章数控机床的机械结构
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数控机床的典型机械结构
• ２. 具有较高的精度与刚度, 传动平稳, 噪声低 • 数控机床加工精度的提高, 与主轴系统的精度密切相关。 为此, 应提
高传动件的制造精度与刚度。 • ３. 具有良好的抗振性和热稳定性 • 数控机床一般既要进行粗加工, 又要进行精加工。
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５. ２ 数控机床主轴系统
• 加工时由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过 程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰, 使主轴产生振 动, 影响加工精度和表面粗糙度, 严重时甚至会破坏刀具或工件, 使加 工无法进行。 主轴系统的发热可能导致所有零部件产生热变形, 降低 传动效率, 破坏零部件之间的相对位置精度和运动精度而造成加工误 差。 因此, 要求主轴组件要有较高的固有频率、较好的动平衡、保持 合适的配合间隙并进行循环润滑等。
• 数控机床的机械结构仍然继承了普通机床的构成模式, 其零部件的设 计方法也同样类似于普通机床。
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５. １ 数控机床的机械结构概述
• 但近年来, 随着进给驱动、主轴驱动和ＣＮＣ 的发展, 为适应高生产 效率的需要, 现今的数控机床有着独特的机械结构, 除机床基础件外, 主要由以下各部分组成。
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第6章 数组
• 6.1 一维数组 • 6.2 二维数组 • 6.3 字符数组 • 6.4 数组程序举例
6.1 一维数组
• 6.1.1一维数组的定义方式 • 一维数组的定义方式为: • 类型说明符数组名[常量表达式]; • 其中: • 类型说明符可以是任何一种基本数据类型或构造数据类型。 • 数组名是用户定义的数组标识符。 • 方括号中的常量表达式须为整型，其值表小数组元素的个数，也称为
来表示。 • (5)允许在同一个类型说明中说明多个数组和多个变量。
高传动件的制造精度与刚度。 • ３. 具有良好的抗振性和热稳定性 • 数控机床一般既要进行粗加工, 又要进行精加工。
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５. ２ 数控机床主轴系统
• 加工时由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过 程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰, 使主轴产生振 动, 影响加工精度和表面粗糙度, 严重时甚至会破坏刀具或工件, 使加 工无法进行。 主轴系统的发热可能导致所有零部件产生热变形, 降低 传动效率, 破坏零部件之间的相对位置精度和运动精度而造成加工误 差。 因此, 要求主轴组件要有较高的固有频率、较好的动平衡、保持 合适的配合间隙并进行循环润滑等。
• 数控机床的机械结构仍然继承了普通机床的构成模式, 其零部件的设 计方法也同样类似于普通机床。
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５. １ 数控机床的机械结构概述
• 但近年来, 随着进给驱动、主轴驱动和ＣＮＣ 的发展, 为适应高生产 效率的需要, 现今的数控机床有着独特的机械结构, 除机床基础件外, 主要由以下各部分组成。
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第6章 数组
• 6.1 一维数组 • 6.2 二维数组 • 6.3 字符数组 • 6.4 数组程序举例
6.1 一维数组
• 6.1.1一维数组的定义方式 • 一维数组的定义方式为: • 类型说明符数组名[常量表达式]; • 其中: • 类型说明符可以是任何一种基本数据类型或构造数据类型。 • 数组名是用户定义的数组标识符。 • 方括号中的常量表达式须为整型，其值表小数组元素的个数，也称为
来表示。 • (5)允许在同一个类型说明中说明多个数组和多个变量。
数控机床的机械结构与传动
图2-3 两种形式的内循环方式示意图
第二节 数控机床的典型机械结构
第二章 数控机床的机械结构与传动
2.1 滚珠丝杠螺母结构
滚珠丝杠螺母副的选用
滚珠丝杠螺母副的选择包括其精度、尺寸规格、支 撑方式等几个方面。
根据机床精度选用丝杠副的精度，根据机床载荷来 选定丝杠直径，对细长而又承受轴向压缩载荷的滚珠丝 杠，需核算压杆稳定性；对转速高，支撑距离大的滚珠 丝杠副需校核临界转速；对精度要求高的滚珠丝杠需校 核刚度。 1）精度等级的选择； 2）结构尺寸的选择； 3）验算。
主传动在中、高速 段为恒功率传动， 在低速段为恒转矩 传动。
第三节 数控机床的主传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
3.2 主轴部件的结构
主轴部件的支撑与润滑
机床主轴带动刀具或夹具在支撑中做回转运动，应能传递切削转矩、受 切削抗力，并保证必要的旋转精度。
常用卡盘结构
