第3章 数控机床典型结构及部件

第3章数控机床典型结构及部件3.1数控机床的结构特点及要求3.2数控机床主传动系统3.3数控机床进给传动系统3.4自动换刀机构3.5排屑装置3.1数控机床的结构特点及要求与传统的普通机床相比，现代数控机床有着独特的机械结构，除机床基础件外，主要由包括主传动系统、进给系统、工件实现回转、定位的装置及附件、自动换刀装置等。了解这些结构对于使用和调整数控机床都是十分必要的。由于数控机床控制方式和使用特点，使数控机床与普通机床在机械传动和结构上有十分显著的不同，其特点有：1.采用高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，机械传动结构大为简化，传动链缩短。2.采用刚度和抗振性较好的机床新结构。如动静压轴承的主轴部件、钢板焊接结构的支承件等。3.采用在效率、刚度、精度等各方面较优良的传动元件，如滚珠丝杠螺母副、静压蜗杆副以及塑料滑动导轨、滚动导轨、静压导轨等。4.采用多主轴、多刀架结构以及刀具与工件的自动夹紧装置、自动换刀装置和自动排屑、自动润滑冷却装置等，以改善劳动条件，提高生产率。对数控机床机械结构的具体要求见表3-1。表3-1数控机床结构的基本要求对结构的要求目的采取的措施提高机床的静刚度使数控机床各处机构(如机床床身、导轨丁作台、刀架和上轴箱等)产生的弹性变形控制在最小限度内，以保证实现所要求的加工精度与表面质量提高主轴部件的刚度、支承部件的整体刚度、各部件之间的接触刚度以及刀具部件的刚度等。如采用三支承主轴结构，合理配置滚动轴承，采用刚性高、抗振性好、承载能力大的静压或动压轴承；采用封闭截面的床身，并采取措施提高机床各部件接触刚度，如采用刮研的方法增加单位面积卜接触点数及在结合面间预加载荷，以增大接触面积等；提高刀架刚度，如合理设计转台大小和刀具数，增大刀架底座尺寸等提高机床的动刚度充分发挥数控机床的高效加工性能，稳定切削，在保证静刚度的前提下，还必须提高动态刚度提高系统的刚度，增加阻尼以及调整构件的自振频率等。如采用钢板焊接结构既可增加静刚度，减轻结构重量，又可增加构件本身阻尼；对铸件采用封砂结构也有利于振动衰减，提高抗振性等减少机床的热变形机床热变形是影响加工精度的重要因素。对于数控机床来说，因为全部加工过程都足由汁算机指令控制，热变形对加工精度的影响更为严重(1)减少发热：如采用低摩擦因数的导轨和轴承，液压系统中采用变量泵等；(2)控制温升，通过良好的散热、隔热和冷却措施来控制温升，如在机床发热部位强制冷却等；(3)改善机床结构：设计合理的机床结构和布局，如设计热传导对称的结构，使温升一致，以减少热变形；采用热变形对称结构．以减少热变形对加工精度影响等，如图3-1所示卧式坐标镗床热变形。尽量使上轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上，如图3-2所示减少运动件的摩擦和消除传动间隙由于数控机床工作台(或滑板)的位移量是以脉冲当量为最小单位的，一般为0.01～0.001mm，要求运动件能微量精确移动。提高运动精度和定位精度，提高进给运动低速运动的平稳性减少运动件重量，减少运动件的静、动摩擦力之差，减少或消除传动间隙，缩短传动链等。如采用滚动导轨或静压导轨，减少摩擦副间的摩擦力，避免低速爬行。采用滑动一滚动混合导轨，一方面能减少摩擦阻力，还能改善系统的阻尼特性，提高执行部件的抗振性。采用塑料滑动导轨，既可减少摩擦阻力又可改善摩擦和阻尼特性，提高运动副的抗振性和平稳性。采用滚珠丝杠代替滑动丝杠，可显著减少运动副的摩擦。另外，数控机床(尤其是开环系统的数控机床)的加工精度在很大程度上取决于进给传动链的精度，除提高齿轮和滚珠丝杠的精度外，采用无间隙滚珠丝杠传动和无间隙齿轮传动，可大大提高数控机床的传动精度提高机床的寿命和精度保持性数控机床必须有足够的使用寿命和精度保持性提高数控机床零部件的耐磨性，尤其是导轨、进给丝杠、主轴部件等主要零件的耐磨性；在使用过程中，应保证数控机床各部件润滑良好自动化结构，宜人的操作性和造型最大限度地压缩辅助时间，提高生产效率。使其内部结构合理、紧凑，便于操作和维修；外观造型美观宜人采用多主轴、多刀架及带刀库的自动换刀装置等，以减少工件装夹和换刀时间，提高生产率。在改善机床操作性方面充分注意机床各运动部分的互锁能力，防止事故的发生。尽可能改善操作者的观察、操作和维护条件，设置紧急停车装置。设计最有利的工件装夹位置，便于装卸工件。对于切屑数量较多的数控机床，其床身结构必须有利于排屑或设有自动工件分离和排屑装置3.2数控机床主传动系统3.2.1主轴变速方式3.2.2主轴部件数控机床的主传动系统包括主轴电动机、传动系统和主轴组件。数控机床主轴系统是数控机床的主运动传动系统,数控机床主轴运动是机床成形运动之一。它的精度决定了零件的加工精度。数控机床是具有高效率的机床，因此它的主轴系统必须满足大的调速范围并实现无级调速；较高的精度与刚度，传动平稳，噪声低；低温升、小的热变形，因为主轴系统的发热使其中所有零部件产生热变形，降低传动效率，破坏零部件之间的相对位置精度和运动精度，造成加工误差。同时，轴轴系统还必须有良好的静刚度和抗振性3.2.1主轴变速方式数控机床一般采用直流或交流主轴伺服电动机实现主轴无级变速。交流主轴电动机及交流变频驱动装置(笼型感应交流电动机配置矢量变换变频调速系统)，由于没有电刷，不产生火花，所以使用寿命长，且性能已达到直流驱动系统的水平，甚至在噪声方面还有所降低，因此，目前应用较为广泛。

