1認識數控機床的機械結構1數控機床機械結構的特點2項目訓練73數控機床的主傳動系統4數控機床進給傳動系統5自動換刀裝置6數控機床的回轉工作臺第6章數控機床的機械結構高的剛度及良好的抗振性能熱穩定性好運動導軌副的摩擦特性好傳動系統簡化進給傳動無間隙6.1數控機床的結構特點

6.1.1機床剛度和抗振性1．基本概念（1）剛度是機床的基本技術性能之一，它反應了機床結構抵抗變形的能力。因機床在加工過程中，承受多種外力的作用，包括運動部件和工件的自重、切削力、驅動力、加減速時的慣性力、摩擦阻力等，各部件在這些力的作用下將產生變形，變形會直接或間接地引起刀具和工件之間產生相對位移，破壞刀具和工件原來所占有的正確位置，從而影響加工精度。

根據承受載荷性質的不同，剛度可分為靜剛度和動剛度。機床的靜剛度是指機床在靜態力的作用下抵抗變形的能力。它與構件的幾何參數及材料的彈性模量有關。機床的動剛度是指機床在動態力的作用下抵抗變形的能力。

由上式可知，機床的動剛度與靜剛度、激振頻率與固有頻率的比值、及阻尼比有關。當=1時，即兩種頻率相等時，為共振狀態，動剛度最小。當<<1時，即激振頻率遠比固有頻率小時，動剛度接近與靜剛度。當>>1時，即激振頻率遠比固有頻率大時，動剛度隨著ω的加大而增加。當在同樣的頻率比的條件下，動剛度與靜剛度成正比，動剛度與阻尼比也成正比，即阻尼比和靜剛度越大，動剛度也越大。數控機床要在高速和重負荷條件下工作，為了滿足數控機床加工的高生產率、高速度、高精度、高可靠性和高自動化程度的要求，與普通機床相比，數控機床應有更高的靜剛度、動剛度和更高的抗振性。

（2）抗振性高速切削是產生動態力的直接因素，數控機床在高速切削時容易產生振動。機床加工時可能產生兩種振動：強迫振動和自激振動。機床的抗振性是指抵抗這兩種振動的能力。

2．提高數控機床結構剛度的措施（1）合理選擇結構形式正確選擇床身的截面形狀和尺寸、合理選擇和布置筋板、提高構件的局部剛度和采用焊接結構。如圖6-1所示為數控車床的床身截面，床身導軌的傾斜布置可有效的改善排屑條件。

截面形狀采用封閉式箱體結構，加大了床身截面的外輪廓尺寸，使該床身具有很高的抗彎剛度和抗扭剛度。圖6-1數控車床的床身截面

（2）合理安排結構布局

合理的結構布局，使構件承受的彎距和扭矩減小，從而提高機床的剛度。如圖6-2（a）～圖6-2(c)所示，臥式加工中心的主軸箱單面懸掛在立柱側面，切削力將使立柱產生彎曲和扭轉變形；而采用圖6-2（d）的布局，加工中心的主軸箱置于立柱對稱平面內，切削力引起的變形將顯著減小。這就相當于提高了機床的剛度。圖6-2數控機床的布局

（3）采用補償變形措施機床工作時，在外力的作用下，不可避免地存在變形，如果能采取一定措施減小變形對加工精度的影響，其結果相當于提高了機床的剛度。對于大型的龍門銑床，當主軸部件移動到橫梁中部時，橫梁的下凹彎曲變形最大，為此可將橫梁導軌加工成中部凸起的拋物線形，可以使變形得到補償。（4）改善構件間的接觸剛度和機床與地基聯結處的剛度等。

3．提高機床結構抗振性的措施（1）提高機床構件的靜剛度可以提高構件或系統的固有頻率，從而避免發生共振。（2）提高阻尼比

在大件內腔充填泥芯和混凝土等阻尼材料，在振動時因相對摩擦力較大而耗散振動能量。采用阻尼涂層法，即在大件表面噴涂一層具有高內阻尼和較高彈性的粘滯彈性材料，涂層厚度越大阻尼越大。采用減振焊縫，在保證焊接強度的前提下，在兩焊接件之間部分焊住，留有貼合而未焊死的表面，在振動過程中，兩貼合面之間產生的相對摩擦即為阻尼，使振動減少。

（3）采用新型材料和鋼板焊接結構近年來很多高速機床的床身材料采用了聚合物混凝土，它具有剛度高、抗振好、耐腐蝕和耐熱的特點，用丙烯酸樹脂混凝土制成的床身，其動剛度比鑄鐵件的高出了6倍。用鋼板焊接構件代替鑄鐵構件的趨勢也不斷擴大。采用鋼板焊接構件的主要原因是焊接技術的發展，使抗振措施十分有效；軋鋼技術的發展，又提供了多種形式的型鋼。

