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第一章 数控机床概述第一节 数控加工的概念一、概念： 数字控制(Numerical Control，简称NC)技术是用数字化信息进行控制的自动控制技术。 数控机床：是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电动机的起动和停止，主轴变速，工件松开夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字信息送入数控装置或计算机，经过译码、运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。 数控加工：根据零件图样及工艺要求等原始条件，编制零件数控加工程序，并输入到数控机床的数控系统，以控制数控机床中刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。二、产生：1952年美国帕森斯公司（Parsons）和麻省理工学院(MIT)合作研制成功了世界上第一台数控机床，它是一台三坐标数控铣床，用于加工直升飞机叶片轮廓检查用样板。 第二节 数控机床的组成与分类一、数控机床的组成 数控机床是机 电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电机及拖动、自动控制、检测等技术为一体的自动化设备。现代数控系统都为计算机数控系统(Computer Numerical Control，简称CNC)。数控机床的基本组成包括加工程序、输入/输出装置、数控装置、伺服系统、辅助控制装置、反馈系统及机床本体。 图一 数控机床的组成第二节 数控机床的组成与分类CNC装置(CNC单元)： CNC装置是数控机床的核心部件。 组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。 作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。 1. 操作面板 操作面板的是操作人员与机床数控装置进行信息交流的工具。 组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器；。 它是数控机床特有的部件。第二节 数控机床的组成与分类2. 控制介质与输入输出设备 控制介质 记录零件加工程序的媒介 输入输出设备 CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。 1. 操作面板 操作面板的是操作人员与机床数控装置进行信息交流的工具。 组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器；。 它是数控机床特有的部件。表1 控制介质和输入输出设备表3. 通讯 现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。采用的方式有： 串行通讯（RS-232等串口）、 自动控制专用接口和规范（DNC，MAP等） 网络技术（internet，LAN等）。第二节 数控机床的组成与分类 4. CNC装置(CNC单元)CNC装置是数控机床的核心部件。 组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。 作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。第二节 数控机床的组成与分类伺服单元、驱动装置和测量装置 伺服单元和驱动装置 主轴伺服驱动装置和主轴电机 进给伺服驱动装置和进给电机 测量装置 位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。 作用 保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令： 进给运动指令：实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）。 主轴运动指令，实现零件加工的切削运动（速度控制）第二节 数控机床的组成与分类PLC (Programmable Logic Controller) 、机床I/O电路和装置 PLC：用于控制机床顺序动作，完成与逻辑运算有关的开关量I/O控制，它由硬件和软件组成； 机床I/O电路和装置：实现开关量I/O控制的执行部件，即由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等电器组成的逻辑电路； 功能： 接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应开关动作 接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。