数控机床的机械结构

数控机床的机械结构第1页/共145页2一台小型立式加工中心的外形图第2页/共145页3数控机床本体的组成：其中，机床基础件、主传动系统、进给系统以及液压、润滑、冷却等辅助装置是构成数控机床的机床本体的基本部件，其他部件则按数控机床的功能和需要选用。（1）主传动系统：实现主运动，使刀具(或工件)产生主切削运动（2）进给系统：实现进给运动，使工件(或刀具)产生进给运动并实现定位（3）机床基础件指床身、底座、立柱、滑座、工作台等。其功用是支承机床本体的零、部件，并保证这些零、部件在切削加工过程中占有的准确位置（4）实现某些部件动作和某些辅助功能的装置如液压、气动、润滑、冷却以及防护、排屑等装置（5）实现工件回转、分度定位的装置和附件（6）刀库、刀架和自动换刀装置（7）自动托盘交换装置（8）特殊功能装置如刀具破损检测、精度检测和监控装置等第3页/共145页44.1概述(Introduction)

从本质上说，数控机床与普通机床一样，也是一种经过切削将金属材料加工成各种不同形状零件的设备。近年来，随着电主轴、直线电机等新技术、新产品在数控机床上的推广应用，数控机床的机械结构正在发生重大的变化；虚拟轴机床的出现和实用化，使传统的机床结构面临着更严峻的挑战。第4页/共145页54.1概述(Introduction)⒈结构简单、操作方便、自动化程度高。4.1.1数控机床机械结构的主要特点1）伺服进给系统代替普通机床的进给系统；2）主轴调速系统实现主轴自动变速；3）在操作上，它不像普通机床那样，需要操作者通过手柄进行调整和变速，操作机构比普通机床要简单多；4）由于数控机床的大部分辅助动作都可以通过数控系统的辅助技能（M技能）进行控制，因此，常用的操作按钮也较普通机床少。第5页/共145页6⒉广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品1）数控机床进行的是高速、高精度加工，在简化机械结构的同时，对于机械传动装置和元件也提出了更高的要求；2）特别是随着新材料，新工艺的普及、应用，高速加工已经成为目前数控机床的发展方向之一。⒊具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件1）“工艺复合化”和“功能集成化”是无人化、柔性加工的基本要求，也是数控机床最显著的特点和当前的发展方向；2）自动换刀装置（ATC）、动力刀架、自动换屑装置、自动润滑装置等特殊机械部件是必不可少，有的机床还带有自动工作台交换装置（APC）；3）工件的自动装卸、自动定位，刀具的自动对刀、破损检测、寿命管理，工件的自动测量和自动补偿功能上；第6页/共145页7静压导轨第7页/共145页8⒋对机械结构、零部件的要求高1）对组成机床的各种零部件和控制系统的可靠性要求很高；2）为了提高加工效率，充分发挥机床性能，数控机床通常都能够同时进行粗细加工。这就要求机床既能满足大切削量的粗加工对机床的刚度、强度和抗震性的要求，而且也能达到精密加工机床对机床精度的要求；3）数控机床的主轴电机的功率一般比同规格的普通机床大，主要部件和基础件的加工精度通常比普通机床高，对组成机床各部件的动、静态性能以及热稳定性的精度保持性也提出了更高的要求。第8页/共145页94.1.2数控机床对机械结构的基本要求⒈具有较高的静、动刚度和良好的抗振性1）机床的刚度反映了机床机构抵抗变形的能力；2）为了满足数控机床高效、高精度、高可靠性以及自动化的要求，与普通机床相比，数控机床应具有更高的精刚度；3）此外，为了充分发挥机床的效率，加大切削用量，还必须提高机床的抗震性，避免切削时产生的共振和颤振。而提高机构的动刚度是提高机床抗震性的基本途径。第9页/共145页10⒉具有良好的热稳定性1）机床的热变性是影响机床加工精度的主要因素之一；2）在数控机床上还应采取必要的措施，尽可能减小机床的热变性。第10页/共145页11⒊具有较高的运动精度与良好的低速稳定性1）利用伺服系统代替普通机床的进给系统是数控机床的主要特点；2）这就要求进给系统具有较高的运动精度，良好的跟踪性能和低速稳定性，才能对数控系统的位置指令做出准确的响应，从而得到要求的定位精度；3）传动装置的间隙直接影响着机床的定位精度，虽然在数控系统中可以通过间隙补偿、单向定位等措施减小这一影响，但不能完全消除；4）特别是对于非均匀间隙，必须机械消除间隙措施，才能得到较好的解决。第11页/共145页12⒋具有良好的操作、安全防护性能1）在大部分数控机床上，刀具和工件的装卸、刀具和夹具的调整、还需要操作者完成，机床的维修更离不开人，而且由于加工效率的提高，数控机床的工件装卸可能比普通机床更加频繁，因此良好的操作性能是数控机床设计时必须的问题；2）数控机床是一种高度自动化的加工设备，动作复杂，高速运动部件较多，对机床动作互锁、安全防护性能的要求也比普通机床要高很多；3）同时，数控机床一般都有高压、大流量的冷却系统，为了防止切屑、冷却液的飞溅，数控机床通常都应采用封闭和半封闭的防护形式，增加防护性能。第12页/共145页134.1.3提高数控机床性能的措施⒈合理选择数控机床的总体布局1）在数控机床上采用斜床身布局，可以改善受力情况，提高床身的刚度，提高操作性能；2）卧式数控镗床采用T形床身，框架结构双立柱、立柱移动式（Z）布局，可以减少机床的机构层次，大大提高机床结构刚度和加工精度，精度的稳定性好，热变性的影响小；3）在高速加工机床上，则通过采用固定门式立柱、“箱中箱”等特殊的布局型式，以最大限度地降低运动部件的质量，提高机床部件的快进速度和加速度，以满足高速加工的需要。第13页/共145页14⒉提高结构件的刚度1）改善机械部分构件；2）合理设计截面、布置筋板；3）利用平衡机构补偿部件变形；3）改善构件间的连接形式；4）缩短传动链，适当加大传动轴，对轴承和滚珠丝杠等传动部件进行预紧等等。第14页/共145页15⒊提高机床抗振性1）对机床高速转旋转部件，特别是主轴部件进行动平衡，对传动部件进行消隙处理，减少机床激振力；2）提高机械部件的静态刚度和固有频率，避免共振，在机床结构大件中充填阻尼材料，在大件表面喷涂阻尼涂层抑制振动等。⒋改善机床的热变形1）采用伺服电动机和主轴电动机、变量泵等低能耗执行元件，减少热量的产生；2）简化传动系统的结构，减少传动齿轮、传动轴，采用低摩擦系数的导轨和轴承，减少摩擦发热；3）改善散热条件、增加隔热措施、对发热部件（如：电柜、丝杆、油箱等）进行强制冷却，吸收热量，避免温升；4）采用对称结构设计，使部件均匀受热；对切削部分采用高压、大流量冷却系统冷却等等。第15页/共145页16⒌保证运动的精度和稳定性1）减小运动部件的质量，采用低摩擦系数的导轨和轴承以及滚珠丝杆副、静压导轨、直线滚动导轨、塑料滑动导轨等高效执行部件，可以减少系统的摩擦阻力，提高运动精度，避免低速爬行；2）缩短传动链，对传动部件进行消隙，对轴承和滚珠丝杠进行预紧，可以减消机械系统的间隙和非线性影响，提高机床的运动精度和稳定性。第16页/共145页17数控车床的常用布局形式卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布局形式

