第二单元数控机床的典型结构

1、 第二单元 数控机床的典型结构最初的数控机床在机械结构上，只是对普通机床进行了局部地改进。但是，随着数字控制技术在数控机床上的发展，以及数控机床高刚度、高精度、高速度的要求，逐步发展到目前数控机床独特的结构特点。它在总体布局、传动系统、刀具装置、以及操作辅助机构等方面发生了很大地变化，最基本的表现在改进了普通机床传动链长、传动结构刚性不足、抗振性差、滑动面的摩擦阻力大以及传动元件的间隙大等，经济型的数控机床机械基本功能的构成模式仍然没有脱离普通机床的基础模式，如机床支承件、导轨、主传动系统、进给传动等组成部件是不可缺少的。第一节 数控机床主传动系统 一、主传动系统的要求 1. 宽调速、无级调速

2、为了在数控加工时，合理选用切削用量，提高生产率及零件表面质量，必须具有更大的调速范围。如数控车床上为了实现恒线速切削，主传动系统应实现无级变速。2. 高刚性、低噪声主传动系统的精度与刚性直接影响着加工零件的精度，为此对数控机床来说，主传动链要求短、传动件精度与刚性要求高，主轴的支承跨距要求合理，噪声要求降低到最低限度。3. 高抗振性、高热稳定性在数控加工切削过程中，切削力等诸多因素的影响，会使主轴产生振动，会大大影响零件表面粗糙度，甚至破坏加工刀具。另外，摩擦、切削热等还会使主传动系统产生热变形，从而造成加工误差。为此，数控机床的主传动系统必须具有良好的抗振性和热稳定性。 二、主传动的变速方式

3、1. 经皮带和变速齿轮的主传动 这是目前大、中型数控机床中使用较多的一种主传动配置方式。一般采用无级调速主电机，通过皮带传动和主轴箱内23级变速齿轮带动主轴运转，这样主轴箱的结构大大简化。由于主轴的变速有主电动机无级变速与齿轮有级变速相配合来实现的，既可扩大主轴的调速范围，又可扩大主轴的输出转矩。如图2-1所示为带轮和变速齿轮主传动系统图，如图2-2所示为该主传动系统的转速图。图2-1 带传动与齿轮传动的主传动系统图图2-2 带传动与齿轮传动的主轴转速图（1）传动方式的特点。1） 可扩大恒功率的调速范围。如图2-1所示的主电机采用直流复激式电动机，从额定转速以下用调节电枢电压（调压）的方法来调

4、节速度，并输出恒扭矩。从额定转速以上是用调节磁场电流（调磁）方法来调速，输出恒功率。从转速图2-2可以看出： 主轴恒功率的调速范围 =10 主电动机恒功率的调速范围 = = 3.017由此可见恒功率的调速范围从 3.017扩大到10，而恒扭矩的调速范围则不变。这样进一步拓宽了调速范围，以便适应更广泛的加工工艺要求。3）具有齿轮传动的缺点。由于采用齿轮传动，容易引起主轴发热、振动和噪声，给切削加工带来许多不利影响。近来随着主电机特性的改善，出现了主电机直接带动主轴的形式。（2）齿轮变速方式。主轴正反转、启停与制动均直接控制电动机来实现的。而齿轮的变速操纵方式通常采用液压拨叉与电磁离合器来实现的。

5、 1）液压拨叉就是用一只或几只小油缸进回油时的不同状态，使油缸活塞处于不同的位置，来移动齿轮拨叉，从而达到齿轮变速的目的。而油缸的进回油则是由数控装置送来的电信号转换成电磁换向阀的动作来实现的。用液压拨叉变速必须在主轴停车之后才能进行，为使变速时不发生“顶齿”现象，主轴还要作低速转动。 2）电磁离合器变速是应用电磁效应的原理，来吸引或分离不同运动元件，从而改变齿轮的传动路线来实现主轴变速。电磁离合器能简化变速机构，变速可在主轴转动时进行，便于自动操作。电磁离合器有系列的产品可供选用，一般有摩擦片式与牙嵌式两种形式。电磁离合器变速有剩磁与发热的缺点，在使用时受到了一定的限制。 2. 经皮带传动的

6、主传动 这是一种由无级变速主电机经皮带传动直接带动主轴运转的主运动形式，如图2-3所示为这种形式的传动系统图，如图2-4所示为主传动转速图。图2-3 带传动的主传动系统图图2-4 带传动的主轴转速图 这种变速方式一般适用中小型数控机床，用于调速范围不需太大，扭矩也不需太高的场合。它可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声，从而大大提高主轴的运转精度。 另外，随着现代主轴伺服电机的发展，出现了能实现宽范围无级调速的宽域主电动机，使主轴的输出特性得到了很好地改善，扩大了恒功率的调速范围，并提高了输出扭矩。在避免齿轮传动不足的情况下，又能保持齿轮传动带来的优点，使数控机床在机械结构上朝着优化的方向前进了一

7、大步。为保证皮带传动的平稳，一般用多楔带为宜。 3. 由调速电动机直接驱动的主传动这种传动方式是将主电动机直接与主轴联接，带动主轴转动，如图2-5所示。图2-5 直接驱动主轴 这样大大简化了主轴箱体与主轴结构，有效地提高了主轴的刚度。由于这种结构比前者少了皮带的降速传动，其主轴的输出扭矩更小，而且主电动机的发热对主轴精度的影响更大。近年来，出现了一种内装式电动机主轴，即主轴与电动机的转子合为一体，而电动机的定子则与主轴箱体固定。如图2-6所示，这种形式使主轴部件的结构紧凑、重量轻、惯量小，可提高主轴的启动、停止响应特性，有利于控制振动和噪声，主轴的最高转速可达20000 r/min以上。但是，

