文献综述-XKM754型精密数控卧式床身铣床的研究与设计

1、文献综述1 数控机床概述 随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈，产品更新速度越来越快，复杂形状的零件越来越多，精度要求越来越高，多品种、中小批量生产的比重明显增加。激烈的市场竞争使产品研制生产周期越来越短。传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量加工要求。因此近几十年来，世界各国十分重视发展能有效解决复杂、精密、小批多变零件的数控加工技术，在加工设备中大量采用以微电子技术和计算机技术为基础的数控技术。目前，数控技术正在发生根木性变革，它集成了微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实

2、现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。 汽车、拖拉机和家用电器等行业的产品零件，为了解决高产优质的问题，多采用专用的工艺装备、专用自动化机床或专用的自动生产线和自动化车间进行生产。但是应用这些专用生产设备，生产准备周期长，产品改型不易，因而使新产品的开发周期增长。在机械产品中，单件与小批量产品占到70%80%，这类产品一般都采用通用机床加工，当产品改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整，而且通用机床的自动化程度不高，基本上由人工操作，难于提高生产效率和保证产品质量。特别是一些由曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板用手工操作的方法来加工，加工精

3、度和生产效率受到很大的限制。数字控制机床.，就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的，为单件、小批生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的CAD/ CAM ,FMS, CIMS等，都是建立在数控技术之上，离开了数控技术，先进制造技术就成了无本之木。同时，数控技术关系到国家战略地位，是体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。1.1 数控机床的优点（1） 加工对象改型的适应性强利用数控机床加工

4、改型零件，只需要重新编制程序就能实现对零件的加工统的机床，不需要制造、更换许多工具、夹具和检具，更不需要重新调整机床。它不同于传因此，数控机床可以快速地从加工一种零件转变为加工另一种零件，这就为单件、小批以及试制新产品提供了极大的便利。它不仅缩短了生产准备周期，而且节省了大量工艺装备费用。（2） 加工精度高 数控机床是以数字形式给出的指令进行加工的，由于目前数控装置的脉冲当量(即每输出一个脉冲后数控机床移动部件相应的移动量)一般达到了。0.OOlmm，而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿，因此，数控机床能达到比较高的加工精度和质量稳定性。这是由数控机床结构设计采用了必

5、要的措施以及机电结合的特点决定的。首先是在结构上引人了滚珠丝杠螺母机构、各种消除间隙结构等，使机械传动的误差尽可能小;其次是采用了软件精度补偿技术，使机械误差进一步减小;第三是用程序控制加工，减少了人为因素对加工精度的影响。这些措施不仅保证了较高的加工精度，同时还保持了较高的质量稳定性。在采用点位控制系统的钻孔加工中，由于不需要使用钻模板与钻套，钻模板的坐标误差造成的影响也不复存在。又由于加工中排除切屑的条件得以改善，可以进行有效冷却，被加工孔的精度及表面质量都有所提高。对于复杂零件的轮廓加工，在编制程序时已考虑到对进给速度的控制，可以做到在曲率变化时，刀具沿轮廓的切向进给速度基本不变。被加工

6、表面就可获得较高的精度和表面质量。（3） 生产效率高 零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分，数控机床能够有效地减少这两部分时间，因而加工生产率比一般机床高得多。数控机床主轴转速和进给最的范围比普通机床的范围大，每一道工序都能选用最有利的切削用量，良好的结构刚性允许数控机床进行大切削用量的强力切削，有效地节省了机动时间。数控机床移动部件的快速移动和定位均采用了加速与减速措施，因而选用了很高的空行程运动速度，消耗在快进、快退和定位的时间要比一般机床少得多。 数控机床在更换被加工零件时几乎不需要重新调整机床，而零件又都安装在简单的定位夹紧装置中，可以节省用于停机进行零件安装调整的时间。

7、数控机床的加工精度比较稳定，一般只做首件检验或工序间关键尺寸的抽样检验，因而可以减少停机检验的时间。在使用带有刀库和自动换刀装置的数控加工中心机床时，在一台机床上实现了多道工序的连续加工，减少了半成品的周转时间，生产效率的提高就更为明显。（4） 自动化程度高 数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作面板、装卸零件、进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，其他的机床动作直至加工完毕，都是自动连续完成，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到相应的改善。（5） 良好的经济效益 使用数控机床加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较

8、昂贵的。但在单件、小批生产情况下，可以节省工艺装备费用、辅助生产工时、生产管理费用及降低废品率等，因此能够获得良好的经济效益。（6） 有利于生产管理现代化 用数控机床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，并有效地简化检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点都有利于使生产管理现代化。数控机床在应用中也有不利的一面，如提高了起始阶段的投资，对设备维护的要求较高，对操作人员的技术水平要求较高等。1.2 数控机床加工零件的特点数控机床确实存在一般机床所不具备的许多优点，但是这些优点都是以一定条件为前提的。数控机床的应用范围正在不断扩大，但它并不能完全代替其他类型的机床，也还不能以最经济的方式解决机械加

9、工中的所有问题。数控机床通常最适合加工具有以下特点的零件:多品种小批量生产的零件。图1-1表示了不同种类机床的零件加工批量数与综合费用的关系。从图中看出零件加工批量数的增大对于选用数控机床是不利的。原因在于数控机床设备费用高昂，与大批量生产采用的专用机床相比其效率还不够高。通常，采用数控机床加工的合理生产批量在10200件之间。目前有向中批量发展的趋势。结构比较复杂的零件。图1-2表示了不同种类机床的被加工零件复杂程度与零件加工批量数的关系。通常数控机床适宜于加工结构比较复杂，在非数控机床上加工时需要有昂贵的工艺装备的零件。需要频繁改型的零件。它节省了大量的工艺装备费用，使综合费用下降。价格昂