立式数控镗铣床（立式加工中心）的常用布局形式数控机床交换工作台的布局高速加工数控机床的特殊布局

虚拟轴机床4.2数控机床的总体布局第17页/共145页184.2.1数控车床的常用布局形式第18页/共145页19数控车床常用的布局型式有平床身、斜床身和立式床身三种

一般经济型、普及型数控车床以及数控化改造的车床，大都采用平床身；

床身工艺性好，便于导轨面的加工，下部空间小，故排屑困难，刀架水平放置加大了机床宽度方向的结构尺寸第19页/共145页20性能要求较高的中、小规格数控车床采用斜床身（有的机床是用平床身斜滑板）；

斜床身布局的数控车床（导轨倾斜角度通常选择45º、60º或75º），不仅可以在同等条件下，改善受力情况，而且还可通过整体封闭式截面设计，提高床身的刚度，特别是自动换刀装置的布置较方便。而平床身、立式床身布局的机床受结构的局限，布置比较困难，限制了机床性能。因此，斜床身布局的数控车床应用比较广泛。第20页/共145页21

大型数控车床或精密数控车床采用立式床身第21页/共145页22在其他方面则三种布局方式各具特点：当主轴箱因发热使主轴轴线产生热变位时，斜床身的影响最小；斜床身、立式床身因排屑性能好，受切屑产生的热量影响也小。

斜床身的观察角度最好、工件的调整比较方便，平床身有刀架的影响，加上滑板突出前方，观察、调整较困难。但是，在大型工件和刀具的装卸方面，平床身因其敞开面宽，起吊容易，装卸比较方便。立式床身因切屑可以自由落下，排屑性能最好，导轨防护也较容易。在防护罩的设计上，斜床身和立式床身结构较简单，安装也比较方便；而平床身则需要三面封闭，结构较复杂，制造成本较高。（1）热稳定性：（2）运动精度：（3）加工制造：（4）操作、防护、排屑性能：平床身布局由于刀架水平布置，不受刀架、滑板自重的影响，容易提高定位精度；立式床身受自重的影响最大，有时需要加平衡机构消除；斜床身介于两者之间平床身的加工工艺性较好，部件精度较容易保证。另外，平床身机床工件重量产生的变形方向竖直向下，它和刀具运动方向垂直，对加工精度的影响较小；立式床身产生的变形方向正好沿着运动方向，对精度影响最大；斜床身介于两者之间。第22页/共145页234.2.2

卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布局型式

卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的布局形式种类较多，其主要区别在于立柱的结构形式和X、Z坐标轴的移动方式上（Y轴移动方式无区别）；常用的立柱有：

单立柱、框架结构双立柱第23页/共145页24Z坐标轴的移动方式为工作台移动式单立柱图a所示的结构形式和传统的卧式镗床相同，多见于早期的数控机床或数控化改造的机床；第24页/共145页25框架结构双立柱Z坐标轴的移动方式为工作台移动式图b所示的采用了框架结构双立柱、Z轴工作台移动式布局，为中、小规格卧式数控机床常用的结构形式第25页/共145页26Z坐标轴的移动方式为立柱移动式图c所示的采用了T形床身、框架结构双立柱、立柱移动式（Z轴）布局，为卧式数控机床典型结构第26页/共145页27