8、这种传动方式最大的缺点是主电动机运转时产生的热量易使主轴产生热变形。因此，采用内装式主电动机方式时，温度的控制与冷却是一个关键的问题。通常，这种数控机床自带特定的冷却系统，如风冷、水冷、空调降温等装置。图2-6 内装主电动机主轴1、4主轴支承 2内装电动机定子 3内装电动机转子 5主轴 三、主轴部件主轴部件是机床的一个关键部件，主轴对零件加工质量有着直接的影响。而数控机床的主轴部件应有更高的精度、刚度和热稳定性，还应满足数控机床所特有的结构要求。如为加工螺纹需配有主轴编码器，为加工中心的自动换刀需配有刀具自动夹紧、放松与主轴准停和吹屑装置等。 1. 主轴的轴承配置形式 数控机床上主轴轴承的布置

9、形式有各种各样，根据数控机床加工要求与加工情况的不同，轴承的承载、转速与回转精度的特点，可采用不同的轴承组合形式。如图2-7所示则为较典型四种配置形式，每种形式的承载与极限转速的比较情况见表2-1。图2-7 数控机床常用的主轴轴承的配置形式 a）圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承配置 b）双向联组角接触向心球轴承配置 c）同向组合角接触向心球轴承配置 d）双列圆锥滚子轴承配置表2-1 数控机床主轴轴承的配置形式性能比较 主轴轴承 配置形式 主轴径向刚度 的比值 主轴轴向刚度 的比值 允许极限转速的比值 （脂润滑） 图2-7a的配置形式 1.0 1.0 1.0 图2-7b的配置形式 0.56 0.56

10、 1.5 图2-7c的配置形式 0.42 0.42 1.8 图2-7d的配置形式 1.25 1.0 0.6 （1）中等转速、高刚性。如图2-7a所示配置形式中主轴的前支承为圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承与双列向心推力球轴承组合，后支承为圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承。这种配置具有中等转速、高刚性的特点。其轴向载荷由双列向心推力球轴承来承受，径向载荷则由圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承来承受，轴承的间隙可以通过修磨轴承之间的隔圈来保证，它常用于中型数控车床、精密镗床等机床上。（2）中等刚性、较高转速。如图2-7b所示配置形式中主轴的前支承为三个联组的双向角接触向心球轴承，后支承为圆锥孔双列向心短圆柱滚子

11、轴承。这种配置具有中等刚性、较高转速的特点，一般在要求转速较高的数控车床、数控铣床等方面应用较多。（3）高转速、低刚性。如图2-7c所示配置形式中主轴的前后支承均采用同向组合的角接触向心球轴承，这种配置形式具有高转速、低刚性的特点，一般用于转速要求高、刚性较低的场合，如数控磨床等。（4）高刚性、低转速。如图2-7d所示配置形式中主轴前支承为带凸肩的双列圆锥滚子轴承，后支承则为单列圆锥滚子轴承，这种配置具有高刚性、低转速的特点，一般用于要求承载能力大、刚性大的场合，如坐标镗床等。 2. 主轴编码器 数控机床的进给系统与普通机床的进给系统有质的区别，数控机床没有了传统的进给箱、溜板箱和挂轮架，而是

12、直接用伺服电机通过滚珠丝杠来驱动溜板和刀架，来实现进给运动，因而进给系统结构大为简化。数控机床上能加工各种螺纹，这是因为安装了与主轴同步运转的脉冲编码器，以便发出检测脉冲信号，使主轴电机的旋转与切削进给同步，从而实现螺纹切削。另外，车削螺纹一般都需要多次走刀才能完成，为防止乱扣，脉冲编码器在发出进给脉冲时，还要发出同步脉冲，以保证每次走刀刀具在工件的同一点切入。其工作原理见本单元第四节。 主轴脉冲编码器可通过一对齿轮或同步齿形带与主轴联系起来，由于主轴要求与编码器同步旋转，所以此联接必须做到无间隙。 3. 主轴内部刀具自动夹紧机构在带有刀库的自动换刀数控机床中，为实现刀具在主轴上的自动装卸，其

13、主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构。这里简单地介绍一下其主轴前端的结构形式，如图2-8所示。图2-8 主轴头部刀具夹紧示意1刀柄拉钉 2钢球 3主轴拉杆 4、5套筒 6主轴 当数控系统发出装刀信号后，刀具则由机械手或其它方法装插入主轴孔后，其刀柄及后部的拉钉1便被送到与主轴固定的前端套筒5内。随即数控系统发出刀具夹紧信号，此时拉杆3在后端碟形弹簧（图中略）的弹性力作用下，呈紧紧拉伸（图中往右方向）的状态。与拉杆固定联结的套筒4内的一组钢球2，在套筒5的锥孔逼迫下，收缩分布直径，逐即将刀柄拉钉1紧紧拉住，从而完成了刀具定位工作；反之，如需要松开刀具时，数控系统发出松刀信号后，在主轴拉杆3后端的油缸

14、（图中略）作用下，便可克服碟形弹簧的弹性力，放松对拉杆3的拉伸，即拉杆3往左移而呈压缩状态。这时套筒5前端的喇叭口使钢球2的分布直径变大，随即松开刀柄后的拉钉1，即可卸下用过的刀具为进一步换新刀作准备。另外，自动清除主轴孔中的切屑和灰尘是换刀时一个不容忽视的问题。通常采用在换刀的同时，从主轴内孔喷射压缩空气的方法来解决，以保证刀具准确地定位。 4. 主轴的准停装置 在自动换刀的数控铣镗类机床上，必须具有主轴准确的周向定位功能，这个功能称为主轴准停。这是由于刀具装在主轴锥孔内，在切削时的切削转矩不能完全靠锥孔的摩擦力来传递，通常在主轴前端设置一个凸键，称作端面键。当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必