10、贵、不允许报废的关键零件。需要最短生产周期的急需零件。广泛推广数控机床的最大障碍是设备的初始投资大，由于系统本身的复杂性，又增加了维修费用。如果缺少完善的售后服务，往往不能及时排除设备故障，将会在一定程度上影响机床的利用率，这些因素都会增加综合生产费用。考虑到以上所述的种种原因，在决定选用数控机床加工时，需要进行反复对比和仔细的经济分析，以发挥数控机床最好的经济效益。图1-1 不同种类机床的零件加工 图1-2 不同种类机床的初加工零件复杂批量数与综合费用的关系 程度与零件加工批量数的关系2 数控机床主传动系统设计2.1 传动系统的作用与组成XKM754型精密数控卧式床身铣床主传动系统主要由主轴

11、电动机，主轴传动系统以及主轴组件组成。卧式床身铣床的主轴是水平放置的，通过控制伺服电动机进行无极调速，并通过主传动系统把运动与转矩传递给主轴，使主轴夹持刀具旋转，产生切削运动。和常规机床主轴系统相比，卧式床身铣床主轴系统具有更高的转速，更高的回转精度以及更高的结构刚性，因此它必须满足以下要求:(1)可以进行无极调速为了适应不同工序、不同工件材料，以及刀具等切削要求，主轴必须具有一定的调速范围并能够进行无极调速，以此来获得最大的切削效率，并达到加工质量要求，调速范围指标主要由主轴最低速度和最高速度来确定。3XH765型交换工作台卧式加工中心主轴最低转速为20r/min，最高转速为8000r/mi

12、n。(2)精度要求主轴部件的精度包括运动精度和旋转精度。旋转精度又包括主轴在无载荷和低速转动条件下的径向和轴向跳动。运动精度指主轴在工作状态下的旋转精度。这主要取决于主轴的工作速度和轴承的性能等。(3)刚度要求加工中心主轴系统要求在加工过程中，有载荷的作用下，主轴变形小，即刚度好，这样加工精度高，加工质量稳定。一般，它采用抗弯刚度来衡量主轴部件刚度。影响主轴部件弯曲刚度有很多，如主轴结构，主轴支撑形式及主轴前端的悬伸量等。(4)功率要求主轴系统应具有足够的驱动功率或输出转矩，能在整个调速范围内提供切削所需的功率和转矩，以满足机床强力切削时的要求。(5)刀具的自动装夹功能加工中心需要自动装换刀具

13、，为了完成这个换刀过程，主轴必须具有自动松刀和拉刀装置来保证刀具夹紧和换刀时的松刀。2.2 主传动类型的选择加工中心主传动系统要把电动机的的运动及转矩传给主轴，使主轴满足上述要求进行主切削运动。其类型主要有二级齿轮变速传动、直接由带传动、带传动与齿轮传动结合、由主轴电动机直接驱动及内装电动机主轴四种形式,如下图2-1的(a)、(b)、(c)、(d)、（e）。图2-1 数控机床主传动的配置方式2.3无级变速传动链的设计数控机床的主运动广泛采用无级变速，这不仅能使其在一定的调速范围内选择到合理的切削速度，而且还能在运转中自动变速。数控机床一般都采用直流或交流调速电动机作为驱动源的电气无级调速。由于

14、数控机床主运动的调速范围较宽，一般情况下单靠调速电动机无法满足；另一方面调速电动机的功率和转矩特性也难以直接与机床的功率和转矩要求完全匹配。因此，需要在无级调速电动机之后串联机械分级变速传动，以满足调速范围和功率、转矩特性的要求。（1）主轴伺服电动机加工中心上常用的主轴电动机为交流调速电动机和交流伺服电动机。交流调速电动机通过改变电动机的供电频率调整电动机的转速。加工中心使用该类电动机时，大多数为专用电动机与调速装置配套使用。电动机的电参数与调速装置一一对应。交流伺服主轴电动机是一种高效能的主轴驱动电动机，其工作原理与交流伺服进給电动机相同，但其工作转速比一般的交流伺服电动机要高。交流伺服电动

15、机可以实现主轴在任意方向上的定位，并且以很大转矩实现微小位移。（2）交、直流无级调速电机的功率转矩特性设计时，必须注意机床主轴与电动机在功率特性方面的匹配。图2-2所示是机床主轴要求的功率特性和转矩特性。这两条特性曲线是以计算转速nj为界，从nj至最高转速nmax的区域为恒功率区，恒功率调速范围为RDP，该区域内，任意转速下主轴都可输出额定的功率，最大转矩则随主轴转速的下降而上升。从最低转速nmin至nj的区域为恒转矩区，恒转矩调速范围为RDT，在该区域内，最大转矩不再随转速下降而上升，任何转速下可能提供的转矩都不能超过计算转速下的转矩，这个转矩就是机床主轴的最大转矩Mmax。在区域内，主轴可

