数控机床机械结构的主要特点和要求
数控机床及其维护第2章练习题答案
第2章思考与练习题答案1. 数控机床与普通机床相比，在机械传动和结构上有哪些特点？答案：（1）高刚度数控机床要在高速和重负荷条件下工作，因此，机床的床身、立柱、主轴、工作台、刀架等主要部件，均需具有很高的刚度，工作中应无变形或振动。
（2）高灵敏度数控机床通过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它要求在相当大的进给速度范围内都能达到较高的精度，因而运动部件应有较高的灵敏度。
（3）高抗震性数控机床的一些运动部件，除应具有高刚度、高灵敏度外，还应具有高抗振性，即在高速重切削情况下应无振动，以保证加工工件的高精度和高的表面质量。
特别要注意的是应避免切削时的谐振，因此对数控机床的动态特性提出更高的要求。
（4）热变形小机床的主轴、工作台、刀架等运动部件，在运动中常易产生热量，而工艺过程的自动化和精密加工的发展，对机床的加工精度和精度稳定性提出了越来越高的要求。
（6）可靠性机床在自动条件下工作，这就要求机床具有高可靠性，像在工作中动作频繁的刀库、换刀机构、工件交换装置等部件都具有自锁和互锁装置保证在长期工作中十分可靠。
2. 数控机床的主传动系统有哪些要求？答案：与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点：（1）转速高、功率大。
它能使数控机床进行高速、大功率切削，实现高效率加工。
随着涂层刀具、陶瓷刀具和超硬刀具的发展，数控机床切削速度也不断的提高。
（2）所选用的电机主要使用新型的交流伺服电动机，而不在采用普通的交流异步电动机或传统的直流调速电动机。
（3）变速范围大，可实现无级调速。
数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，以保证加工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。
（4）具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪声低。
主传动件的制造精度与刚度高，耐磨性好；主轴组件采用精度高的轴承及合理的支承跨距，具有较高的固有频率，实现动平衡，保持合适的配合间隙并进行循环润滑。
（5）具有特有的刀具安装结构。
数控机床的机械结构与传动
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
数控机床机械结构的特点
数控机床机械结构的特点
数控机床是一种高精度、高效率的加工设备，它的核心部件是机械结构。
数控机床机械结构的主要特点包括以下几点：
一、高刚度
数控机床机械结构要求高刚度，能够有效地防止加工过程中的振动和变形。
这是因为振动和变形会对加工精度产生严重的影响，甚至会导致加工品质下降。
因此，数控机床机械结构采用大截面的钢材和铸件进行制造，使其具有足够的刚性和稳定性。
二、高精度
数控机床机械结构需要具有高精度，以保证加工品质。
机械结构的精度受到了加工精度、材料性能、装配精度等多种因素的影响。
因此，在制造数控机床的机械结构时，需要采用精密的加工工艺和精度高的检测方法，以确保其达到高精度的要求。
同时，还需要对机械结构进行调试和校验，以保证其达到最佳工作状态。
三、多功能性
数控机床机械结构需要具有多种功能，以适应不同的加工要求。
常见
的数控机床有铣床、车床、钻床等，每种机床都需要具有相应的机械
结构来实现不同的加工方式。
因此，在设计和制造数控机床的机械结
构时，需要充分考虑其多功能性，满足不同加工要求。
四、高效率
数控机床机械结构的设计和制造不仅需要高精度，还需要高效率。
数
控机床的主要特点之一是自动化程度高，加工效率也相应较高。
因此，在设计和制造数控机床的机械结构时，需要充分考虑其设计效率和制
造效率，以提高生产效率和减少生产成本。
总之，数控机床机械结构的特点包括高刚度、高精度、多功能性和高
效率等多个方面。
这些特点的实现需要充分考虑不同因素的影响，并
运用先进的加工技术和检测手段，以确保机械结构的质量和性能。