6.1.2熱穩定性機床的熱變形是影響機床加工精度的重要因素之一。數控機床主軸轉速、進給速度遠高于普通機床，電動機、軸承、液壓系統等熱源散發的熱量，切屑及刀具與工件的相對運動的摩擦產生的熱量，通過傳導、對流、輻射傳遞給機床各個部件，引起溫升，產生膨脹。由于熱源分布不均，散熱性能不同，導致機床各部分溫升不一致，從而產生不均勻的熱膨脹變形，以至影響刀具和工件的正確相對位置，影響了加工精度，且熱變形對加工精度的影響操作者往往難以修正。

減少機床熱變形的措施1．改進機床布局和結構（1）內部熱源的發熱是造成熱變形的主要原因，因此，在機床布局時應減少內部熱源，盡量考慮將電動機、液壓系統等置于機床主機之外。（2）采用傾斜床身和斜滑板結構，以利于排屑，還應設置自動排泄裝置，隨時將切屑排到機床外。同時在工作臺或導軌上設置隔熱防護罩，使切屑的熱量隔離在機床外。（3）采用熱對稱結構例如臥式加工中心采用框式雙立柱結構，主軸箱嵌入立柱內，并且在立柱左右導軌內側定位。這樣，熱變形使主軸中心將主要產生垂直方向的變化，這變形量可以用垂直坐標移動的修正量加以補償。

2．加強冷卻和潤滑為控制切削過程產生的熱量，現代數控機床，特別是加工中心和數控車床多采用多噴嘴、大流量冷卻系統直接噴射切削部位，冷卻并排除這些熾熱的切屑，并對冷卻液用大容量循環散熱和冷卻裝置制冷以控制溫升。對于機床上難以分離出去的熱源，可采取散熱、風冷和液冷等方法來降低溫度，減少熱變形。3．控制環境溫度在安裝數控機床的區域內應盡量采取保持恒定環境溫度的措施,精密數控機床還不應受到陽光的直接照射,以免引起不均勻的熱變形。4．熱位移補償通過預測熱變形規律，建立數學模型并存入CNC數控系統中，控制輸出值進行實時補償。或者在熱變形敏感部位安裝傳感元件，實測變形量，經放大后送入CNC系統進行修正補償。

6.1.3運動導軌副與普通機床不同，數控機床工作臺的位移量是以脈沖當量作為它的最小單位，它常常以極低的速度運動，并且數控機床通過數字信息來控制刀具與工件的相對運動，它同時要求在相當大的進給速度范圍內都能達到較高的精度，因此運動部件應具有較高的靈敏度，這就要求導軌副的摩擦特性好，高速進給時不振動，低速進給時不爬行，耐磨性好，靈敏度高，能在重載下長期連續工作。現代數控機床上主要使用塑料滑動導軌、滾動導軌、靜壓導軌。

6.1.4傳動系統簡化和無間隙傳動裝置數控機床的主軸驅動系統和進給驅動系統，分別采用交、直流主軸電動機和飼服電動機驅動，這兩類電動機調速范圍大，可實現無級調速，因此可由電動機通過少量的齒輪、帶輪帶動主軸，或者由電動機直接帶動主軸或進給滾珠絲杠，這就使傳動系統大為簡化。由于加工的需要，數控機床各坐標軸的運動都是雙向，傳動元件之間的間隙會影響機床的定位精度及重復定位精度，同時數控機床在高速進給速度下，工作要求平穩，因此，對進給系統中的機械傳動裝置和元件要求具有高壽命、高剛度、無間隙、高靈敏度和低摩擦阻力的特點。

6.2數控機床的主傳動系統及主軸部件6.2.1數控機床主傳動系統的特點與普通機床相比較，數控機床的主傳動系統具有如下特點：(1)采用直流或交流主軸電動機現代數控機床的主傳動電動機已不再采用普通的交流異步電動機或傳統的直流調速電動機，一般采用直流或交流主軸電動機。這種電動機調速范圍廣，可實現無級調速，因此主軸箱結構簡化。

（2）轉速高、功率大、變速范圍廣數控機床適應性強，適合加工單件、小批量和形狀復雜工件，為了適應各種不同材料的加工以及各種不同的加工方法，數控機床的主傳動系統要有較寬的轉速范圍及相應的輸出力矩，一般＞100，以保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產率、加工精度和表面質量。同時，數控機床還應能夠進行大功率切削和高速切削，以實現高效率加工。

（3）主軸變速迅速可靠數控機床的變速是按照控制指令自動進行的，因此變速機構必須適應自動操作的要求。由于數控機床主傳動系統采用了可實現無級調速的電動機，機械變檔一般又采用液壓缸推動滑移齒輪實現，因此變速穩定可靠。（4）主軸部件性能好

主軸部件直接裝夾刀具對工件進行切削加工，對加工質量及刀具壽命有很大影響，并且在加工過程中不進行人工調整，因此主軸部件必須具有良好的回轉精度、結構剛度、抗振性、熱穩定性、耐磨性。6.2.2主傳動系統的配置方式