第二节 数控机床的组成与分类7. 机床 机床：数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。 组成：由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统 工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）。二、数控机床的分类 按用途分类1、金属切削类数控机床金属切削类数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床、数控镗铣床等。加工中心MC是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。2、金属成形类数控机床金属成形类数控机床有数控折弯机、数控弯管机和数控压力机等。3、数控特种加工机床数控特种加工机床有数控电火花线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光加工机床等。 按运动方式分类1、点位控制系统这类控制系统只控制工具相对工件从某一加工点移到另一个加工点之间的精确坐标位置。而对于点与点之间移动的轨迹不进行控制，且移动过程中不作任何加工。通常采用这一类系统的设备有数控钻床、镗床、冲床等。2、直线控制系统这类系统不仅要控制点与点的精确位置，还要控制两点之间的移动轨迹是一条直线，且在移动中能以给定的进给速度进行加工。采用此类控制方式的设备有数控车床、数控铣床等。3、连续控制系统连续控制系统又称为轮廓控制系统或轨迹控制系统。这类系统能够对两个或两个以上坐标方向进行严格控制，即不仅控制每个坐标的行程位置，同时还控制每个 坐标的运动速度。各坐标的运动按规定的比例关系相互配合，精确地协调起来连续进行加工，以形成所需要的直线、斜线或曲线、曲面。采用此类控制方式的设备有 数控车床、铣床、加工中心、电加工机床、特种加工机床等。按运动方式分类点位控制系统 直线控制系统 连续控制系统 按控制原理分类1、开环控制系统这类系统不装备位置检测装置，即无位移的实际值反馈与指令值进行比较修正，因而控制信号的流程是单向的。指令进给脉冲 驱动电路 步进电动机 传动结构 工作台 按控制原理分类2、闭环控制系统这种系统是带有位置检测装置，将位移的实际值反馈回去与指令值比较，用比较后的差值去控制，直至差值消除时才停止修正动作的系统。 按控制原理分类3、半闭环控制系统这种系统是闭环系统的一种派生。它与闭环系统的不同之处仅在将检测元件装在传动链的旋转部位，它所检测得到的不是工作台的实际位移量，而是与位移量有 关的旋转轴的转角量。因此，其精度比闭环系统稍差，但这种系统结构简单，便于调整，检测元件价格也较低，因而是广泛使用的一种数控系统。 按数控系统类型分类 1、经济型数控系统（又称简易数控系统）这一档次的数控机床仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹的零件，采用的微机系统为单板机或单片机系统，具有数码 显示，CRT字符显示功能，机床进给由步进电动机实现开环驱动，控制的轴数和联动轴数在3轴或3轴以下。2、普及型数控系统（通常称之为全功能数控系统）这类数控系统功能较多，除了具有一般数控系统的功能以外，还具有一定的图形显示功能及面向用户的宏程序功能等，采用的微机系统为16位或32位微处理 机，具有RS-232C通信接口，机床的进给多用交流或直流伺服驱动，一般系统能实现4轴或4轴以下联动控制。3、高档数控系统采用的微机系统为32位以上微处理机系统，机床的进给大多采用交流伺服驱动，除了具有一般数控系统的功能以外，应该至少能实现5轴或5轴以上的联动控 制。具有三维动画图形 按数控系统类型分类 功能和宜人的图形用户界面，同时还具有丰富的刀具管理功能、宽调速主轴系统、多功能智能化监控系统和面向用户的宏程序功能，还有很强的智能诊断和智能工艺数据库，能实现加工条件的自动设定，且能实现与计算机的联网和通信。4、基于PC的开放式数控系统用通用微机技术开发数控系统可以得到强有力的硬件与软件支持，这些软件和硬件的技术是开放式的，此时的通用微机除了具备本身的功能外，还具备了全功能数控系统的所有功能。 第三节 数控机床的控制对象 从数控机床最终要完成的任务看，主要应对以下三方面进行控制：1、主运动和通用机床一样，主运动主要完成切削任务，其动力约占整台机床动力的70%-80%，数控车床的主轴旋转运动如图1所示。基本控制要实现主轴的正、反 转和停止，可自动换档及无级调速；对加工中心和一些数控车床还必须具有准停控制和C轴控制功能。2、进给运动数控机床的进给运动是通过进给伺服系统来实现的，这是数控机床区别于通用机床的重要方面之一。