数控车床工件夹紧装置可采用三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘或弹簧夹 头等。
第四节 数控机床的进给传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
4.2 数控机床进给传动系统的基本形式
实现直线进给运动主要有三种形式： 1）通过丝杠螺母副，将伺服电动机的旋 转运动变成直线运动。 2）通过齿轮、齿条副，将伺服电动机的 旋转运动变成直线运动。 3）直接采用直线电动机进行驱动。
减少传动件。 4）在加工中心上，还必须具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹
紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、 机械手的正确位置。 5）有C轴功能要求时，主轴还需要安装位置检测装置，以便实现对 主轴位置的控制。
第三节 数控机床的主传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
3.1 主传动的基本要求和变速方式
第二节 数控机床的典型机械结构
第二章 数控机床的机械结构与传动
2.1 滚珠丝杠螺母结构
滚珠丝杠螺母副的选用
滚珠丝杠螺母副的选择包括其精度、尺寸规格、支 撑方式等几个方面。
根据机床精度选用丝杠副的精度，根据机床载荷来 选定丝杠直径，对细长而又承受轴向压缩载荷的滚珠丝 杠，需核算压杆稳定性；对转速高，支撑距离大的滚珠 丝杠副需校核临界转速；对精度要求高的滚珠丝杠需校 核刚度。 1）精度等级的选择； 2）结构尺寸的选择； 3）验算。
主传动在中、高速 段为恒功率传动， 在低速段为恒转矩 传动。
第三节 数控机床的主传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
3.2 主轴部件的结构
主轴部件的支撑与润滑
机床主轴带动刀具或夹具在支撑中做回转运动，应能传递切削转矩、受 切削抗力，并保证必要的旋转精度。
常用卡盘结构
数控车床工件夹紧装置可采用三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘或弹簧夹 头等。
第四节 数控机床的进给传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
4.2 数控机床进给传动系统的基本形式
实现直线进给运动主要有三种形式： 1）通过丝杠螺母副，将伺服电动机的旋 转运动变成直线运动。 2）通过齿轮、齿条副，将伺服电动机的 旋转运动变成直线运动。 3）直接采用直线电动机进行驱动。
减少传动件。 4）在加工中心上，还必须具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹
紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、 机械手的正确位置。 5）有C轴功能要求时，主轴还需要安装位置检测装置，以便实现对 主轴位置的控制。
第三节 数控机床的主传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
3.1 主传动的基本要求和变速方式
第6章 数控机床的机械结构
1．滚珠丝杠的结构组成
滚珠丝杠由丝杠、螺母、滚珠和滚珠返回装置四 部分组成。按照滚珠的循环方式，滚珠丝杠螺母副分 内循环方式和外循环方式两大类。 内循环方式指在循环过程中滚珠始终保持和丝杠 接触，如图6.16所示。
图6.16 滚珠丝杠内循环方式 1-丝杠；2-反向器；3-滚珠；4-螺母
2）减少各运动零件的惯量
传动件的惯量对进给系统的启动和制动特性都有 影响，尤其是高速运转的零件，其惯量的影响更大。 3）减少运动件的摩擦阻力 机械传动结构的摩擦阻力，主要来自丝杠螺母副 和导轨。 4）响应速度快 快速响应是伺服系统的动态性能，反映了系统的 跟踪精度。它是工件在加工过程中，工作台在规定的 速度范围内灵敏而精确地跟踪指令，且不出现丢步现 象。
1-主轴 2-同步齿形带 3-主轴电机 4-永久磁铁 5-磁传感器 图6.11 加工中心主轴准停装置
4．主轴部件的结构
（1）数控车床主轴部件的结构 数控车床的主传动系
统一般采用交流无级调速电动机，通过皮带传动，带 动主轴旋转。 图 6.12为数控车床主轴外观图。图 6.13 为数控车床主轴部件的典型结构图。主轴电动机通过 带轮15把运动传给主轴7。
1. 齿轮变速的主传动方式
如图6.6（a）所示，主轴电机经过二级齿轮变速， 使主轴获得低速和高速两种转速系列，这种分段无级 变速，确保低速时的大扭矩，满足机床对扭矩特性的 要求，是大中型数控机床采用较多的一种配置方式。
2. 带传动主传动方式
如图6.6（b）所示，主轴电机经带传动传递给主轴， 带传动主要采用 V型带或齿形带传动，可以避免齿轮 传动时引起的振动与噪声，且其结构简单、安装调试 方便，应用广泛。
1．主轴部件的支承与润滑 根据主轴部件的工作精度、刚度、温升和结构的
数控机床的机械结构
6
8.1 概 述
1-主轴电动机；2,3-伺服电动机
图8.1 HM-077数控车床传动系 统
7
主轴电动机1主要采 用变频电动机，主轴电 动机的动力通过带传动 传递至主轴 。
机床的Z向和X向进给 由两套伺服系统分别驱动， 伺服电动机3和2分别通过 同步齿形带传动滚珠丝杠 螺母副，实现床鞍和滑板 作纵向和横向运动。
27