1．带有变速齿轮的主传动(见图3-1a)这是大中型数控机床较常采用的配置方式，通过少数几对齿轮传动，扩大变速范围。确保低速时扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。

图3-1数控机床主传动的四种配置方式a)齿轮变速b)带传动c)两个电动机分别驱动d)内装电动机主轴传动结构2.通过带传动的主传动(见图3-1b)这种传动主要用在转速较高、变速范围不大的小型数控机床上。电动机本身的调整就能够满足要求，不用齿轮变速，可以避免由齿轮传动时所引起的振动和噪声。它适用于高速低转矩特性的主轴。常用的有多楔带和同步齿形带。

数控机床上应用的多楔带又称复合三角带，横向断面呈多个楔形如图3-2a所示，楔角为40°。传递负载主要靠强力层。强力层中有多根钢丝绳或涤纶绳，具有较小伸长率、较大的抗拉强度和抗弯疲劳强度。图3-2a)多楔带b)同步齿形带多楔部分采用橡胶或聚氨酯。多楔带综合了V带和平带的优点，运转时振动小、发热少、运转平稳、重量轻，因此可在40m／s的线速度下使用。同步齿形带传动是一种综合了带、链传动优点的新型传动方式。同步齿形带的带型有梯形齿和圆弧齿，如图3-2b所示，同步齿形带的结构和传动如图3-3所示。带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，作无滑动的啮合传动。带内采用了加载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，可使主、从动带轮作无相对滑动的同步传动。与一般带传动相比，同步齿形带传动具有如下优点：图3-3同步齿形带的结构和传动(1)传动效率高，可达98％以上。(2)无滑动，传动比准确。(3)传动平稳，噪声小。(4)使用范围较广，速度可达50m／s，速比可达10左右，传递功率由几瓦至数千瓦。(5)维修保养方便，不需要润滑。(6)安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高3．用两个电动机分别驱动主轴这是上述两种方式的混合传动，具有上述两种性能(见图3-1c)。高速时，由一个电动机通过带传动；低速时，由另一个电动机通过齿轮传动，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，这样就使恒功率区增大，扩大了变速范围，避免了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的问题。但两个电动机不能同时工作，也是一种浪费。