根據數控機床的類型與大小，其主傳動主要有以下四種形式。1．帶有變速齒輪的主傳動系統如圖6-3（a）所示.通過使用雙聯滑移齒輪實現二級變速。由于現代數控機床使用可無級調速的電動機，所以經過齒輪變速后可實現分段無級變速，擴大了調速范圍。又可以通過降速傳動擴大輸出扭矩，滿足主軸低速時對輸出扭矩特性的要求。滑移齒輪的移位大都采用液壓缸加撥叉，或者直接由液壓缸帶動齒輪來實現。大、中型數控機床常采用這種形式。圖6-3數控機床主傳動系統分類

2．帶有定比傳動的主傳動系統如圖6-3(b)所示，主軸電動機經過定比傳動傳遞給主軸。目前，定比傳動多采用帶（同步齒形帶和三角帶）傳動，也有采用齒輪傳動的。適用于高速、低轉距特性的主軸，電動機本身的調速就能夠滿足要求，且帶傳動平穩，噪聲低、結構簡單、安裝調試方便。這種傳動主要應用在轉速高、變速范圍不大的數控機床上。

3．用兩個電動機分別驅動的主傳動系統

如圖6-3(c)所示，這是上述兩種方式的混合傳動，兼有上述兩種性能。高速時電動機通過帶傳動使主軸旋轉，傳動平穩。低速時，另一個電動機通過二級齒輪降速，擴大變速范圍，使恒功率區增大，克服了低速時轉距不夠且電動機功率不能充分利用的缺陷，但結構較為復雜。

4．由主軸電動機直接驅動的主傳動系統

如圖6-3(d)所示，電動機與主軸通過聯軸器連接，或者采用內裝電動機，即主軸與電動機轉子合二為一。這種方式大大簡化了主軸結構，有效的提高了主軸剛度，但主軸輸出扭矩小，電動機的發熱對主軸精度影響較大，因此使用受到限制。

例：分析圖6-4所示的TND360型數控車床主軸箱傳動系統圖6-4TND360型數控車床主軸箱傳動系統

6.2.3車削中心圖6-7為CH6144車削中心的C軸傳動系統簡圖。主傳動系統車削中心的主傳動系統與數控車床基本相同，只是增加了主軸的C軸的坐標功能，以實現主軸的定向停車和圓周進給，并在數控裝置控制下實現C軸、Z軸聯動插補，或C軸、X軸聯動插補，以進行圓柱面上或端面上任意部位的鉆削、銑削、攻螺紋及曲面的加工，如圖6-5所示。(a)讓C軸分度定位在圓柱面或端面上銑直槽；(b)讓C軸、Z軸插補進給在圓柱面上銑螺旋槽；（c）讓C軸、X軸插補進給在端面上銑螺旋槽；（d）讓C軸、X軸插補進給在在圓柱面或端面上銑直線和平面

圖6-5C軸的功能簡介圖

C軸傳動系統示例示例1：MOC200MS3車削柔性加工單元的主軸傳動系統結構和C軸傳動及主傳動系統如圖6-6所示。C軸分度采用可嚙合和脫開的精密蝸輪蝸桿副結構，由伺服電動機驅動蝸桿1及主軸上的蝸輪3，當機床處于銑削和鉆削狀態時，即主軸需通過C軸回轉或分度時，蝸桿與蝸輪嚙合。C軸的分度精度由脈沖編碼器7保證，分度精度為0.01°。1-蝸桿2-主軸3-蝸輪4-齒形帶6-主軸電動機6-同步帶7-脈沖編碼器8-C軸伺服電機(a)主軸結構簡圖(b)C軸傳動及主傳動系統簡圖圖6-6MOC200MS3的C軸傳動系統

示例2：如圖6-7為CH6144車削中心的C軸傳動系統簡圖。該部件由主軸傳動箱和C軸兩部分組成。當主軸處在一般工作狀態時，換位液壓缸6使滑移齒輪5與主軸齒輪7脫離嚙合，制動液壓缸10脫離制動，主軸電動機通過V型皮帶帶動齒輪11使主軸8旋轉。當主軸需要C軸控制作分度或回轉時，主軸電動機處于停止工作狀態，齒輪5與齒輪7嚙合。在制動液壓缸為制動狀態下，C軸伺服電動機根據指令脈沖值旋轉，通過C軸變速箱變速，經齒輪5、7使主軸分度，然后制動液壓缸工作制動主軸。進行銑削時，除制動液壓缸不制動主軸外，其他運行與上述相同，此時主軸按指令作緩慢地連續旋轉進給運動。

圖6-7CH6144車削中心C軸傳動系統簡圖1、2、3-傳動齒輪；6-滑移齒輪；6-換位液壓缸；7-主軸齒輪；8-主軸；9-主軸箱；10-制動液壓缸；11-V帶輪；12-主軸制動盤；13-同步帶輪；14-脈沖編碼器；16-C軸伺服電機；16-C軸控制箱

6.2.4主軸部件結構數控機床的主軸部件，既要滿足精加工時精度較高的要求，又要具備粗加工時高效切削的能力，因此應有更高的動、靜剛度和抵抗變形的能力。主軸部件主要包括主軸、軸承、傳動件和密封件，對于具有自動換刀能力的數控機床，主軸部件還應有刀具自動裝卸裝置、主軸準停裝置和吹屑裝置等。