钳工工艺学第六版电子课件第十一章数控机床及其装配
4．进给传动中，一方面采用无间隙的传动装置和元件，如既消除间隙又减 少摩擦的滚珠丝杠螺母副、静压蜗杆蜗条副以及预加载荷的双齿轮齿条副。另 一方面采取消除措施，如偏心套式、锥度齿轮式及斜齿轮垫片错齿式等消除结 构。
5．采用多主轴、多刀架结构以及刀具与工件的自动夹紧装置、自动换刀装 置和自动排屑装置、自动润滑冷却装置等，减少了停机时间，提高了单位时间 内的切削效率。
2．气动系统的维护
（1）清除压缩空气的杂质和水分。 （2）检查系统中油雾器的供油量。 （3）保持系统的密封性。 （4）注意调节工作压力。 （5）清洗或更换气动元件、滤芯。
1．滚动导轨
滚动导轨的特点是：灵敏度高，摩擦阻力小，且其动静摩擦因数相差甚微， 因而运动均匀，尤其是低速运动时，不易产生爬行现象；定位精度高，运动平稳， 微量移动准确；磨损小，精度保持性好，寿命长；但抗振性较差，对防护要求高， 结构复杂，制造较困难，成本较高。
（1）滚动导轨块
滚动导轨块的结构 1-防护板 2-返向器 3-滚柱 4-导向片 5-保持器 6-导轨块体
3．基础支承件
它包括床身、立柱、导轨、滑座、工作台等，它支承机床的各主要部件， 并使它们在静止或运动中保持相对正确的位置。
4．辅助装置
辅助装置视数控机床的不同而异，如自动换刀系统、液压气动系统、润滑 冷却装置等。
XH7150立式加工中心
加工中心是在数控铣床的基础上发展而来的一种高度自动化的加工设备。它是 一种带有刀库和自动换刀装置的数控机床，又称为自动换刀数控机床或多工序数控 机床。工件经一次装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择和更换刀具， 自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能，连续 地对工件各表面自动进行铣（车）、钻、扩、铰、镗、攻螺纹等多种工序的加工， 适用于加工凸轮、箱体、支架、盖板、模具等各种复杂型面的零件。
专科作业《数控机床》作业答案
读书破万卷下笔如有神《数控机床》作业答案数控机床作业1第1章一、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.自适应控制二、1.A 2.D 3.A 4.D 5.B三、1. ×2. √3.×4.√5.√四、1. 数控机床的发展趋势（1）高速度与高精度化（2）多功能化（3）智能化（4）高的可靠性2. 数控机床一般由控制介质、数控系统、伺服系统、机床本体、反馈装置和各类辅助装置组成。
1、控制介质：信息载体2、数控系统：控制核心3、伺服系统：电传动联系环节4、反馈装置：反馈环节5、辅助装置：包括ATC、APC、工件夹紧放松机构、液压控制机构等6、机床本体：结构实体3. 数控机床的主要工作过程：（1）根据工件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。
（2）用规定的程序代码和格式编写零件加工程序单；或用自动编程软件进行CAD/CAM工作，直接生成零件的加工程序文件。
（3）程序的输入或输出。
（4）将输入到数控单元的加工程序进行试运行、刀具路径模拟等。
（5）通过对机床的正确操作，运行程序，完成零件的加工。
数控机床作业2第2章一、1. 进给传动系统 2. 电主轴 3.制动 4.消除间隙 5.卸载 6.焊接7.直接驱动的回转工作台8.位置检测9.顺序选刀10.柔性制造单元FMC二、1.C 2.C 3.C4.A 5.C 6.A 7. B三、1. ×2. √3. √4.√5.×6.√7.×四、1. 数控机床机械结构的主要特点(1) 高的静、动刚度及良好的抗振性能(2)良好的热稳定性(3)高的灵敏度（4）高效化装置、高人性化操作2. 数控机床主传动系统的变速方式、特点及应用场合1. 带有变速齿轮的主传动特点：通过少数几对齿轮降速，扩大输出扭矩，以满足主轴低速时对输出扭矩特性的要求。
应用：大、中型数控机床采用这种变速方式。
2. 通过带传动的主传动特点：电动机本身的调速就能够满足要求，不用齿轮变速，可以避免齿轮传动引起的振动与噪声。