伺服控制的最终目的就是实现对机床工作台或刀具的位置控 制，伺服系统中所采取的一切措施，都是为了保证进给运动的位置精度。图2为数控车床的刀架的Z向进给运动，图3为数控车床的刀架的X向进给运动。3、输入/输出(I/O)数控系统对加工程序处理后输出的控制信号除了对进给运动轨迹进行连续控制外，还要对机床的各种状态进行控制，这些状态包括主轴的变频控制，主轴的正、 反转及停止，冷却和润滑装置的起动和停止，刀具自动交换，工件夹紧和放松及分度工作台转位等，图4所示为数控车床的换刀运动。 主运动 X向进给运动 Z向进给运动换刀运动 第四节 数控机床的工作原理 数控机床加工零件时，首先要将零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，然后将加工程序输入数控装置，经过计算机的处理、运算，按各坐标轴的分量送到相应的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，使各坐标移动若干个最小位移量，并进行反馈控制，使各轴精确走到程序要求的位置，实现刀具与工件的相对运动，完成零件全部轮廓的加工。第四节 数控机床的工作原理所谓插补，就是指在被加工轨迹的起点和终点之间，插进若干中间点，然后用已知线型（如直线、圆弧）逼近。通常把数控机床上刀具运动轨迹是直线加工的称为直线插补；刀具运动轨迹是圆弧加工的称为圆弧插补。一般的数控系统都具有直线和圆弧插补，能加工出各象限直线和圆弧。对于复杂功能的数控机床，通过多轴控制、多轴联动实现空间曲线、曲面的加工。 直线插补圆弧插补(5,2)XYO3XYO第四节 数控机床的工作原理 数控机床的数字控制功能是由数控系统完成的。数控装置能接受零件图纸加工要求的信息，进行插补运算，实时地向各坐标轴发出速度控制指令。伺服驱动装置能快速响应数控装置发出的指令，驱动机床各坐标轴运动，同时能提供足够的功率和扭矩。伺服系统中常用的驱动装置，根据控制系统的类型不同而不同，开环伺服系统常用步进电动机，闭环伺服系统常采用脉宽调速直流电动机和交流伺服电动机等。检测装置将坐标位移的实际位置检测出来，反馈给数控装置中的比较器与指令位置进行比较，实现偏差控制。伺服系统中常用的检测装置有测量线位移的光栅、磁栅、感应同步器等，测量角位移的旋转变压器、数字脉冲编码器等。可编程控制器PLC, 在数控机床中一般用来对一些逻辑开关量进行控制，如：主轴的启、停，刀具更换、冷却液开关等。 第五节 数控加工的特点及应用范围 数控机床的应用范围零件复杂程度价值昂贵，不允许报费的关键零件；需要最少周期的急需零件；批量较大精度要求高的零件。第五节 数控加工的特点及应用范围 数控机床的特点1、数控系统取代了通用机床的手工操作，具有充分的柔性，只要重新编制零件程序，更换相应工装，就能加工出新的零件。2、零件加工精度一致性好，避免了通用机床加工时人为因素的影响。3、生产周期短，特别适合小批量、单件零件的加工。4、可加工复杂形状的零件，如二维轮廓或三维轮廓加工。5、易于调整机床，与其他加工方法相比，所需调整时间较少。6、 易于建立计算机通信网络。7、 设备初期投资大。8、 由于系统本身的复杂性，增加了维修的技术难度和维修费用。第五节 数控机床机械结构的特点 对数控机床机械结构的要求 提高机床的动、静刚度 减少机床的热变形 减少运动副的摩擦，提高传动精度 提高机床的寿命和精度保持性 自动化的机构，宜人的操作性 安全防护和宜人的造型对数控机床机械结构的要求一. 提高机床的静、动刚度 合理选择支承件的结构形式 合理的结构布局 采用补偿变形的措施 合理选用构件的材料二.减少机床热变形的措施 减少机内发热 改善散热和隔热条件 合理设计机床的结构与布局 进行热变形补偿三. 减少运动副的摩擦 采用滚动导轨或静压导轨 采用贴塑滑动导轨 用滚珠丝杠代替滑动丝杠 采用无间隙滚珠丝杠传动和无间隙齿轮传动以提高传动精度数控机床的主传动系统 数控机床的主传动系统概述 主运动系统是指驱动主轴运动的系统，主轴是数控机床上带动刀具和工件旋转，产生切削运动的运动轴，它往往是数控机床上单轴功率消耗最大的运动轴。 主传动系统的作用： 传递动力，传递切削加工所需要的动力 传递运动，传递切削加工所需要的运动； 运动控制，控制主运动运行速度的大小、方向和起停。 与进给伺服系统相比，它具有转速高、传递的功率大等特点，是数控机床的关键部件之一，对它的运动精度、刚度、噪声、温升、热变形都有较高的要求。 数控机床的主传动系统要求：1、动力功率高 由于对高效率的要求日益增长，加之刀具材料和技术的进步，大多数NC机床均要求有足够高的功率来满足高速强力切削。一般NC机床的主轴驱动功率在3.7kW250kW之间2、调速范围宽 除了功率方面的要求外，还应使主轴转速具有足够大的调整范围。