4．调速电动机直接驱动主轴传动方式(图3-1d)

由调速电动机直接驱动的主轴传动这种主轴传动是由电动机直接带主轴旋转如图3-4所示。因而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，电动机发热对主轴的精度影响较大。其优点是主轴组件结构紧凑、重量轻，惯量小，可提高启动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声。缺点是电动机运转产生的热量易使主轴产生热变形。因此，温度控制和冷却是使用内装电动机主轴的关键问题。图3-5是日本研制的立式加工中心主轴组件，其内装电动机主轴最高转速可达50000r／min。

图3-4直接驱动式图3-5内装电动机主轴1-后轴承2-定子3-转子4-前轴承5-主轴3.2.2主轴部件图3-6主轴端部的结构形式图3-6a为车床主轴端部，卡盘靠前端的短圆锥面和凸缘端面定位，用拨销传递转矩，卡盘装有固定螺栓，卡盘装于主轴端部时，螺栓从凸缘上的孔中穿过，转动快卸卡板将数个螺栓同时栓住，再拧紧螺母将卡盘固牢在主轴端部。主轴为空心，前端有莫氏锥度孔，用以安装顶尖或心轴。主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。主轴部件质量的好坏直接影响加工质量。

主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在设计要求上，应能保证定位准确、安装可靠、联接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。主轴端部的结构形状都已标准化，如图3-6所示为普通机床和数控机床所通用的几种结构形式。

1.主轴端部的结构形状

图3-6b为铣、镗类机床的主轴端部，铣刀或刀杆在前端8：24的锥孔内定位，并用拉杆从主轴后端拉紧，由前端的端面键传递转矩。

图3-6c为外圆磨床砂轮主轴的端部；图3-6d为内圆磨床砂轮主轴端部；图3-6e为钻床与普通镗杆端部，刀杆或刀具由模氏锥孔定位，用锥孔后端第一扁孔传递转矩，第二个扁孔用以拆卸刀具。但在数控镗床上要使用3-6b图的形式，图为8：24的锥孔没有自锁作用，便于自动换刀时拔出刀具。

2．主轴部件的支承

机床主轴带着刀具或夹具在支承中作回转运动，应能传递切削转矩承受切削抗力，并保证必要的旋转精度。机床主轴多采用滚动轴承作为支承，对于精度要求高的主轴则采用动压或静压滑动轴承作为支承。下面着重介绍主轴部件所用的滚动轴承。

图3-6主轴端部的结构形式（1）主轴部件常用滚动轴承的类型

如图3-7所示为主轴常用的几种滚动轴承。

图3-7主轴常用的滚动轴承图3-7a为锥孔双列圆柱滚子轴承，内圈为1：12的锥孔，当内圈沿锥形轴颈轴向移动时，内圈胀大以调整滚道的间隙。滚子数目多，两列滚子交错排列，因而承载能力大，刚性好，允许转速高。它的内、外圈均较薄，因此，要求主轴颈与箱体孔均有较高的制造精度，以免轴颈与箱体孔的形状误差使轴承滚道发生畸变而影响主轴的旋转精度。该轴承只能承受径向载荷。图3-7b是双列推力角接触球轴承，接触角为60°，球径小，数目多，能承受双向轴向载荷。磨薄中间隔套，可以调整间隙或预紧，轴向刚度较高，允许转速高。该轴承一般与双列圆柱滚子轴承配套用作主轴的前支承，并将其外圈外径作成负偏差，保证只承受轴向载荷。

图3-7c是双列圆锥滚子轴承，它有一个公用外圈和两个内圈，由外圈的凸肩在箱体上进行轴向定位，箱体孔可以镗成通孔。磨薄中间隔套可以调整间隙或预紧，两列滚子的数目相差一个，能使振动频率不一致，明显改善了轴承的动态性。这种轴承能同时承受径向和轴向载荷，通常用作主轴的前支承。