16、能输出的最大功率Pmax，则随主轴转速的下降而下降。通常，恒功率区约占整个主轴变速范围的2/33/4；恒转矩区约占1/41/3。如图2-3所示，变速电机的调速范围RD也包括两部分：从额定转速nd到最高转速nmax的区域为恒功率区（调磁调速范围RDT）；从最低转速nmin至nd的区域为恒转矩区（调压调速范围RDP）。直流电机的额定转速通常为10001500r/min。从nd至nmax用调节磁通的办法得到，称为调磁调速；从nmin至nd用调节电枢电压的办法得到，称调压调速。交流调频电机用调节电源频率来达到调速的目的。额定转速通常为1500r/min。这两种电机的恒功率转速范围常为24；恒转矩变速范

17、围则可达100以上。图2-2 主轴的功率转矩特性图2-3 变速电机的功率特性（3）加工中心无级变速的设计显然，变速电机的功率特性与机床主轴的要求不匹配。变速电机的恒功率范围小而主轴要求的范围大。因此，单凭总变速范围设计主传动系统是不能满足加工要求的，必须考虑性能匹配问题。通常采用的办法是在电动机与主轴之间串联一个分级变速箱。分级变速机构有下列几种。a、交换齿轮变速机构这种变速机构的变速简单，结构紧凑，主要用于大批量生产的自动或半自动机床、专用机床及组合机床等。b、滑移齿轮变速机构这种变速机构广泛应用于通用机床和一部分专用机床中。其优点是变速范围大，变速级数也较多，变速方便，又节省时间，在较大的

18、变速范围内可传递较大的功率和转矩，不工作的齿轮不啮合，因而空载功率损失较小等。其缺点是变速箱的构造较复杂，不能在运转中变速.为使滑移齿轮容易进入啮合，多用直齿圆柱齿轮传动，故传动平稳性不如斜齿轮传动。c、离合器变速传动在离合器变速机构中应用较多的有牙嵌式离合器、齿轮式离合器和摩擦片式离合器。在本加工中心中，由交流伺服电机实现电机无级调速，由齿轮实现两档变速。本加工中心的传动轴有四根，轴、轴为固定轴，轴为变速轴，轴为主轴，主轴与编码器通过齿轮传动，将主轴的转速1:1反馈给脉冲编码器。轴为花键轴，轴上装有二联滑移齿轮，通过长销与轴内的拉杆相连，轴的上端装有调速液压油缸，油缸进油，活塞杆带动拉杆移动

19、，拉杆带动长销在轴的槽内移动，同时带动滑移齿轮移动，从而实现两档变速。下图为主传动系统图，主轴的转速图，主轴的功率、转矩特性图。图2-5 转速图 图2-4 主传动系统图 图2-6 功率、转矩特性图 3 主轴组件设计3.1主轴组件的设计要求主轴组件应以下几点设计基本要求。（1）回转精度指机床在空载低速旋转时（机动或手动），主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求。目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。（2）刚度主轴组件的刚度是指主轴组件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。通常以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所施加的作用力大小来表示。如图3-1所示，在主轴前端部加一作

20、用力F，若主轴端的位移为y，则主轴部件的刚度值为K=F/y 主轴组件的刚度越大，主轴的受力变形就越小。主轴组件的刚度不足，在切削力及其他力的作用下，主轴将产生较大的弹性变形，不仅影响工件的加工质量，还容易引起振动，恶化传动件和轴承的工作条件，使其加快磨损，降低精度。图3-1 主轴组件的刚度（3）抗振性指主轴组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能力。抗振性直接影响加工表面质量和生产率，主轴组件抗振性差，工作时容易产生振动，不仅降低加工质量，而且限制了机床生产率的提高，使刀具耐用度下降。提高主轴抗振性必须提高主轴组件的静刚度，采用较大阻尼比的前轴承，以及在必要时安装阻尼器。另外，使

21、主轴的固有频率远远大于激振力的频率。（4）温升和热变形主轴组件在运转中，温升会引起两方面的不同结果：一是主轴组件和箱体因热膨胀而变形，主轴的回转中心线和机床其他件的相对位置会发生变化，直接影响加工精度；其次温升会改变轴承等元件的间隙，破坏润滑条件，加速磨损甚至抱轴，影响轴承的正常工作。（5）耐磨性指长期保持其原始精度的能力。主要影响因素是材料热处理，轴承类型和润滑方式。主轴组件必须有足够的耐磨性，以便能长期保持精度。主轴上易磨损的地方是刀具或工件的安装部位以及移动式主轴的工作部位。为了提高耐磨性，主轴的上述部位应该淬硬，或者经过氮化处理，以提高硬度及耐磨性。主轴轴承也需有良好的润滑，提高其耐磨

22、性。3.2主轴主轴的构造和形状主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承等的零件的类型、数量、位置和安装定位方法等。设计时还应考虑主轴加工工艺性和装配工艺性。主轴一般为空心阶梯轴，前端径向尺寸大，中间径向尺寸逐渐减小，尾部径向尺寸最小。主轴的前端结构形式取决于机床类型和安装夹具或刀具的结构形式。主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在结构上，应能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。图3-2所示为铣、镗类机床主轴的端部，铣刀或刀杆在前端7:24的锥孔内定位，并用拉杆从主轴后端拉紧，而且由前端的端面建传递转矩。图3-2 主轴部件的结构形式3.3主轴滚动轴承主轴轴承