8.2 数控机床的主传动系统
2.主轴轴承配置 ❖ 合理配置轴承可以提高主轴精度，降低温升，简化支承结 构。在数控机床上配置轴承时，前后轴承都应能承受径向 载荷，支承间距离要选择合理，并根据机床的实际情况配 置承受轴向力的轴承。 ❖ 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。
❖ 这就要求换刀时主轴必须准确停在某个径向位置上，保证 每次换刀时刀柄上的键槽对准主轴的端面键，为了满足主 轴准停这一功能要求而设置的装置称为主轴准停装置。
36
8.2 数控机床的主传动系统
1-主轴；2-同步带；3-主轴电动机；4-永久磁铁；5-磁传感器
图8.16 电气控制式主轴准停装置
37
8.2 数控机床的主传动系统
25
8.2 数控机床的主传动系统
❖ 要求主轴部件的精度要高，包括运动精度和安装刀具或夹 持工件的夹具的定位精度，要求主轴部件结构刚度要好， 要有较好的抗振性及热稳定性，因此数控机床主轴部件在 结构上要解决好主轴的支承、主轴内刀具自动装夹、主轴 的定向停止等问题。
26
8.2 数控机床的主传动系统
1.主轴轴承
13
8.2 数控机床的主传动系统
8.2.2 主传动类型
★ 数控机床主传动可以分为无级变速、分段无级变速两种 传动方式。 ★ 分段无级变速传动方式通常采用在无级变速电动机之后 串联机械有级变速，以满足数控机床要求的宽调速范围和转 矩特性，如图8.4（a）所示。 ★ 无级变速传动方式电动机本身的调速就能够满足要求， 不用齿轮变速，如图8.4（b）、（c）、（d）所示。
8.1 概 述
1-主轴电动机；2,3-伺服电动机
图8.1 HM-077数控车床传动系 统
7
主轴电动机1主要采 用变频电动机，主轴电 动机的动力通过带传动 传递至主轴 。
机床的Z向和X向进给 由两套伺服系统分别驱动， 伺服电动机3和2分别通过 同步齿形带传动滚珠丝杠 螺母副，实现床鞍和滑板 作纵向和横向运动。
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8.2 数控机床的主传动系统
2.主轴轴承配置 ❖ 合理配置轴承可以提高主轴精度，降低温升，简化支承结 构。在数控机床上配置轴承时，前后轴承都应能承受径向 载荷，支承间距离要选择合理，并根据机床的实际情况配 置承受轴向力的轴承。 ❖ 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。
❖ 这就要求换刀时主轴必须准确停在某个径向位置上，保证 每次换刀时刀柄上的键槽对准主轴的端面键，为了满足主 轴准停这一功能要求而设置的装置称为主轴准停装置。
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8.2 数控机床的主传动系统
1-主轴；2-同步带；3-主轴电动机；4-永久磁铁；5-磁传感器
图8.16 电气控制式主轴准停装置
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8.2 数控机床的主传动系统
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8.2 数控机床的主传动系统
❖ 要求主轴部件的精度要高，包括运动精度和安装刀具或夹 持工件的夹具的定位精度，要求主轴部件结构刚度要好， 要有较好的抗振性及热稳定性，因此数控机床主轴部件在 结构上要解决好主轴的支承、主轴内刀具自动装夹、主轴 的定向停止等问题。
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8.2 数控机床的主传动系统
1.主轴轴承
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8.2 数控机床的主传动系统
8.2.2 主传动类型
★ 数控机床主传动可以分为无级变速、分段无级变速两种 传动方式。 ★ 分段无级变速传动方式通常采用在无级变速电动机之后 串联机械有级变速，以满足数控机床要求的宽调速范围和转 矩特性，如图8.4（a）所示。 ★ 无级变速传动方式电动机本身的调速就能够满足要求， 不用齿轮变速，如图8.4（b）、（c）、（d）所示。
第三章 数控车床机械结构与装调第四节 数控车床刀塔
二、液压刀塔介绍
与电动刀塔相比，液压刀塔能实现快 速、低噪声、正反转双向最短路径转动寻 找换刀刀位，松开和锁紧迅速，工作可靠 性好。但需要相应的液压系统提供压力油 和控制装置，所以一般在全功能数控车床 上配置液压刀塔。
二、液压刀塔介绍
数车排式刀塔
排式刀塔的各刀夹固定在横 向滑板上， 刀位切换运动直 接采用X轴快移运动，结构简 单，制造成本低，刀具系统 刚性好。 刀具容量小、整体占用空间 大，适合以纵向进给为主的 小型数控车上应用。
1—活动鼠牙盘 2—导向销 3—上刀架本体 4—下刀架
• 免抬式四刀位电动刀塔
结构特点
1.上刀架与鼠牙盘为独 立的两个零件，用8个 圆周分布的圆柱导向销 2活动连接。 2.活动鼠牙盘1单独作 升降运动，上刀架在导 向销的作用下作单方向 转动，上下刀架始结合 面始终保持接触。
性能特点
在换刀转位过程中，上下刀架始终闭合，有效防止切削液和切屑等杂物 进入刀塔内部，刀塔传动可靠性和精度保持性提高。
拆去棘爪
拆去定 位盘
一、电动刀塔
刀塔拆装调整
③拆卸上刀架等
1
2
拆下 蜗杆
取出定 位盘
拆去上盖 和螺母