15、须与凸键对准相配，为保证自动换刀，主轴必须停止在某一固定角度的位置上，准停装置就是保证主轴换刀时准确停止在换刀位置而设置的。目前准停装置有很多形式，就其基本原理有以下三种，机械方式一种、电气方式二种（1）机械方式。在主轴尾部联接一定位盘，在此定位盘上开有一个V行槽。再利用无触点行程开关在某个特定位置发出准停信号，这时定位销插入V形槽来实现主轴准停，这种准停方式的优点是比较可靠，但结构复杂。（2）电气方式。1）利用磁性传感器作为位置反馈部件，由它输出信号，使主轴准确停在规定位置上，这种方式可靠性好，能满足一般换刀要求。 2）利用主轴光电脉冲编码器的同步信号，作为准停信号来控制主轴准停，近来在数控

16、镗铣床上已将这一编码器与主轴电机合二为一，使结构大大简化。这种准停方式可靠，动作迅速平稳，在一定程度上大有取代以上两种准停方式的趋势。另外，准停功能还可延伸至其它功能，如在镗孔时为不使刀尖划伤已加工表面，在退刀时要让刀尖在固定位置退出加工表面一个微小量；又如在加工精密坐标孔时，准停能使每次都在主轴固定的圆周位置上装刀，就能保证刀尖与主轴相对位置的一致性，从而减少被加工孔的误差；还有在数控车床上，利用准停功能可以保证在特殊卡盘上装夹不规则零件时，为实现自动上下料，主轴必须停在特定位置上。由此可见，准停的功能可扩大到许多主轴需要周向定位的场合。第二节 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给传动系统常

17、用伺服进给系统来工作。数控机床的伺服系统是数控系统与机床本体的联系环节，伺服系统有两种：进给伺服系统控制各坐标轴的进给运动；另一种主运动伺服系统则是控制主轴运动的，调速等要求不如进给伺服系统高。所以，通常以讨论进给运动伺服系统为主。伺服进给系统的作用是根据数控系统传来的指令脉冲信号，经变换和放大后，去控制机床移动部件的机械运动。它不仅控制进给运动的速度，同时还精确控制刀具相对于工件的移动位置和轨迹；如果说数控装置是数控机床的“大脑”，是发布“命令”的“指挥机构”，那么，伺服驱动则是数控机床的“四肢”，是一种“执行机构”，它能准确地执行来自数控装置的运动指令。 一、数控进给伺服系统的要求与普通机

18、床相比，对数控机床进给系统的设计要求，除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好，可概括为以下几点要求： 1. 高的精度要求数控机床是按预定的程序自动加工零件，不可能像普通机床那样可用手动操作来调整和补偿各种误差，因此它要求有很高的定位精度和重复定位精度，所谓精度是指伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度。伺服系统接收一个指令脉冲驱动工作台移动的距离称作一个脉冲当量。脉冲当量越小，机床的精度就越高。为此，消除进给传动链的间隙，是保证高精度的重要措施之一，一般脉冲当量应达到0.010.001mm之内。 2. 宽的调速范围 由于数控机床加工要适应各

19、种工件材料、尺寸和刀具等变化的需要，伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围。即要高到为缩短辅助时间、提高加工效率的快速移动速度要求，如10 30m/min；也要能满足完成高精度定位的低速度如0.1mm/min时，均匀、稳定、无爬行地工作。对于一般数控机床的调速范围124000就可以了，较先进的数控机床可以获得更宽的调速范围。 3. 快的响应速度所谓响应速度是指伺服系统跟随指令信号的响应速度快，使工作台能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令，保证轮廓切削的形状精度和良好的加工表面精度。一般反应时间要求在200ms、甚至几十毫秒内。要保证如此高的响应速度，进给传动工作台的刚

20、度、间隙、摩擦、转动惯量等都是必须考虑的问题。 4. 好的稳定性要有较强的抗干扰能力，保证电源、环境、负载等所产生的波动对其影响较小，有较硬的调速机械特性，外加负载变化的适应能力强，以保证加工稳定地进行。 5. 大的转矩输出 机床加工大多在低速时进行重切削，则要求低速时进给驱动要有大的转矩输出。为此，需缩短进给驱动传动链，简化机械结构，增强系统刚性，提高传动精度。 二、数控进给系统的伺服驱动装置数控机床的伺服系统一般由驱动装置与机械传动执行件等组成，对于半闭环、闭环控制系统还包括位置检测环节。而驱动装置是由驱动元件电动机和电动机驱动控制单元两部分组成，通常它们由同一生产厂家配套提供给机床制造厂

21、。进给伺服驱动装置用于数控机床各坐标轴的进给运动，进给驱动用的伺服电动机主要有步进电动机和交流、直流调速电动机，电动机作为驱动元件是伺服系统的关键之一。1. 步进电动机步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的驱动元件。步进电动机是一种特殊的电动机，一般电动机通电后都是连续转动的，而步进电动机则有定位与运转两种状态。当有一个电脉冲输入时，步进电动机就回转一个固定的角度，这角度称为步距角，一个步距角就是一步，所以这种电动机称为步进电动机。又由于它输入的是脉冲电流，也称作脉冲电动机。当电脉冲连续不断地输入，步进电动机便跟随脉冲一步一步地转动，步进电动机的角位移量和输入的脉冲个数严格成正比例，在