图3-7主轴常用的滚动轴承图3-7d为带凸肩的双列圆柱滚子轴承，结构上与图c相似，可用作主轴前支承。滚子作成空心的，保持架为整体结构，充满滚子之间的间隙，润滑油由空心滚子端面流向挡边摩擦处，可有效地进行润滑和冷却。空心滚子承受冲击载荷时可产生微小变形，能增大接触面积并有吸振和缓冲作用。图3-8c为带预紧弹簧的圆锥滚子轴承，弹簧数目为16～20根，均匀增减弹簧可以改变预加载荷的大小。图3-8数控机床主轴轴承配置形式

(2)滚动轴承的精度

主轴部件所用滚动轴承的精度有高级E、精密级D、特精级C和超精级B。前支承的精度一般比后支承的精度高一级，也可以用相同的精度等级。普通精度的机床通常前支承取C、D级，后支承用D、E级。特高精度的机床前后支承均用B级精度。

(3)主轴滚动轴承的配置

在实际应用中，数控机床主轴轴承常见的配置有下列三种形式，如图3-8所示。

如图3-8a所示的配置形式能使主轴获得较大的径向和轴向刚度，可以满足机床强力切削的要求，普遍应数控机床的主轴，如数控车床、数控铣径向刚度。如图3-8b所示的配置没有如图3-8a所示的主轴刚度大，但这种配置提高了主轴的转速，适合主轴要求在较高转速下工作的数控机床。目前，这种配置形式在立式、卧式加工中心机床上得到广泛应用，满足了这类机床转速范围大、最高转速高的要求。为提高这种形式配置的主轴刚度，前支承可以图3-8数控机床主轴轴承配置形式用四个或更多个的轴承相组配，后支承用两个轴承相组配。如图3-8c所示的配置形式能使主轴承受较重载荷(尤其是承受较强的动载荷)，径向和轴向刚度高，安装和调整性好。但这种配置相对限制了主轴最高转速和精度，适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。

为提高主轴组件刚度，数控机床还常采用三支承主轴组件。尤其是前后轴承间跨距较大的数控机床，采用辅助支承可以有效地减少主轴弯曲变形。三支承主轴结构中，一个支承为辅助支承，辅助支承可以选为中间支承，也可以选为后支承。辅助支承在径向要保留必要的游隙，避免由于主轴安装轴承处轴径和箱体安装轴承处孔的制造误差(主要是同轴度误差)造成的干涉。辅助支承常采用深沟球轴承。

图3-8数控机床主轴轴承配置形式液体静压轴承和动压轴承主要应用在主轴高转速、高回转精度的场合，如应用于精密、超精密数控机床主轴，数控磨床主轴。对于要求更高转速的主轴，可以采用空气静压轴承，这种轴承可达每分钟几万转的转速，并有非常高的回转精度。

3．主轴的进给功能和主轴准停功能

（1）主轴的进给功能在车削中心的主传动系统中，增加了主轴的进给功能。主轴的进给功能即是主轴的C轴坐标功能，以实现主轴定向停车和圆周进给，并在数控装置控制下实现C轴、Z轴插补，和C轴、X轴插补，以配合动力刀具进行圆柱面上或端面上任意部位的钻削、铣削、攻螺纹及曲面铣加工，图3-9为主轴C轴功能的示意图。

图3-9主轴的C轴功能示意图

a)C定向时，在圆柱上或端面上铣槽b)C轴、Z轴进给插补，在圆柱面上铣螺旋槽c)C轴、X轴进给插补，在端面上铣螺旋槽

d)