1．主軸的支承

數控機床主軸支承可以有多種配置形式。圖6-8所示為TND360型車床主軸部件。因為主軸在切削時要承受較大的切削力，所以軸徑較大，剛性好。在主軸端部，卡盤靠前端的短圓錐面和凸緣端面定位，用撥銷傳遞扭矩。主軸為空心軸，通過棒料的直徑可達60mm。前軸承為三個推力角接觸球軸承，前面兩個軸承大口朝向主軸前端，接觸角為25°，以承受軸向切削力；后面軸承大口朝向主軸后端，接觸角為14°，三個軸承的內外圈軸向由軸肩和箱體孔的臺階固定，以承受軸向負荷。后支承由一對背靠背的推力角接觸球軸承組成，只承受徑向載荷，并由后壓套進行預緊.圖6-8TND360型車床主軸結構1、2-后軸承3-軸承4、6-前軸承

2．動力卡盤為了減少輔助時間和勞動強度，并適應自動化和半自動化加工的需要，數控車床多采用動力卡盤裝夾工件，目前使用較多的是自動定心液壓動力卡盤。該卡盤主要由引油導套、液壓缸和卡盤三部分組成。圖6-9為液壓動力卡盤液壓缸的結構圖。液壓缸體2通過法蘭盤4及連接件固定在主軸尾部，隨主軸一起旋轉。引油導套1固定在動力卡盤的殼體上，通過前后滾珠軸承支承液壓缸轉動。當程序段指令發出夾緊或松開控制信息后，通過液壓系統控制活塞產生軸向位移，再通過拉桿使主軸前端動力卡盤的卡爪夾緊或松開。

圖6-9動力卡盤液壓缸結構圖

1-引油導套2-液壓缸體3-活塞4-法蘭盤

動力卡盤的結構如圖6-10，卡盤通過過渡法蘭安裝在機床主軸上，滑體3通過拉桿2與液壓缸活塞桿相連，卡爪滑座4和滑體3是以斜楔接觸，當滑體3軸向移動時，卡爪滑座4可在盤體1上的三個T形槽內作徑向移動。卡爪6用螺釘與T形滑塊5緊固在卡爪滑座4的齒面上，與卡爪滑座構成一個整體。當卡爪滑座作徑向移動時，卡爪6將工件夾緊或松開。根據需要夾緊工件的直徑大小，改變卡爪6在齒面上的位置，即可完成夾緊調整。這種液壓動力卡盤夾緊力較大，性能穩定，適用于強力切削和高速切削，其夾緊力可以通過液壓系統進行調整，適合于薄壁零件在內的各類零件的夾緊。圖6-10動力卡盤結構圖1-盤體2-拉桿3-滑體4-卡爪滑座6-T型滑塊6-卡爪

3．自動夾緊裝置在帶有刀庫的數控機床中，為了實現刀具在的自動裝卸，主軸內設有刀具自動夾緊裝置。圖6-11所示為自動換刀數控銑鏜床的主軸部件，其主軸前端的7：24錐最孔用于裝夾錐柄刀具或刀桿。主軸的端面鍵可用于傳遞刀具的扭矩，也可用于刀具的周向定位。刀具夾緊時，蝶形彈簧11通過拉桿7，雙瓣卡爪5，在套筒14的作用下，將刀柄的尾端拉緊。當換刀時，在主軸上端油缸的上腔A通入壓力油，活塞12的端部推動拉桿7向下移動，同時壓縮蝶形彈簧11，當拉桿7下移到使雙瓣卡爪5的下端移出套筒14時，在彈簧6的作用下，卡爪張開，噴氣頭13將刀柄頂松，刀具即可由機械手拔除。待機械手將新刀裝入后，油缸10的下腔通入壓力油，活塞12向上移，蝶形彈簧伸長將拉桿7和雙瓣卡爪5拉著向上，雙瓣卡爪5重新進入套筒14，將刀柄拉緊。活塞12移動的二個極限位置都有相應的行程開關（LS1，LS2）作用，作為刀具松開和夾緊的回答信號。圖6-11數控銑鏜床的主軸部件1-調整半環；2-3182120型錐孔雙列圓柱滾子軸承；3-2268120型雙向向心球軸承；4、9-調整環；6-雙瓣卡爪；6-彈簧；7-拉桿；8-46115型向心推力球軸承；10-油缸；11-碟型彈簧；12-活塞；13-噴氣頭；14-套筒

刀桿尾部的拉緊結構，除圖6-11的卡爪式以外，還有圖6-12(a)所示的彈簧夾頭結構，他有拉力放大作用，可用較小的液壓推力產生較大的拉緊力。圖6-12(b)所示為鋼球拉緊結構。圖6-12刀桿尾部拉緊結構

4．主軸準停裝置

主軸準停功能又稱主軸定位功能，即主軸停止時，控制其停在固定的位置。這是換刀所必需的功能，因為每次換刀時都要保證刀具錐柄處的鍵槽對準主軸上的端面鍵，也要保證在精鏜孔完畢退刀時不會劃傷已加工表面。準停裝置分為機械式和電氣式兩種。現代的數控機床一般都采用電氣式主軸準停裝置，只要數控系統發出指令信號主軸就可以準確的定向。

