，主传动系统也必须通过变速，才能使主轴获得不同的传递，以适应不同的加工要求，并且，在变速的同时，还要求传递一定的功率和足够的转矩，满足切削的需要。数控机床作为高度自动化的设备，它对主传动系统的基本要求有以下几点： 1)为了达到最佳的切削效果，一般都应在最佳的切削条件下工作，因此，主轴一般都要求能自动实现无级变速。 2)要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率，以适应高效、高速的加工需要。返回上页下页图库

2.3.1主传动的基本要求和变速方式主传动的变速方式主传动的无极变速通常有以下三种方法：
1)采用交流主轴驱动系统实现无级变速传动，在早期的数控机床或大型数控机床（主轴功率超过100KW）上，也有采用直流主轴驱动系统的情况。 2)在经济性、普及性数控机床上，为了降低成本，可以采用变频带变频电动机或普通交流电动机实现无级变速的方式。 3)在高速加工机床上，广泛使用主轴和电动机一体化的新颖功能部件---电主轴。电主轴的电动机转子和主轴一体，无须任何传动件，可以使主轴达到每分钟数万转，甚至十几万转的高速。但是，不管采用任何形式，数控机床的主传动系统结构都要比普通机床简单得多。返回上页下页图库

2.3.1主传动的基本要求和变速方式 3)为了降低噪声、减轻发热、减少振动，主传动系统应简化结构，减少传动件。
4)在加工中心上，还必须具有安装道具和刀具交换所需要的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。 5)为了扩大机床的功能，实现对C轴的控制，主轴还需安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制。返回上页下页图库

2.3.2主轴的联接形式常用联接形式用辅助机械变速机构联结定传动比的联接方式采用电主轴返回上页下页图库

2.3.2主轴的联接形式用辅助机械变速机构联结在大、中型数控机床上，为了使主轴在低速时获得大转矩和扩大恒功率调速范围，通常在使用无级变速传动的基础上，在增加两级或三级辅助机械变速机构作为补充。通过分段变速方式，确保低速时的大扭矩，扩大恒功率调速范围，满足机床重切削时对扭矩的要求。辅助机械变速机构的结构、原理和普通机床相同，可以通过电磁离合器、液压或气动带动滑移齿轮等方式实现。辅助变速的动作控制，可以通过数控系统的“自动传动级变换”功能自动实现。辅助机械变速机构的变速比应根据实际机床的参数进行选择，并尽可能保持功率曲线的连续。图2-8 返回上页下页图库

2.3.2主轴的联接形式定传动比的联接方式在小型数控机床上，主电动机和主轴一般采用定传动比的联结形式，或是主电动机和主轴直接连接的形式。在使用定传动比传动时，为了降低噪声与振动，通常采用V带和同步皮带传动。电动机和主轴直接连接的形式，可以大大简化主轴传动系统的结构，有效提高主轴刚度和可靠性。但是，其主轴的输出转矩、功率、恒功率调速范围决定于主电动机本身。另外，主电动机的发热对主轴的精度有一定的影响。返回上页下页图库

2.3.2主轴的联接形式采用电主轴在高速加工机床上，大多数使用电动机转子和主轴一体的电主轴，可以使主轴达到每分钟数万转、甚至十几万转的高速，主轴传动系统的结构更简单，刚性更好。铣床用电主轴车床用电主轴返回上页下页图库

2002/12总结 2.3.3主轴部件的支承主轴部件是数控机床的关键部件之一，它直接影响机床的加工质量。主轴部件包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。常用主轴轴承锥孔双列圆柱滚子轴承双列推力角接触球轴承双列圆锥滚子轴承带凸肩的双列圆锥滚子轴承图2-9a为锥孔双列圆柱滚子轴承，内圈为1：12的锥孔，当内圈沿锥形轴轴向移动时，内圈胀大，可以调整滚道间隙。这种轴承的特点是滚子数量多，两列滚子交错排列，因此承载能力大，刚性好，允许转速高。但它对箱体孔，主轴颈的加工精度要求高，且只能承受径向载荷。图2-9b为双列推力角接触球轴承,接触角为60。这种轴承的球径小、数量多,允许转速高,轴向刚度较高,能承受双向轴向载荷。该种轴承一般与双列圆柱滚子轴承配套用作主轴的前支承。图2-9c为双列圆锥滚子轴承。这种轴承的特点是内、外列滚子数量相差一个,能使振动频率不一致,因此,可以改善轴承的动态性能。轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷, 通常用作主轴的前支承。图2-9d为带凸肩的双列圆锥滚子轴承。这种轴承的结构和图2-9c相似,特点是滚子被做成空心,故能进行有效润滑和冷却；此外,还能在承受冲击载荷时产生微小变形,增加接触面积,起到有效吸振和缓冲作用。图2-9主轴常用的几种滚动轴承滚动轴承的精度有E级(高级)、D级(精密级)、C级(特精级)、B级(超精级)四种等级。前轴承的精度一般比后轴承高一个精度等级。数控机床前支承通常采用B、C级精度的轴承,后支承则常采用C、D级。返回上页下页图库

2002/12总结 2.3.3主轴部件的支承轴承的配置合理配置轴承,可以提高主轴精度,降低温升,简化支承结构。在数控机床上配制轴承时,前后轴承都应能承受径向载荷,支承间的距离要选择合理,并根据机床的实际情况配制轴向力的轴承。采用后端定位,推力轴承布置在后支承的两侧,轴向载荷由后支承承受。采用前、后两端定位,推力轴承布置在前、后支承的两外侧,轴向载荷由前支承承受,轴向间隙由后端调整。采用前端定位,推力轴承布置在前支承,轴向载荷由前支承承受。图2-10a采用后端定位,推力轴承布置在后支承的两侧,轴向载荷由后支承承受。这种形式的优点是能简化结构,缺点是由于前端不定位,因此当主轴受热时将引起主轴伸长；另外,特别是对于细长主轴,当切削力较大时,可能引起横向弯曲,影响加工精度。因此,多用于精度不是很高的机床上。图2-10b采用前、后两端定位,推力轴承布置在前、后支承的两外侧,轴向载荷由前支承承受,轴向间隙由后端调整。这种形式的布置,在主轴受热伸长时,会改变支承的轴向、径向间隙,影响加工精度。因此,最好能在设计时考虑对主轴的自动预紧。图2-10c和图2-10d采用前端定位,推力轴承布置在前支承,轴向载荷由前支承承受。这两种形式的共同优点是结构刚度较高,主轴受热时的伸长,不会影响加工精度。图2-10c 的推力轴承安装在前支承两侧,会增加主轴的悬伸长度,对提高刚度不利。图2-10d的两只推力轴承均布置在前支承内侧,主轴的悬伸长度小,刚度大。但前支承结构较复杂,一般用于高速精密数控机床。图2-10几种常见的轴承配置形式返回上页下页图库