框架结构双立柱采用了对称结构，主轴箱在两立柱中间上、下运动，与传统的主轴箱侧挂式结构相比，大大提高了结构刚度。另外，主轴箱是从左、右两导轨的内侧进行定位，热变形产生的主轴轴线变位被限制在垂直方向上，因此，可以通过对Y轴的补偿，减小热变形的影响。

T形床身布局可以使工作台沿床身做X方向移动时，在全行程范围内，工作台和工件完全支承在床身上，因此，机床刚性好，工作台承载能力强，加工精度容易得到保证。而且，这种结构可以很方便地增加X轴行程，便于机床品种的系列化、零部件的通用化和标准化。

立柱移动式结构的优点是：Z轴的移动在后床身上进行，进给力与轴向切削力在同一平面内，承受的扭曲力小，镗孔和铣削精度高。此外，由于Z轴的导轨的承重是固定不变的，它不随工件重量改变而改变，因此有利于提高Z轴的定位精度和精度的稳定性。但是，由于Z轴承载较重，对提高Z轴的快速性不利，这是其不足之处。第27页/共145页28

为了提高数控机床的加工效率，在卧式加工中心上经常采用双交换工作台，进行工件的自动交换，以进一步缩短辅助加工时间，提高机床效率。如图所示是两种常见的双交换工作台布局型式。

移动式双交换工作台布局图，用于工作台移动式卧式加工中心回转式双交换工作台布局图，用于立柱移动式卧式加工中心第28页/共145页294.2.3立式数控镗铣床（立式加工中心）的常用布局型式

立式数控镗铣床（立式加工中心）的布局型式与卧式数控镗铣床类似，如图所示是三种常见的布局型式。工作台移动式X、Y、Z轴立柱移动式Z轴立柱移动式第29页/共145页30

此外还有一种通过双工作区，进行工件交换的布局型式，如图4.5所示，多用于长床身（X轴行程在1500mm以上），且X、Y、Z三轴都是立柱移动式（图4.4c）的立式加工中心上第30页/共145页314.2.4

高速加工数控机床的特殊布局

高速加工机床需要同时满足高移动速度，高加速度、高主轴转速以及高精度加工的要求，因而在结构布局上需要集高速、高精度和高刚度于一体。在机床总体布局上必须考虑到高速加工机床的特殊性图a是立式数控机床采用固定门式立柱的布局型式图b是卧式数控机床采用“内外双框架”即“箱中箱”（boxinbox）结构的布局型式滑座滑枕第31页/共145页324.2.5

虚拟轴机床

虚拟轴机床常见的布局有立式和卧式两种。如图4.7所示，虚拟轴机床的基座与主轴平台间是由六根杆并联地连接的，称之为并联结构。X、Y、Z三个坐标轴的运动由六根杆同时相互耦合地作伸缩运动来实现图a所示为立式虚拟轴数控机床图b所示为卧式虚拟轴数控机床。第32页/共145页33措施1

支承件截面形状尽量选用抗弯的方截面和抗扭的圆截面或采用封闭型床身封闭整体箱形结构第33页/共145页34

左图为卧式加工中心的框式立柱结构。从正面看，立柱截面成封闭框形．轮廓尺寸大，保证以高扭转刚度承受切削扭矩产生的扭转载荷。

从俯视截面看，两个立柱截面形状为矩形，矩形尺寸大的方向正是因切削力作用产生大的弯曲载荷的方向。这种结构具有很高的刚度。第34页/共145页35措施2

合理布置支承件隔板的筋条

隔板的作用是将作用于支承板的局部载荷传递给其它壁板，从而使整个支承件承受载荷，提高支承件的自身刚度。“T”形隔板连接，主要提高水平面抗弯刚度，对提高垂直面抗弯刚度和抗扭刚度不显著，多用在刚度要求不高的床身上。第35页/共145页36“W”形隔板，能较大地提高水平面上的抗弯抗扭刚度，对中心距超过1500mm的长床身，效果最为显著“”形隔板，在垂直面和水平面上的抗弯刚度都比较高，铸造性能好，在大中型车床上应用较多第36页/共145页37斜向拉筋，床身刚度最高，排屑容易第37页/共145页38

测出受力点的相对变形的大小和方向，或者预知构件的变形规律，就可采取补偿变形的方法消除受力变形的影响第38页/共145页39连接刚度:支承件在连接处抵抗变形的能力。第39页/共145页40主轴冷却风管对机床热源进行强制冷却第40页/共145页41对称结构立柱第41页/共145页424.3数控机床的主传动系统1、定义、功用、组成定义：主运动系统：指驱动主轴运动的系统。主轴：指带动刀具和工件旋转，产生切削运动且消耗功率最大的运动轴。功用：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：控制主运动的大小方向开停组成：动力源：电机传动系统：定比传动机构、变速装置运动控制装置:离合器、制动器等执行件：主轴4.3.1主传动的基本要求和变速方式第42页/共145页432、对主传动系统要求⑴主轴一般都要求能自动实现无级变速；1∶（100～1000）的恒转矩调速范围和1∶10的恒功率调速范围⑵要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率，以适应高速、高效的加工需⑶为了降低噪声、减轻发热、减少振动，主传动系统应简化结构，减少传动件⑷在加工中心上，还必须具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合⑸为了扩大机床功能，实现对C轴位置（主轴回转角度）的控制，主轴还需要安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制第43页/共145页443、主传动的无级变速通常有以下三种方法：⑴采用交流主轴驱动系统实现无级变速传动，在早期的数控机床或大型数控机床（主轴功率超过100kw）上，也有采用直流主轴驱动系统的情况。⑵在经济型、普及型数控机床上，为了降低成本，可以采用变频器带变频电机或普通交流电机实现无级变速的方式。⑶在高速加工机床上，广泛使用主轴和电机一体化的新颖功能部件——电主轴。电主轴的电机转子和主轴一体，无需任何传动件，可以使主轴达到数万转、甚至十几万转的高速第44页/共145页45数控机床主传动的四种配置方式(a)齿轮变速；(b)带传动；(c)两个电机分别驱动；(d)调速电机直接驱动

