1、數控技術9/17/20221第四章 數控機床的結構與傳動 機床本體是數控機床的主體部分。來自于數控裝置的各種運動和動作指令，都必須由機床本體轉換成真實的、準確的機械運動和動作，才能實現數控機床的功能，并保證數控系統性能的要求。數控機床的本體由下列各部分組成：1.機床基礎件，床身，底座，立柱，滑座，工作臺等。支承作用。2.主傳動系統，實現主運動。3.進給系統，實現進給運動。4.實現某些部件動作和某些輔助功能的裝置，液壓，氣動，潤滑，冷卻，防護，排屑。5.實現工件回轉、分度定位的裝置和附件，回轉工作臺。6.刀庫、刀架和自動換刀裝置（ATC）7.托盤交換裝置(APC)8.特殊功能裝置，如刀具破損監測

2、、精度檢測和監控裝置等。 其中，1 4為基本件，5 8為可選件。9/17/202229/17/20223 概述數控機床機械結構的主要特點數控機床對機械結構的基本要求提高數控機床性能的措施 從本質上說，數控機床和普通機床一樣，也是一種經過切削將金屬材料加工成各種不同形狀零件的設備。早期的數控機床，包括目前部分改造、改裝的數控機床，大都是在普通機床的基礎上，通過對進給系統的革新、改造而成的。因此，在許多場合，普通機床的構成模式、零部件的設計計算方法仍然適用于數控機床。但是，隨著數控技術（包括伺服驅動、主軸驅動）的迅速發展，為了適應現代制造業對生產效率、加工精度、安全環保等方面越來越高的要求，現代數

3、控機床的機械結構已經從初期對普通機床的局部改造，逐步發展形成了自己獨特的結構。特別是隨著電主軸、直線電動機等新技術、新產品在數控機床上的推廣應用，部分機械結構日趨簡化，新的結構、功能部件不斷涌現，數控機床的機械機構正在發生重大的變化，虛擬軸機床的出現和實用化，使傳統的機床結構面臨著更嚴峻的挑戰。9/17/20224結構簡單、操作方便、自動化程度高 數控機床需要根據數控系統的指令，自動完成對進給速度、主軸轉速、道具運動軌跡以及其他機床輔助技能（如自動換刀，自動冷卻）的控制。它必須利用伺服進給系統代替普通機床的進給系統，并可以通過主軸調速系統實現主軸自動變速。因此，在機械結構上，數控機床的主軸箱、

4、進給變速箱結構一般非常簡單；齒輪、軸類零件、軸承的數量大為減少；電動機可以直接連接主軸和滾珠絲杠，不用齒輪；在使用直線電動機，電主軸的場合，甚至可以不用絲杠、主軸箱。在操作上，它不像普通機床那樣，需要操作者通過手柄進行調整和變速，操作機構比普通機床要簡單多，許多機床甚至沒有手動機械操作系統。此外，由于數控機床的大部分輔助動作都可以通過數控系統的輔助技能（M技能）進行控制，因此，常用的操作按鈕也較普通機床少。結構簡單、 操作更方便，更簡單9/17/20225具有適應無人化、柔性化加工的特殊部件 “工藝復合化”和“功能集成化”是無人化、柔性加工的基本要求，也是數控機床最顯著的特點和當前的發展方向。

5、因此，自動換刀裝置（ATC）、動力刀架、自動換屑裝置、自動潤滑裝置等特殊機械部件是必不可少，有的機床還帶有自動工作臺交換裝置（APC）。 “功能集成化”是當前數控機床的另一重要發展方向。在現代數控機床上，自動換刀裝置、自動工作臺交換裝置等已經成為基本裝置。隨著數控機床向無人化、柔性化加工發展，功能集成化更多體現在：工件的自動裝卸、自動定位，刀具的自動對刀、破損檢測、壽命管理，工件的自動測量和自動補償功能上，因此，國外還新近開發了集中突破傳統機床界限，集鉆、銑、鏜、車、磨等加工于一體的所謂“萬能加工機床”，大大提高了附加值，并隨之不斷出現新的機械部件。9/17/20227對機械結構、零部件的要求

6、高 高速、高效、高精度的加工要求，無人化管理以及工藝復合化、功能集成化，一方面可以大大的提高生產率，同時，也必然會使機床的開機時間，工作負載隨之增加，機床必須在高負荷下，長時間可靠工作。因此，對組成機床的各種零部件和控制系統的可靠性要求很高。 此外，為了提高加工效率，充分發揮機床性能，數控機床通常都能夠同時進行粗細加工。這就要求機床技能滿足大切削量的粗加工對機床的剛度、強度和抗震性的要求，而且也能達到精密加工機床對機床精度的要求。因此，數控機床的主軸電機的功率一般比同規格的普通機床大，主要部件和基礎件的加工精度通常比普通機床高，對組成機床各部件的動、靜態性能以及熱穩定性的精度保持性也提出了更高