23、是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接影响了主轴组件的工作性能。常用的主轴轴承有滚动轴承和滑动轴承。 3.3.1滚动轴承类型的选择滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围内稳定地工作滚动轴承由专业化工厂生产，选购维修方便。但与滑动轴承相比，滚动轴承的噪声大，滚动体数目有限，刚度是变化的，抗振性略差并且对转速有很大的限制。加工中心在可能的情况下，尽量选用了滚动轴承。特别是大多数立式主轴和主轴装在套筒内能够做轴向移动的主轴。这时用滚动轴承可以用油脂润滑以避免漏油。滚动轴承根据滚动体的结构分为球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚

24、子轴承三大类。圆锥滚子轴承有单列和双列两类，每类又有空心和实心两种。单列圆锥滚子轴承，能承受径向力和单个方向的轴向力。双列圆锥滚子轴承，能承受径向力和双向轴向力。双列圆锥滚子轴承由外圈、两个内圈和隔套组成，修磨隔套就可以调整间隙或进行预紧。空心圆锥滚子轴承是配套使用的，双列用于前支承，单列用于后支承。这类轴承滚子是空心的，润滑油可以从中流过，冷却滚子，减小温升，并有一定的减振效果。圆柱滚子与滚道呈线接触，径向载荷能力大。既适用于承受重载荷与冲击载荷，也适用于高速旋转。单个角接触球轴承可同时承受径向和一个方向的轴向载荷，极限转速极高，单独承受径向载荷时，会引起轴向分力，轴向承载能力随接触角的增大

25、而增大。接触角有15°、25°、40°、60°等。15°用于轴向载荷较小处，60°主要用于承受轴向载荷，如滚珠丝杠。这种轴承常成组使用，承受双向轴向力。一对背靠背角接触球轴承，能承受集中力偶。一对面对面角接触球轴承，近似于球面支承。两个角接触球轴承串联，两个轴承大口方向相同，能承受较大的单向轴向载荷。3.3.2主轴轴承的配置方式 主轴轴承的配置方式应根据刚度、速度、承载能力、抗振性和噪声等要求来选择。常见的有如下几种典型的配置方式：速度型、刚度型、刚度速度型，如图3-3所示。（a）速度型 (c) 刚度速度型(b) 刚度型图3-3 三种

26、类型的主轴单元（1）速度型如图3-3（a)所示，主轴前后轴承都采用角接触球轴承（两联或三联）。当轴向切削分力较大时，可选用接触角为25°的球轴承；轴向切削分力较小时，可选接触角为15°的球轴承。在相同的工作条件下，前者的轴向刚度比后者大一倍。角接触球轴承具有良好的高速性能，但它的承载能力较小，因而适用于高速轻载或精密机床。（2）刚度型如图3-3（b)所示，前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和60°角接触双列向心推力球轴承承受轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承。这种轴承配置的主轴部件，适用于中等转速和切削负载较大，要求刚度高的机床。（3）刚度速度型如图3-

27、3(c)所示，前轴承采用角接触三联球轴承，后支承采用双列短圆柱滚子轴承。主轴的动力从后端传入，后轴承要承受较大的传动力，所以采用双列短圆柱滚子轴承。前轴承的配置特点是:外侧的两个角接触球轴承大口朝向主轴工作端，承受主要方向的轴向力;第三个角接触球轴承则通过轴套与外侧的两个轴承背靠背配置，使三联角接触球轴承有一个较大支承跨距，以提高承受颠覆力矩的能力。（4）三支承主轴有时由于结构上的原因，主轴箱长度较大，主轴支承跨距超过两支承合理跨距很多，增加中间支承有利于提高刚度和抗振性。但是，由于制造工艺上的限制，要使箱体中三个轴支承座孔中心完全一致是不可能的，为了保证主轴组件的刚度和旋转精度，通常只有两个

28、支承，其中一个为前支承，起主要作用，而另一个支承(中间支承或后支承)起辅助作用，即处于“浮动”状态。辅助支承常采用刚度和承载能力较小的轴承，并选用其外圈与支承座孔配合比主要支承松12级。以前、中支承为主要支承和以前、后支承为主要支承，两者各有特点。当传动力对主轴作用点较靠近中支承时，以前、中支承为主要支承可以提高主轴组件的刚度和抗振性;传动力对主轴的作用点靠近后支承时，宜以前、后支承为主要支承;当传动力对主轴的作)点靠近前支承时，可以前、中支承为主要支承，也可以前、后支承为主要支承。 统计结果表明，80%左右的机床采用前、中支承为主要支承。图3-4所示为前、中支承为主要支承的三支承主轴组件的典

29、型结构，前、中支承采用一对高精度的双列短圆柱滚子轴承。轴向支承位于前轴承处，承受较大的双向轴向力，后支承采用向心球轴承，允许在箱体;中滑移，为了提高刚度，使主轴前半段直径(前、中支承间)大于后半段(中、后支承间)，径，主轴后轴承与箱体孔的配合较前、中支承松些。当主轴受热膨胀时，可向后自由伸长。 以前、后支承为主要支承，则中支承座壁的厚度可小些，箱体内可有较大的空间。当辅助支承远离主要支承时，对辅助支承座孔与主要支承座孔间的同轴度要求可以低些;相反，当辅助支承靠近主要支承时，则对同轴度要求较高。采用三支承虽然可以提高主轴组件的刚度，但增加了零件，并使箱体支承座孔的加工困难。因此应尽量少用。至于主