22、时间上与输入脉冲同步。因此，只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组的通电顺序，便可获得所需转角、转速和方向。在无脉冲输入时，步进电动机的转子保持原有位置，处于定位状态。步进电动机的调速范围广、惯量小、灵敏度高、输出转角能够控制，而且有一定的精度，常用作开环进给伺服系统的驱动元件。与闭坏系统相比，它没有位置速度反馈回路，控制系统简单，成本大大降低，与机床配接容易，使用方便，因而在对精度、速度要求不十分高的中小型数控机床上得到了广泛地应用。 2. 直流伺服电动机 由于数控机床对进给伺服驱动装置的要求较高，而直流电动机具有良好的调速特性，因此在半闭坏、闭坏伺服控制系统中，得到较广泛地使用。直流进给

23、伺服电动机就其工作原理来说，虽然与普通直流电动机相同。然而，由于机械加工的特殊要求，一般的直流电动机是不能满足需要的。首先，一般直流电动机转子的转动惯量过大，而其输出转矩则相对较小。这样，它的动态特性就比较差，尤其在低速运转条件下，这个缺点就更突出。在进给伺服机构中使用的是经过改进结构，提高其特性的大功率直流伺服电动机，主要有以下两种类型：（1）小惯量直流电动机。主要结构特点是其转子的转动惯量尽可能小，因此在结构上与普通电动机的最大不同是转子做成细长形且光滑无槽。以此表现为转子的转动惯量小，仅为普通直流电动机的1/10左右。因此，响应特别快，机电时间常数可以小于10 ms，与普通直流电动机相比

24、，转矩与惯量之比要大出4050倍。且调速范围大，运转平稳，适用于频繁起动与制动，要求有快速响应（如数控钻床、冲床等点定位）的场合。但由于其过载能力低，并且电动机的自身惯量比机床相应运动部件的惯量小，因此应用时都要经过一对中间齿轮副，才能与丝杠相连接，在某些场合也限制了它广泛地使用。（2）大惯量直流电动机。又称宽调速直流电动机，是在小惯量电动机的基础上发展起来的。在结构上和常规的直流电动机相似，其工作原理相同。当电枢线圈通过直流电流时，就会在定子磁场的作用下，产生带动负载旋转的电转矩。小惯量电动机是从减小电动机转动转量来提高电动机的快速性，而大惯量电动机则是在维持一般直流电动机转动惯量的前提下，

25、尽量提高转矩的方法来改善其动态特性。它既具有一般直流电动机便于调速、机械特性较好的优点，又具有小惯量直流电动机的快速响应性能。因此，可归纳为以下特点： 1）转子惯量大。这种电动机的转子具有较大的惯量，容易与机床匹配。可以和机床的进给丝杠直接连接，省掉了减速机构，故可使机床结构简单，即避免了齿轮等传动机构产生的噪声和振动，又提高了加工精度。 2）低速性能好。这种电动机低速时输出转矩大，能满足数控机床经常在低速进给时进给量大、转矩输出大的特点，如能在1 r/min甚至0.1 r/min下平稳运转。 3）过载能力强、动态响应好。由于大惯量直流电动机的转子有槽，热容量大，同时采用了冷却措施后，提高了散

26、热能力。因此可以过载运行30分钟。另外，电动机的定子采用矫顽力很高的铁氧体永磁材料，可使电动机过载10倍而不会去磁，这就显著地提高了电动机的瞬间加速力矩，改善了动态响应，加减速特性好。 4）调速范围宽。这种电动机机械特性和调速特性的线性度好，所以调速范围宽而运转平稳。一般调速范围可达110000以上。 大惯量直流电动机尽管有上述优点，但仍有不如其它驱动元件的地方，如运行调整不如步进电动机简便；快速响应性能不如小惯量电动机。这种驱动系统可直接接有高精度检测元件，如一些测量转速和转角等检测元件，实现半闭坏、闭环伺服系统的精确定位。 3. 交流伺服电动机 尽管直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流

27、电动机存在着不可避免的缺点：它的电刷和换向器易磨损，需经常维护；另外换向时易产生火花，使电机的最高转速受到限制，也使应用环境受到限制。而且，直流电动机结构复杂，制造成本高。随着大规模集成电路、计算机控制技术及现代控制理论的发展与应用，80年代交流伺服驱动技术取得了突破性地进展，使得交流伺服电动机具备了调速范围宽、稳速、精度高、动态响应快以及其它良好的技术性能。交流电动机转子惯量较直流电动机小，动态响应更好，在一般同样体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机提高10%70%，因此交流电动机可选得大一些，以达到更高的电压与转速。交流伺服电动机采用了全封闭无刷构造，不需要定期检查与维修定子，省去了

28、铸造件壳体，比直流电动机在外形尺寸上减少了50%，重量减轻近60%，转子惯量减至20%。定子铁芯较一般电动机开槽多且深，绝缘可靠，磁场均匀。还可对定子铁芯直接冷却，散热效果好。因而传给机械部分的热量少，提高了整个系统的可靠性。转子采用具有精密磁极形状的永久磁铁，可得到高的转矩/惯量比。因此交流伺服电动机可得到比直流伺服电动机更硬的机械性能和宽的调速范围，交流伺服以其高的性能、大容量得到了广泛地应用。交流伺服电动机提高性能的关键在于解决对交流电动机的调速控制与驱动。对交流伺服电动机的调速，目前用得较多的是计算机对交流电动机磁场作矢量变换控制，其基本原理是把交流电动机等效为直流电动机，从而使交流电