4.3.2主轴的联接型式第45页/共145页46⒈用辅助机械变速机构联接▲应用于大、中型数控机床上，目的是使主轴在低速时获得大扭矩和扩大恒功率调速范围，满足机床重切削时对扭矩的要求。▲通常采用2-3级齿轮变速。主轴电动机（1）电动机+变速齿轮+主轴第46页/共145页47额定扭矩140N.m，额定转速1500rpm，22KW的交流无级变速电动机，经过机械变速后的扭矩、功率曲线第47页/共145页48（2）用两个电机分别驱动主轴传动

高速时，由一个电机通过带传动；低速时，由另一个电机通过齿轮传动，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，使恒功率区增大，扩大了变速范围，避免了低速时转矩不够且电机功率不能充分利用的问题。

第48页/共145页492.定传动比的联接型式（1）无级调速电动机+带传动+主轴小型数控机床中一般采用同步齿形带，多见于数控车床。减少了噪声和振动TND360型数控机床的主传动系统第49页/共145页50主轴电动机小型数控机床中一般采用同步齿形带，多见于数控车床。减少了噪声和振动第50页/共145页51

大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出的扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。

（2）调速电机直接驱动主轴传动直接驱动式，小型数控机床中，输出扭矩小

第51页/共145页523.采用电主轴（Electrospindle,MotorSpindle)主轴电动机与机床主轴合而为一，传动链为零，又称“零传动”。

优点：结构轻、惯性小、高转速、高精度、高功率，高刚度，结构紧凑。

应用：高速数控机床第52页/共145页53电主轴结构第53页/共145页54结构轴壳：通常将轴承座孔直接设计在轴壳上。电主轴为加装电动机定子，必须开放一端。大型或特种电主轴，为方便制造、节省材料，可将轴壳两端均设计成开放型。转轴：成品转轴的形位公差和尺寸精度要求都很高。且必须对转轴进行严格的动平衡。

轴承：高速精密轴承。具有高速性能好、动载荷承载能力高、润滑性能好、发热量小等优点。定子与转子：定子由具有高磁导率的优质矽钢片叠压而成，叠压成型的定子内腔带有冲制嵌线槽。定子通过一个冷却套固装在电主轴的壳体上。转子由转子铁心、鼠笼、转轴三部分组成。位于前后轴承之间，用热压装配法与主轴产生过盈配合，用由过盈力传递扭矩。第54页/共145页55发热问题的解决热源：内置电动机的发热和主轴轴承的发热。可用循环切削液冷却。电主轴内置电动机的发热与散热第55页/共145页564.3.2

主轴部件的支承⒈主轴轴承主轴组件包括主轴、主轴轴承、传动零件等一般采用滚动轴承轴承类型：（a）锥孔双列圆柱滚子轴承：

内圈为1：12的锥孔，当内圈沿锥形轴轴向移动时，内圈胀大，可以调整滚道间隙。滚子与内外圈线性接触，承载能力大，刚性好。允许极限转速较高。对箱体孔、主轴颈的加工精度要求高，且只能承受径向载荷。第56页/共145页57（b）双列推力向心球轴承接触角为60°。球径小、数量多，允许转速高，轴向刚度较高，能承受双向轴向载荷。该种轴承一般与双列圆柱滚子轴承配套用作主轴的前支承。第57页/共145页58（c）双列圆锥滚子轴承。

这种轴承的特点是内、外列滚子数量相差一个，能使振动频率不一致，因此，可以改善轴承的动态性能。轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷，通常用作主轴的前支承。第58页/共145页59（d）带凸肩的双列圆锥滚子轴承。结构和图（c）相似，特点是滚子被做成空心，故能进行有效润滑和冷却；此外，还能在承受冲击载荷时产生微小变形，增加接触面积，起到有效吸振和缓冲作用。第59页/共145页60第60页/共145页612.轴承的配置（a）后端定位：推力轴承布置在后支承两侧，并承受双向轴向载荷。优点：简化主轴端部结构，缺点：主轴热膨胀，向前端伸长或横向弯曲，影响精度。（b）前后两端定位：推力轴承布置在前、后支承的两外侧，轴向载荷分别由前后支承承受。轴向间隙一般由后端调整。在主轴受热伸长时，会改变支承的轴向、径向间隙，影响加工精度。设计时应考虑对主轴的自动预紧。第61页/共145页62(c)(d)均采用前端定位，推力轴承布置在前支承，轴向载荷由前支承承受。优点是结构刚度较高；主轴受热伸长，不会影响加工精度。图(c)的推力轴承安装在前支承两侧，会增加主轴的悬伸长度，对提高刚度不利。图(d)推力轴承均布置在前支承内侧，主轴的悬伸长度小，刚度大。但前支承结构较复杂，一般用于高速精密数控机床。第62页/共145页63常见主轴轴承支承形式:

1）前支撑采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力球轴承组合，后支撑采用成对向心推力球轴承。可提高主轴的综合刚度，满足强力切削的要求。普遍用于各类数控机床主轴。第63页/共145页64

2）前支撑采用高精度双列向心推力球轴承。向心推力轴承有良好的高速性，主轴最高转速可达4000r／min，但承载能力小，适于高速、轻载、高精密的数控机床主轴。

第64页/共145页65

3）前后支撑分别采用双列和单列圆锥滚子轴承。径向和轴向刚度高，能承受重载荷，其安装、调整性能好，但限制了主轴转速和精度，因此可用于中等精度、低速、重载的数控机床的主轴。

第65页/共145页664.3.4

主轴部件结构机床主轴部件的结构根据不同的机床有较大的差别。主轴组件的分析方法：轴承类型、轴承配置、轴向力传递方式、轴承间隙调整方法。第66页/共145页67数控车床主轴组件图热调整套挡圈挡圈挡圈卡盘过渡盘第67页/共145页684.4数控机床的进给传动系统4.4.1

数控机床对进给传动系统的基本要求协助完成加工表面的成形运动，传递所需的运动及动力1、进给系统的功用2、传统进给传动系统与数控伺服进给系统的区别传统进给传动系统：多采用一个电机，执行件之间采用大量的齿轮传动，以实现内外传动链的各种传动比要求。故传动链很长，结构相当复杂数控伺服进给系统：每一个运动都由单独的伺服电机驱动，传动链大大缩短，传动件大大减少，有利于减少传动误差，提高传动精度第68页/共145页69工作台导轨副3、进给系统机械部分的组成传动机构:

齿轮传动、同步带传动运动变换：丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等导向机构：导轨（滑动导轨、滚动导轨、静压导轨）传动机构+运动变换机构+导向机构+执行件（工作台）第69页/共145页704、数控机床对机械传动系统的要求可以概括如下：⒈提高传动部件的刚度措施1

保证部件加工精度措施2

在传动链中加入减速齿轮—减小脉冲当量，提高传动精度措施3

预紧支撑丝杠的轴承—消除齿轮、蜗轮传动件间隙措施4

预紧消除滚珠丝杠螺母副的轴向传动间隙⒉减小传动部件的惯量快速响应.减小运动部件质量第70页/共145页71⒊减小传动部件的间隙设计中可采用消除间隙的联轴节及有消除间隙措施的传动副等方法⒋减小系统的摩擦阻力提高机床进给系统的快速响应性能和运动精度，减少爬行现象响应性能：是进给伺服系统动态性能的指标，反映了系统的跟踪精度运动精度：是机床的主要零、部件在以工作状态的速度运动时的精度爬行现象：低速时运动不平衡的现象称为爬行现象第71页/共145页724.4.2数控机床进给传动系统的基本形式直线进给运动：通过丝杠螺母副（通常为滚珠丝杠或静压丝杠），将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。通过齿轮、齿条副，将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。直接采用直线电动机进行驱动。圆周进给运动：除少数情况直接使用齿轮副外，一般都采用蜗轮蜗杆副。第72页/共145页73下面详细介绍以下几种传动形式：⒈滚珠丝杠螺母副⒉静压丝杠螺母副⒊静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副⒋直线电机直接驱动第73页/共145页744.4.3

滚珠丝杠螺母副的原理⒈滚珠丝杠螺母副的结构原理丝杠滚珠螺母作用：将回转运动转换成直线运动第74页/共145页75内循环滚珠丝杠

1）内循环。靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚珠成单圈循环。反向器的数目与滚珠圈数相等。滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小，但制造精度要求高；结构紧凑，刚度好，摩擦损失小，制造较困难，适用于高灵敏、高精度的进给系统。

第75页/共145页762)外循环通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。结构简单、制造容易、工艺性好，承载能力较高，但径向尺寸较大且弯管两端耐磨性和抗冲击性差。

应用最为广泛，也可用于重载传动系统。

第76页/共145页772.滚珠丝杠螺母副的预紧轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动。除了结构本身的游隙之外，在施加轴向载荷之后，轴向间隙还包括弹性变形所造成的窜动。可通过预紧方法消除滚珠丝杠副间隙，并能提高刚度。滚珠丝杠螺母副的预紧方法与螺母的型式有关。注意点：预紧虽能有效地减小弹性变形所带来的轴向位移，但过大的预加载荷将增加摩擦阻力，降低传动效率，并使寿命大为缩短。所以，一般要经过几次调整才能保证机床在最大轴向载荷下，既消除了间隙，又能灵活运转。