2.3.4电主轴与高速主轴系统在高速加工机床上,大多数使用电动机转子和主轴一体的电主轴,可以使主轴达到每分钟数万转、甚至十几万转的高速,主轴传动系统的结构更简单、刚性更好。电主轴最早应用于磨床上,随着高速加工机床的发展,电主轴以其卓越的高速性能,被广泛用于其他数控机床。虽然电主轴外形各不相同,但其实质都是一只转子中空的电动机(如图2-11 所示)。外壳有进行强制冷却的水槽,中空套筒用于直接安装各种机床主轴。从而取消了从主电动机到主轴之间一切中间的机械传动环节(如传动带、齿轮、离合器等),实现了主电动机与机床主轴的一体化,使机床的主传动系统实现了所谓的“零传动”。返回上页下页图库

2.3.4电主轴与高速主轴系统电主轴的主要特点主轴部件采用电主轴的传动方式有以下特点:
2002/12总结 2.3.4电主轴与高速主轴系统电主轴的主要特点主轴部件采用电主轴的传动方式有以下特点: 机械结构最为简单,传动惯量小,因而快速响应性好,能实现极高的速度、加(减)速度和定角度的快速准停(C轴控制)。通过采用交流变频调速或磁场矢量控制的交流主轴驱动装置,输出功率大,调速范围宽,并有比较理想的转矩—功率特性。可以实现了主轴部件的单元化。电主轴可独立做成标准功能部件,并由专业厂进行系列化生产；机床生产厂只需根据用户的不同要求进行选用,可很方便的组成各种性能的高速机床,符合现代机床设计模块化的发展方向。但是,电主轴的机械结构虽然比较简单,但制造工艺的要求却非常严格。这种结构还带来一系列新的技术难题诸如内置电动机的散热、高速主轴的动平衡、主轴支撑及其润滑方式的合理设计等问题,必须妥善地得到解决,才能确保主轴稳定可靠地高速运转,实现高效精密加工。返回上页下页图库

2.3.4电主轴与高速主轴系统电主轴的安装形式根据主电动机和主轴轴承相对位置的不同,高速电主轴有两种安装形式:
主电动机置于主轴前、后轴承之间。这种方式的优点是:主轴单元的轴向尺寸较短,主轴刚度高,出力大,较适用于中、大型高速加工中心,目前大多数加工中心都采用这种结构形式。主电动机置于主轴后轴承之后,即主轴箱和主电动机作轴向的同轴布置(有的用联轴器)。这种布局方式有利于减小电主轴前端的径向尺寸,电动机的散热条件也较好。但整个主轴单元的轴向尺寸较大,常用于小型高速数控机床,尤其适用于模具型腔的高速精密加工。返回上页下页图库

2.3.4电主轴与高速主轴系统电主轴的发热及其解决方法
2002/12总结 2.3.4电主轴与高速主轴系统电主轴的发热及其解决方法与一般的主轴部件不同,电主轴最突出的问题之一是内藏式高速主电动机的发热。由于主电动机旁边就是主轴轴承,电动机的发热会直接降低轴承的工作精度。如果主电动机的散热问题解决不好,就会影响机床工作的可靠性。为此,电主轴一般都采用外循环油一水冷却系统进行冷却。即:在主电动机定子的外面加工有带螺旋槽的铝质外套(图2-11) ,机床工作时,冷却水不断在该螺旋槽中流动,从而把主电动机的热量及时、迅速地带走。为了进一步降低主轴轴承的温升,轴承一般都采用油一气润滑系统。主轴轴承的发热也是电主轴的主要热源之一。由于电主轴的运转速度高, dm·n值大(dm为主轴前轴径直径,单位:mm；n为主轴最高转速,单位: r/min) ,因此对主轴轴承的动态、热态性能有十分严格的要求。除个别超高速电主轴采用磁悬浮轴承或液体动-静压轴承以外, 目前国内外绝大多数高速电主轴都采用角接触陶瓷球轴承,其滚球用Si3N4材料制成,直径比同规格球轴承小1/3。这种材料具有密度小、硬度高、线膨胀系数小、弹性模量大等优点,使用这种轴承可使电主轴获得运转速度高(dm·n值高达2×106)、温升小、刚度大、寿命长等一系列优良特性。返回上页下页图库

2002/12总结 2.3.4电主轴与高速主轴系统电主轴的动平衡设计电主轴的最高转速一般在10000r/min以上,甚至高达60000～100000r/min,主轴运转部分微小的不平衡量,都会引起巨大的离心力,造成机床的振动,影响加工精度和表面质量, 因此必须对电主轴进行严格的动平衡。采用电主轴后,主轴和主轴上的零件都要经过十分精密的加工、装配和调校,一般要使主轴组件动平衡精度达到0.4级以上的水平。在设计电主轴时,必须严格遵守结构对称性原则,键连接和螺纹连接在电主轴上被禁止使用。电动机转子与机床主轴之间用过盈配合来实现转矩的传递,过盈量应按所传递的扭矩来计算,其值有时高达0.08 ～0.10mm。主轴上轴向固定零件用的螺纹套也用与主轴有过盈配合的圆盘来代替。为了使转子在装配后达到精确的动平衡,除了上述对称性设计以外,还必须采取下列两个工艺措施:一是电主轴转子的外径在装配前一般都留有一定的加工余量,当转子用热压法(转子一般加温180 ～200°C)装入主轴以后,以主轴前、后轴径为定位支承,把主轴装夹在车床上对转子进行最后的精车。另一个保证主轴动平衡的措施是在电动机转子的两个端盖上,对称地加工16～24个直径略有不同的螺纹孔(M4或M6)。当电主轴组装完毕后,根据动平衡机的测试结果,在一定的方位上,旋入相应的动平衡螺钉并调节旋入深度,进行动平衡的调节,在完全达到动平衡精度后,用环氧树脂将这些平衡螺钉固化。返回上页下页图库