較常用的電氣方式有兩種，一種是利用主軸上光電脈沖發生器的同步脈沖信號；另一種是利用磁力傳感器檢測定向。圖6-13所示為利用磁力傳感器檢測定向的工作原理，在主軸上安裝有一個永久磁鐵4與主軸一起旋轉，在距離永久磁鐵4旋轉軌跡外1-2mm處，固定有一個磁傳感器5，當機床主軸需要停車換刀時，數控裝置發出主軸停轉的指令，主軸電動機3立即降速，使主軸以很低的轉速回轉，當永久磁鐵4對準磁傳感器5時，磁傳感器發出準停信號，此信號經過放大后，由定向電路使電動機準確地停止在規定的周向位置上。這種準停裝置機械結構簡單，發磁體與磁傳感器間沒有接觸摩擦，準停的定位精度可達±1°，能滿足一般換刀要求。而且定向時間短，可靠性較高。

圖6-13磁力傳感器定向裝置

1-主軸；2-皮帶；3主軸電機；

4-永久磁鐵；6-磁傳感器

6.高速切削主軸高速切削是70年代后期發展起來的一種新工藝。切削速度比常規的要高幾倍至十多倍，如高速銑削鋁件的最佳切削速度可達2500-4500m/min；加工鋼件為400-1600min；加工鑄鐵為800-2000m/min，進給速度也相應提高很多倍。這種加工工藝不僅切削效率高，而且具有加工表面質量好、切削溫度低和刀具壽命長等優點。高速主軸部件是高速切削機床最重要的部件，要求有精密機床那樣高的精度和剛度。為此，主軸零件應精確制造和進行動平衡校驗。另外，還應重視主軸驅動、冷卻、支承、潤滑、刀具夾緊和安全等的精心設計。高速主軸的驅動多采用內裝電動機式主軸，這種主軸結構緊湊、重量輕和慣性小，有利于提高主軸啟動或停止時響應特性。高速主軸選用的軸承主要是高速球軸承和磁力軸承。磁力軸承是利用電磁力使主軸懸浮在磁場中，使其具有無摩擦、無磨損、無需潤滑、發熱少、剛度高、工作時無噪聲等優點。主軸的位置用非接觸傳感器測量，信號處理器則根據測量值以每秒10000次的速度計算出校正主軸位置的電流值。圖6-14所示為瑞士IBAG公司開發的內裝高頻電動機的主軸部件，它采用的是激磁式磁力軸承。

圖6-14用磁力軸承的高速主軸部件1-刀具系統2、9-軸承3、8-傳感器4、7-徑向軸承6-軸向止推軸承6-高頻電動機10-冷卻水管路11-氣液壓力放大器6.3數控機床的進給系統及部件

6.3.1數控機床進給傳動的特點1.傳動精度和剛度高

傳動精度是指伺服系統的輸入量與驅動裝置實際位移量的精確程度。其精度和剛度，從機械方面考慮主要取決于傳動間隙、傳動裝置及其支承結構的精度和剛度。因此，進給系統采取施加預緊力或其它消除間隙的措施和通過提高各個零件的精度、剛度以及對絲杠螺母副、支承部件施加預緊力來提高傳動精度和剛度。2．靈敏度高靈敏度即動態響應特性，是指系統的響應時間以及驅動裝置的加速能力。在數控機床的進給系統中，普遍采用滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副、減摩滑動導軌、滾動導軌及靜壓導軌來減少運動件間的摩擦阻力和動、靜摩擦力之差，從而提高系統的靈敏度。

3．穩定性好系統的穩定性是指系統在起動狀態或受外界干擾作用下，經過幾次衰減振蕩后，能迅速地穩定在新的或原來的平衡狀態的能力。穩定性與系統的慣性、剛性、阻尼等有關。進給系統中每個零件的慣量對伺服系統的啟動和制動特性都有直接影響，特別是高速運動的零件，在滿足強度和剛度的前提下，應盡可能減小執行部件的質量，減小旋轉零件的直徑和質量，合理的配置各元件，以減少運動部件的慣量。數控機床的進給系統要由適度阻尼，阻尼雖然會降低系統的靈敏度，但可增加系統的穩定性，適度的阻尼可保證運動部件抗干擾的能力。

6.3.2滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副是回轉運動與直線運動相互轉換的傳動裝置，它是利用螺旋面的升角使旋轉運動變為直線運動，是數控機床的絲杠螺母副最常見的一種形式。它的結構特點是在具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠，作為中間傳動元件，以減少摩擦。工作原理如圖6-15所示。在絲杠和螺母1上都加工有半圓弧形的螺旋槽，把它們套裝在一起邊形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠回路管道b，將螺旋滾道的兩端連接在一起構成封閉的循環滾道，在滾道內裝滿滾珠。當絲杠旋轉時，滾珠在滾道內既自傳又沿滾道循環轉動，從而迫使螺母（或絲杠）軸向移動。