调速范围是指最高转速与最低转速之比，即Rn=nmax/nmin3、控制功能多样化4、性能要求高主传动功率 机床主传动的功率N可根据切削功率Nc与主运动传动链的总效率由下式来确定 N=Nc/ 数控机床的加工范围一般都比较大，切削功率可以根据有代表性的加工情况，由其主切削力Pz按下式来确定 调速范围宽 在主运动系统中调速范围有恒扭矩、恒功率调速范围之分，如图所示，在基本转速(额定转速nc )以下是恒转速调速范围，通过调整电枢电压来实现，在nc以上是恒功率调速，通过调磁调速。而且现在恒功率调速范围尽可能大，以便在尽可能低的速度下，利用其全功率(在低速时往往由于电流的限制，只能进行恒扭矩调速。因为加工一些难加工材料所需求的转速范围相差很大，例如，钛需要低速加工，而铝合金材料却需要高速加工，而采用齿轮变速箱扩大变速范围的方法已不能满足要求。 主运动为旋转运动的机床，主轴转速n(r/min)由切削速度v(m/min)和工件或刀具的直径d(mm)来确定 对于数控机床，为了适应切削速度和工件（或刀具）直径的变化，主轴的最低和最高转速可根据下式确定数控机床的主传动变速方式 无级变速 分段无级变速 内置电动机主轴变速（电主轴） 有级变速（机械变速）现代数控机床均采用交流主轴电机及交流变频驱动装置，下图为主轴输出特性曲线控制功能多样化由于NC机床的种类繁多，不同的机床对主轴功能有不同的要求。 NC车床车螺纹时要求有同步控制功能； 加工中心为了能进行自动换刀需要主轴准停功能； NC车床和NC磨床在进行端面加工时，为了保证端面加工的粗糙度要求，要求接触点处的线速度为恒值，需要恒线速切削功能； 还有些NC机床有C轴控制功能性能要求高对主轴电机的性能要求如下： 电机抗过载能力强，要求有较长时间(130min)和较大倍数的抗过载能力； 在断续负载下，电机转速波动要小； 速度响应要快，升降速时间要短； 电机温升低，振动和噪音小； 可靠性高，寿命长，维护容易； 体积小，重量轻，与机床联接容易普通电机机械变速系统主轴部件配置方式 该配置方式是一种传统的配置方式，它能够满足各种切削运动转矩输出的要求，但变速范围不大，由于是有级变速使切削速度的选择受到限制，而且该配置的结构较复杂，所以现在仅有少数经济型数控机床采用该配置，其他已很少采用。 变频器交流电机12级机械变速主轴部件配置方式 特点： 变频电机经一对齿轮变速后，再通过二联滑移齿轮传动主轴，使主轴获得高速段和低速段转速。 优点是能够满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范围的速度变化能力； 具有结构简单、安装调试方便，且在传动上能满足转速与转矩的输出要求； 调速范围及动力特性相对于交、直流主轴电机系统而言要差一些； 主要用于经济型或中低档数控机床上。 变频器交流电机12级机械变速主轴部件配置方式特点： 变频电机经一对齿轮变速后，再通过二联滑移齿轮传动主轴，使主轴获得高速段和低速段转速。 优点是能够满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范围的速度变化能力； 具有结构简单、安装调试方便，且在传动上能满足转速与转矩的输出要求； 调速范围及动力特性相对于交、直流主轴电机系统而言要差一些； 主要用于经济型或中低档数控机床上 交、直流主轴电机 主轴部件配置方式特点： 电机经同步齿形带传动主轴 电机是性能更好的交、直流主轴电机，变速范围宽，最高转速可达 8000 r/min 在传动上能基本能满足目前大多数数控机床的要求，易于实现丰富的控制功能 结构简单、安装调试方便，可满足现在中高档数控机床的控制要求 对于越来越高的速度的需求， 该配置方式已难以满足电主轴 这种电机由三个基本部分组成：空心轴转子、带绕组的定子、速度检测元件。空心轴转子，它既是电机的转子，也是主轴，中间是空心的，用于装夹刀具或工件；带绕组的定子，它和其他电机相似。这种电机构成了较简单的主运动部 件。 它不仅可以使转速提高，若在其内应用较先进的轴承（如陶瓷轴承、磁悬浮轴承等）而且可使主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，可提高启动、停止的响应特性，利于控制振动和噪声。转速高，目前最高可达200000 r/min。它的出现大大简化了主运动系统结构，实现了所谓的“零传动”，因而使传动精度大大提高，由于它具有上述特点，在高速数控机床大量采用。 在目前也存在着一些缺点，主要是电机运转产生的振动和热量将直接影响到主轴，因此，主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是内装式主轴电机的关键问题。 数控机床的主轴部件 组成：主轴部件由主轴的支承、安装在主轴上的传动零件及装夹刀具或工件的附件组成。 主要作用：夹持工件或刀具实现切削运动；传递运动及切削加工所需要的动力。 机床对其主轴部件的主要要求有： 主轴的精度要高。精度包括运动精度(回转精度、轴向窜动)和安装刀具或夹持工件的夹具的定位精度(轴向、径向)。 部件的结构刚度和抗振性。 