2.3.4电主轴与高速主轴系统高速主轴系统的轴承配置要求
2002/12总结 2.3.4电主轴与高速主轴系统高速主轴系统的轴承配置要求随着机床主轴高速化的发展,在主轴传动代替传统机械传动后,为适应高速传动,并使轴承可实现高速旋转,且温升低、刚性好,它对机床用轴承提出了更为严格的要求,这些要求概括起来有以下几点: 提高轴承尺寸公差及旋转精度。采用角接触球轴承取代圆柱滚子轴承和推力球轴承。应减小径向截面尺寸,以减小系统的体积,并有利于系统的热传导。应尽量采用小而多的滚动体, 提高轴系的动刚度。采用高强度、轻质保持架,选择合理的引导方式,。尽量采用配对轴承,以保证轴承的旋转精度与刚度。提高轴承尺寸公差及旋转精度,以适应高精度切削要求。 2) 采用角接触球轴承取代圆柱滚子轴承和推力球轴承,以承受径向和轴向载荷,并适应高速切削的需要。 3) 应减小径向截面尺寸,以减小主轴系统的体积,并有利于系统的热传导。 4) 应尽量采用小而多的滚动体,以减小高速旋转惯性力并进而提高轴系的动刚度。 5) 采用高强度、轻质保持架,选择合理的引导方式,以适应高速旋转。 6) 尽量采用配对轴承,以保证轴承的旋转精度与刚度。返回上页下页图库

2.3.5主轴部件的结构机床主轴部件的结构根据不同的机床有较大的差别两种卧式车床的主轴部件结构
2002/12总结 2.3.5主轴部件的结构机床主轴部件的结构根据不同的机床有较大的差别两种卧式车床的主轴部件结构主轴和电动机间采用的是传动带联接的定传动比传动方式采用电主轴机床主轴部件的结构根据不同的机床有较大的差别,图2-12和图2-13是两种卧式车床的主轴部件结构示意图。在图2-12中,主轴和电动机间采用的是传动带联接的定传动比传动方式；图2-13则采用了电主轴。立式加工中心(数控铣镗床)的主轴部件结构可以参照本章第六节。图2-12所示的主轴部件的最大的特点是:传动件、轴承、挡圈等均采用先进的热套工艺进行安装和调整,因而主轴上无键槽和螺纹,既增强了主轴的刚度,又最大限度地降低了主轴的不平衡量。主轴采用双支承方式,前支承采用了成组角接触球轴承,后支承为双列圆柱滚子轴承。前端的三个角接触轴承中,前两个轴承的大端向主轴前端,另一个轴承的大端向主轴后端,前支承可以同时承受径向和轴向力。向左的轴向力由主轴前端,通过轴承17、轴承13、挡圈11、轴承10的外圈传到箱体上。向右的轴向力由热调整套8、挡圈9、轴承 10的内圈、球、外圈、挡圈11、轴承13和17的外圈、联接盘14、螺钉15传到箱体上。当轴承间隙过大时,需卸下主轴部件,通过修磨2个挡圈11和12,调整热调整套的轴向位置进行。热调整套的内孔与主轴外圆以一很小锥度配合,以便调整。后支承为双列圆柱滚子轴承,其调整可通过热套工艺,调整带轮联接盘2的轴向位置和修磨挡圈7来实现。图2-13所示为内装电主轴的主轴部件结构。电主轴主要由空心转子1、带绕组的定子2 和位置检测器(图中未示出)三部分组成。由于主轴4与电动机合为一体,电动机的转子轴就是主轴本身,电动机定子与主轴箱体联接,所以,主轴传动不仅结构简单,而且降低了噪声和共振。主轴部件经过严格的动平衡,故可以在高速下运行。为了防止主轴高速运转时的发热,主轴轴承、电主轴均通人冷却水进行强制冷却。主轴前端结构与图2-12相同。返回上页下页图库

2.4 数控机床的进给传动系统数控机床对进给传动系统的基本要求数控机床进给传动系统的基本形式直线电动机与高速进给单元
滚珠丝杠螺母副的原理滚珠丝杠螺母副的支承滚珠丝杠螺母副与电动机的联接滚珠丝杠螺母副的选择与计算（略）返回上页下页图库

2.4.1数控机床对进给系统的基本要求为确保数控机床进给系统的传动精度和工作平稳性等，在设计机械传动装置时，提出如下要求。
1)提高传动部件的刚度。 2)减小传动部件的惯量。　　　3)减小传动部件的间隙进给系统的传动间隙一般指反向间隙，即反向死区误差，它存在于整个传动链的各传动副中，直接影响数控机床的加工精度；因此，应尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。设计中可采用消除间隙的联轴节及有消除间隙措施的传动副等方法。　　　4)减小系统的摩擦阻力返回上页下页图库

2.4.2数控机床进给系统的基本形式滚珠丝杠螺母副静压丝杠螺母副静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副直线电动机直接驱动返回上页下页图库