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拆去定 位盘
一、电动刀塔
刀塔拆装调整
④拆卸立轴与轴承
1
2
拆下立轴
用拉马拆除轴承
一、电动刀塔
刀塔拆装调整
⑤装配与调整
一、装配
装配过程与拆卸过程 除了轴承装配采用压 力机以外基本上是逆 向的。
传动原理
2.卧式八刀位电动刀塔
• 联接方式…… • 动作过程： a 从锁紧到抬起
B 从转位到反转夹紧
二、液压刀塔介绍
卧式12刀位液压刀塔
数控机床机械结构
Байду номын сангаас
机械制造工艺与设备
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机械制造工艺与设备
数控机床机械结 构
机械结构
1.1 总体布局
数控机床通常由存储介质、输入装置、输出装置、数控 系统、伺服系统、主轴单元（含电主轴）、滚珠丝杠副和滚动 导轨副、刀库和机械手、数控回转刀架和回转工作台、高速防 护部件和机床床身等组成。
数控机床可在一次装夹下完成大量工序，重调又方便，故 适用于中、小批量生产。近年来，已开始用于汽车制造等行业 的大批量生产。从单件到大批量都可充分发挥数控机床高生产 率，低废品率，减少半成品储备，缩短生产周期，便于调整等 优点。
1.3 进给系统
一个典型数控机床闭环控制的进给系统，通常由位置比较 和放大单元、驱动单元、机械传动装置及反馈元件等部分组 成。这里所说的机械传动装置是将驱动源旋转运动变为工作 台直线运动的整个机械传动链，包括减速装置、转动变移动 的丝杠螺母副及导向元件等。
为了确保数控机床进给系统的传动精度、灵敏度和工作 稳定性，对机械部分设计总的要求是消除间隙、减小摩擦、 减小运动惯量、提高传动精度和刚度。
1.2 主传动系统及主轴部件
数控机床的主传动系统包括主轴电动机、传动系统和主轴组 件。它比普通机床的主传动系统的结构简单，这是因为其变速功 能全部或大部分由主轴电动机的无极调速来承担，省去了繁杂的 齿轮变速结构。
数控机床要求主轴调速范围大，不但有低速、大转矩功能， 而且还要有较高的速度。其主传动系统要求有较高的旋转精度和 运动精度，对于主轴的静刚度、耐磨性和抗振性要求较高。此外， 低温升和减小热变形也是对主传动系统要求的重要指标。
1.4 床身
床身是机床的主体，是整个机床的基础支承件，一般用来放 置导轨、主轴箱等重要部件。其结构对机床的性能和布局有很大 的影响。
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机械结构
1.1 总体布局
数控机床通常由存储介质、输入装置、输出装置、数控 系统、伺服系统、主轴单元（含电主轴）、滚珠丝杠副和滚动 导轨副、刀库和机械手、数控回转刀架和回转工作台、高速防 护部件和机床床身等组成。
数控机床可在一次装夹下完成大量工序，重调又方便，故 适用于中、小批量生产。近年来，已开始用于汽车制造等行业 的大批量生产。从单件到大批量都可充分发挥数控机床高生产 率，低废品率，减少半成品储备，缩短生产周期，便于调整等 优点。
1.3 进给系统
一个典型数控机床闭环控制的进给系统，通常由位置比较 和放大单元、驱动单元、机械传动装置及反馈元件等部分组 成。这里所说的机械传动装置是将驱动源旋转运动变为工作 台直线运动的整个机械传动链，包括减速装置、转动变移动 的丝杠螺母副及导向元件等。
为了确保数控机床进给系统的传动精度、灵敏度和工作 稳定性，对机械部分设计总的要求是消除间隙、减小摩擦、 减小运动惯量、提高传动精度和刚度。
1.2 主传动系统及主轴部件
数控机床的主传动系统包括主轴电动机、传动系统和主轴组 件。它比普通机床的主传动系统的结构简单，这是因为其变速功 能全部或大部分由主轴电动机的无极调速来承担，省去了繁杂的 齿轮变速结构。
数控机床要求主轴调速范围大，不但有低速、大转矩功能， 而且还要有较高的速度。其主传动系统要求有较高的旋转精度和 运动精度，对于主轴的静刚度、耐磨性和抗振性要求较高。此外， 低温升和减小热变形也是对主传动系统要求的重要指标。
1.4 床身
床身是机床的主体，是整个机床的基础支承件，一般用来放 置导轨、主轴箱等重要部件。其结构对机床的性能和布局有很大 的影响。
数控机床的机械结构
两级齿轮变速 液压拔叉实现齿轮滑移
22
CNC
4.3 数控机床的主传动系统
4.3.2 主轴的联接型式
➢ 定传动比的联结型式 主电动机和主轴一般采用定传动比的联结型
式，或是主电动机和主轴直接联结的型式，在使 用定传动比传动时，通常采用三角皮带或同步皮 带传动
电动机和主轴直接联结的型式，可以大大简 化主轴传动系统的结构，有效地提高主轴刚度和 可靠性。
4.4.2 数控机床进给传动系统的基本型式
➢ 数控机床的进给运动有两大类
– 直线进给运动:机床的基本坐标轴(X、Y、Z轴)以及和基本坐标轴平行的坐标轴(U 、V、W等)的运动
– 圆周进给运动:指绕基本坐标轴X、Y、Z回转的坐标轴运动。
➢ 实现直线进给运动主要有三种型式
▪ 通过丝杠(通常为滚珠丝杠或静压丝杠)螺母副，将伺服电动机的旋转运动变成直 线运动。
4.4.1数控机床对进给传动系统的要求
主要内容
（4）摩擦阻力要小
在进给系统中要尽量减少传动件之间的摩擦阻力， 尤其是减少丝杠传动和工作台运动导轨之间的摩擦， 以消除低速进给爬行现象，从而提高整个伺服进给系 统的稳定性。广泛采用滚珠丝杠和滚动导轨以及塑料 导轨和静压导轨。
42
CNC
4.4 数控机床的进给传动系统
19
CNC
4.3 数控机床的主传动系统