29、动机像直流电动机一样进行有效地控制。 三、数控进给传动结构进给传动结构是进给伺服系统的主要组成部分，它是将伺服电动机的旋转运动转化为执行部件的直线移动或回转运动，以保证刀具与工件相对位置关系为目的。在数控机床中，进给运动是数字控制系统的直接控制对象。无论是开环还是闭环伺服进给系统，工件的精度均要受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此，数控机床的进给系统应力求做到减少摩擦力，提高传动精度与刚度，消除传动间隙以及减少运动件的惯量等。目前，在数控机床进给驱动系统中常用的机械传动装置主要有：滚珠丝杠螺母副、静压蜗杆-蜗母条、预加载荷双齿轮-齿条及双导程蜗杆等。 1. 滚珠丝杠螺母副传动为了

30、提高数控机床进给系统的快速响应性能和运动精度，必须减少运动件的摩擦阻力和动静摩擦力之差。为此，在中小型数控机床中，滚珠丝杠螺母副是采用最普遍的结构。（1）滚珠丝杠副的工作原理。滚珠丝杠副是回转运动与直线运动相互转换的新型传动装置，是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。其结构原理示意如图2-9所示，图中丝杠1和螺母2上都加工有弧形螺旋槽，将它们套装在一起时，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成了螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠3。当丝杠相对于螺母旋转时，滚珠则既自转又沿着滚道流动。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的滚道两端用返回装置4（又称回珠器）连接起来，使滚珠滚动数圈后离开滚道，通过返

31、回装置4返回其入口继续参加工作，如此往复循环滚动。图2-9 滚珠丝杠螺母副结构原理1滚珠丝杠 2滚珠螺母 3滚珠 4滚珠返回装置（2）滚珠丝杠副的特点。由以上滚珠丝杠螺母副传动的工作过程，可以明显看出滚动丝杠副的丝杠与螺母之间是通过滚珠来传递运动的，使之成为滚动摩擦，这是滚珠丝杠区别于普通滑动丝杠的关键所在，其特点主要有以下几点： 1）传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率高达95%98%，是普通梯形丝杠的34倍，功率消耗减少2/33/4，如图2-10所示。图2-10 滚珠丝杠螺母副传动的机械效率 2）灵敏度高、传动平稳。由于是滚动摩擦，动静摩擦系数相差极小。因此低速不易爬行，高速传动平稳。 3）定

32、位精度高、传动刚度高。用多种方法可以消除丝杠螺母的轴向间隙，使反向无空行程，定位精度高，适当预紧后，还可以提高轴向刚度。 4）不能自锁、有可逆性。即能将旋转运动转换成直线运动，也能将直线运动转换成旋转运动。因此丝杠在垂直状态使用时，应增加制动装置或平衡块。 5）制造成本高。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度及表面粗糙度等要求高，制造工艺较复杂，成本高。（3）滚珠丝杠副的循环方式。常用的循环方式有两种：滚珠在循环反向过程中，与丝杠滚道脱离接触的称为外循环；而在整个循环过程中，滚珠始终与丝杠各表面保持接触的称为内循环。如图2-11a所示为外循环方式的示意图，这种结构是在螺母体上钻有两个与螺旋槽相切的孔

33、，作为滚珠的进口与出口，并紧贴螺母外表面，在两孔内插入弯管1的两端，这样就可引导滚珠2构成封闭循环回路，这叫插管式外循环。另外，也可在螺母的外表面开一螺旋凹槽代替插管，则称为螺旋槽式。外循环的结构制造工艺相对简单些，但滚道接缝处很难做到平滑，影响滚道滚动的平稳性，甚至发生卡珠现象，噪声也较大。图2-11 滚珠丝杠螺母副循环示意a）外循环 b）内循环1插管 2滚珠 3外循环螺母 4滚珠丝杠 5反向器 6内循环螺母 如图2-11b所示为内循环形式，在螺母滚道的外侧孔内装有一个接通相邻滚道的反向器，借助此反向器迫使滚珠翻越丝杠的齿顶而进入相邻滚道。因此，内循环反向器的数量与滚珠的列数相同。内循环的滚

34、珠丝杠反向器承担反向任务的只有一圈滚珠。与外循环相比，具有回路短，不易发生滚珠堵塞，流畅性好，摩擦损失小，传动效率高，结构紧凑，定位可靠，刚性好。但结构复杂，制造成本高，且不能用于多头螺纹传动。（4）滚珠丝杠副轴向间隙调整和预紧方法滚珠丝杠副的轴向间隙，是指负载时滚珠与滚道型面接触的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和，如图2-12 a所示，它直接影响其传动刚度和精度。图2-12 滚珠丝杠螺母副单螺母的间隙与预紧a）滚珠丝杠副间隙 b）单螺母变螺距 c）单螺母加大钢球 在单螺母时采用变导程L和加大钢球直径产生过盈的两种预紧方法，如图2-12b，c所示。但这两种方法很难适当消除轴向间隙

35、，可采用双螺母预紧方法，其基本原理是使两个螺母产生轴向位移，以消除它们之间的间隙和施加预紧力。目前结构形式有以下三种： 1）垫片调整式。如图2-13a所示的垫片调整式是通过调整垫片的厚度，使螺母产生轴向位移。这种结构简单可靠，刚性好，但调整费时，且不能在工作中随时调整。图2-13 滚珠丝杠螺母副双螺母预紧a）垫片调整式 b）螺纹调整式 c）齿差调整式1调整垫片 2、3锁紧螺母 4外齿轮 5内齿轮 2）螺纹调整式。如图2-13b所示的螺纹调整式是通过两个锁紧圆螺母的旋转，来调整丝杠螺母之间的轴向间隙，这种结构紧凑，调整方便，应用广泛，但轴向位移量不易精确控制。 3）齿差调整式。如图2-13c的齿