运转温升不能太高以及较好的热稳定性。 部件的耐磨性和精度保持能力。对数控机床除上述要求外，在机械结构方面还应有： 刀具的自动夹紧装置。 主轴的准停装置。 主轴孔的清理装置等进给传动系统装置 概述 进给系统机械传动结构是进给伺服系统的重要组成部分，它是实现成形加工运动所需的运动及动力的执行机构。它主要由传动机构、运动变换机构、导向机构、执行件组成。如下图所示。其中常用的传动机构有传动齿轮和同步带； 运动变换机构有丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等；导向机构有滑动导轨、滚动导轨、静压导轨、轴承等。 数控机床对进给运动的要求 减少摩擦阻力 提高传动精度和刚度 消除传动间隙 减小运动件的惯量进给传动系统装置 对进给传动系统装置的要求： 由于机械传动结构的刚性、制造精度、摩擦阻尼特性等，对执行件运动特性和运动精度有重要影响，因此进给伺服系统对机械传动机构提出了较高的要求，主要有： 摩擦力小，尤其是动静摩擦系数之差要小，故广泛采用如滚动摩擦等摩擦力较小的传动件及导轨； 传动精度和刚度要高，要求消除传动间隙，并进行适当的预紧。以增加传动系统刚度； 运动惯量要小，尽可能减小运动部件质量，以提高响应速度。进给传动系统装置 齿轮传动及齿轮消隙齿轮传动在伺服进给系统中的作用是：改变运动方向、降速、增大扭矩、适应不同丝杠螺距和不同脉冲当量的配比等。当在伺服电机和丝杠之间安装齿轮（直齿、斜齿、锥齿等）时，必然产生齿侧间隙，造成反向运动的死区，必须设法消除。目前消除齿侧间隙普遍采用双片齿轮结构。 键联接消隙 当齿轮与轴联接时，键两侧的间隙也必须设法消除。联轴节由于伺服电机性能的提高，目前许多场合都采用伺服电机与丝杠直接相联，由于伺服系统对传动精度要求较高，因而对联轴节也提出了较高的要求，主要有无间隙、传动中弹性变形小、高速传动平稳、稳定可靠等。图是较典型的联轴节的结构形式。滚珠丝杠螺母副 丝杠螺母副是运动变换机构，其功用是将旋转运动变换成直线运动。按丝杠与螺母的摩擦性质分类：滑动丝杠螺母副，主要用于旧机床的数控化改造、经济型数控机床等； 滚珠丝杠螺母副，广泛用于中、高档数控机床； 静压丝杠螺母副，主要用于高精度数控机床、重型机床。 工作原理丝杠（螺母）旋转，滚珠在封闭滚道内沿滚道滚动、迫使螺母（丝杠）轴向移动，从而实现将旋转运动变换成直线运动。滚珠丝杠螺母副 滚珠循环方式 滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式常用的有两种：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称内循环。滚珠丝杠螺母副的每个循环称为一列，每个导程称为一圈。 外循环这种结构是在螺母体上轴向相隔2.5圈或3.5圈螺纹处钻两个孔与螺旋槽相切，作为滚珠的进口与出口。再用弧形铜管插入进口和出口内，形成滚珠返回通道，由弯管的端部来引导滚珠；这种弯管由两半合成，采用冲压件，工艺性好。外循环方式制造工艺简单、应用广泛，但螺母径向尺寸较大，因用弯管端部作挡珠器，故刚性差、易磨损，噪音较大。外循环的工作圈数是2.5圈或3.5圈 ，12列。滚珠丝杠螺母副 内循环 图为滚珠内循环方式，它采用圆柱凸键反向器实现滚珠循环，反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽，反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键定位，以保持对准螺纹滚道方向。在一个螺母上沿螺纹周向错开120，轴向错开 （t为导程），装三个反向器，形成三圈滚珠循环。内循环螺母结构紧凑，定位可靠，刚性好，不易磨损，反回滚道短，不易产生滚珠堵塞，摩擦损失小。缺点是结构复杂、制造较困难。 内循环的工作圈数是3列。滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母副的特点 1。传动效率高达85%98%，是普通滑动丝杠的24倍，2。摩擦阻力小:静摩擦阻力及动静摩擦阻力差值小，采用它是提高进给系统灵敏度、定位精度和防止爬行的有效措施之一；3。传动精度高，可消除传动间隙，实现无间隙传动；4。由于效率高，无自锁能力，故对于垂直使用的情况，应增加自锁装置。滚珠丝杠副的选用 选用要点应该根据机床的精度要求来选用滚珠丝杠副的精度，根据机床的载荷来选定丝杠的直径，并且要验算丝杠扭转刚度、压曲刚度、临界转速与工作寿命等。 精度等级的选择滚珠丝杠副的精度将直接影响数控机床各坐标轴的定位精度。普通精度的数控机床，一般可选用D级，精密级数控机床选用C级精度的滚珠丝杠副。丝杠精度中的导程误差对机床定位精度影响最明显。而丝杠在运转中由于温升引起的丝杠伸长，将直接影响机床的定位精度。通常需要计算出丝杠由于温升产生的伸长量，该伸长量称为丝杠的方向目标。