4.3.2 主轴的联接型式
➢ 用辅助机械变速机构联接 在使用无级变速传动的基础上，再增加两级或
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 ：通过电磁离合器、液压 或气动带动滑移齿轮等方式实现
4.3.1主传动的基本要求和变速方式
《数控机床》作业参考答案
《数控机床》作业参考答案（一）第一章数控机床简介一、填空题1、控制介质、数控系统、伺服系统、机床本体、反馈装置2、数字控制3、并联4、自适应控制（AC）二、单选题1、C2、D3、A4、D5、B三、判断题1、×2、√3、×4、√5、√四、简答题1、简述数控机床的发展趋势。
答：（1）高速度与高精度化：为实现这一指标，主要采取以下的措施：①数控系统采用位数、频率更高的微处理器；②采用全数字交流伺服系统，大大提高了系统的定位精度、进给速度；③机床静、动摩擦的非线性补偿技术；④应用高速大功率电主轴；⑤配置高速、功能强的内装式可编程控制器；⑥采用高性能和可靠的新型功能部件—电滚珠丝杠；（2）多功能化：数控机床采用一机多能；数控机床具有前台加工、后台编辑的前后台功能；数控机床除具有通讯口、DNC功能外，还具有网络功能；（3）智能化：数控机床引进自适应控制技术；采用故障自诊断、自修复功能；具有刀具寿命自动检测和自动换刀功能；数控机床引进模式识别技术；（4）高的可靠性：为实现这一指标，主要采取以下的措施：①提高系统的硬件质量；②采用硬件结构模块化、标准化、通用化方式；③增强故障自诊断、自恢复和保护功能。
2、简述数控机床各组成部分的作用。
答：数控机床一般由以下几个部分组成：（1）控制介质：控制介质是将零件加工信息传送到数控装置中去的信息载体，是人与数控机床之间联系的中间媒介物质，反映了数控加工中的全部信息。
常见的控制介质有穿孔纸带、穿孔卡、磁盘、磁带等。
（2）数控系统：数控系统是机床实现自动加工的核心，是整个数控机床的灵魂所在，主要由输入装置、监视器、主控制系统、可编程控制器、各种输入/输出接口等组成。
主控制系统主要由CPU、存储器、控制器等组成，是数控系统的核心，一般称它为数控装置（CNC装置）。
（3）伺服系统：是数控系统和机床本体之间的电传动联系环节，主要由伺服电机、伺服驱动控制器组成。
伺服电机是系统的执行元件，驱动控制系统则是伺服电机的动力源。
数控机床的机械结构
1、结构简单、操作方便、自动化程度高
2、广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品 3、具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件
4、对机械结构、零部件的要求高
1.3 数控机床对机械结构的基本要求
1、提高机床结构的静刚度
刚度：结构在特定的激扰下抵抗变形的能力。 静载荷下抵抗变形的能力称为静刚度，动载荷下抵抗变形的能力称为动刚度， 即引起单位振幅所需要的动态力。 静刚度一般用结构的在静载荷作用下的变形多少来衡量，动刚度则是用结构的 固有频率来衡量；
间并联机构为基础，利用
计算机数字控制的方法， 以软件取代部分硬件，以 电气装置和电子器件取代 部分机械传动。
井冈山大学机电工程学院
23
数控机床的机械结构
3 数控机床的导轨
3.1 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度有着重 要作用的影响。基本要求主要有: 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。
井冈山大学机电工程学院
数控机床的机械结构
3.2数控机床导轨的种类与特点
滑动导轨
井冈山大学机电工程学院
数控机床的机械结构
3.2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。
2、广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品 3、具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件
4、对机械结构、零部件的要求高
1.3 数控机床对机械结构的基本要求
1、提高机床结构的静刚度
刚度：结构在特定的激扰下抵抗变形的能力。 静载荷下抵抗变形的能力称为静刚度，动载荷下抵抗变形的能力称为动刚度， 即引起单位振幅所需要的动态力。 静刚度一般用结构的在静载荷作用下的变形多少来衡量，动刚度则是用结构的 固有频率来衡量；
间并联机构为基础，利用
计算机数字控制的方法， 以软件取代部分硬件，以 电气装置和电子器件取代 部分机械传动。
井冈山大学机电工程学院
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数控机床的机械结构
3 数控机床的导轨
3.1 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度有着重 要作用的影响。基本要求主要有: 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。
井冈山大学机电工程学院
数控机床的机械结构
3.2数控机床导轨的种类与特点
滑动导轨
井冈山大学机电工程学院
数控机床的机械结构
3.2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。
浙江大学机械与能源工程学院