圖6-15滾珠絲杠副的原理圖

滾珠絲杠螺母副是滾動摩擦，它的特點是：摩擦因數小，傳動效率高，所需傳動轉矩小；磨損小，壽命長，精度保持性好；靈敏度高，傳動平穩，不易產生爬行；絲杠和螺母之間可通過預緊和間隙消除措施提高軸向剛度和反向精度；運動具有可逆性，既可將旋轉運動變成直線運動，又可將直線運動變成旋轉運動；制造工藝復雜，成本高；在垂直安裝時不能自鎖，需附加制動機構，常用的制動方法有超越離合器，電磁摩擦離合器或者使用具有制動裝置的伺服驅動電機。

1．滾珠絲杠螺母副的結構滾珠絲杠副滾珠的循環方式分為外循環和內循環兩種。滾珠在返回過程中與絲杠脫離接觸的為外循環；滾珠在循環過程中與絲杠始終接觸的為內循環。循環中的滾珠叫做工作滾珠，工作滾珠所走過的滾道圈數叫工作圈數。外循環常見的有插管式和螺旋槽式。圖6-16外循環滾珠絲杠(a)插管式(b)螺旋槽式

內循環結構如圖6-17所示。在螺母的側孔中裝有圓柱凸鍵反向器，反向器上銑有S形回珠槽，將相鄰螺紋滾道聯結起來，滾珠從螺紋滾道進入反向器，借助反向器迫使滾珠越過絲杠牙頂進入相鄰滾道，實現循環。一般一個螺母上裝有2~4個反向器，反向器沿螺母圓周均布。這種結構徑向尺寸緊湊，剛性好，且不易磨損，因返程滾道短，不易發生滾珠堵塞，摩擦損失小。但反向器結構復雜，制造困難，且不能用于多頭螺紋傳動。圖6-17內循環滾珠絲杠

2．滾珠絲杠副軸向間隙的調整滾珠絲杠的傳動間隙是軸向間隙。軸向間隙通常是指絲杠和螺母無相對轉動時，絲杠和螺母之間的最大軸向竄動量。除了結構本身所有的游隙之外，還包括施加軸向載荷后產生彈性變形所造成的軸向竄動量。為了保證反向傳動精度和軸向剛度，必須消除軸向間隙。用預緊方法消除間隙時應注意，預加載荷能夠有效地減少彈性變形所帶來的軸向位移，但預緊力不易過大，過大的預緊載荷將增加摩擦力，使傳動效率降低，縮短絲杠的使用壽命。所以，一般需要經過多次調整才能保證機床在適當的軸向載荷下既消除了間隙又能靈活轉動。消除間隙的方法常采用雙螺母結構，利用兩個螺母的相對軸向位移，使兩個滾珠螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個相反的側面上。

常用的雙螺母絲杠消除間隙的方法有：（1）墊片調隙在螺母處放入一墊片，調整墊片厚度使左右兩個螺母產生方向相反的位移，則兩個螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個相反的側面上，即可消除間隙和產生預緊力。這種方法結構簡單，剛性好，但調整不便，滾道有磨損時不能隨時消除間隙和進行預緊，調整精度不高，僅適用于一般精度的數控機床。圖6-18墊片調隙式

（2）螺紋調隙式左螺母外端有凸緣，右螺母右端加工有螺紋，用兩個圓螺母1、2把墊片壓在螺母座上，左右螺母通過平鍵和螺母座連接，使螺母在螺母座內可以軸向滑移而不能相對轉動。調整時，擰緊圓螺母1使右螺母向右滑動，就改變了兩螺母的間距，即可消除間隙并產生預緊力，然后用螺母2鎖緊。這種調整方法結構簡單緊湊，工作可靠，調整方便，應用較廣，但調整預緊量不能控制。圖6-19螺紋調隙式

（3）齒差調隙式

設滾珠絲杠的導程為t,兩個螺母相對于螺母座同方向轉動一個齒后，其軸向位移量為：圖6-20齒差調隙式

例如，Z1=99，Z2=100，滾珠絲杠的導程t=10mm時，則S=10/9900≈0.001mm，若間隙量為0.002mm,則相應的兩螺母沿同方向轉過兩個齒即可消除間隙。齒差調隙式的結構較為復雜，尺寸較大，但是調整方便，可獲得精確的調整量，預緊可靠不會松動，適用于高精度傳動。

3．滾珠絲杠的支承方式數控機床的進給系統要獲得較高的傳動剛度，除了加強滾珠絲杠副本身的剛度外，滾珠絲杠的正確安裝及支承結構的剛度也是非常重要的因素。如為了減少受力后的變形，螺母座應有加強肋，增大螺母座與機床的接觸面積，并要聯結可靠。由于滾珠絲杠所承受的主要是軸向載荷，它的徑向載荷主要是臥式絲杠的自重，常采用高剛度的推力軸承以提高滾珠絲杠的軸向承載能力。常用的滾珠絲杠的支承方式如圖6-21所示.