36、差法调整法是将两部分螺母外缘做成外齿轮和内齿轮，左右两个齿轮Z1 和Z2仅差一个齿，如Z1=99齿，Z2=100齿。调整间隙时，将内外齿脱离啮合，并使左右两个部分同时向同一方向转过一个齿，即Z1转过1/99转，Z2转过1/100转，致使左右螺母相向或相离一个距离。当滚珠丝杠的螺距L=6 mm 时，则=（）×L =（）×6 = 0.0006mm = 0.6 µm当转过齿数的数量为n时，位移量为的n倍，这样即可很精确（微量）地消除丝杠螺母的轴向间隙。这种预紧结构复杂，调整准确可靠，精度也较高，一般应用在精度要求较高的场合。滚珠丝杠螺母通过上述预紧方法消除间隙时应特别注

37、意：预加载荷以能有效地减小弹性变形所带来的轴向位移为度，过大的预紧力将增加摩擦阻力，降低传动效率，并使寿命大为缩短，所以，一般要经过几次仔细调整才能保证机床在最大轴向载荷下，即消除间隙，又能灵活运转。目前丝杠螺母副已由滚珠丝杠专业厂生产，其预紧力调好供数控机床制造厂安装使用。（5）滚珠丝杠副的使用防护。滚珠丝杠副和其它滚动摩擦的传动元件一样，如有硬质的灰尘或切屑等脏物落进滚道，就会妨碍滚珠的运转并加速磨损，因此有效地防护密封和保持润滑油的清洁就显得十分必要。常用的防尘密封装置有密封圈和防护罩相结合，密封圈系在滚珠螺母的两端，和丝杠直接接触，其材料有毛毡圈、耐油橡皮或尼龙等，防尘效果好。但有接触

38、压力、摩擦力矩增加的现象，所以有时采用非接触式、由聚氯乙烯等塑料制成的迷宫密封圈。对于暴露在外面的丝杠一般采用伸缩套筒式、折叠式的塑料或人造革等形式的防护罩，以防止空气中尘埃或粘附在丝杠表面。滚珠丝杠副和普通滑动丝杠螺母副一样，要用润滑剂来提高耐磨性及传动效率。润滑剂可分为润滑油或润滑脂两大类。润滑油可采用一般机械油或90180号透平油或140号主轴油，经过壳体上的油孔而注入螺纹的空间内。润滑脂可采用锂基油脂，油脂则加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内。 2. 其它进给传动机构 前述的滚珠丝杠螺母传动广泛应用于各类中小型数控机床的进给传动中，但在一些大型数控机床上不宜采用滚珠丝杠传动。这是因为长

39、丝杠制造困难，且易弯曲下垂，影响传动精度，所以在大型数控机床上一般采用静压蜗杆-蜗母条传动和双齿轮-齿条传动。另外，在圆周进给传动中，还常采用双导程蜗杆传动，下面简要介绍一下这些传动的基本原理。（1）静压蜗杆-蜗母条传动。蜗杆-蜗母条机构是丝杠螺母机构的一种特殊形式，如图2-14所示。蜗杆可看作长度很短的丝杠，蜗母条则可看作一个很长的螺母沿轴向剖开后的一部分。图2-14 蜗杆-蜗母条机构1蜗母条 2蜗杆 液体静压蜗杆-蜗母条机构是在蜗杆-蜗母条的啮合齿面间注入压力油，以形成一定厚度的油膜，使两啮合面形成液体摩擦，特别适宜重型数控机床的进给传动系统。进给伺服电动机通过联轴器与蜗杆相联，产生旋转运

40、动。蜗母条与运动部件（工作台）相联，以获得往复直线运动。这种形式常用于龙门式铣床的工作台进给驱动。（2）双齿轮-齿条传动。齿轮-齿条是行程较长的大型数控机床上常用的进给传动形式，如图2-15所示。适用于传动刚性要求高，传动精度不太高的场合。采用齿轮-齿条传动时，必须采取消除齿侧间隙的措施。通常采用两个齿轮2，3与齿条啮合的方法，专用的预加载机构使两齿轮以相反方向预转过微小的角度，使两齿轮分别与齿条的两侧齿面贴紧，从而消除间隙。图2-15 双齿轮齿条传动原理1、4、5轴 2、3齿轮（3）双导程蜗杆传动。为了扩大工艺范围，提高生产效率，数控机床除了直线进给运动之外，还有圆周进给运动。可由回转工作台

41、来实现，其进给传动一般采用蜗轮-蜗杆传动，如图2-16a所示。用于这种传动的蜗轮-蜗杆除应有较高的制造精度和装配精度外，还要采取一定的措施来消除蜗轮-蜗杆副的传动间隙，通常的方法是双导程蜗杆传动，如图2-16b所示。它的啮合原理与普通蜗杆-蜗轮传动无本质的差别，区别在于蜗杆的左右齿面具有不同的节距（导程），而同侧齿面的节距（导程）是相等的，各齿中间点节距L0（导程）也是相等的。如左侧齿面的节距为Ll = L0 -L时，而右侧齿面的节距为Lr = L0 +L，比左侧都大了2L的数值，这就会造成蜗杆的齿面从左到右逐渐变厚。与之啮合的蜗杆则和普通蜗轮一样，当蜗杆沿轴向向左移动时，啮合间隙逐渐减小直至