C轴、X轴进给插补，铣直线和平面

C轴传动有多种结构形式。图3-10为济南第一机床厂生产的CH6144车削中心的C轴传动系统简图。该部件由主轴箱和C轴控制箱两部分组成。当主轴在一般工作状态时，换位液压缸6使滑移齿轮5与主轴齿轮器脱离，制动液压缸10脱离制动，主轴电动机通过V带带动带轮使主轴8旋转。图3-10CH6144C轴传动图1.2.3.4-传动齿轮5-滑移齿轮6-换位液压缸3-主轴齿轮3-主轴9-主轴箱10-制动液压缸11-V形带12-主轴制器13-同步齿形带14-脉冲编码器15-C轴电动机16-C轴控制器

当主轴需要C轴控制作分度或回转时，主轴电动机处于停止工作状态，齿轮5与齿轮3啮合。在制动油液压10未制动状态下，C轴伺服电动机15根据指令脉冲值旋转，通过C轴变速箱变速，经齿轮5、3使主轴分度，然后制动液压缸工作制动主轴。进行铣削时，除制动液压缸不制动主轴外，其他动作与上述相同，此时主轴按指令作缓慢地连续旋转进给运动。

C轴坐标除了用伺服电动机通过机械结构实现外，还可用带C轴功能的主轴电动机直接进行分度和定位。这种功能在SIEMENS主轴电动机伺服系统中就可以实现。

（2）主轴准停装置(或称主轴定向装置)

在数控铣床、镗床以及以镗铣为主的加工中心上，由于需要进行自动换刀，要求主轴每次停在一个固定的准确的位置上。所以主轴上必须设有准停装置。准停装置分机械式和电气式两种。

现代数控机床一般采用的是电气定向式准停装置，如图3-11所示。在主轴上安装有一个发磁体4(永久磁铁)与主轴一起旋转，在距离永久磁铁4旋转轨迹外1～2mm处固定有一个磁传感器5，当机床主轴需要停车换刀时，数控装置发出主轴停转的指令，主轴电动机3立即降速，使主轴以很低的转速回转，当永久磁铁4对准磁传感器5时，磁传感器发出准停信号，此信号经放大后，由定向电路使电动机准确地停止在规定的周向位置上。这种准停装置机械结构简单，发磁体与磁感传感器间没有接触摩擦，准停的定位精度可达土1°，能满足一般换刀要求。而且定向时间短，可靠性较高。

图3-11主轴的准停装置1-主轴2-同步感应器3-主轴电动机4-永久磁铁5-磁感传感器3.3数控机床进给传动系统3.3.1数控机床对进给传动系统的要求3.3.2联轴器3.3.3消除间隙的齿轮传动结构3.3.4滚珠丝杠螺母副3.3.5静压丝杠螺母副机构3.3.6直线电动机传动3.3.7机床导轨图3-12所示是一个典型的半闭环的，没有减速机构的进给系统的机械结构示意图数控机床进给系统的机电部件主要有伺服电动机及检测元件、联轴节、减速机构(齿轮副和带轮)、滚珠丝杠螺母副(或齿轮齿条副)、丝杠轴承、运动部件(工作台、主轴箱、滑座、横梁和立柱等)。由于滚珠丝杠、伺服电动机及其控制单元性能的提高，很多数控机床的进给系统中已去掉减速机构而直接用伺服电动机与滚珠丝杠联结，因而整个系统结构简单，减少了产生误差的环节；同时，由于转动惯量减少，使伺服特性亦有改善。虽然从表面上看导轨似乎与进给系统不十分密切，实际上运动摩擦力及负载这两个参数在进给系统中占有重要地位。因此导轨的性能对进给系统的影响是不容忽视的。图3-12典型进给系统3.3.1数控机床对进给传动系统的要求为确保数控机床进给系统的传动精度和工作平稳性等，数控机床进给传动系统必须满足如下要求。1．减少摩擦阻力尤其是减少丝杠传动和工作台运动导轨的摩擦，以消除低速进给爬行现象，提高整个伺服进给系统稳定性。在数控机床上广泛采用滚珠丝杠和滚动导轨以及塑料导轨和静压导轨等。2．减少各运动零件的惯量进给系统中每个部件的惯量对进给系统的起动、制动特性等都有直接的影响，尤其是高速运转的零件，其惯量的影响更大。在满足传动强度和刚度的前提下，应尽可能使各零件的结构、配置合理，减小旋转零件的直径和质量，以减小运动部件的惯量。3．高的传动精度与定位精度主要是提高进给系统中传动零件的精度和支承刚度。首先要保证各个零件的加工精度，尤其是提高滚珠丝杆螺母副(直线进给系统)、蜗杆副(圆周进给系统)的传动精度。4．响应速度要快