2.4.3直线电动机与高速进给单元直线电动机的主要特点高速进给单元的结构设计直线电动机进给系统设计注意点返回上页下页图库

2.4.3直线电动机与高速进给单元直线电动机的主要特点采用直线电动机驱动的优点不需转换装置能直接实现直线运动可获得较高旋转速度和转速
消除传动环节,精度高、刚度大、稳定性好直线电动机的不足之处效率和功率因数低，低速更明显对驱动器要求高，受电源电压影响大和导轨、工作台成一体，要采取措施防止磁力和热变形影响返回上页下页图库

2.4.3直线电动机与高速进给单元直线电动机进给系统设计注意点防磁问题散热问题返回上页下页图库

2.4.4滚珠丝杠螺母副的原理滚珠丝杠螺母副的结构原理
滚珠丝杠副是一种新型的传动机构，它的结构特点是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动件，以减少摩擦。图中丝杠和螺母上都磨有圆弧形的螺旋槽，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线滚道，在滚道内装有滚珠。当丝杠回转时，滚珠相对于螺母上的滚道滚动，因此丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能循环流动。返回上页下页图库

2.4.4滚珠丝杠螺母副的原理滚珠丝杠螺母副的结构原理目前国内外生产的滚珠丝杠副，可分为内循环及外循环两类。
外循环螺旋槽式滚珠丝杠副，在螺母的外圆上铣有螺旋槽，并在螺母内部装上挡珠器，挡珠器的舌部切断螺纹滚道，迫使滚珠流入通向螺旋槽的孔中而完成循环。内循环滚珠丝杠副，在螺母外侧孔中装有接通相邻滚道的反向器，以迫使滚珠翻越丝杠的齿顶而进入相邻滚道。返回上页下页图库

2.4.4滚珠丝杠螺母副的原理滚珠丝杠螺母副的预紧常用的双螺母消除轴向间隙的结构型式有以下三种垫片调隙式螺纹调隙式齿差调隙式
单螺母变导程自预紧及单螺母钢球过盈预紧方式。各种预紧方式的特点及适用场合见表2-2 返回上页下页图库

2.4.5滚珠丝杠螺母副的支承滚珠丝杠螺母副的支承形式滚珠丝杠螺母副的支承轴承
螺母座、丝杠的轴承及其支架等刚性不足，将严重地影响滚珠丝杠副的传动刚度。因此，螺母座应有加强肋，以减少受力后的变形，螺母座与床身的接触面积宜大，其连接螺钉的刚度也应高，定位销要紧密配合，不能松动。滚珠丝杠的支承方式有以下几种一端装推力轴承一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承两端装推力轴承两端装推力轴承及深沟球轴承滚珠丝杠螺母副的支承轴承滚珠丝杠常用推力轴承支承，以提高轴向刚度（当滚珠丝杠的轴向负载很小时，也可用深沟球轴承支承）返回上页下页图库

2.4.6滚珠丝杠螺母副与电动机的联接滚珠丝杠螺母副与驱动电机的联接形式主要有以下三种联轴器直接联接通过齿轮联接通过同步齿形带联接
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2.4.7滚珠丝杠螺母副的选择与计算滚珠丝杠副的精度等级为1、2、3、4、5、7、10级精度，代号分别为1、2、3、4、5、7、10。其中1级为最高，依次逐级降低。滚珠丝杠副的精度包括各元件的精度和装配后的综合精度，其中包括导程误差、丝杠大径对螺纹轴线的径向圆跳动、丝杠和螺母表面粗糙度、有预加载荷时螺母安装端面对丝杠螺纹轴线的圆跳动、有预加载荷时螺母安装直径对丝杠螺纹轴线的径向圆跳动以及滚珠丝杠名义直径尺寸变动量等。在开环数控机床和其他精密机床中，滚珠丝杠的精度直接影响定位精度和随动精度。对于闭环系统的数控机床，丝杠的制造误差使得它在工作时负载分布不均匀，从而降低承载能力和接触刚度，并使预紧力和驱动力矩不稳定。因此，传动精度始终是滚珠丝杠最重要的质量指标。返回上页下页图库

2.5数控机床的导轨数控机床对导轨的基本要求数控机床导轨的种类与特点滚动导轨的结构原理与特点滚动导轨的选择与计算（略）
滚动导轨的安装与使用返回上页下页图库

2002/12总结 2.5.1数控机床对导轨的基本要求机床上的直线运动部件都是沿着它的床身、立柱、横梁等上的导轨进行运动的,导轨的作用概括地说是对运动部件起导向和支承作用,导轨的制造精度及精度保持性对机床加工精变有着重要作用的影响。数控机床对导轨的要求主要有: 导向精度高精度保持性好足够的刚度良好的摩擦特性此外,导轨结构工艺性要好,便于制造和装配,便于检验、调整和维修,而且有合理的导轨防护和润滑措施等。数控机床对导轨的要求主要有: (1) 导向精度高导向精度是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线与有关基面之间的中相互位置的准确性。无论空载还是加工,导轨都应具有足够的导向精度,这是对导轨的基本要求。各种机床对于导轨本身的精度都有具体的规定或标准,以保证导轨的导向精度。 (2) 精度保持性好精度保持性是指导轨能否长期保持原始精度。影响精度保持性的主要因素是导轨的磨损,此外,还与导轨的结构形式及支承件(如床身)的材料有关。数控机床的精度保持性要求比普通机床高,应采用摩擦系数小的滚动导轨,塑料导轨或静压导轨。 (3) 足够的刚度机床各运动部件所受的外力,最后都由导轨面来承受,若导轨受力后变形过大,不仅破坏了导向精度,而且恶化了导轨的工作条件。导轨的刚度主要决定于导轨类型、结构形式和尺寸大小、导轨与床身的联接方式、导轨材料和表面加工质量等。数控机床的导轨截面积通常较大,有时还需要在主导轨外添加辅助导轨来提高刚度。 (4) 良好的摩擦特性数控机床导轨的摩擦系数要小,而且动、静摩擦因数应尽量接近,以减小摩擦阻力和导轨热变形,使运动轻便平稳,低速无爬行。此外,导轨结构工艺性要好,便于制造和装配,便于检验、调整和维修,而且有合理的导轨防护和润滑措施等。返回上页下页图库