第77页/共145页78（1）对于单螺母结构主要有三种：①增加滚珠直径预紧法：通过筛选滚珠的大小进行预紧。无须改变螺母结构，简单可靠，刚性好；但它一旦配好，就不能对预紧力再进行调整。当预紧力调整为额定动载荷的2%~5%左右时，性能最佳；允许最大预紧力为额定动载荷的5%。第78页/共145页79②螺母夹紧预紧法(b)：在螺母的单边加工一条0.1mm的缝隙，再通过螺栓4径向夹紧螺母。制造成本低，调整简单，预紧力调整方便；但对刚性有一定的影响。允许最大预紧力为额定动载荷的5%。第79页/共145页80③整体螺母变位螺距预紧法(c)：通过整体螺母变位，使螺母相对丝杠产生轴向移动。这种方法的特点是结构紧凑，工作可靠，调整方便；但调整位移量不易。第80页/共145页81（2）对于双螺母结构的滚珠丝杠螺母副双螺母垫片预紧法(a)。它是通过改变垫片4的厚度，使螺母相对丝杠产生轴向位移的预紧方法。这种方法的特点是结构简单可靠，刚性好；但调整较费时间，且不能在工作中随意调整。最大预紧力不能超过平均工作载荷的33%，通常调整为额定动载荷的10%左右。第81页/共145页82双螺母螺纹调隙式：螺母1的外端有凸缘。螺母2外端无凸缘但有螺纹，并伸出套筒外，并用两个圆螺母4固定。旋转圆螺母4，即可消除间隙，并产生预紧力。第82页/共145页83齿差调隙式：在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，齿数差为1，两个内齿圈的齿数与外齿轮的齿数相同，并用螺钉和销钉固定在螺母座的两端。调整时先将内齿圈取出，根据间隙的大小使两个螺母分别在相同方向转过一个齿或几个齿，使螺母在轴向彼此移近(或移开)相应的距离。

第83页/共145页84（1）滚珠丝杠螺母副的支承轴承双向推力角接触球轴承.接触角为60°，可以承受双向轴向载荷和径向载荷，装配后可以采用精密锁紧螺母预紧。轴向刚度高，可以承受很大的轴向力，是一种专门用于滚珠丝杠的轴承。4、滚珠丝杠螺母副的安装第84页/共145页85滚针/推力圆柱滚子轴承。由一个带向心和推力滚道的外圈、两个轴圈、一个内圈、一个向心滚针、两个推力圆柱滚珠等组成的完整单元。可以承受双向轴向载荷和径向载荷，装配后可以采用精密锁紧螺母预紧。可以承受很大的轴向力，也是一种专门用于滚珠丝杠的轴承。第85页/共145页86特点：其承载能力小，轴向刚度低，仅适用于短丝杠，如用于数控机床的调整环节或升降台式数控机床的垂直坐标中一端装止推轴承（固定—自由式）（2）滚珠丝杠螺母副的支承方式第86页/共145页87一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承（固定—支承式）特点：当滚珠丝杠较长时，一端装止推轴承固定，另一端由深沟球轴承支承/向心球轴承。为了减小丝杠热变的影响，止推轴承的安装位置应远离热源（如液压马达），用于丝杠较长的情况。第87页/共145页88两端装止推轴承特点：将止推轴承装在滚珠丝杠两端，并施加预紧拉力，有助于提高传动刚度，但对热伸长较敏感。当丝杠热变形伸长时，将使轴承去载，产生轴向间隙。第88页/共145页89两端装双重止推轴承及深沟球轴承（固定—固定式）特点：为了提高刚度，丝杠两端采用双重支承，如止推轴承和深沟球轴承，并施加预紧拉力。这种结构形式，可使丝杠的热变形能转化为止推轴承的预紧力。传动刚度高，结构和安装工艺复杂，适用于长丝杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠。第89页/共145页90（3）滚珠丝杠螺母副的制动方式

当机床工作时，电磁铁线圈吸住压簧，打开摩擦离合器。此时步进电动机接受控制机的指令脉冲后，将旋转运动通过液压转矩放大器及减速齿轮传动，带动滚珠丝杠副转换为主轴箱的垂直移动。当步进电动机停止转动时，电磁铁线圈亦同时断电，在弹簧作用下摩擦离合器压紧，使得滚珠丝杠不能自由转动，主轴箱就不会因自重而下沉了。

由于滚珠丝杠螺母副的传动效率高，无自锁作用（特别是滚珠丝杠处于垂直传动时），为防止因自重下降，必须装有制动装置数控卧式铣镗床主轴箱进给丝杠的制动装置第90页/共145页91（4）滚珠丝杠螺母副的安装注意事项

滚珠丝杠螺母副仅用于承受轴向负荷，径向力、弯矩会使滚珠丝杠螺母副附加表面接触应力等负荷，从而可能造成丝杠的永久性损坏。正确的安装是有效维护的前提。因此，滚珠丝杠螺母副安装到机床时，应注意以下几点：1）丝杠的轴线必须和与之配套导轨的轴线平行，机床的两端轴承座与螺母座必须三点成一线。2）安装螺母时，尽量靠近支撑轴承。3）安装支撑轴承时，尽量靠近螺母安装部位。4）滚珠丝杠安装到机床时，请不要把螺母从丝杠上卸下来。如必须卸下来时要使用辅助套，否则装卸时滚珠有可能脱落。第91页/共145页92螺母装卸时应注意以下几点：（1）辅助套外径应小于丝杠底径0.1—0.2mm。（2）辅助套在使用中必须靠紧丝杠螺纹轴肩。（3）卸装时，不可用力过大，以免螺母损坏。（4）装入安装孔时要避免撞击和偏心。第92页/共145页93（5）滚珠丝杠螺母副的防护1）若滚珠丝杠副在机床上外露，则应采用防护罩防护：用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管、锥形套管、折叠式的塑料或人造革等形式的防腐蚀及耐油的防护罩。