圖6-21滾珠絲杠在機床上的支承方式

（1）一端裝推力軸承（2）一端裝推力軸承，另一端裝向心球軸承（3）兩端裝推力軸承（4）兩端裝推力軸承及向心球軸承

圖6-22滾珠絲杠專用軸承另外有一種滾珠絲杠專用軸承，如圖6-22所示。這是一種特殊的向心推力滾珠軸承，它的軸向承載能力很大，其接觸角加大到60o，增加了滾珠數目并相應減小了滾珠直徑，它的軸向剛度比一般推力軸承提高兩倍以上，啟動力矩也小，使用也很方便，裝配時只要用螺母和端蓋將內外環壓緊，就能獲得出廠時已經調好的預緊力。

4．滾珠絲杠的防護滾珠絲杠副用潤滑劑來提高耐磨性及傳動效率，潤滑劑可分為潤滑油和潤滑脂，潤滑油一般為機械油或140號主軸油，經過殼體上的油孔注入螺母的空間內；潤滑脂常采用鋰基潤滑脂，一般加在螺紋滾道和安裝螺母的殼體的空間內，滾珠絲杠副如果在滾道上落入了灰塵、切屑，或者使用了不凈的潤滑油，不僅會妨礙滾珠的正常運轉，還會使磨損急劇增加，因此必須有防護裝置。通常采用密封圈對螺母進行防護。密封圈裝在滾珠螺母的兩端，分為接觸式的和非接觸式的兩種。接觸式的彈性密封圈用耐油橡膠或尼龍制成，其內孔做成與絲杠螺紋滾道相配合的形狀，與絲杠緊密接觸，它的防塵效果好，但也增加了滾珠絲杠的摩擦阻力距。非接觸式的密封圈又稱迷宮式密封圈，用硬質塑料制成，其內孔與絲杠螺紋的形狀相反，并稍有間隙，避免了摩擦阻力矩，但防塵效果差。對于在機床上外露的滾珠絲杠副，應采取封閉的防護罩，一般采用螺旋彈簧鋼帶套管、錐形套管以及折疊式套管等。安裝時將防護罩的一端連接在滾珠螺母的端面，另一端固定在滾珠絲杠的支承座上。

6.3.3靜壓蝸桿-蝸輪副和齒輪齒條副在大型數控機床中，工作臺的行程很長，它的進給運動不宜采用絲杠傳動，因為長絲杠制造困難，又容易彎曲下垂，軸向剛度和扭轉剛度也較低。一般大型數控機床常采用靜壓蝸桿蝸輪副和齒輪齒條副。1.靜壓蝸桿-蝸輪條傳動蝸桿-蝸輪機構是絲杠螺母機構的一種特殊形式。它的結構如圖6-23所示。

圖6-23蝸桿—蝸輪條傳動機構蝸輪條1相當于長螺母沿軸向剖開后的一部分，蝸桿2可看作是長度很短的絲杠，蝸桿旋轉與蝸輪條的接觸區在120o左右。

圖6-24靜壓蝸桿—蝸輪條傳動機構工作原理靜壓蝸桿-蝸輪條機構在靜壓蝸桿蝸輪條的嚙合面間注入壓力油，以形成一定厚度的油膜，使兩嚙合面之間成為液體摩擦，其工作原理如圖6-24所示。油腔開在蝸輪上，用毛細管節流的定壓供油方式給靜壓蝸桿蝸輪條供壓力油。從液壓泵輸出的壓力油，經過蝸杠螺紋內的毛細管節流器10，分別進入蝸輪條齒的兩側面油腔內，再經過嚙合面之間的間隙進入齒頂與齒根之間的間隙，此時壓力將為零，流回油箱。

靜壓蝸桿-蝸輪條傳動既有純液體摩擦的特點，又有蝸桿蝸輪條機構結構的特點，因此特別適合在重型機床的進給系統上應用。優點是：（1）摩擦阻力小，功率消耗少，傳動效率高，低速運動平穩；（2）齒面不直接接觸，不易磨損，使用壽命長，能長期保持精度；（3）由腔內的壓力油層有良好的吸振能力，抗振性能好；（4）軸向剛度大；（5）蝸輪條能無限接長，運動部件的行程可以很長。

2．齒輪齒條副齒輪齒條傳動常應用于行程較長的大型機床上，傳動比大，剛度和效率也比較高，從動件易獲得較高的移動速度。但它的位移精度和傳動平穩性較差，而且還不能自鎖。數控機床上采用齒輪齒條副時，除了提高它本身的精度或采取精度補償措施外還應采取措施消除傳動間隙。當傳動負載小時，可采用雙片薄齒輪調整法，分別與齒條齒槽的左、右兩側貼緊，從而消除齒側間隙。對于傳動負載大的重型數控機床，常采用預加負載雙齒輪-齒條無間隙傳動機構實現無間隙傳動如圖6-25所示。