2.3 数控机床进给传动系统
2.3.1 数控机床对进给系统的要求 2.3.2 传动齿轮副 2.3.3 丝杠螺母副
2.4 数控机床导轨
2.4.1 数控机床对导轨的基本要求 2.4.2 数控机床导轨的类型与特点
2.5 数控机床的工作台
2.5.1 直线工作台 2.5.2 回转工作台 2.5.3 摆动工作台 2.5.4 直接驱动的回转工作台
2.6 数控机床的位置检测装置
2.对位置检测装置的要求：
（1）高可靠性和高抗干扰性； （2）满足精度和速度要求； （3）使用维护方便，适合机床运行环境； （4）成本低，寿命长。
2.6.1 检测装置的分类
数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流
三种类型。
安装的位置及耦合方式—直接测量和间接测量；
测量方法—
1.作用：一种常用的转角检测元件。 2.特点：结构简单，动作灵敏，对环境无特殊 要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性 强，工作可靠等特点，且精度能满足一般的检 测要求。
3.分类：旋转变压器分为有刷式和无刷式两种 结构。
有刷式旋转变压器特点：结构简单，体积小，可 靠性差，寿命也较短。 无刷式旋转变压器特点：提高了可靠性及使用寿 命，但其体积、质量、成本均有所增加。
2.6.2光栅
（二）光栅的工作原理
光栅位置检测装置由标尺光栅和光栅读数头两部分组成 。
标尺光栅一般固定在机床活动部件上（如工作台上）， 光栅读数头安装在机床的固定部件上(如机床底座)。
2 3
4
标尺光栅
1-防护垫 4-防护罩
1
光栅的结构 2-光栅读数头 3-标尺光栅
12
34 5
光栅读数头 1-光源 2-透镜 3-指示光栅 4-光敏元件 5-驱动线路
2.3.1 数控机床对进给系统的要求 2.3.2 传动齿轮副 2.3.3 丝杠螺母副
2.4 数控机床导轨
2.4.1 数控机床对导轨的基本要求 2.4.2 数控机床导轨的类型与特点
2.5 数控机床的工作台
2.5.1 直线工作台 2.5.2 回转工作台 2.5.3 摆动工作台 2.5.4 直接驱动的回转工作台
2.6 数控机床的位置检测装置
2.对位置检测装置的要求：
（1）高可靠性和高抗干扰性； （2）满足精度和速度要求； （3）使用维护方便，适合机床运行环境； （4）成本低，寿命长。
2.6.1 检测装置的分类
数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流
三种类型。
安装的位置及耦合方式—直接测量和间接测量；
测量方法—
1.作用：一种常用的转角检测元件。 2.特点：结构简单，动作灵敏，对环境无特殊 要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性 强，工作可靠等特点，且精度能满足一般的检 测要求。
3.分类：旋转变压器分为有刷式和无刷式两种 结构。
有刷式旋转变压器特点：结构简单，体积小，可 靠性差，寿命也较短。 无刷式旋转变压器特点：提高了可靠性及使用寿 命，但其体积、质量、成本均有所增加。
2.6.2光栅
（二）光栅的工作原理
光栅位置检测装置由标尺光栅和光栅读数头两部分组成 。
标尺光栅一般固定在机床活动部件上（如工作台上）， 光栅读数头安装在机床的固定部件上(如机床底座)。
2 3
4
标尺光栅
1-防护垫 4-防护罩
1
光栅的结构 2-光栅读数头 3-标尺光栅
12
34 5
光栅读数头 1-光源 2-透镜 3-指示光栅 4-光敏元件 5-驱动线路
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机床基础件通常是指: 床身 底座 立柱 横梁 滑座 工作台
1-主轴头 2-刀库 3-立柱 4-立柱底座 5-工作台 6-工作台底座
立式数控铣床
移动立柱卧式加工中心
立式数控铣床
数控机床
数控车床的主要内部结构
7.1.2 数控机床机械结构的特点和要求
影响数控机床对传统的机械结构变革的最基本功能 和性能主要有以下几个方面：
7.7.2 数控机床主轴的变速形式
这种主传动所采用的电动机一般为直流主轴电机， 在低于特定转速时为恒扭矩输出，高于特定转速时为恒 功率输出。
直流主轴电动机的速度和扭矩关系图
7.7.3 数控机床的主轴部件
机床的主轴部件是机床重要的部件之一，它带动工件或刀 具执行机床的切削运动。因此数控机床主轴部件的精度、抗振 性和热变形对加工质量有直接的影响。
生在刀具切入的垂直方向上，如下图所示；
7.1.2 数控机床机械结构的特点和要数控机床机械结构的特点和要求
3. 改善主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动导轨副的摩擦特性； 4. 对机床发热部件采取散热、风冷或液冷等控制温升，对切削
部位采取大流量强制冷却； 冷却风管
主轴
对机床热源进行强制冷却
的要求
便于操作的机床结构
7.2 数控机床主传动系统结构
7.7.1 数控机床主传动系统的特点
数控机床与普通机床比较，具有下列特点：
(1)所选用电机的区别
普通的交流异步电机或传统的直流调速电机已逐步被新 型的交流伺服电机和直流伺服电机所代替。
(2)变速范围大
R n n
100
n
maxmin
(3)转速高，功率大
7.7.2 数控机床主轴的变速形式
常用同步带轮结构
7.7.2 数控机床主轴的变速形式
RPP同步带
梯形齿同步带
圆弧齿同步带
梯形齿双面同步带