30、轴组件刚度的提高，可通过提高前支承刚度、加大主轴直径等办法达到。图3-4 三支承主轴组件的典型结构4 伺服进给传动系统设计数控机床的进给伺服系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路进行转换和放大后，经伺服驱动装置(直流、机械传动机构，驱动机床的工作台交流伺服电动机、功率步进电动机、电液脉冲马达等)和机械传动机构、驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。数控机床的进给伺服系统与一般机床的进给系统有本质上的差别，它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运

31、动所合成的运动轨迹。4.1 导轨的设计与选型导轨是用来支撑和引导运动部件沿着一定的轨道进行运动。在导轨副中，运动的一方称为动导轨，不动的一方称为支撑导轨。而动导轨相对于支撑导轨运动，通常作直线运动和回转运动。4.1.1数控铣床对导轨的要求数控铣床使用的导轨，一般有滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。与普通的机床的导轨相比，在导轨材料与结构上有显著的不同，数控铣床对导轨的精度，摩擦特性，运动平稳性和灵敏性都有更高的要求。1、结构要求（1）导向精度要高导向精度就是指导轨沿着支撑导轨运动的直线度和圆度。影响导轨精度的因素主要有导轨自身的几何精度、导轨的接触精度、导轨的结构形式、动导轨和支撑导轨的刚度以及热

32、变形和装配质量。导轨的几何精度综合反映在静止或低速下导轨的导向精度。直线运动导轨它的检验内容主要是：导轨在垂直平面内的直线度，导轨在水平平面内的直线度，在水平平面内两条导轨的平行度。比如导轨全长为20m的龙门刨床，它的直线度误差为0.02/1000，在导轨全长范围内为0.08mm。圆周运动导轨几何精度的检验内容同主轴回转精度的检验方法相似，用导轨回转时端面跳动和径向跳动来表示。（2）耐磨性好及寿命长导轨的耐磨性决定了它的精度保持性。动导轨沿着支撑导轨长期运行会引起导轨的不均匀磨损破坏导轨的导向精度，从而影响整个机床的加工精度。（3）足够的刚度导轨有足够的刚度，保证在载荷作用下不产生过大的变形，

33、来保证各部件间的相对位置和导向精度。（4）低速运动的平稳性在低速运动时，早为运动部件的动导轨容易产生爬行。进给运动的爬行将会提高被加工表面的粗糙度。所以要求导轨在低速运动时运动要平稳，不产生爬行，这对高精度的机床是非常重要的。（5）工艺性好设计导轨时，要注意它的制造、调整、维护都要方便，力求结构简单、工艺性和经济性都很好。2、技术要求（1）导轨的精度要求滑动导轨，不管是V-平型还是平平型，导轨的平面度通常取0.010.015mm，长度方向直线度通常取0.0050.01mm；导轨侧面的直线度取0.010.015mm，导轨侧面之间的平行度取0.010.015mm，导轨侧面对导轨底面的垂直度取0.0

34、050.01mm。镶钢导轨的平面度要求必须严格控制在0.0050.01mm以下，它的平行度和垂直度必须控制在0.01mm以下。（2）导轨热处理数控机床的开动率都很高，这就要要求导轨的耐磨性要很好，以提高它的精度保持性。因此，导轨大多都要进行淬火处理。导轨淬火的方式有中频淬火，超音频淬火、火焰淬火等，而使用最多的就是前两种方式。铸铁导轨淬火的印度一般为5055HRC，个别也有硬度要求为57HRC；淬火层深度规定经磨削加工后应保留1.01.5mm。4.1.2导轨的类型和特点导轨的分类方法有很多种，按照运动轨迹来分可以分为直线导轨和圆导轨，按照工作性质来分可以分为主运动导轨、进给导轨、调整导轨，按照

35、受力情况又可以分为开式导轨和闭式导轨，按照摩擦性质来分又可以分为滑动导轨和滚动导轨。1直线滑动导轨的截面形状直线滑动导轨有若干个面，从制造装配和检验来说，平面的数量应该是尽可能的少。常用直线滑动导轨的假面形状有矩形、三角形、燕尾形以及圆形，它们的各个平面所起的作用是不同的。在矩形导轨和三角形导轨中，M面主要是起到支撑作用，N面是用来保证直线移动精度的导向平面，J面则是用来防止运动附件抬起的压板面；在燕尾形导轨中，M面起导向和压板作用，J面是起支撑作用。根据支撑导轨的凸凹状态，又可以将导轨分为凸型导轨和凹形导轨。其中凸三角形导轨又称为山形导轨，凹三角形导轨称为V型导轨。凸型导轨不易存储润滑油，但

36、是易清楚导轨面上的切屑等杂物。（1）矩形导轨矩形导轨易于制造和加工，刚度与承载能力大，安装调整方便。矩形导轨中M面起的是支撑兼导向的作用，起主要导向作用的N面磨损以后就不能自动补偿间隙，需要有间隙调整的装置。它适用于载荷大并且精度要求不高的机床。图4-1 直线滑动导轨的截面形状（2）三角形导轨三角形导轨由M、N两个面组成，起支撑和导向作用，在垂直载荷作用下，导轨磨损以后可以自动补偿不产生间隙，导向精度要求很高，但是仍然需要压板面间隙调整装置。三角形顶角饿夹角一般为90度，若重型机床承受载荷较大时，为了增加承载面积，夹角可以取110120度，但是导向精度差，对于精密机床可以采用小于90度的夹角，