圖6-25預加負載雙齒輪—齒條無間隙傳動機構進給電動機的運動傳遞給軸2，軸2上有兩個斜齒輪且螺旋方向相反，軸2的運動又分別傳至軸1和軸3，軸1上的齒輪4和軸3上的齒輪5都和床身齒條嚙合。對軸2施加軸向力（可在端部設有加載彈簧，通過調整螺母施加軸向力，也可靠液壓加負載），使軸2上的斜齒輪產生微量的軸向移動，由于軸2上的兩個斜齒輪的螺旋方向相反，因此軸1和軸3便以相反的方向轉過微小角度，使齒輪4和5分別與齒條齒槽的左右側面貼緊而消除了間隙。751、對導軌的要求

4.4數控機床進給傳動系統數控機床的導軌1）高的導向精度。

2）良好的耐磨性。

3）足夠的剛度。

4）具有低速運動的平穩性。76數控機床的導軌（2）滾動導軌塊滾動導軌塊多用于中等負荷導軌。使用時導軌塊裝在運動部件上，每一導軌應至少用兩塊或更多塊，導軌塊的數目取決于導軌的長度和負載的大小。與之相對的導軌多用鑲鋼淬火導軌。

77滾柱式滾動導軌塊(a)單元滾動塊;(b)在加工中心上的應用

78（3）滾動導軌的預緊

為了提高滾動導軌的剛度，應對滾動導軌進行預緊。預緊可提高接觸剛度，消除間隙；在立式滾動導軌上，預緊可防止滾動體脫落和歪斜。常見的預緊方法：①采用過盈配合。②調整法。調整螺釘、斜塊或偏心輪來進行預緊。4.4.5數控機床的導軌79鑲粘塑料—金屬導軌結構

4.4.5數控機床的導軌3、滑動導軌滑動導軌常見的截面形狀(a)矩形導軌；(b)三角形導軌；(c)燕尾槽導軌；(d)圓柱形導軌

在矩形和三角形導軌中，M面主要起支撐作用，N面是保證直線移動精度的導向面，J面是防止運動部件抬起的壓板面；而在燕尾形導軌中，M面起導向和壓板作用，J面起支撐作用。在數控機床上，滑動導軌的組合形式主要是三角形配矩形式和矩形配矩形式。只有少部分結構采用燕尾式。

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4、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。導軌不會磨損，精度保持性好，壽命長，而且導軌摩擦系數極小(約為0.0005)，功率消耗少。油膜承載能力大，剛度高，吸振性好，導軌運行平穩，既無爬行，也不會產生振動。靜壓導軌較多應用在大型、重型數控機床上。

4.4.5數控機床的導軌82閉式靜壓導軌恒壓供油原理

由于承載的要求不同，靜壓導軌分為開式和閉式兩種。

開式靜壓導軌只能承受垂直方向的負載，承受顛覆力矩的能力差。而閉式靜壓導軌能承受較大的顛覆力矩，導軌剛度也較高。數控機床自動換刀裝置車削中心動力轉塔刀架下圖為意大利生產的適用于全功能型數控車床及車削中心的動力轉塔刀架。刀盤上既可以安裝各種非動力輔助刀夾夾持刀具進行加工，還可以安裝動力刀夾進行主動切削，配合主機完成車、銑、鏜等各種復雜工序，實現加工程序自動化、高效化。刀庫式自動換刀裝置主要用于加工中心上。加工中心是一種備有刀庫并能自動更換刀具對工件進行多工序加工的數控機床。工件經一次裝夾后，數控系統能控制機床連續完成多工步的加工，工序高度集中。自動換刀裝置是加工中心的很重要組成部分，主要包括刀庫、刀具交換裝置（三）、刀庫式自動換刀裝置1、刀庫刀庫是存放加工過程中所使用的全部刀具的裝置。它的容量從幾把到上百把刀具。加工中心刀庫的形式很多，結構也各不相同，常用的有鼓盤式刀庫鏈式刀庫格子盒式刀庫（1）鼓盤式刀庫鼓盤式刀庫結構簡單、緊湊，在鉆削中心上應用較多。一般存放刀具數目不超過32把。刀具軸線與鼓盤軸線平行布置的刀庫刀具軸線與鼓盤軸線成一定角度布置的刀庫（2）鏈式刀庫（3）格子盒式刀庫這種刀庫排列密集，空間利用率高，刀庫容量大。2、刀具的選擇按數控裝置的刀具選擇指令，從刀庫中挑選各工序所需要的刀具操作稱為自動選刀。常用的選刀方式有順序選刀和任意選刀。（1）順序選刀刀具的順序選刀是將刀具按加工工序的順序，一次放入刀庫的每一個刀座內，刀具不能搞錯。當加工工件改變時，刀具在刀庫上的排列順序也要改變。缺點：同一工件上的相同刀具不能重復使用，因此刀具的數量增加，降低了刀具和刀庫的利用率。優點：它的控制以及刀具的運動等比較簡單。（2）任意選刀任意選刀方式是預先把刀庫中每把刀具（或刀座）都編上代碼，按照編碼選刀，刀具在刀庫中不必按照工件的加工順序排列。任意選刀有四種方式：刀具編碼式、刀座編碼式、附件編碼式及計算機記憶式

刀具編