7、的要求。4-1 數控機床的結構要求9/17/20228具有較好的熱穩定性 機床的熱變性是影響機床加工精度的主要因素之一。由于數控機床的主軸轉速、快速進給都遠遠超過普通機床，機床又長時間處于連續工作狀態，電動機、絲杠、軸承、導軌的發熱都比較嚴重，加上高速切削產生的切屑的影響，使得數控機床的熱變性影響比普通機床要嚴重得多。雖然在先進的數控系統具有熱變性補償功能，但是它并不能完全消除熱變性對于加工精度的影響，在數控機床上還應采取必要的措施，盡可能減小機床的熱變性。9/17/202210具有較高的運動精度和良好的低速穩定性 利用伺服系統代替普通機床的進給系統是數控機床的主要特點。伺服系統最小的移動量（

8、脈沖當量），一般只有0.001mm，甚至更小；最低進給速度，一般只有1mm/min，甚至更低。這就要求進給系統具有較高的運動精度，良好的跟蹤性能和低速穩定性，才能對數控系統的位置指令做出準確的響應，從而得到要求的定位精度。 傳動裝置的間隙直接影響著機床的定位精度，雖然在數控系統中可以通過間隙補償、單向定位等措施減小這一影響，但不能完全消除。特別是對于非均勻間隙，必須機械消除間隙措施，才能得到較好的解決。9/17/202211具有良好的操作、安全防護性能 方便、舒適的操作性能，是操作者普遍關心的問題。在大部分數控機床上，刀具和工件的裝卸、刀具和夾具的調整、還需要操作者完成，機床的維修更離不開人，

9、而且由于加工效率的提高，數控機床的工件裝卸可能比普通機床更加頻繁，因此良好的操作性能是數控機床設計時必須的問題。數控機床是一種高度自動化的加工設備，動作復雜，高速運動部件較多，對機床動作互鎖、安全防護性能的要求也比普通機床要高很多。同時，數控機床一般都有高壓、大流量的冷卻系統，為了防止切屑、冷卻液的飛濺，數控機床通常都應采用封閉和半封閉的防護形式，增加防護性能。 9/17/2022129/17/202214二、提高機床結構的抗振性基礎件內腔充填泥芯、混凝土等阻尼材料。圖4-8表面采用阻尼涂層采用新材料制造基礎件充分利用結合面間的阻尼 三、減少機床的熱變形改進機床布局和結構設計 采用熱對稱結構

10、圖4-9采用預拉伸的滾珠絲杠結構在機床布局時，盡量減少內部熱源 圖4-10控制溫升熱變形補償 圖4-114-1 數控機床的結構要求9/17/202215二）滾動導軌滾動導軌塊 圖4-15直線滾動導軌 圖4-16主要特點：對安裝基面的要求不高；制造精度高 可高速運行，運行速度可大于60m/min能長時間保持高精度可預加負載，提高剛度抗振性不如滑動導軌，不宜用在有過大振動和沖擊的機床上。 4-1 數控機床的結構要求9/17/202217三）靜壓導軌 在兩個相對運動的導軌面間通以壓力油，將運動件浮起，使導軌面間處于純液體摩擦狀態。 圖4-174-1 數控機床的結構要求9/17/2022184-2 數

11、控機床的主運動與主軸部件數控機床主運動的特點：主軸轉速更高、變速范圍更寬、消耗功率更大一、數控機床主運動的參數運動參數：是指主軸轉速和變速范圍。動力參數：是指主運動的功率。主軸轉速和調速速范圍主軸轉速： r/min主軸最低轉速： r/min主軸最高轉速： r/min調速范圍： 數控機床的調速范圍寬，一般Rn100，有時甚至Rn10009/17/202219主運動的功率扭矩特性 PZ-切削力切向分力（N）;V-切削速度（m/min）;T-切削扭矩（Nm）;n-主軸轉速（r/min）;功率扭矩特性曲線4-2 數控機床的主運動與主軸部件9/17/202220二、主運動的傳動與變速主運動的傳動形式帶有

12、變速齒輪的主傳動特點：齒輪變速組即可降速，擴大輸出扭矩和恒功率變速范圍，適用于大中型機床。4-2 數控機床的主運動與主軸部件通過皮帶傳動的主傳動特點：傳動平穩、結構簡單、輸出扭矩和變速范圍小，適用于小型機床9/17/202221電機直接驅動的主傳動精密聯軸器連接：結構緊湊、傳動效率高，但主軸的轉速和扭矩與電機完全一致，低速性能的改善是其廣泛應用的關鍵。4-2 數控機床的主運動與主軸部件內裝電機主軸：主軸部件結構緊湊、重量輕、慣量小，振動噪聲小、動態響應特性和剛度好。但發熱對主軸精度影響較大。用于立式加工中心的內裝電機主軸如圖（最高轉速可達20000rpm）9/17/202222液壓變速機構圖5