37、来提高导向精度。（3）燕尾形导轨这是闭式导轨中接触面最少的一种结构，它磨损以后不能够自动补偿间隙，需要用镶条调整。燕尾面（M面）起导向以及压板的作用。燕尾导轨的制造检验以及维护比较复杂，摩擦阻力很大，它可以承受颠覆力矩，同时它的刚度比较差。导轨面的夹角为55度，用于高度小的多层移动部件。（4）圆柱形导轨圆柱形导轨的刚度高，易于制造，外圆可以磨削，内孔可以通过珩磨达到其精密配合，但是磨损后间隙调整困难。它适用于受轴向载荷的场合。2直线滑动导轨的组合形式一般来说机床都是采用两条导轨来承受载荷的。重型机床的承载大所以常采用34条导轨。导轨的组合形式取决于载荷的大小、导向精度、工艺性、润滑和防护因素等

38、。常见的导轨组合形式：（1）双三角形导轨导轨面同时起支撑和导向的作用。磨损以后可以进行自动补偿，导向精度高。但在装配的时候要对四个导轨进行刮研，难度相当大。又由于过定位，座椅它的制造检验和维修也都是很困难的，它适用于精度要求高的机床上。例如坐标镗床，丝杠车床。（2）双矩形导轨这种导轨易于加工和制造，它的承载能力很大，但是它的的导向精度比较差。侧导相面还需要设置压板，呈封闭式导轨。它适用于普通精密机床。（3）三角形-平导轨组合三角形-平导轨组合不需要用镶条来调整间隙，导轨精度高，加工装配较方便，温度的变化也不会改变导轨的接触情况，但是热变形会使移动部件长生水平偏移，两条导轨的磨损也是不一样的，因

39、此对位置精度也是有影响的，通常它用于磨床和精密镗床上。（4）三角形-平矩形导轨组合该导轨组合常用作卧式车床上，三角形导轨面作为主要导向面。矩形导轨面承载能力大易于加工制造刚度高应用也很普遍。（5）平平三角形导轨组合当龙门铣床的工作台宽度>3000mm时，龙门刨床的工作台宽度>5m时，为使工作台中间挠度不至于过大，可以采用平平三角形导轨组合。图4-2直线滑动导轨的组合形式3直线滑动导轨的选择原则根据上面所述，不同的导轨都有各自的特点，因此选用时应把握以下原则（1）当要求导轨具有较大刚度和承载能力时，用矩形导轨，一般来说中小型机床导轨常常采用三角形-平矩形导轨组合，而重型机床常采用双矩

40、形导轨的组合。（2）当要求导轨的导向精度较高时，机床则常采用三角形导轨。此时，三角形导轨工作面同时起承载和导向作用，磨损以后可以进行自动补偿间隙，导向精度高。（3）矩形导轨、圆形导轨的工艺性比较好，制造检验和维护都是比较方便，三角形和燕尾形导轨的工艺性差。（4）当用于要求结构紧凑、高度小以及调整方便的机床时，多用燕尾形导轨。4圆运动导轨它主要运用于圆形工作台、转盘和转塔等旋转运动部件，常见的有平面圆环导轨，执行导轨和V形圆环导轨。4.2 滚珠丝杠螺母副的选型4.2.1 滚珠丝杠螺母副的工作原理滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，。在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当他

41、们套在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠的回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，并再滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿着滚道循环转动，因而迫使螺母轴向移动。4.2.2 滚珠丝杠螺母副额定循环方式滚珠丝杠螺母副的循环方式有两种外循环和内循环。外循环是指滚珠在循环过程有时与丝杠脱离接触；内循环是指滚珠与丝杠始终保持接触。外循环的特点是：结构制造简单，使用较为广泛，缺点就是滚道接缝处很难做的平滑，影响滚珠丝杠的平稳性，深知会发生卡珠现象噪音也大。内循环的特点是结构紧凑，定位可靠，刚性好，不易磨损。反回滚道短。不易发生滚珠堵塞。摩擦损失小，缺点是结构复杂，

42、制造较困难。4.2.3 滚珠丝杠螺母副的预紧用双螺母来调整间隙实现预紧。滚珠丝杠左右两螺母副以平键与外套相连，用两个锁紧螺母调整丝杠螺母副的预紧量，这种方式简单易行，但不宜精确控制预紧量。图4-1 双螺母螺纹调隙式结构通过改变垫片的厚度，是滚珠丝杠的左右螺母副不相对旋转，只做轴向位移，实现预紧，这种方式结构简单、刚性好、调整间隙时需卸下调整垫片修磨。图4-2 双螺母垫片调隙结构齿差式预紧结构。在左右螺母的端部作成外齿轮，齿数分别为Z1、Z2且两个齿数差为1一个齿。两个齿轮分别与两端相应的内齿圈相啮合。内齿圈固定在螺母座上，预紧时脱开两个内齿圈，使两个螺母同向转动相同的齿数，然后再合上内齿圈，两