用户在定购滚珠丝杠时，必须给出滚珠丝杠的方向目标值。滚珠丝杠副的选用 结构尺寸的选择滚珠丝杠副的结构尺寸主要有：丝杠的名义直径D0、螺距t、长度L、滚珠直径d0等，尤其是名义直径与刚度直接相关，直径大、承载能力和刚度越大，但直径大转动惯量也随之增加，使系统的灵敏度降低。所以，一般是在兼顾二者的情况下选取最佳直径。 有关资料推荐： 名义直径D0对于小型加工中心采用32、40（mm），中型加工中心选用40、50(mm)，大型加工中心采用50、63(mm)的滚珠丝杠，但通常应大于L/30-L/35； 螺距t： t越小，螺旋升角小，摩擦力矩小，分辨率高，但传动效率低，承载能力低，应折中考虑； 丝杆长度L：一般为工作行程+螺母长度+（510）；滚珠直径d0越大，承载能力越高，尽量取大值。一般取d0 =0.6t； 滚珠的工作圈数、列数和工作滚珠总数对丝杆工作特性影响较大；当前面三项确定后，后两项也确定了，一般不用用户考虑。滚珠丝杠副的选用 验算当有关结构参数选定后，还应根据有关规范进行扭转刚度、临界转速和寿命的验算校核： 刚度验算丝杠属细长杆，受扭矩会引起扭转变形，从而“吃掉”若干输入的位置指令，致使执行间的输出不到位，这些被“吃掉”的输入称为失动量。刚度验算就是校验丝杠在额定轴向（扭转）载荷作用下，执行件的失动量。失动量的计算方法如下：滚珠丝杠副的选用 临界转速验算 对于数控机床来说，滚珠丝杠的最高转速是指快速移动时的转速。因此，只要此时的转速不超过临界转速就可以了。应校核丝杠轴的转速与丝杠自身的自振频率是否接近，如果很接近，会导致强迫共振，影响机床正常工作。应根据有关计算公式进行的校核。 寿命验算滚珠丝杠副的寿命，主要是指疲劳寿命。在工程计算中，采用额定疲劳寿命这一概念，它指一批尺寸、规格、精度相同的滚珠丝杠，在相同条件下回转时，其中90%不发生疲劳剥落的情况下运转的总转数。也可用总回转时间或总走行距离来表示。可根据有关经验公式校核，应保证总时间寿命Lt20 000(h)。如果不能满足这一条件，而且轴向载荷已由工作要求所决定不能减小，则只有选取直径较大，即额定动载荷较大的丝杠，以保证Lt20000(h)。滚珠丝杠的支承结构 滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要来自于卧式丝杠的自重。由于滚珠丝杠的轴向刚度对位移精度的影响很大，因此，如何从利用支撑结构来提高滚珠丝杆的轴向刚度是至关重要的。美国CINCINNATI 10HC卧式加工中心的Z坐标（立柱水平方向移动）的滚珠丝杠支承采用一端固定，一端自由的结构形式如图5-19（a），固定端采用四个接触角为60的推力角接触球轴承，两个同向、面对面安装，加上预紧，轴向刚度和承载能力都很高。该固定端连同伺服电机都安装在支架2上。丝杠的另一端自由悬伸，滚珠丝杠螺母4固定在底座3上。可视为一种辅助支承。工作时，伺服电机12带动滚珠丝杠5旋转，并推动支架和重达5吨的立柱1（包括主轴箱和刀库）沿Z 方向运动。滚珠丝杠的制动 滚珠丝杠副的传动效率高但不能自锁，用在垂直传动或高速大惯量场合时需要制动装置。目前常见的有机械式和电气式两种。电气方式制动是采用电磁制动器，而且这种制动器就做在电机内部。滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母副的安装 一般要求滚珠丝杠螺母副在安装时首先应满足以下要求： 滚珠丝杠螺母副相对工作台不能有轴向窜动； 螺母座孔中心应与丝杠安装轴线同心； 滚珠丝杠螺母副中心线应平行于相应的导轨; 能方便地进行间隙调整、预紧和预拉伸。 预紧 滚珠丝杠螺母副的预紧是使两个螺母产生轴向位移（相离或靠近），以消除它们之间的间隙并施加预紧力，预紧目的是消除运动间隙,提高运动精度及传动刚度。滚珠丝杠副的轴向间隙的消除和预紧 轴向间隙：指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间最大轴向窜动。除了结构本身的游隙之外，还包括在施加轴向载荷之后弹性变形所造成的窜动。 预紧消隙的方法： 1 修磨垫片厚度 2 用锁紧螺母消隙 3 齿差式调整 双螺母消隙特点：调整方便，不能精确调整修磨垫片消隙齿差式调整螺距P左螺母齿数Z1右螺母齿数Z2同向各转一个齿调整量为：=P（1/Z1-1/Z2）特点：能精确调整间隙数控机床的导轨 对数控机床导轨的要求： 摩擦系数小、运动平稳、噪声低、传动灵活、精度高 常用导轨类型： 滚动导轨：滚动导轨块 直线滚动导轨 静压导轨： 滑动导轨：贴塑导轨数控机床的导轨 直线滚动导轨 数控机床的导轨 贴塑导轨：数控机床的导轨 静压导轨第四节 刀具、刀库及自动换刀装置 数控机床对刀具的要求 数控机床所用刀具的材料及其选择 数控机床用刀具类型 自动换刀系统的组成原理 刀库与刀具管理 刀具交换装置数控机床对刀具的要求 适应高速切削要求。高速度、大进给是数控加工的特点，数控机床的刀具必须具有良好的切削性能。 