42、消除。图2-16 双导程蜗杆传动a）回转工作台 b）双导程蜗杆变齿厚原理1回转工作台 2蜗轮 3双导程蜗杆 四、数控进给传动导轨 导轨是伺服进给系统的重要环节之一，它对数控机床的刚度、精度与精度保持性等有着重要地影响，现代数控机床的导轨，对导向精度、精度保持性、摩擦特性、运动平稳性和灵敏度都有更高地要求，在材料和结构上起了“质”地变化，已不同于普通机床的导轨。 1. 塑料滑动导轨为了进一步降低普通滑动导轨的摩擦系数，防止低速爬行，提高定位精度，为此在数控机床上普遍采用塑料作为滑动导轨的材料，使原来铸铁-铸铁的滑动变为铸铁-塑料或钢-塑料的滑动。（1）塑料软带。也称聚四氟乙烯导轨软带，导轨材料是

43、以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结，并做成软带状，厚度约1.2mm。塑料软带用特殊的粘结剂粘贴在短的或动导轨上，它不受导轨形状的限制，各种组合形状的滑动导轨均可粘贴；导轨各个面，包括下压板面和镶条也均可以粘贴，如图2-17所示。由于这类导轨软带采用粘贴的方法，习惯上也称为“贴塑导轨”。图2-17 塑料软带导轨示意1床身 2工作台 3下压板 4、5塑料软带 （2）塑料涂层。是以环氧树脂为基体，加入铁粉、二硫化钼和胶体石墨，加入增塑剂，混合成液膏状为一组份，与固化剂为另一组份，而组成的双组份塑料涂层。如图2-18所示为某加工中心上一楔铁面使用塑料涂层的示意图，以滑块7的

44、要求，靠螺钉5调整好楔铁的位置，保证楔铁的斜面与支承面分离，即保证涂层面的厚度在11.5mm之间。然后，将调好的液膏状涂层通过孔1注入到两分离面之间，使其完全充满涂层，待24小时后液膏状涂层完全固化即可。另外，这种涂层也可以直接涂抹于导轨面，然后叠合在金属导轨面上进行固化。由于这类涂层导轨采用涂刮或注入膏状塑料的方法，习惯上也称为“涂塑导轨”或“注塑导轨”。图2-18 塑料涂层导轨示意1涂塑注入孔 2涂塑档圈 3塑料涂层4、5螺钉 6楔铁 7滚动导轨滑块（3）塑料导轨的特点。 1)摩擦特性好。实验表明如图2-19所示，铸铁-淬火钢或铸铁-铸铁导轨副的动、静摩擦系数相差较大，近一倍。而金属-聚四

45、氟乙烯导轨软带（Turcite-B、TSF）的动、静摩擦系数基本不变，而且摩擦系数很低。这种良好的摩擦特性能防止低速爬行，使机床运行平稳，以获得高的定位精度。图2-19 各种导轨摩擦系数曲线1铸铁-铸铁（30#机油） 2Turcite-B-铸铁（干摩擦） 3Turcite-B-铸铁（30#机油） 4TSF-铸铁（干摩擦） 5TSF-铸铁（30#机油）2)耐磨性好。除摩擦系数低外，塑料材料中含有青铜、二硫化钼和石墨，因此其本身具有自润滑作用，对润滑油的供油量要求不高，采用间歇式供油即可。另外，塑料质地较软，即使嵌入细小的金属碎屑、灰尘等，也不致于损伤金属导轨面和软带本身，可延长导轨的使用寿命。

46、3)减振性好。塑料的阻尼性能好，其减振消声的性能对提高摩擦副的相对运动速度有很大的意义。 4)工艺性好。可降低对塑料结合的金属基体的硬度和表面质量，而且塑料易于加工（铣、刨、磨、刮），使导轨副接触面获得良好的表面质量。 除此之外，塑料导轨还以其良好的经济性、结构简单、成本低，目前在数控机床上得到广泛地使用。 2. 滚动导轨滚动导轨是在导轨工作面之间安装滚动体（滚珠、滚柱和滚针），与滚珠丝杠的工作原理类似，使两导轨面之间形成的摩擦为滚动摩擦。动、静摩擦系数相差极小，几乎不受运动速度变化的影响。直线滚动导轨是目前最流行的一种新形式。其外形如图2-20a所示，结构如图2-20b所示，直线滚动导轨主要

47、由导轨体、滑块、滚珠、保持器、端盖等组成。生产厂把滚动导轨的预紧力调整适当，成组安装，所以这种导轨又称为单元式直线滚动导轨。使用时，导轨固定在不运动部件上，滑块固定在运动部件上。当滑块沿导轨体移动时，滚珠在导轨和滑块之间的圆弧直槽内滚动，并通过端盖内的滚道，从工作负荷区到非工作负荷区，然后再滚动到工作负荷区，不断循环，从而把导轨体和滑块之间的移动变成了滚珠的滚动。为防止灰尘和脏物进入导轨滚道，滑块两端及下部均装有塑料密封垫，滑块还有润滑油注油杯。滚动导轨的最大优点是摩擦系数小，比塑料导轨还小；运动轻便灵活，灵敏度高；低速运动平稳性好，不会产生爬行现象，定位精度高；耐磨性好，磨损小，精度保持性好