43、螺母的轴向相对位置发生变化从而实现间隙调整和施加预紧力。图4-3 齿差式调隙结构4.2.4 滚珠丝杠的支撑结构形式为了满足数控机床进给系统高精度高刚度的需要，除了要采用高精度高刚度的滚珠丝杠螺母副外还必须充分的重视滚珠丝杠的支承方式的设计。支承的作用是限制固定轴的轴向窜动。较短的滚珠丝杠或竖直安装的滚珠丝杠，可以一端固定一端自由（没有支承）。水平安装的滚珠丝杠较长时，可以一端固定一段游动。用于精密和高精度的机床包括数控机床的滚珠丝杠副，为了提高滚珠丝杠的拉压刚度可以两端固定。为减少滚珠丝杠因自重下垂和补偿热膨胀，两端固定的滚珠丝杠还可以预拉伸。滚珠丝杠的支承结构形式支承形式简 图特点一端固定一

44、端自由（F-O）结构简单；丝杠的轴向刚度比两端固定低；丝杠的压杆稳定性和临界转速都比较低；设计时尽量使丝杠受拉伸；适用于较短和竖直的丝杠。一端固定一端游动（F-S）需保持螺母与两支承同轴，故结构复杂，工艺较困难；丝杠的轴向刚度与F-O相同；丝杠的压杆稳定性和临界转速与同长度的F-O型相比，要高；丝杠有热膨胀的余地；适用于较长的卧式安装丝杠。两端固定（F-F）同F-S的；只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍；丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，机械系统的固有频率比一端固定的要高；可以预拉伸，预拉伸后可以减少丝杠自重的下垂和补偿热膨胀，但需要设计一套预拉伸机构，结构与工艺都比较困难；要进行

45、预拉伸的丝杠，其目标行程应略小于公称行程，减少量等于拉伸量；适用于对刚度和位移精度要求高的场合。4.2.5 滚珠丝杠轴承的选择由于滚珠丝杠轴承所受载荷主要是轴向载荷，径向除丝杠的自重外，一般无外载荷。因此，对滚珠丝杠轴承的要求是轴向精度和轴向刚度要求。另外，丝杠转速一般不会很高，或高速运转的时间很短，因此发热不是主要问题。另外数控机床进给系统要求运动灵活，对微小的位移（丝杠微小的转角）要响应灵敏。因此所用轴承的摩擦力矩要尽量低。滚珠丝杠所用轴承的类型根据滚珠丝杆螺母副支撑方式的不同而不同。一般情况下，游动轴承多用深沟球轴承，同时也有60°角接触推力球轴承，双向推力球轴承，圆锥滚子轴承

46、，滚针轴承和推力轴承的组合，深沟球轴承与推力球轴承的组合。下表是这些轴承的特点比较。各类滚动轴承特点比较滚动轴承类型轴向刚度轴承安装预载调整摩擦力矩60°接触角推力球轴承大简单不需要小双向推力角接触球轴承中简单不需要小圆锥滚子轴承小简单如内圈之间有隔圈，则不需要调整大滚针和推力滚子组合轴承特大简单不需要特大深沟球轴承和推力球轴承大复杂麻烦小目前，在以上的各类轴承中用的最多的是60°接触角推力球轴承，其次是滚针和推力滚子组合轴承，后者多用于大牵引力，要求高刚度大的大型、重型机床。本课题选用的是最为常用的60°接触角推力球轴承，这种轴承根据滚珠丝杠对轴承的要求，轴承应

47、该具有较大的接触角。并且有较好的与滚珠丝杠配合的专用轴承。它的特点有以下：接触角大，保持架用增强尼龙注塑成型，可容纳较多的钢球，因此轴向承载能力大刚度高；既能承受轴向载荷，又能承受径向载荷，故支撑结构可以简化；根据载荷情况，轴承可以进行各种组合，不同的组合会有不同的效果同，这也是一个重要的选择；这种轴承室根据规定的预紧力组配好成组供应的，用户不需要自己调整；启动摩擦力矩小，可以降低滚珠丝杠副的驱动功率，提高进给系统调整。同时再来考虑其接触轴承的组配方式，目前基本的配合方式有三种；背靠背、面对面、和串联（同向）。背靠背组配（DB方式）。这种配合方式的受力作用线向外侧发散，所以轴承间的有效支点距离

48、增大。这种配合方式可以承受双向的轴向载荷和径向载荷，并且有较大的承受斜力矩的能力。背对背组配（DF方式）。这种组配方式的受力作用线向内收敛，所以轴承间的有效支撑点距离缩小。这种组配方式也可以承受双向的轴向载荷和径向载荷，但承受倾向力矩的能力较差，并会较多地降低轴承的极限转速，一般适用需要精密调心的场合。串联组配（DT方式）。这种组配方式的受力作用线平行，所以除了径向载荷外仅能承受单向轴向载荷。若有另一方向的轴向载荷，则需要由另一组面向相反的轴承来承受。其三种结构如图4-4所示。图4-4当然还有三列、四列组合其结构如图4-5，4-6所示图4-5图4-64.3 驱动电机的选型4.3.1 直流（交流

49、）伺服电动机的选型直流（交流）伺服电动机具有响应迅速、精度和效率高、负载能力大、控制性能优越等优点，被广泛使用在闭环或半闭环控制的伺服系统中。一般情况下，对于步进电动机的选型，要考虑两个方面的问题：（1）转动惯量匹配验算 在数控机床进给伺服系统的设计中，最终折算到电动机轴上的负载惯量Jd与电动机自身的转动惯量Jm之比值，应控制在一定的范围内，既不能太大，也不能太小。如果这个比值太大，则进给伺服系统的动态特性主要取决于负载特性，此时，工作条件(如工作台位置、切削参数)的变化将引起负载质量、刚度、阻尼等的变化，会使整个系统的综合性能变差;如果这个比值太小，则表明电动机的选择或进给传动系统的设计不太