2002/12总结 2.5.2数控机床导轨的种类与特点导轨按接触面的摩擦性质可以分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨三种,其中,数控机床最常用的是镶粘塑料滑动导轨和滚动导轨。滑动导轨滚动导轨静压导轨返回上页下页图库

2002/12总结 2.5.2数控机床导轨的种类与特点滑动导轨滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点,是机床上使用最广泛的导轨形式。但普通的铸铁一铸铁、铸铁一淬火钢导轨,存在的缺点是静摩擦系数大,而且动摩擦因数随速度变化而变化,摩擦损失大,低速(1 ～60mm/min)时易出现爬行现象,降低了运动部件的定位精度。镶粘塑料导轨不仅可以满足机床对导轨的低摩擦、耐磨、无爬行、高刚度的要求,同时又具有生产成本低、应用工艺简单、经济效益显著等特点。因此,在数控机床上得到了广泛的应用。通过选用合适的导轨材料和采用相应的热处理及加工方法,可以提高滑动导轨的耐磨性及改善其摩擦特性。如:采用优质铸铁、合金耐磨铸铁或镶洋火钢导轨;进行导轨表面滚轧强化、表面洋硬、涂铬、涂钼工艺处理等等。镶粘塑料导轨不仅可以满足机床对导轨的低摩擦、耐磨、无爬行、高刚度的要求,同时又具有生产成本低、应用工艺简单、经济效益显著等特点。因此,在数控机床上得到了广泛的应用。镶粘塑料导轨是通过在滑动导轨面上镶粘一层由多种成分复合的塑料导轨软带,来达到改善导轨性能的目的。这种导轨的共同特点是:摩擦系数小,且动、静摩擦因数差很小,能防止低速爬行现象；耐磨性,抗撕伤能力强；加工性和化学稳定性好,工艺简单,成本低,并有良好的自润滑和抗震性。塑料导轨多与铸铁导轨或淬硬刚导轨相配使用。常用的塑料导轨软带主要有以下几种: 1) 以聚四氟乙烯(PTFY)为基体,通过添加不同的填充料构成的高分子复合材料。聚四氟乙烯是现有材料中摩擦系数最小(0.04)的一种,但纯聚四氟乙烯不耐磨,因而需要添加663青铜粉、石墨、MoS2、铅粉等填充料增加耐磨性。这种导轨软带具有良好的抗磨、减磨、吸振、消声性能；适用的工作温度范围广( -200～280°C )；动、静摩擦因数小,且两者差别很小；还可以在干摩擦下应用；并且能吸收外界进入导轨面的硬粒,使导轨不至拉伤和磨损。这种材料常被做成厚度0.1～2.5mm的塑料软带的形式,粘结在导轨基面上,图2-22是镶粘塑料导轨的结构示意图。图2-22b中滑板2和床身1间采用了聚四氟乙烯一铸铁导轨副,在滑板的各导轨面,以及压板5和镶条3也粘贴有聚四氟乙烯塑料软带, 满足了机床对导轨的低摩擦、耐磨、无爬行、高刚度的要求。图2-22a为聚四氟乙烯塑料软带的粘贴尺寸以及粘贴表面加工要求示意图,在导轨面加工出0.5 ～1mm深的凹槽,通过粘接胶将塑料软带和导轨粘接。这种导轨软带还可将其制成金属与塑料的导轨板形式(称DU导轨)。 DU导轨是一种在钢板上烧结青铜粉及真空浸渍含铅粉的聚四氟乙烯的板材。导轨板的总厚度为2 ～ 4mm,多孔青铜上方表层的聚四氟乙烯厚度为0.025mm。它的优点是刚性好,线性膨胀系数与钢板几乎相同。 2) 以环氧树脂为基体,加入MoS2,胶体石墨Ti02等制成的抗磨涂层材料。这种涂料附着力强,可用涂敷工艺或压注成形工艺涂到预先加工成锯齿形状的导轨上,涂层厚度为1.5～2.5mm。我国己生产的有环氧树脂耐磨涂料(MNT) ,在它与铸铁组成的导轨副中,摩擦系数 ƒ= 0.1～0.12,在无润滑油情况下仍有较好的润滑和防爬行的效果。塑料涂层导轨主要使用在大型和重型机床上。返回上页下页图库

2002/12总结 2.5.2数控机床导轨的种类与特点滚动导轨滚动导轨是在导轨面之间放置滚珠、滚柱、滚针等滚动体,使导轨面之间的滑动摩擦变成为滚动摩擦。滚动导轨与滑动导轨相比的优点是: ①灵敏度高,且其动摩擦与静摩擦系数相差甚微,因而运动平稳,低速移动时,不易出现爬行现象。 ②定位精度高,重复定位精度可达0.2μm。 ③摩擦阻力小,移动轻便,磨损小,精度保持性好,寿命长。但滚动导轨的抗振性较差,对防护要求较高。返回上页下页图库

2002/12总结 2.5.2数控机床导轨的种类与特点滚动导轨滚动导轨特别适用于机床的工作部件要求移动均匀,运动灵敏及定位精度高的场合。这是滚动导轨在数控机床上得到广泛应用的原因。根据滚动体的类型,滚动导轨有下列三种结构形式: 滚珠导轨滚柱导轨滚针导轨根据滚动导轨是否预加负载,滚动导轨还可以分为预加载和无预加载两类。 (1) 滚珠导轨这种导轨以滚珠作为滚动体,运动灵敏度好,定位精度高；恒其承载能力和刚度较小,一般都需要通过预紧提高承载能力和刚度。为了避免在导轨面上压出凹坑而丧失精度,一般采用淬火钢制造导轨面。滚珠导轨适用于运动部件质量不大,切削力较小的数控机床。 (2) 滚柱导轨这种导轨的承载能力及刚度都比滚珠导轨大,但对于安装的要求也高, 安装不良,会引起偏移和侧向滑动,使导轨磨损加快、降低精度。目前数控机床、特别是载荷较大的机床,通常都采用滚柱导轨。 (3) 滚针导轨滚针导轨的滚针比同直径的滚柱长度更长。滚针导轨的特点是尺寸小,结构紧凑。为了提高工作台的移动精度,滚针的尺寸应按直径分组。滚针导轨适用于导轨尺寸受限制的机床上。根据滚动导轨是否预加负载,滚动导轨还可以分为预加载和无预加载两类。预加载的优点是提高了导轨的刚度,适用于颠覆力矩较大和垂直方向的导轨中,数控机床的坐标轴通常都采用这种导轨。无预加载的滚动导轨常用于数控机床的机械手、刀库等传送机构。此外,数控机床还普遍采用一种滚动导轨支承块,它已做成独立的标准部件，其特点是刚度高,承载能力大,便于拆装,可直接装在任意行程长度的运动部件上。返回上页下页图库