圆弧齿双面同步带
交错双面齿同步带
常用同步带结构
7.7.2 数控机床主轴的变速形式
(3)由伺服电动机直接驱动的主传动
这种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，但主轴输出扭矩小，电动机 发热对主轴的精度影响较大，主要用于 高速轻载的中小型机床。
(1)带有变速齿轮的主传动
通过少数几对齿轮变速，使之成为分段无级变速，确 保低速时有足够的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。 滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿 轮来实现。
7.7.2 数控机床主轴的变速形式
（2）通过带传动的主传动
7.7.2 数控机床主轴的变速形式
带传动主要应用在小型数控机床上，具有如下优点： ① 无滑动，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50m/s，传动比可达10左右，
1. 自动化 2. 大功率和高精度 3. 高速度 4. 工艺复合化和功能集成化 5. 高可靠性
7.1.2 数控机床机械结构的特点和要求
数控机床的机械结构具有不同于普通机床特点和要求，主
要体现在以下几个方面：
① 高的静、动刚度
提高刚度的措施有：
G.合理选用构件的材料 E.合理的结构布局
A.合理选择支承件的结构形式 F.采用补偿变形的措施
第7章 数控机床的机械结构
7.1 概述 7.2 数控机床主传动系统结构 7.3 数控机床进给传动系统结构 7.4 数控回转工作台 7.5 典型数控机床传动系统
7.1.1数控机床本体组成
数控机床的机械结构除机床基础件，由以下几部分组成
1 主传动系统；
5 刀库、刀架和自动换刀装置
2 进给传动系统;
（ATC）；
3 实现工件回转、定位的装置 6 自动托盘交换装置（APC）；
和附件；
7 特殊功能装置，如刀具破损监
4 实现某些部件动作和辅助功 控、精度检测和监控装置等；
能的系统和装置，如液压、 8 为完成自动化控制功能的各种 气压、润滑、冷却等系统和 反馈信号装置及元件。 排屑、防护等装置；
7.1.1数控机床本体组成
改善动态特性的措施是：提高系统的静刚度、增加阻尼 （例如，采用三支承主轴，后支承就有利于消振）以及 调整构件的质量和自振动频率，对高速回转部件或零件 进行动平衡等。
④ 热变形小
产生热变形的原因：①内外热源的影响；②不能人工修 正热变形误差。
7.1.2 数控机床机械结构的特点和要求
减小热变形的措施： 1. 主运动采用直流或交流调速电动机进行无级调速； 7. 采用热对称结构及热平衡措施，使机床主轴的热变形发
B.合理布置支承件隔板的筋 条结构
C.增加导轨与支承件的连接 部分的刚度
D.增加机床各部件的接触刚 度和承载能力
H.通过加配重或液压平衡负 载以减小有关零部件的静 力变形
I. 通过在支承件内腔或表面 填加阻尼材料等来改善阻 尼特性，以增大动刚度
7.1.2 数控机床机械结构的特点和要求
② 高灵敏度 ③ 高抗振性
主轴部件包括： 1 主轴轴承 2 刀具的自动夹紧机构 3 主轴的准停装置
7.7.3 数控机床的主轴部件
传递功率由几瓦至数十千瓦。 ⑤ 维修保养方便，不需要润滑。
同步带传动也有许多不足之处，如其安装时中心距 要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。
7.7.2 数控机床主轴的变速形式
同步带又称复合三角带，端面为多楔型，它利用同步带 的齿形与同步带轮的轮齿依次相啮合来传递运动或动力。同 步带传动能满足数控机床主传动高速、大转矩和不打滑的传 动要求，在数控机床主传动系统中得到广泛的应用。
7.1.2 数控机床机械结构的特点和要求
主轴
冷却风管
对机床热源进行强制冷却
7.1.2 数控机床机械结构的特点和要求
5. 预测热变形规律，采取热位移补偿等； 6.采用排屑系统，如图所示。
7.1.2 数控机床机械结构的特点和要求
⑤ 高效率、无间隙、 低摩擦传动
⑥ 高精度保持性 ⑦ 高可靠性 ⑧ 简化传动链 ⑨ 先进刀具 ⑩ 满足人机工程学
(4)主轴速度的变换迅速可靠
主轴脉冲编码器 主轴
主轴电机
同步齿形带
7.7.2 数控机床主轴的变速形式
数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式： （1）带有变速齿轮的主传动（如图a） （2）通过带传动的主传动（如图b） （3）由伺服电动机直接驱动的主传动（如图c）
7.7.2 数控机床主轴的变速形式
1-主轴头 2-刀库 3-立柱 4-立柱底座 5-工作台 6-工作台底座
立式数控铣床
移动立柱卧式加工中心
立式数控铣床
数控机床
数控车床的主要内部结构
7.1.2 数控机床机械结构的特点和要求
影响数控机床对传统的机械结构变革的最基本功能 和性能主要有以下几个方面：
7.7.2 数控机床主轴的变速形式
这种主传动所采用的电动机一般为直流主轴电机， 在低于特定转速时为恒扭矩输出，高于特定转速时为恒 功率输出。
直流主轴电动机的速度和扭矩关系图
7.7.3 数控机床的主轴部件
机床的主轴部件是机床重要的部件之一，它带动工件或刀 具执行机床的切削运动。因此数控机床主轴部件的精度、抗振 性和热变形对加工质量有直接的影响。
生在刀具切入的垂直方向上，如下图所示；
7.1.2 数控机床机械结构的特点和要数控机床机械结构的特点和要求