所谓快响应特性是指进给系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度，即跟踪指令信号的响应要快；定位速度和轮廓切削进给速度要满足要求；工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令，进行单步或连续移动，在运行时不出现丢步或多步现象。进给系统响应速度的大小不仅影响机床的加工效率，而且影响加工精度。这可以通过使机床工作台及其传动机构的刚度、间隙、摩擦以及转动惯量尽可能达到最佳值，以提高伺服进给系统的快速响应性。

5．使用维护方便

数控机床属高精度自动控制机床，主要用于单件、中小批量、高精度及复杂的生产加工，机床的开机率相应就高，因而进给系统的结构设计应便于维护和保养，最大限度地减小维修工作量，以提高机床的利用率。

3.3.2联轴器在数控机床进给驱动系统中，伺服电动机与滚珠丝杠传动联结只有确保无间隙，才能准确执行脉冲指令，而不丢掉脉冲。为此在数控机床上，主要采用三种联接方式：直联式、齿轮减速方式、齿形带方式。最常用的是直联式。它是通过挠性联轴节，把伺服电动机和滚珠丝杠联结起来的。这种无键、无隙直联方式的联轴节已编人机床零部件标准，名称为膜片弹性联轴器。其结构与原理可参阅相关资料。

在数控设备的进给驱动系统中，考虑到惯量、转矩或脉冲当量的要求，有时要在电动机到丝杠之间加入齿轮传动副，而齿轮等传动副存在的间隙，会使进给运动反向滞后于指令信号，造成反向死区而影响其传动精度和系统的稳定性。因此，为了提高进给系统的传动精度，必须消除齿轮副的间隙。下面介绍几种实践中常用的齿轮间隙消除结构形式。3.3.3消除间隙的齿轮传动结构1．直齿圆柱齿轮传动副

(1)偏心套调整法如图3-13所示为偏心套消隙结构。电动机1通过偏心套2安装到机床壳体上，通过转动偏心套2，就可以调整两齿轮的中心距，从而消除齿侧的间隙。

(2)锥度齿轮调整法如图3-14所示为以带有锥度的齿轮来消除间隙的结构。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。调整时，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。

以上两种方法的特点是结构简单，能传递较大转矩，传动刚度较好，但齿侧间隙调整后不能自动补偿，又称为刚性调整法。

图3-13偏心套式消除间隙结构图3-14锥度齿轮的消除间隙结构1-电动机2-偏心套1、2-齿轮3-垫片以上两种方法的特点是结构简单，能传递较大转矩，传动刚度较好，但齿侧间隙调整后不能自动补偿，又称为刚性调整法。

(3)双片齿轮错齿调整法图3-15a是双片齿轮周向可调弹簧错齿消隙结构。两个相同齿数的薄片齿轮1和2与另一个宽齿轮啮合，两薄片齿轮可相对回转。在两个薄片齿轮1和2的端面均匀分布着四个螺孔，分别装上凸耳3和8。齿轮1的端面还有另外四个通孔，凸耳8可以在其中穿过，弹簧4的两端分别钩在凸耳3和调节螺钉8上。通过螺母5调节弹簧4的拉力，调节完后用螺母6锁紧。弹簧的拉力使薄片齿轮错位，即两个薄片齿轮的左右齿面分别贴在宽齿轮齿槽的左右齿面上，从而消除了齿侧间隙。图3-15双片齿轮周向弹簧错齿消隙结构1、2-薄齿轮3、8-凸耳或短柱4-弹簧5、6螺母8-螺钉图3-15b是另一种双片齿轮周向弹簧错齿消隙结构，两片薄齿轮1和2套装在一起，每片齿轮各开有两条周向通槽，在齿轮的端面上装有短柱3，用来安装弹簧4。装配时使弹簧4具有足够的拉力，使两个薄齿轮的左右面分别与宽齿轮的左右面贴紧，以消除齿侧间隙。双片齿轮错齿法调整间隙，在齿轮传动时，由于正向和反向旋转分别只有一片齿轮承受转矩，因此承载能力受到限制，并有弹簧的拉力要足以能克服最大转矩，否则起不到消隙作用，这种方法称为柔性调整法，它适用于负荷不大的传动装置中。