高的可靠性 较高的尺寸耐用度。刀具在两次调整之间所能加工出合格零件的数量，称为刀具的尺寸耐用度。 高精度。为适应数控机床加工的高精度和自动换刀的要求，刀具及其装夹结构也必须有很高的精度，以保证它在机床上的安装精度和重复定位精度。 可靠的断屑及排屑措施 刀具的调整、更换方便、快速而且精确 符合标准化、模块化、通用化及复合化数控机床刀具材料的性能、种类刀具材料的性能 较高的硬度和耐磨性。刀具切削部分的硬度必须高于工件材料的硬度，刀具材料的硬度越高耐磨性就越好。 足够的强度和韧性。以抵抗切削过程中的冲击和振动 较高的耐热性。是指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性和强度及韧性的性能，是衡量刀具材料切削性能的主要标志 较好的导热性刀具材料的种类 高速钢：通用型高速钢、高性能高速钢、粉末冶金高速钢 硬质合金：硬质合金的硬度和耐磨性都很高，其切削性能比高速钢高得多，刀具耐用度可提高几倍到几十倍；但抗弯强度和冲击韧性较差。 涂层刀具：涂层刀具是在韧性较好的硬质合金刀具基体上，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物。 陶瓷刀具：陶瓷刀具材料是在陶瓷基体上重添加各种碳化物、氮化物、硼化物和氧、氮化物等并按一定生产工艺制成的。它具有很高的硬度、耐磨性、耐热性和化学稳定性等独特的优越性，在高速切削范围以及加工某些难加工材料，特别是加热切削法方面，包括涂层刀具在内的任何高速钢和硬质合金刀具都无法与之相比。数控车床所用刀具数控镗铣床所用刀具自动换刀装置 概述 自动换刀系统应该满足换刀时间短，刀具重复定位精度高，刀具储存数量足够，结构紧凑，便于制造、维修、调整，应有防屑、防尘装置，布局应合理等要求。同时也应具有较好的刚性，冲击、振动及噪声小，运转安全可靠等特点。 组成：自动换刀系统由刀库、选刀机构、刀具交换机构(如机械手)、刀具在主轴上的自动装卸机构等部分组成。换刀方式：分为两大类由刀库和主轴的相对运动实现刀具交换。用这种形式交换刀具时，主轴上用过的刀具送回刀库和从刀库中取出新刀，这两个动作不能同时进行，选刀和换刀由数控定位系统来完成，因此换刀时间长，换刀动作也较多。 由机械手进行刀具交换。 由于刀库及刀具交换方式的不同，换刀机械手也有多种形式。刀具必须装在标准的刀柄内，我国TSG刀具系统规定了刀柄标准，有直柄及724锥度的锥柄两类。分别用于圆柱形主轴孔及圆锥形主轴孔。刀具的轴向尺寸和径向尺寸应先在调刀仪上调整好，才可装入刀库中。丝锥、铰刀要先装在浮动夹具内，再装入标准刀柄内。圆柱形刀柄在使用时需在轴向和径向夹紧，因而主轴结构复杂，圆柱柄安装精度高，但磨损后不能自动补偿。而锥柄稍有磨损也不会过分影响刀具的安装精度。在换刀过程中，由于机械手抓住刀柄要作快速回转，拔、插刀具的动作，还要保证刀柄键槽的角度位置对准主轴上的驱动键。因此，机械手的夹持部分要十分可靠，并保证有适当的夹紧力，其活动爪要有锁紧装置，以防止刀具在换刀过程中转动或脱落。 柄式夹持：刀柄前端有V形槽，供机械手夹持用，目前我国数控机床较多采用这种夹持方式。法兰盘式夹持法兰盘式夹持，也称径向夹持或碟式夹持，刀柄的前端有供机械手夹持用的法兰盘，到另一个辅助机械手上去，法兰盘式夹持方式、换刀动作较多，不如柄式夹持方式应用广泛。刀臂式换刀动作流程刀库和刀具管理刀库类型：数控机床上普遍采用盘式刀库和链式刀库。密集型的鼓刀库或格子式刀库虽然占地面积小，但由于结构的限制，很少用于单机加工中心。密集型的固定刀库目前多用于FMS中的集中供刀系统。盘式刀库：盘式刀库一般用于刀具容量较少的刀库链式刀库：一般刀具数量在30120把时，多采用链式刀库自动换刀的选刀方式 顺序选刀 将刀具按预定工序的先后顺序插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放入下一个刀座内。 特点：不需要刀具识别装置，驱动控制也较简单，工作可靠。但刀库中每一把刀具在不同的工序中不能重复使用，为了满足加工需要只有增加刀具的数量和刀库的容量，这就降低了刀具和刀库的利用率。此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库中，将会产生严重的后果。这种方式现在已很少采用。 刀具编码方式：采用特殊的刀柄结构，对每把刀进行编码 刀座编码方式：永久性编码、临时性编码（钥匙编码）方式 任意选刀：软件选刀软件选刀方式ATC（自动换刀）控制和刀号数据表刀具识别与换刀1。刀具在刀库中任意放置，刀具编号可任意设定2。刀具表中刀具号与刀套号的对应关系应始终与刀具在刀库中的实际位置对应3。计算机通过查刀具表识别刀具4。换刀时，通过软件修改刀具表，使相应刀具表中的刀号与交换后的刀号一致。刀具交换装置的形式 回转刀架换刀 回转刀架换刀装置，常用于数控车床。