50、合理，经济性较差。为了使系统的负载惯量达到较合理的匹配，一般将该比值控制在下式所规定的范围内，即0.25JdJm1（2）力矩匹配验算。为了保证进给伺服系统的正常工作，伺服电动机的最大力矩Tmax和额定力矩Tm应满足下列关系:在空载加速启动时 TmaxTm在切削进给时 TmaxTt , TmTt4.3.2 步进电动机的选型步进电动机是伺服电动机的一种，它按照输入的脉冲指令一步一步地旋转，广泛使用在开环控制的伺服系统中。一般情况下，对于步进电动机的选型，只要考虑三个方面的问题，按一下步骤来选取步进电动机：步进电动机的步距角要满足进给传动系统脉冲当量的要求；步进电动机的最大静扭矩要满足进给传动系统的

51、空载快速启动力矩要求；步进电动机的启动矩频特性和工作矩频特性必须满足进给传动系统对启动扭矩与启动频率、工作运行扭矩与运行频率的要求。4.4 滚珠丝杠与驱动电机的连接在数控机床的进给系统中，驱动电动机与滚珠丝杠的连接时数控机床稳定工作的重要环节之一。目前，在直线进给传动系统中，驱动级与滚珠丝杠的连接方式主要有联轴器、齿轮、和同步带。本课题采用的联轴器的连接方式，故这里就不对后面两种连接方式在展开说明。联轴器是用来连接进给机构的两根轴使之一起回转以传递扭矩和运动的一种装置。机器运转时，被连接的两轴不能分离，只有停车后，将联轴器拆开，两轴才能脱开。目前联轴器的类型繁多，有液压式、电磁式、和机械式。机

52、械式联轴器是应用最广泛的一种，它借助于机械构件相互的机械作用力来传递扭矩，大致可以划分为刚性联轴器和弹性联轴器两大类。现在我们介绍几种数控机床常用的联轴器。第一种套筒联轴器，如图4-7所示，其主要由连接两轴端的套筒和连接套筒与轴的连接件组成，分为键连接式与销连接式。套筒联轴器一般用35或45钢制造，当直径较大时，可用强度比较高的铸铁制造。此种联轴器结构简单，径向尺寸小，但其装拆困难（轴需作轴向移动），且要求两轴严格对中，不允许有径向及角度偏差，因此使用上受到一定限制。第二种是凸缘联轴器，它是把两个带有凸缘图4-7 套筒联轴器的半联轴器分别与两轴连接，然后用螺栓把两个半联轴器连成一体，以传递动力

53、和扭矩（如图4-8所示）。凸缘联轴器有两种对中方式：一种是用一个半联轴上的凸肩与另一个半联轴器上的凹槽相配合而实现对中，另一种则是共同与另一部分环相配合而对中。前者在装拆时轴必须作轴向移动，而后者则没有此缺点。连接螺栓可以采用半精制的普通螺栓，扭矩靠半联轴器结合面间的摩擦力来传递；也可以采用铰制孔螺栓，此时靠螺栓杆承受挤压与剪切来传递扭矩。凸缘联轴器的材料可用HT250或碳钢，重载或圆周速度不大于30m/s时应用铸钢或锻钢。凸缘联轴器对于所连接的两轴的对中性要求很高，当两轴间有位移或倾斜存在时，就在机构内引起附加载荷，使工作情况恶劣，这是它的主要缺点。图4-8凸缘联轴器由于本课题要求对中性好其

54、转速不低，并且存在一定的冲击和振动，故不选择以上两种联轴器的形式，而选用锥环无键联轴器。该联轴器是利用锥环之间的摩擦实现轴与毂之间的无间隙连接而传递扭矩，且可以任意调节两连接件之间的角度位置。通过选择所用锥环的对数，可以传递不同大小的扭矩。采用锥环无键联轴器（如图4-9所示）可使动力传递没有反向间隙。1 套筒 2 内外环 3 压圈 4 轴 5 螺钉图4-9 锥环无键联轴器该联轴器的工作原理是：当拧紧螺钉5时，法兰盘3对内外锥环2施加轴向力，由于锥环之间的楔紧作用，内外锥环分别产生径向变形（内锥环的外径膨胀，外锥环的内径收敛），消除轴4与套筒1之间的配合间隙，并同时产生接触压力，通过摩擦传递扭矩

55、，且套筒1与轴4之间的角度位置可以任意调节。这种联轴器定心性好，承载能力强，传动功率大、转速高，使用寿命长，具有过载保护能力，能在振动与冲击恶劣等环境下连续工作，安装、使用和维护方便，作用于系统中的载荷小，噪声低等优点。5 发展趋势我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、

56、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，但进出口逆差严重，国产机床市场占有率连年下降，1999年是33.6%，2003年仅占27.7%。1999年机床进口额为8.78亿美元（7624台），2003年达27.1亿美元（23320台），相当于同年国内数控机床产值的2.7倍。国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等，和发达国家相比，我国数控机床行业在信息化技术应用上仍然存在很多不足。我们应看清当今发展方向 随着柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高要求。当今数控机床信息化正朝着以下几个方面发展。 1. 高速度、高精度化速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，我国生产的第六代数控机床系统均采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度，使得高速运算、模块化及多轴成组控制系统成为可能。同时，新一代数控机床将采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能