2002/12总结 2.5.2数控机床导轨的种类与特点静压导轨静压导轨的滑动面之间开有油腔,将有一定的油通过节流输入油腔,形成压力油膜,浮起运动部件,使导轨工作表面处于纯液体摩擦,不产生磨损,精度保持性好。同时摩擦系数也极低(0.0005) ,使驱动功率大大降低;低速无爬行,承载能力大,刚度好；此外，油液有吸振作用,抗振性好。其缺点是结构复杂,要有供油系统,油的清洁度要求高。静压导轨横截面的几何形状一般V形和矩形两种。采用V形便于导向和回油,采用矩形便于做成闭式静压导轨。另外,油腔的结构,对静压导轨性能影响很大。静压导轨在数控机床上应用较少,有关详细介绍,在此从略。返回上页下页图库

2.5.3滚动导轨的结构原理与特点滚动导轨的结构原理
2002/12总结 2.5.3滚动导轨的结构原理与特点滚动导轨的结构原理使用滚珠的滚动直线导轨副的结构原理,是由导轨、滑块、钢球、反向器、密封端盖及挡板等部分组成。当导轨与滑块作相对运动时,钢球就沿着导轨上经过淬硬并精密磨削加工而成的四条滚道滚动；在滑块端部,钢球通过反向器反向,进入回珠孔后再返回到滚道,钢球就这样周而复始地进行滚动运动。反向器两端装有防尘密封端盖,可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。返回上页下页图库

2002/12总结 2.5.3滚动导轨的结构原理与特点滚动导轨的特点滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球,使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦,因此,在大大降低两者间的运动摩擦阻力的同时,使得它还具有以下特点: 1) 动、静摩擦力之差很小,灵敏性极好,驱动信号与机械动作间的滞后时间极短。 2) 可以使驱动电动机的功率大幅度下降 3) 适合于高速、高精度加工的机床 4) 可以实现无间隙运动,提高进给系统的运动精度。 5) 滚动导轨成对使用时,具有“误差均化效应” 6) 导轨副的滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽,接触应力小 7) 导轨采用表面硬化处理工艺 8) 滚动导轨对安装面的要求较低, 返回上页下页图库

2.5.4滚动导轨的选择与计算滚动导轨的精度等级与通用数据滚动直线导轨副的额定寿命
2002/12总结 2.5.4滚动导轨的选择与计算滚动导轨的选择与计算主要包括额定寿命、载荷、预载荷等方面的计算,精度等级的选择等等。滚动导轨的精度等级与通用数据滚动导轨的精度分四个等级,即2、3, 4、5级,其中2级精度最高,依次递减。各类机床推荐采用的精度为:数控车床、数控铣床、加工中心(坐标镗床、坐标磨床)的 X、Y轴可以采用2、3, 4级精度, Z轴通常可以使用与X、Y轴相同或低一级的精度。滚动导轨的预紧等级可以分为P0、P1、P2、P3四个等级。滚动导轨的摩擦系数一般为0.002～0.003左右。 (一) 滚动导轨的精度等级与通用数据滚动导轨的精度分四个等级,即2、3, 4、5级,其中2级精度最高,依次递减。由于滚动直线导轨副具有“误差均化效应”,当在同一平面内使用二套或二套以上时,可选用较低一级精度达到高一级的运动精度,成套使用通常可以提高产品质量20% ～50% 。各类机床推荐采用的精度为:数控车床、数控铣床、加工中心(坐标镗床、坐标磨床)的 X、Y轴可以采用2、3, 4级精度, Z轴通常可以使用与X、Y轴相同或低一级的精度。滚动导轨的预紧等级可以分为P0、P1、P2、P3四个等级。P0为重预载,适用于大刚度并有冲击和振动的场合,常用于重型机床的主导轨等。 P1为中预载,适用于要求较高重复定位精度的场合,它可以承受侧悬载荷及扭转载荷。P2为普通预载,适用于振动和冲击较小的场合,运动灵敏度高。 P3为元预载,适用于输送机构中。为了不降低使用寿命,预载荷原则上不应该超过轴向载荷的1/3。在预载荷后,对导轨安装面的要求也应相应提高。滚动导轨的直线运动速度原则上可以达到500m/min,但考虑到使用寿命,通常情况下应在300m/min以下使用比较合适。滚动导轨的加速度受预载荷的影响较大,最大加速度一般可以达到250m/s2,但对于无预载荷的情况,原则上不应超过50m/s2。滚动导轨的摩擦系数一般为0.002～0.003左右。 (二)滚动直线导轨副的额定寿命 1)滚动直线导轨副的额定运动距离寿命的计算公式为。(fhfJcfa C)fw P" (2-18 ) fw Pc 式中L一一额定运动距离,单位为km; C一一额定动载荷,单位为N; P -c当量载荷(见下计算) ; fh一一硬度系数,可以由下式计算: 人= {(滚导实际硬度(HRC) )r·6 l 58 J It一一温度系数,在工作温度小于100ce时,取1 ; le-接触系数,与安装的滑动块数量有关,见表2-3。 la-精度系数,对于精度等级2、3级,取1; 4、5级取0.9; Iw一二载荷系数,对于低速运动(~ 15m/min)、无外部冲击或振动的场合,取1~1.5; 对于中速运动(15 ~ 60m/min)、元明显外部冲击或振动的场合,取1.5~2; 对于高速运动( ~60m/min)、有外部冲击或振动的场合,取2~3.50 2)当行程的长度一定,以小时为单位的额定寿命的计算公式: Lx L Lh =一一一~ = u ., ..I LI ( ) 2ln60 - In 式中l一一行程长度,单位为km; n一一每分钟往复次数,单位为次lmin; L一一按式(2-18 )计算得出的长度寿命,单位为kmo 滚动直线导轨副的额定寿命返回上页下页图库