13、-21所示三聯滑移齒輪的液壓變速原理如下4-2 數控機床的主運動與主軸部件對應的動作示意圖如下9/17/2022244-2 數控機床的主運動與主軸部件三聯滑移齒輪液壓變速動作示意圖9/17/202225電磁離合器種類： 摩擦片式 牙嵌式兩種無滑環摩擦片式電磁離合器特點：可在運轉中變速、具有過載保護功能，但尺寸大、摩擦發熱大。4-2 數控機床的主運動與主軸部件9/17/202227牙嵌式電磁離合器特點：傳遞扭矩大、尺寸小，傳動比準確，可用于內聯系傳動鏈中。4-2 數控機床的主運動與主軸部件9/17/202228三、主軸部件主軸部件包括：主軸、主軸支承及安裝在主軸上的傳動零件，對于自動換刀數控機床

14、還包括自動夾緊、清屑、準停等裝置。一）主軸端部結構和主軸支承主軸端部結構 圖5-274-2 數控機床的主運動與主軸部件主軸支承主軸支承的選用 主軸支承一般應根據主軸轉速、承載能力、回轉精度等性能選用。中小型機床：多采用滾動軸承。重型機床：多采用液體靜壓軸承高精度機床：多采用氣體靜壓軸承超高速機床（210104rpm）：多采用磁力軸承或陶瓷滾珠軸承。9/17/202229數控機床常用滾動軸承的結構形式如圖5-284-2 數控機床的主運動與主軸部件9/17/202230數控機床常用主軸軸承的配置形式如圖4-2 數控機床的主運動與主軸部件9/17/202231二）刀具自動夾緊、切屑清除和主軸準停裝置

15、刀具自動夾緊、切屑清除4-2 數控機床的主運動與主軸部件動畫演示9/17/202232主軸準停裝置作用：以保證加工中型機床實現刀具自動交換。4-2 數控機床的主運動與主軸部件動畫演示9/17/202233一、自動換刀裝置的結構類型回轉刀架換刀裝置（常用于數控車床）多主軸轉塔頭換刀裝置（常用于數控鏜銑床）帶刀庫的自動換刀裝置 只帶刀庫的自動換刀系統 刀庫機械手自動換刀系統4-3 自動換刀裝置動畫演示動畫演示9/17/202234二、刀庫類型及刀具的選擇與識別刀庫類型盤形刀庫（儲存量一般為1540把刀）鏈式刀庫（儲存量一般為30120把刀）格子式刀庫（選刀及取刀動作復雜，應用最少）4-3 自動換刀

16、裝置選刀方式順序選擇方式任意選擇方式 刀座編碼方式 刀具編碼方式 編碼附件方式9/17/202235刀具識別裝置4-3 自動換刀裝置 非接觸式刀具識別裝置 接觸式刀具識別裝置9/17/2022364-4 回轉工作臺作用：按照數控裝置的指令作回轉分度或連續回轉進給運動，以使數控機床完成指定的加工工序。種類：分度工作臺和數控回轉工作臺。一、分度工作臺功能：完成一定角度的回轉分度運動。作用：在加工中自動完成工件的轉位換面，實現工件一次安裝完成幾個面的加工。精度保證：采用專門定位元件來保證。種類：定位銷式分度工作臺和鼠齒盤式分度工作臺。定位銷式分度工作臺主要特點定位精度取決于定位銷和定位孔的精度，最高

17、可達5。定位銷和定位孔襯套制造和裝配精度要求高。定位銷和定位孔襯套硬度和耐磨性要求高。9/17/202237定位銷式分度工作臺結構工作過程分為三步：工作臺松開并抬起 工作臺回轉分度 工作臺下降并鎖緊4-4 回轉工作臺9/17/202238鼠齒盤式分度工作臺主要特點定位精度高，可達2，最高可達0.4。采用多齒重復定位，重復定位精度穩定。由于多齒嚙合，嚙合率高，所以定位剛度好，承載能力強。最小分度為360/Z，分度數目多，適用于多工位分度。由于離合過程具有磨合作用，其定位精度不斷提高，使用壽命長。缺點是鼠齒盤制造比較困難。4-4 回轉工作臺9/17/2022394-4 回轉工作臺鼠齒盤及齒形結構如