48、；且润滑系统简单，为此滚动导轨在数控机床上得到普遍地应用。但是，滚动导轨的抗振性较差，结构复杂，对脏物较敏感，必须要有良好的防护措施。图2-20 单元式直线滚动导轨a）单元式直线滚动导轨外形 b）直线滚动导轨结构1导轨体 2、5密封垫 3滚动体保持器 4滚动体 6端盖 7滑块 8润滑油杯 3. 静压导轨静压导轨是在两个相对运动的导轨面间通入压力油，使运动件浮起。工作过程中，导轨面上油腔中的油压能随着外加负载的变化自动调节，以平衡外负荷，保证导轨面始终处于纯液体摩擦状态。静压导轨的摩擦系数极小（约为0.0005），功率消耗少，由于系统液体摩擦，故导轨不会磨损，因而导轨的精度保持性好，寿命长。油膜

49、厚度几乎不受速度的影响，油膜承载能力大、刚性好、吸振性良好，导轨运行平稳，既无爬行，也不产生振动。但静压导轨结构复杂，并需要有一个具有良好过滤效果的液压装置，制造成本较高。目前，静压导轨较多地应用在大型、重型数控机床上。第三节 数控机床的自动换刀装置在零件的加工制造过程中，大量的时间用于更换刀具、装卸、测量和搬运零件等非切削时间上，切削加工时间占整个工时中较小的比例。为了进一步压缩非切削时间，数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的方向发展。这就是近年来带有自动换刀装置的多工序数控机床得以迅速发展的原因。为此，更进一步发展和完善各类刀具自动更换装置，扩大换刀数量，以便有可能实现更为复

50、杂的换刀操作。这不仅可以提高机床的生产效率，扩大数控机床的功能和使用范围。而且，由于零件在一次安装中完成多工序加工，大大减少了零件安装定位次数，进一步提高零件的加工精度。自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储存量、结构紧凑及安全可靠等要求。 一、回转刀架换刀装置数控车床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置。根据不同加工对象，可以设计成四方（四工位）、六工位、八工位以及十二工位等更多工位刀架的形式，在回转刀架上按不同工位可安装不同数量与形式的刀具，并按数控系统的指令换刀，完成各工序的切削加工。回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于

51、车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀尖位置不进行人工调整。因此，更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为0.010.005mm）。目前，回转刀架的类型较多，就其工作原理主要有如图2-21所示。如图2-21a所示为螺母升降转位原理，电动机4经弹簧安全离合器5，至蜗轮副6带动螺母7旋转，螺母7举起刀架3使端齿盘的上齿盘2与下齿盘1分离，随即电动机4带动刀架旋转到位，然后给系统发出信号反转锁紧。如图2-21b所示为十字槽轮的转位原理，销子9每转一周刀架转过一个工位，如四方刀架为90°。如图

52、2-21c为凸轮棘爪式刀架，蜗轮带动端面凸轮14相对于相对的端面凸轮13的转动，使刀架的上下齿盘脱开，然后利用棘轮机构推动刀架体12转过所需的工位，最后利用电气元件发出电动机反转信号而锁紧刀架。如图2-21d为电磁式刀架，利用线圈通电时的磁性吸力如10KN使刀架定位锁紧。上述回转刀架中，十字槽轮式体积大，占用空间多，相对地减少机床的切削区域；凸轮棘爪式不易做到可靠定位；电磁式则需多一套控制电路，并要有断电保护；螺母升降式零件较多，但定位可靠，目前使用较多。一般情况下，回转刀架的换刀动作主要包括刀架抬起、刀架转位、刀架压紧等几个步骤。具体结构在第三单元的数控车床示例中介绍。图2-21 回转刀架基

53、本类型的工作原理1、10下齿盘 2、11上齿盘 3、8、12刀架体 4、17电动机 5离合器 6蜗轮副 7丝杠螺母副 9销钉 13、14端面凸轮 15、16棘轮副 二、多主轴转塔头换刀装置 在带有旋转刀具的数控钻镗铣床上，通过多主轴转塔头来换刀是一种比较简单的换刀方式。这种机床的主轴转塔头就是一个转塔刀库，转塔头有卧式和立式两种。如图2-22所示是数控转塔式镗铣床的外观图，八方形转塔头上装有八根主轴，每根主轴上装有一把刀具。根据工序的要求，按顺序自动地将装有所需要的刀具主轴转到工作位置，实现自动换刀，同时接通主传动。不处在工作位置的主轴便与主传动脱开。转塔头的转位（即换刀）由槽轮机构来实现，每

54、次换刀包括转塔头脱开主轴传动、转塔头抬起、转塔头转位和转塔头定位压紧。最后主轴传动重新接通，这样完成了转塔头转位、定位动作的全过程。图2-22 带主轴转塔头的数控机床1转塔头 2机床主体 这种自动换刀装置储存刀具的数量较少，适用于加工较简单的工件。其优点是结构简单，省去了自动松夹、卸刀、装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作，从而提高了换刀的可靠性，并显著地缩短了换刀时间。但由于空间位置的限制，主轴部件的结构不可能设计得十分坚实，因而影响了主轴系统的刚度。它适用于工序较少，精度要求不太高的数控钻镗铣床等。 三、刀库-机械手自动换刀系统与多主轴转塔头换刀装置不同，这种自动换刀装置有一个专作储存刀具用的刀库，机床只需一个夹持刀具进行切削的刀具主轴，刀库-机械手自动换刀系统的换刀过程比较复杂。首先要把加工过程中要用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上，在机床外进行尺寸预调整后，插入刀库中。当需用某一刀具进行切削加工时，将该刀具自动地从刀库移至刀具主轴上，切削完毕后，又将用过的刀具自动地从刀具主轴上移回刀库中，其刀具的交换方式通常分为刀