2.5.4滚动导轨的选择与计算滚动直线导轨副的载荷计算滚动直线导轨副的载荷特点作用于滚动直线导轨副的载荷计算
2002/12总结 2.5.4滚动导轨的选择与计算滚动直线导轨副的载荷计算滚动直线导轨副的载荷特点作用于滚动直线导轨副的载荷计算对于全行程中大小变化的载荷,在计算出载荷后,还应根据不同情况,通过以下方法算出其当量载荷Pc。 1. 滚动直线导轨副的载荷特点由于滚动直线导轨副的特殊结构,使其具有垂直向上,向下和左右水平四方向额定载荷相等,且额定载荷大,刚性好,刚度高,三个方向抗颠覆力矩能力强,因此,可以适用于各种载荷机床。 2. 作用于滚动直线导轨副的载荷计算直线运动滚动支承系统所受的负荷,受配置形式(水平、垂直、横排…)、移动件的重心和受力点位置、导轨上移动件牵引力的作用点、启动及停止的惯性以及运动阻力等因素的影响。按照工程力学的方法可求出每个滑块承负的载荷根据计算得出值,便可以确定合适的导轨和滑块数。对于全行程中大小变化的载荷,在计算出载荷后,还应根据不同情况,通过以下方法算出其当量载荷Pc。 1) 载荷为分段变化的情况 3 / 3 3P1L + P"L" +…+ P~ι Pe="'/ -"缸缸J.J. 11 (2-21 ) 式中Pn一一对应行程Ln内的载荷,单位为kN; Ln一一分段行程,单位为mm; L一一总行程,单位为mm,L=~Li 2) 载荷呈线性变化的情况 P e = ( P min + 2 P max) 13 (2-22) 3) 载荷呈全波正弦曲线变化的情况 Pc = O.65Pm 4)载荷呈半波正弦曲线变化的情况 Pc = P max 5)同时承负垂向载荷P和水平向载荷凡的情况 (2-23 ) (2-24 ) Pc=Py+Ph (2-25) 式(2-21) - (2-25)中P max --最大载荷,单位为kN; Pmin一一最小载荷,单位为kN; Py一一垂向载荷,单位为kN; Ph一一水平向载荷,单位为剧。 6)同时承负外部扭矩M和外部载荷Po的情况 MPc = Po + Co M. (2-26) Po-一一外部载荷,单位为kN; Co一一额定静载荷,单位为kN; M一一外部扭矩,单位为Nom; llft一一对应方向上的额定承载扭矩(N 0 m) ,数值可以,从生产厂家的样本中查到。返回上页下页图库

2002/12总结 2.5.5滚动导轨的安装与使用滚动导轨的安装滚动直线导轨副的安装、固定方式主要有使用螺栓固定、使用斜模块固定、使用压板固定和使用定位销固定等, 。在数控机床上,通常是两根导轨成对使用,这时其中的一根为基准导轨,通过对基准导轨的正确安装,可以保证运动部件相对于支承件的正确导向。在这种情况下,图2-24适用于对基准导轨的安装。对于从动导轨,安装时应保证其位置可以调整,使运动轻便,元干涉。滚动直线导轨副的安装、固定方式主要有使用螺栓固定、使用斜模块固定、使用压板固定和使用定位销固定等,如图2-24所示。在数控机床上,通常是两根导轨成对使用,这时其中的一根为基准导轨,通过对基准导轨的正确安装,可以保证运动部件相对于支承件的正确导向。在这种情况下,图2-24适用于对基准导轨的安装。图2-24中的安装方式虽然形式有所不同,但其总的原则都是一致的,即将基准导轨的定位面(图中均为右侧)紧靠在安装基准面上,然后螺栓、斜模块、压板或定位销固定。滑块的定位方式与导轨相同。对于从动导轨,安装时应保证其位置可以调整,使运动轻便,元干涉。返回上页下页图库

2.5.5滚动导轨的安装与使用滚动直线导轨副的防护与润滑
2002/12总结 2.5.5滚动导轨的安装与使用滚动直线导轨副的防护与润滑使用滚动直线导轨副时,应注意工作环境与装配过程中的清洁,不能有铁屑、杂质、灰尘等粘附在导轨副上。若在工作环境有灰尘时,除利用导轨本身的密封外,还应考虑增加防尘装置。良好的润滑可以减少摩擦和磨损,防止导轨因发热过大而破坏其内部结构,影响导轨副的运动功能。当滚动直线导轨副的运动速度为高速时( v≥151m/min) 。通常使用N32润滑油润滑,低速时(v<15m/min)通常推荐使用钮基润滑脂润滑。返回上页下页图库

2.6数控机床的自动换刀装置自动换刀装置的基本要求和形式回转刀架加工中心刀库的类型与布局无机械手换刀机械手换刀凸轮机械手换刀装置
自动换刀机床的主轴结构机械手手爪结构返回上页下页图库

2.6.1 自动换刀装置的基本要求和形式自动换刀装置的基本要求自动换刀装置的形式换刀时间尽可能短刀具重复定位精度高刀具储存量足够
结构紧凑，便于制造、维修、调整布局应合理，使机床总布局美观大方较好的刚性，避免冲击、振动及噪声，运转安全可靠防屑、防尘装置自动换刀装置的形式回转刀架无机械手换刀方式机械手换刀方式返回上页下页图库