数控机床机械结构的特点
数控机床机械结构的特点为了达到数控机床高的运动精度、定位精度和高的自动化性能，其机械结构的特点主要表现在如下几个方面。
1．高刚度数控机床要在高速和重负荷条件下工作，因此，机床的床身、立柱、主轴、工作台、刀架等主要部件，均需具有很高的刚度，以减少工作中的变形和振动。
例如，有的床身采用双结构，并配置有斜向肋板及加强肋，使其具有较高的抗弯刚度和抗扭刚度；为提高主轴部件的刚度，除主轴部件在结构上采取必要的措施以外，加工中心还要采用高刚度的轴承，并适当预紧；增加刀架底座尺寸，减少刀具的悬伸，以适应稳定的重切削等。
2．高灵敏度数控机床的运动部件应具有较高的灵敏度。
导轨部件通常用滚动导轨、塑料导轨、静压导轨等，以减少摩擦力，使其在低速运动时无爬行现象。
工作台、刀架等部件的移动，由交流或直流伺服电动机驱动，经滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驱动扭矩，提高了定位精度和运动平稳性。
3．高抗振性数控机床的一些运动部件，除应具有高刚度、高灵敏度外，还应具有高抗振性，即在高速重切削情况下减少振动，以保证加工零件的高精度和高的表面质量。
特别要注意的是避免切削时的谐振，因此对数控机床的动态特性提出了更高的要求。
4．热变形小机床的主轴、工作台、刀架等运动部件在运动中会产生热量，加工中心从而产生相应的热变形。
而工艺过程的自动化和精密加工的发展，对机床的加工精度和精度稳定性提出了越来越高的要求。
为保证部件的运动精度，要求各运动部件的发热量要少，以防产生过大的热变形。
为此，机床结构根据热对称的原则设计，并改善主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动导轨副的摩擦特性。
如MJ—50CNC数控车床主轴箱壳体按照热对称原则设计，并在壳体外缘上铸有密集的散热片结构，主轴轴承采用高性能油脂润滑，并严格控制注入量，使主轴温升很低。
加工中心对于产生大量切屑的数控机床，一般都带有良好的自动排屑装置等。
5．高精度保持性为了加快数控机床投资的回收，必须使机床保持很高的开动比(比普通机床高2～3倍)，因此必须提高机床的寿命和精度保持性，在保证尽可能地减少电气和机械故障的同时，要求数控机床在长期使用过程中不丧失精度。
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
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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
数控机床的机械结构
数控机床的机械结构在数控机床进展的最初阶段，其机械结构与通用机床相比没有多大的变化，只是在自动变速、刀架与工作台自动转位与手柄操作等方面作些改变。
随着数控技术的进展，考虑到它的操纵方式与使用特点，才对机床的生产率、加工精度与寿命提出了更高的要求。
数控机床的主体机构有下列特点：1）由于使用了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，数控机床的极限传动结构大为简化，传动链也大大缩短；2）为习惯连续的自动化加工与提高加工生产率，数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度与阻尼精度，与较高的耐磨性，而且热变形小；3）为减小摩擦、消除传动间隙与获得更高的加工精度，更多地使用了高效传动部件，如滚珠丝杠副与滚动导轨、消隙齿轮传动副等；4）为了改善劳动条件、减少辅助时间、改善操作性、提高劳动生产率，使用了刀具自动夹紧装置、刀库与自动换刀装置及自动排屑装置等辅助装置。
根据数控机床的适用场合与机构特点，对数控机床结构因提出下列要求：一、较高的机床静、动刚度数控机床是按照数控编程或者手动输入数据方式提供的指令自动进行加工的。