2）如果滚珠丝杠副处于隐蔽的位置，则可采用密封圈对螺母进行密封，装在滚珠螺母的两端。密封圈有接触式和非接触式两种。第93页/共145页94（5）滚珠丝杠螺母副的润滑可用润滑剂来提高耐磨性和传动效率，润滑剂可分润滑油和润滑脂两大类。

1）润滑油：为一般机油或90号—180号透平油、140号或N15主轴油，通过壳体上的油孔注入螺母的内部。

2）润滑脂：一般采用锂基润滑脂，通常加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内。（6）滚珠丝杠螺母副的使用滚珠丝杠螺母副在使用时应注意：

1）滚珠螺母应在有效行程内运行，必要时，在行程两端配置限位装置，以避免螺母行程脱离丝杠轴而使滚珠脱落；

2）滚珠丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方向时，必须防止传动停止或电动机失电后，因部件自重而产生的逆传动。

3）滚珠丝杠螺母副的正常工作环境温度范围为－60——60度。

第94页/共145页955、滚珠丝杠副的参数名义直径d0：滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆珠直径。它与承载能力直接有关，常用范围为30—80mm，一般大于丝杠长度的1/35—/30.行程P：丝杠相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移基本导程P0：丝杠相对于螺母旋转2π弧度时，螺母上基准点的轴向位移接触角β:法向剖面内，滚珠球心与滚道接触点连线和螺纹轴线垂直线间的夹角。第95页/共145页961）国产的滚珠丝杠螺母副结构类型代号6、滚珠丝杠副螺母副的代号、精度等级和标注第96页/共145页972）滚珠丝杠副的精度等级滚珠丝杠副的精度等级及其应用范围如下表所示。第97页/共145页98各类机床采用滚珠丝杠副的推荐精度等级如下表所示。第98页/共145页993）滚珠丝杠副的标注滚珠丝杠副的标注方法采用汉语拼音字母、数字及汉字结合标注法，如图所示。第99页/共145页100例如:WD3005－3.5×1／B左一800×1000它表示外循环垫片调隙式的双螺母滚珠丝杠副，名义直径为30mm，螺距为5mm，一个螺母循环3.5圈，单列，B级精度，左旋，丝杠的螺纹部分长度为800mm，丝杠的总长度为1000mm。第100页/共145页1014.4.5滚珠丝杠螺母副与电机的联结⒈联轴器直接联接优点：具有最大的扭转刚度；传动机构本身无间隙，传动精度高；而且结构简单，安装、调整方便。在大、中型机床上使用，难以发挥伺服电动机高速、低转矩的特性；通常适用于输出扭矩要求在15NM~40NM左右的中、小型机床或高速加工机床。第101页/共145页102挠性联轴器：能补偿因同轴度及垂直度误差引起的“干涉”现象。第102页/共145页103⒉通过齿轮联接第103页/共145页104⒊通过同步齿形带联接

具有带传动和链传动的共同优点，与齿轮传动相比它结构更简单，制造成本更低，安装调整更方便。并且传动不打滑、不需要大的张紧力；传动效率可以达到98~99.5%，最高线速度可以达到80m/s，故广泛用于一般数控机床和高速、高精度的数控机床传动。第104页/共145页105齿轮传动间隙的消除措施反向进给时，轮齿侧隙会使进给运动的反向滞后于指令信号，从而影响其驱动精度。（1）直齿圆柱齿轮传动间隙的调整1、偏心轴套调整法。电动机1通过偏心轴套2装到壳体上。改变偏心轴套的转角，可调整两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时的齿侧隙。第105页/共145页1062、锥度齿轮调整法。

在加工齿轮1和2时，将假想的分度圆柱面改变成带有小锥度的圆锥面，使其齿厚在齿轮的轴向稍有变化。装配时只要改变垫片3的厚度就能调整两个齿轮的轴向相对位置，从而消除齿侧间隙。

上述两种方法的特点是结构比较简单，传动刚度好，能传递较大的动力，但齿轮磨损后齿侧间隙不能自动补偿（刚性调整法），因此加工时对齿轮的齿厚及齿距公差要求较严，否则传动的灵活性将受到影响。第106页/共145页1073．双齿轮错齿调整

每个薄片齿轮上分别开有周向圆弧槽，并在齿轮1、2的槽内压有装弹簧的短圆柱3，由于弹簧4的作用使齿轮1、2错位，分别与宽齿轮的齿槽左右侧贴紧，消除了齿侧间隙。第107页/共145页108（2）斜齿圆柱齿轮传动间隙的消除1、垫片调整斜齿轮1和2间加厚度为t的垫片。用螺母拧紧，使两齿轮1和2的螺旋线产生错位，其后两齿面分别与宽齿轮4的齿面贴紧消除间隙。垫片3的厚度和齿侧间隙⊿的关系可由下式算出：

t＝⊿cotβ式中β--斜齿轮的螺旋角；⊿--齿侧间隙；t--增加垫片的厚度。第108页/共145页1092．轴向压簧调整如图所示，斜齿轮1和2用键滑套在轴上，相互间无相对转动。斜齿轮1和2同时与宽齿轮5啮合，螺母3调节蝶形弹簧4，使齿轮1和2的齿侧分别贴紧宽齿轮5的齿槽左右两侧，消除了间隙。弹簧压力的调整大小应适当，压力过小则起不到消隙的作用，压力过大会使齿轮磨损加快，缩短使用寿命。齿轮内孔应有较长的导向长度，因而轴向尺寸较大，结构不紧凑，优点是可以自动补偿间隙。