3. 改善主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动导轨副的摩擦特性； 4. 对机床发热部件采取散热、风冷或液冷等控制温升，对切削
部位采取大流量强制冷却； 冷却风管
主轴
对机床热源进行强制冷却
的要求
便于操作的机床结构
7.2 数控机床主传动系统结构
7.7.1 数控机床主传动系统的特点
数控机床与普通机床比较，具有下列特点：
(1)所选用电机的区别
普通的交流异步电机或传统的直流调速电机已逐步被新 型的交流伺服电机和直流伺服电机所代替。
(2)变速范围大
R n n
100
n
maxmin
(3)转速高，功率大
7.7.2 数控机床主轴的变速形式
常用同步带轮结构
7.7.2 数控机床主轴的变速形式
RPP同步带
梯形齿同步带
圆弧齿同步带
梯形齿双面同步带
圆弧齿双面同步带
交错双面齿同步带
常用同步带结构
7.7.2 数控机床主轴的变速形式
(3)由伺服电动机直接驱动的主传动
这种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，但主轴输出扭矩小，电动机 发热对主轴的精度影响较大，主要用于 高速轻载的中小型机床。
(1)带有变速齿轮的主传动
通过少数几对齿轮变速，使之成为分段无级变速，确 保低速时有足够的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。 滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿 轮来实现。
7.7.2 数控机床主轴的变速形式
（2）通过带传动的主传动
7.7.2 数控机床主轴的变速形式
带传动主要应用在小型数控机床上，具有如下优点： ① 无滑动，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50m/s，传动比可达10左右，
1. 自动化 2. 大功率和高精度 3. 高速度 4. 工艺复合化和功能集成化 5. 高可靠性
7.1.2 数控机床机械结构的特点和要求
数控机床的机械结构具有不同于普通机床特点和要求，主
要体现在以下几个方面：
① 高的静、动刚度
提高刚度的措施有：
G.合理选用构件的材料 E.合理的结构布局
A.合理选择支承件的结构形式 F.采用补偿变形的措施
第7章 数控机床的机械结构
7.1 概述 7.2 数控机床主传动系统结构 7.3 数控机床进给传动系统结构 7.4 数控回转工作台 7.5 典型数控机床传动系统
7.1.1数控机床本体组成
数控机床的机械结构除机床基础件，由以下几部分组成
1 主传动系统；
5 刀库、刀架和自动换刀装置
2 进给传动系统;
（ATC）；
3 实现工件回转、定位的装置 6 自动托盘交换装置（APC）；
和附件；
7 特殊功能装置，如刀具破损监
4 实现某些部件动作和辅助功 控、精度检测和监控装置等；
能的系统和装置，如液压、 8 为完成自动化控制功能的各种 气压、润滑、冷却等系统和 反馈信号装置及元件。 排屑、防护等装置；
7.1.1数控机床本体组成
改善动态特性的措施是：提高系统的静刚度、增加阻尼 （例如，采用三支承主轴，后支承就有利于消振）以及 调整构件的质量和自振动频率，对高速回转部件或零件 进行动平衡等。
④ 热变形小
产生热变形的原因：①内外热源的影响；②不能人工修 正热变形误差。
7.1.2 数控机床机械结构的特点和要求
减小热变形的措施： 1. 主运动采用直流或交流调速电动机进行无级调速； 7. 采用热对称结构及热平衡措施，使机床主轴的热变形发
B.合理布置支承件隔板的筋 条结构
C.增加导轨与支承件的连接 部分的刚度
D.增加机床各部件的接触刚 度和承载能力
H.通过加配重或液压平衡负 载以减小有关零部件的静 力变形
I. 通过在支承件内腔或表面 填加阻尼材料等来改善阻 尼特性，以增大动刚度
7.1.2 数控机床机械结构的特点和要求
② 高灵敏度 ③ 高抗振性
主轴部件包括： 1 主轴轴承 2 刀具的自动夹紧机构 3 主轴的准停装置
7.7.3 数控机床的主轴部件
传递功率由几瓦至数十千瓦。 ⑤ 维修保养方便，不需要润滑。
同步带传动也有许多不足之处，如其安装时中心距 要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。
7.7.2 数控机床主轴的变速形式
同步带又称复合三角带，端面为多楔型，它利用同步带 的齿形与同步带轮的轮齿依次相啮合来传递运动或动力。同 步带传动能满足数控机床主传动高速、大转矩和不打滑的传 动要求，在数控机床主传动系统中得到广泛的应用。
7.1.2 数控机床机械结构的特点和要求
主轴
冷却风管
对机床热源进行强制冷却
7.1.2 数控机床机械结构的特点和要求
5. 预测热变形规律，采取热位移补偿等； 6.采用排屑系统，如图所示。
7.1.2 数控机床机械结构的特点和要求
⑤ 高效率、无间隙、 低摩擦传动
⑥ 高精度保持性 ⑦ 高可靠性 ⑧ 简化传动链 ⑨ 先进刀具 ⑩ 满足人机工程学
(4)主轴速度的变换迅速可靠
主轴脉冲编码器 主轴
主轴电机
同步齿形带
7.7.2 数控机床主轴的变速形式
数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式： （1）带有变速齿轮的主传动（如图a） （2）通过带传动的主传动（如图b） （3）由伺服电动机直接驱动的主传动（如图c）
7.7.2 数控机床主轴的变速形式