由于机械结构（如机床床身、导轨、工作台、刀架与主轴箱等）的几何精度与变形产生的定位误差在加工过程中不能人为地调整与补偿，因此，务必把各处机械结构部件产生的弹性变形操纵在最小限度内，以保证所要求的加工精度与表面质量。
为了提高数控机床主轴的刚度，不但经常使用三支撑结构，而且选用钢性很好的双列短圆柱滚子轴承与角接触向心推力轴承铰接出相信忒力轴承，以减小主轴的径向与轴向变形。
为了提高机床大件的刚度，使用封闭界面的床身，并使用液力平衡减少移动部件因位置变动造成的机床变形。
为了提高机床各部件的接触刚度，增加机床的承载能力，使用刮研的方法增加单位面积上的接触点，并在结合面之间施加足够大的预加载荷，以增加接触面积。
这些措施都能有效地提高接触刚度。
为了充分发挥数控机床的高效加工能力，并能进行稳固切削，在保证静态刚度的前提下，还务必提高动态刚度。
数控机床的结构概述
4.3.2主传动机械结构
数控机床机械结构要求：高抗振性 1）强迫振动 使机床产生强迫振动的内部振源有高速转动零部件的动态不平衡力、 往复运动件的换向冲击力、周期变化的切削力等。 2）自激振动 这里是指切削自激振动，也称颤振。如图所示。 3）提高机床抗振性的措施 (1) 减少机床的内部振源 (2) 提高静刚度 (3) 增加构件或结构的阻尼
4.3.2主传动机械结构
主轴部件结构： 数控机床的主轴部件，既要满足精加工时精度较高的要求， 又要具备粗加工时高效切削的能力，因此应有更高的动、静刚度 和抵抗变形的能力。主轴部件主要包括主轴、轴承、传动件和密 封件，对于具有自动换刀能力的数控机床，主轴部件还应有刀具 自动装卸装置、主轴准停装置和吹屑装置等。
当换刀时，在主轴上端油缸的上腔A通入压力 油，活塞12的端部推动拉杆7向下移动，同时压 缩蝶形弹簧11，当拉杆7下移到使双瓣卡爪5的下 端移出套筒14时，在弹簧6的作用下，卡爪张开， 喷气头13将刀柄顶松，刀具即可由机械手拔除。
待机械手将新刀装入后，油缸10的下腔通入 压力油，活塞12向上移，蝶形弹簧伸长将拉杆7 和双瓣卡爪5拉着向上，双瓣卡爪5重新进入套筒 14，将刀柄拉紧。
4.3.2主传动机械结构
数控机床机械结构要求：热变形对加工精度的影响小 数控机床的热变形，是影响加工精度的重要因素。引起机床热变形的 热源主要是机床的内部热源，如主电动机、进给电动机发热，摩擦热以及切 削热等。 减少机床热变形及其影响的措施是： 1）减少机床内部热源和发热量； 2）改善散热和隔热条件； 3）均热； 4）合理设计机床的结构布局，减小热变形对精度的影响； 5）采取热变形补偿措施。
4.2 数控机床的整体布局形式
（1）
图具有可编程尾架座双刀架数控车床。
数控机床的机械结构
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。
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数控机床机械结构的主要特点和要求
机床的刚度是指在切削力和其他力的作用下，反抗变形的能力。
机床在静态力作用下所表现的刚度成为机床的静刚度，机床在动态力（如切削力、驱动力、加速和减速所引起的惯性力、摩擦阻力等）作用下所表现的刚度称为机床的动刚度。
由于机床机械结构的情况复杂，一般很难对机床的结构刚度进行精确的理论计算，设计者往往只能对部分构件（如轴、丝杠等）用计算方法求算其刚度，而对于床身、立柱、工作台等零部件的弯曲和扭转变形、接合面的接触变形等，只能简化进行近似计算，计算结果往往与实际相差很大，故只能作定性分析的参考。
即使采用有限元法来进行计算，通常仍需对模型、实物或类似的样机进行试验、分析和对比以确定合理的结构方案。
但一般来说，对普通机床和同类型的数控机床在刚度方面的要求是一致的，只是要求的程度应该是有差异的。
数控机床为获得高效率而具有的大功率和高速度，使它所承受的各种外力负载情况更加恶劣，而且对加工过程的自动化也使得加工误差无法由人工干预来修正和补偿。
所以数控机床的变形对加工精度的影响会更为严重、为保证数控机床在自动化、高效率的切削条件下获得稳定的高精度，其机械结构往往要求具有更高的抗震性。
有标准规定数控机床的刚度系数应比类似的普通机床高50%。
台州亚古机床设备有限公司。