第109页/共145页110（3）锥齿轮传动间隙的消除1、周向压簧调整如图所示,将大锥齿轮加工成1和2两部分，齿轮的外圈1开有三个圆弧槽8，内圈2的端面带有三个凸爪4，套装在圆弧槽内。

弹簧6的两端分别顶在凸爪4和镶块7上，使内外齿圈1、2的锥齿错位与小锥齿轮啮合达到消除间隙的作用。螺钉5将内外齿圈相对固定是为了安装方便，安装完毕后即刻卸去。第110页/共145页1112.轴向压簧调整如图所示，锥轮1、2相互啮合。

在锥齿轮1的轴5上装有压簧3，用螺母4调整压簧3的弹力。锥齿轮1在弹力作用下沿轴向移动，可消除锥齿轮1和2的间隙。

第111页/共145页1124.5数控机床的导轨4.5.1数控机床对导轨的基本要求导轨的作用概括地说是对运动部件起导向和支承作用数控机床对导轨的主要要求如下：⒈导向精度高⒉精度保持性好⒊足够的刚度⒋良好的摩擦特性按接触面的摩擦性质滑动导轨滚动导轨静压导轨第112页/共145页113

在矩形和三角形导轨中，M面主要起支撑作用，N面是保证直线移动精度的导向面，J面是防止运动部件抬起的压板面；而在燕尾形导轨中，M面起导向和压板作用，J面起支撑作用。

(a)矩形导轨；(b)三角形导轨；(c)燕尾槽导轨；(d)圆柱形导轨

⒈滑动导轨4.5.2

数控机床导轨的种类与特点第113页/共145页114

滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点,在数控机床上应用广泛，目前多数使用金属对塑料形式，称为贴塑导轨或注塑导轨。

注塑导轨：环氧树脂为基体，加入二硫化钼和胶体石墨及铅粉等混合而成贴塑导轨：聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼、石墨及铅粉等混合而成特点：塑料导轨刚度好，动、静摩擦系数差值小，耐磨性好，无爬行，减振性好。软带应粘贴在机床导轨到的短导轨面上。第114页/共145页115镶粘塑料导轨的结构示意图第115页/共145页116镶粘塑料导轨的结构示意图第116页/共145页1172.滚动导轨

滚动导轨是在导轨面之间放置滚珠、滚柱、滚针等滚动体,使导轨面之间的滑动摩擦变成为滚动摩擦。滚动导轨与滑动导轨相比的优点是:①灵敏度高,且其动摩擦与静摩擦系数相差甚微,因而运动平稳,低速移动时,不易出现爬行现象。②定位精度高,重复定位精度可达0.2μm。③摩擦阻力小,移动轻便,磨损小,精度保持性好,寿命长。但滚动导轨的抗振性较差,对防护要求较高。第117页/共145页118⒊静压导轨

在两个相对运动的导轨面间通以压力油，将运动件浮起，使导轨面间处于纯液体摩擦状态。导轨不会磨损，精度保持性好，寿命长，而且导轨摩擦系数极小(约为0.0005)，功率消耗少。油膜承载能力大，刚度高，吸振性好，导轨运行平稳，既无爬行，也不会产生振动。

静压导轨较多应用在大型、重型数控机床上。

第118页/共145页119优点：1、纯液体摩擦，工作时摩擦系数极低（f=0.0005）；

2、导轨的运动不受负载和速度的限制，且低速时移动均匀，无爬行现象；

3、由于液体具有吸振作用，因而导轨的抗振性好；

4、承载能力大、刚性好；

5、摩擦发热小，导轨温升小。缺点：1、液体静压导轨的结构复杂，多了一套液压系统；

2、成本高；

3、油膜厚度难以保持恒定不变。使用范围：液体静压导轨主要用于大型、重型数控机床上。第119页/共145页1204.5.3滚动导轨的结构原理与特点⒈滚动导轨的结构原理第120页/共145页1212.滚动导轨的特点（1）动、静摩擦力之差很小，灵敏性极好（2）驱动电机的功率大幅度下降（3）适合于高速、高精度加工的机床（4）可以实现无间隙运动，提高进给系统的运动精度。（5）滚动导轨成对使用时，降低基础件的机械制造成本与难度。（6）导轨副的接触应力小，承载能力大大提高。（7）导轨采用表面硬化处理工艺，具有良好的可校性。（8）滚动导轨对安装面的要求较低，简化了机械结构的设计，降低了机床加工、制造成本。第121页/共145页1224.5.4

滚动导轨的安装与使用⒈滚动直线导轨副的安装第122页/共145页123滚动直线导轨副的安装第123页/共145页124滚动直线导轨副的安装第124页/共145页1252.滚动直线导轨副的防护与润滑

使用滚动直线导轨副时,应注意工作环境与装配过程中的清洁,不能有铁屑、杂质、灰尘等粘附在导轨副上。若在工作环境有灰尘时,除利用导轨本身的密封外,还应考虑增加防尘装置。良好的润滑可以减少摩擦和磨损,防止导轨因发热过大而破坏其内部结构,影响导轨副的运动功能。当滚动直线导轨副的运动速度为高速时(v≥151m/min)，通常使用N32润滑油润滑；低速