18、圖工作過程分為三步：工作臺抬起 工作臺回轉分度 工作臺下降并定位鎖緊9/17/202240二、數控回轉工作臺功能：完成工作臺的連續回轉進給和任意角度的分度。作用：即能作為回轉坐標軸實現坐標聯動加工，又能作為分度頭完成工件的轉位換面。特點：采用伺服系統實現回轉、精確分度和定位。種類：開環數控回轉工作臺 和閉環數控回轉工作臺4-4 回轉工作臺9/17/2022414-4 回轉工作臺一）開環數控回轉工作臺特點： 采用電液脈沖馬達或功率步進電機驅動，如圖9/17/202242二）閉環數控回轉工作臺特點： 采用交、直流伺服電機驅動，并帶有轉角檢測元件。4-4 回轉工作臺9/17/202243三）雙導程（

19、變齒厚）蝸桿傳動作用：用于回轉工作臺的連續精確分度。基本原理：利用蝸桿齒左右兩側不同的齒矩（左右兩側模數不同），通過軸向移動蝸桿的方法來消除或調整嚙合間隙。4-4 回轉工作臺9/17/202244雙導程蝸桿傳動特殊參數的選擇 公稱模數、齒厚增量系數、齒厚調整量、模數差與節距4-4 回轉工作臺9/17/2022454-4 進給傳動系統 進給運動是數字控制的直接對象，被加工工件的最終位置精度和輪廓精度都與進給運動的傳動精度、靈敏度、和穩定性有關。因此在設計傳動機構，選用傳動元件時應充分注意：減小摩擦阻力提高傳動精度和剛度消除傳動間隙和減小運動慣量。一、滾珠絲杠螺母副作用：實現旋轉到直線運動的轉換工

20、作原理：在絲杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，當它們套裝在一起時形成螺旋滾道，并在滾道內裝滿滾珠。當絲杠相對于螺母旋轉時，兩者發生軸向位移，而滾珠則沿著滾道流動。9/17/202246特點：傳動效率高、運動平穩、壽命高以及可預緊消除間隙并提高系統剛度等特點，普遍用于中小型機床的直線進給系統中（大型機床因距離大而采用齒條或蝸條）。種類：內循環和外循環兩種。內循環：結構緊湊、流暢性好，但工藝性差。外循環：工藝性好，但徑向尺寸較大、流暢性稍差。使用要求：應具有可靠的軸向間隙消除結構、合理的安裝結構和有效的防護裝置。軸向間隙消除目的：消除反向死區、提高傳動精度和運動平穩性。常用消間隙措施：單螺母結構和雙螺母

21、結構單螺母結構：過盈滾珠消間隙結構和變導程消間隙結構兩種。雙螺母結構：雙螺母齒差調隙式、雙螺母墊片調隙式、雙螺母螺紋調隙式4-4 進給傳動系統9/17/202247滾珠絲杠的安裝注意事項：螺母座孔與螺母座之間保持良好的配合，并保證孔對端面的垂直度。要保證螺母座的局部剛度和接觸剛度。合理選擇滾動軸承、正確安裝滾珠絲杠，確保支承結構的剛度。垂直升降絲杠應安裝鎖緊機構。常用軸承組合方式：向心軸承和圓錐軸承組合：結構簡單，但軸向剛度不足。推力軸承或角接觸軸承與向心軸承組合：軸向剛度較高，但結構復雜、摩擦發熱大。滾珠絲杠專用軸承：結構簡單、剛度高，但成本也較高。 4-4 進給傳動系統9/17/20224

22、8滾珠絲杠的防護作用：防止贓物落入滾道，保證滾珠的正常運行并避免滾珠和滾道的磨損。防護措施：接觸式密封圈密封： 防塵效果好，但增加了滾珠絲杠副的摩擦阻力矩。非接觸式迷宮密封： 結構復雜，但避免了與滾珠絲杠副的直接接觸。運動式密封裝置： 用于暴露在外的絲桿的防護。鋼帶纏卷式絲杠防護裝置，如圖4-4 進給傳動系統9/17/202249二、靜壓蝸桿蝸條副和齒輪齒條副絲杠傳動的局限性：長絲杠制造困難，且容易彎曲下垂，軸向剛度和扭轉剛度較差。靜壓蝸桿蝸條副工作原理：同靜壓絲杠螺母副。其中，蝸桿相當于絲杠，蝸條相當于螺母。配油問題：由于蝸桿是旋轉的且與蝸條的接觸區只有120左右，必須解決壓力油從蝸桿進入靜壓油腔的問題。配油原理 圖5-444-4 進給傳動系統9/17/202250齒輪齒條副：特點： 速度高、傳動比大、剛度及效率高，但傳動不夠平穩、傳動精度差、不能自鎖。消間隙措施：雙薄片齒輪消間隙結構： 用于小負載機床。雙片厚齒輪消間隙結構： 用于大負載機床。 雙片厚齒輪消間隙結構如右圖4-