2.6.2 回转刀架回转刀架换刀工作原理同分度工作台刀架松开刀架转位刀架定位刀架夹紧常见回转刀架返回上页下页图库

2.6.3 加工中心刀库的类型和布局鼓轮式刀库常见形式链式刀库常见形式返回上页下页图库

2.6.4 无机械手换刀无机械手换刀刀库装在机床的工作台上，这种换刀装置，直接利用机床本身及刀库的运动进行换刀。当某一刀具加工完毕从工件退出后，即开始进行自动换刀。现在的中小型加工中心，刀库不是装在工作台上，而是装在立柱上的一个托架上。采用刀库在托架的导轨上平行于X方向运动与主轴的上下运动实现换刀。返回上页下页图库

2.6.5 机械手换刀机械手换刀当刀库的容量大、刀具较重或机床总体布局等原因，刀库也可作为一个独立部件，装在机床之外。刀库远离主轴，常常要附加运输装置，来完成刀库与主轴之间刀具的运输。常见形式 ATC换刀返回上页下页图库

2.6.6 凸轮机械手换刀装置机械手换刀当刀库的容量大、刀具较重或机床总体布局等原因，刀库也可作为一个独立部件，装在机床之外。刀库远离主轴，常常要附加运输装置，来完成刀库与主轴之间刀具的运输。常见形式返回上页下页图库

2.6.7 自动换刀机床的主轴结构主轴结构主轴端部的结构形式：
端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，因此，要保证刀具或夹具定位（轴向、定心）准确，装夹可靠、牢固，而且装卸方便。目前，主轴的端部形状已标准化。常见形式返回上页下页图库

2.6.8 机械手手爪结构机械手结构自动换刀数控机床中，机械手的形式也是多种多样的，常见的有单臂单爪回转式机械手单臂双爪回转式机械手
2002/12总结 2.6.8 机械手手爪结构机械手结构自动换刀数控机床中，机械手的形式也是多种多样的，常见的有单臂单爪回转式机械手单臂双爪回转式机械手双臂回转式机械手双机械手双臂往复交叉式机械手双臂端面夹紧式机械手在自动换刀数控机床中，机械手的形式也是多种多样的，常见的有图7-41中的几种形式： 1. 单臂单爪回转式机械手这种机械手的手臂可以回转不同的角度，进行自动换刀，手臂上只有一个卡爪，不论在刀库上或是在主轴上，均靠这一个卡爪来装刀及卸刀，因此换刀时间较长，见图7-41a。 2. 单臂双爪回转式机械手这种机械手的手臂上有两个卡爪，两个卡爪有所分工，一个卡爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务。另一个卡爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务，其换刀时间较上述单爪回转式机械手要少，见图7-41b。 3. 双臂回转式机械手这种机械手的两臂各有一个卡爪，两个卡爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转180o后又同时将刀具放回刀库及装入主轴。换刀时间较以上两种单臂机械手均短，是最常用的一种形式。图7-41c右边的一种机械手在抓取或将刀具送入刀库及主轴时，两臂可伸缩。图7-41 各种形式的机械手单臂单爪回转式 b）单臂双爪回转式 c）双臂回转式 d）双机械手 e）双臂往复交叉式 f）双臂端面夹紧式 4. 双机械手这种机械手相当于两个单臂单爪机械手，互相配合起来进行自动换刀。其中一个机械手从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个机械手由刀库取出“新刀”装入机床主轴，见图7-41d。 5. 双臂往复交叉式机械手这种机械手的两手臂可以往复运动，并交叉成一定角度。一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库取出“新刀”装入机床主轴。整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转，以实现刀库与主轴间的运刀工作，见图7-41e。 6. 双臂端面夹紧式机械手这种机械手只是在夹紧部位上与前几种不同。前几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面以抓取刀具，这种机械手则夹紧刀柄的两个端面，见图7-41f。返回上页下页图库

2.7数控机床的回转工作台回转工作台的基本要求和形式分度工作台立式数控回转工作台卧式数控回转工作台返回上页下页图库

2.7.1 回转工作台的基本要求和形式定义：实现周向进给和分度运动工作台分类
回转工作台的基本要求和形式定义：实现周向进给和分度运动工作台分类分度工作台：实现工作台的定角度回转运动，即分度、转位和定位工作。数控回转工作台：除了分度和转位的功能之外，还能实现数控圆周进给运动。示例返回上页下页图库

分度工作台工作原理：按照控制系统的指令自动地进行，每次转位回转一定的角度，如（ 1°、5°、10°、15°、30°、45°、90°、180°）。分类：按定位元件分插销定位反靠定位齿盘定位钢球定位返回上页下页图库

2.7.3 立式数控回转工作台工作原理：实现圆周进给运动的工作台---立式数控回转工作台（数控转台）
立式数控回转工作台工作原理：实现圆周进给运动的工作台---立式数控回转工作台（数控转台）功能：除了可以实现圆周进给运动之外，还可以完成分度运动。分类开环工作台：闭环工作台返回上页下页图库

2.7.4 卧式数控回转工作台工作原理：实现圆周进给运动的工作台---卧式数控回转工作台（数控转台）
卧式数控回转工作台工作原理：实现圆周进给运动的工作台---卧式数控回转工作台（数控转台）功能：除了可以实现圆周进给运动之外，还可以完成分度运动。分类开环工作台：闭环工作台返回上页下页图库

第2章本章要点数控机床的总体布局数控机床的主传动系统数控机床的进给系统数控机床的导轨数控机床的自动换刀装置数控机床的回转工作台
2002/12总结第2章本章要点数控机床的总体布局数控机床的主传动系统数控机床的进给系统数控机床的导轨数控机床的自动换刀装置数控机床的回转工作台返回下页图库

第2章数控机床的机械结构 2.1概述 2.2数控机床的总体布局 2.3数控机床的主传动系统 2.4数控机床的进给系统 2.5数控机床的导轨

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