可设计成四方、六方刀架或圆盘式轴向装刀刀架，并相应地安装四把、六把或更多的刀具。换刀流程如下： 更换主轴换刀 更换主轴箱换刀 更换刀库换刀 带刀库的自动换刀系统更换主轴换刀特点：结构复杂，主轴刚性差，适应切削力不大的场合。更换主轴箱换刀更换刀库换刀带刀库的自动换刀系统 这类换刀装置由刀库、选刀机构、刀具交换机构及刀具在主轴上的自动装卸机构等四部分组成，应用最广泛。 刀库可装在机床的工作台上、立柱上或主轴箱上，也可作为一个独立部件装在机床之外。特点：带刀库的自动换刀系统，整个换刀过程比较复杂。换刀时，根据选刀指令先在刀库上选刀，由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，进行刀具交换。这种换刀装置和转塔主轴头相比，由于机床主轴箱内只有一根主轴，在结构上可以增强主轴的刚性，有利于精密加工和重切削加工；可采用大容量的刀库，以实现复杂零件的多工序加工，从而提高了机床的适应性和加工效率。但换刀过程的动作较多，换刀时间较长。1。刀库装在工作台上2。刀库装在立柱上 工件上某一工序加工完，主轴准停，主轴箱返回换刀点准备换刀，刀库上的“新刀”按预定指令转到换刀位置上。 这种换刀装置换刀时间较短，刀库可储存较多的刀具，适用于加工较复杂的工件。3。刀库装在主轴箱上为刀库2装在主轴箱上方，刀库中刀具轴线与机床主轴轴线相差90，不能用一个机械手1直接换刀。需通过刀具回转机构3先将刀具翻转90，使其轴线与主轴轴线平行，再由机械手一端卡爪抓取回转机构上的刀具，另一端卡爪抓取主轴4上的刀具5，实现刀具的相互交换，从主轴上卸下的刀具只能由机械手送至刀具的回转机构中，然后反转90送回刀库。4。刀库独立装在机床之外 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。链式刀库置于机床左侧，通过机械手实现刀具的交换。刀库远离机床 这种换刀系统常常要附加运输装置，来完成刀库与主轴之间刀具的运输。机床左侧的链式刀库由四排刀链组成，双臂式交叉机械手要在四排刀链的任一排刀链上选择所需的刀具，所以机械手必需上下移动，并可停在四个换刀位置上取刀。为了能在刀库及主轴上装卸刀具，机械手回转架可回转180，装刀手与卸刀手还必沿本身导轨作直线往复运动，以装卸刀具。数控机床的性能指标 1.精度指标 定位精度、重复定位精度、分辨率、脉冲当量等2.坐标轴指标 可控轴数 、联动轴数 3.运动性能指标 主轴转速、进给速度 、行程 、换刀时间等4.加工能力指标 每分钟最大金属切除率 数控机床结构性能与布局特点一、对数控机床结构的基本要求 1.数控机床应具有更高的静、动刚度（1）提高静刚度的措施 1）基础大件采用封闭整体箱形结构 2）合理布置加强筋 3）提高部件之间的接触刚度。2）提高动刚度的措施 1）改善机床的阻尼特性（如填充阻尼材料） 2）床身表面喷涂阻尼涂层 3）充分利用结合面的摩擦阻尼 4）采用新材料，提高抗震性2.数控机床应有更小的热变形 控制热变形的措施：对机床热源进行强制冷却，采用热对称结构。4. 主轴的润滑、冷却方式（1）主轴轴承润滑方式：油脂润滑、油液循环润滑、油雾润滑、油气润滑（2）主轴冷却方式：减少轴承及切割磁力线发热，有效地排除已产生的热量四、进给运动传动部件 1.滚珠丝杠螺母副 1）工作原理 2）作用：将回转运动转换为直线运动 3）特点：传动效率高，摩擦力小，寿命长，经预紧后可消除轴向间隙，无反向空行程，成本高，不能自锁，尺寸不能太大。 4）用途：各类中小型数控机床的直线进给3.导轨 导轨是进给系统的重要环节，是机床基本结构的要素之一。机床加工精度和使用寿命很大程度上取决于机床导轨的质量。 对导轨的要求：高的导向精度、良好的精度保持性、良好的摩擦特性、运动平稳、高灵敏度、寿命长。1）滑动导轨 摩擦特性好、耐磨性好、运动平稳、工艺性好、速度较低。2）滚动导轨 摩擦系数小、运动轻便、位移精度和定位精度高、耐磨性好、抗震性较差、结构复杂、防护要求较高。检测装置一、检测装置作用检测装置是把位移和速度测量信号作为反馈信号，并将反馈信号转换成数字信号送回计算机与脉冲指令信号进行比较，以控制驱动元件正确运转。检测装置的精度直接影响数控机床的定位精度和加工精度。二、对检测装置的要求高的可靠性和抗干扰能力，满足机床加工精度和加工速度的要求，使用维护方便，成本低。三、检测装置的分类 感应同步器 直线型检测装置 光 栅 磁 栅 旋转变压器 旋转型检测装置 脉冲编码器 测速发电机自动换刀装置（ATC）一、自动换刀装置作用 自动换刀装置可帮助数控机床节省辅助时间，并满足在一次安装中完成多工序、工步加工要求。二、对自动换刀装置的要求 换刀时间短，刀具重复定位精度高，足够的刀具容量，体积小，稳定可靠。三、换刀方式 回转刀架换刀 更换主轴头换刀 机械手换刀 使用刀库的换刀 刀库与主轴相对运动换刀四、刀具交换装置 五、刀库 1.刀库容量 10-40 塔式2.类型 盘式 链式 3.选刀方式