这种结构装配好后，齿侧间隙自动消除(补偿)，可始终保持无间隙啮合，是一种常用的无间隙齿轮传动结构。

图3-15双片齿轮周向弹簧错齿消隙结构1、2-薄齿轮3、8-凸耳或短柱4-弹簧5、6螺母8-螺钉

2．斜齿圆柱齿轮传动副

(1)轴向垫片调整法图3-16为斜齿轮垫片调整法，其原理与错齿调整法相同。斜齿1和2的齿形拼装在一起加工，装配时在两薄片齿轮间装入已知厚度为t的垫片3，这样它的螺旋便错开了，使两薄片齿轮分别与宽齿轮4的左、右齿面贴紧，消除了间隙。垫片3的厚度t与齿侧间隙△的关系为：

t=△cotβ（β为螺旋角）。

垫片厚度一般由测试法确定，往往要经几次修磨才能调整好。这种结构的齿轮承载能力较小，且不能自动补偿消除间隙。

图3-16斜齿轮垫片调整法1、2-薄片齿轮3-垫片4宽齿轮

（2）轴向压簧调整法图3-17是斜齿轮轴向压簧错齿消隙。该结构消除原理与轴向垫片调整法相似，所不同的是利用齿轮2右面的弹簧压力使两个薄片齿轮的左右齿轮面分别与宽齿轮的左右齿面贴紧，以消除侧间隙。图3-16a采用的是压簧，图3-16b采用的是碟形弹簧。

弹簧3的压力可利用曙母5来调整，压力的大小要调整合适，压力过大会加快齿轮磨损，压力过小达不到消隙作用。这种结构齿轮间图3-17斜齿轮轴向压簧错齿消隙结构1、2一薄片斜齿轮3一弹簧4一宽齿轮5一螺母隙能自动消除，始终保持无间隙的啮合，但它只适于负载较小的场合。并且这种结构轴向尺寸较大。

3．锥齿轮传动副锥齿轮同圆柱齿轮一样可用上述类似的方法来消除齿侧间隙。3.3.4滚珠丝杠螺母副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。1.工作原理与特点滚珠丝杠螺母副（简称滚珠丝杆副）是一种在丝杠与螺母间装有滚珠作为中间元件的丝杠副，其结构原理如图3-18所示。在丝杠1和螺母2上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母图3-18滚珠丝杠螺母机构1-丝杠2-螺母3-滚珠4-回珠管上有滚珠回路管道4，将几圈螺旋滚道的两端连接起来，构成封闭的循环滚道，并在滚道内将装满滚珠3。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母(或丝杠)轴向移动。滚珠丝杠副的特点是：1)传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副的传动效率η=0.92～0.96，是普通丝杠螺母副的3～4倍（η=0.20～0.40）。因此，功率消耗只相当于普通丝杠螺母副的1／4～1／3。

2)给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚度好。

3)运动平稳，无爬行现象，传动精度高。

4)有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。

5)磨损小，使用寿命长。

6)制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。

8)不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故常需添加制动装置。

2．滚珠丝杠螺母副的循环方式

常用的循环方式有外循环与内循环两种。滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称内循环。

(1)外循环如图3-19所示为常用的一种外循环方式，这种结构是在螺母体上轴向相隔数个半导程处钻两个孔与螺旋槽相切，作为滚珠图3-19外循环滚珠丝杆的进口与出口。再在螺母的外表面上铣出回珠槽并沟通两孔。另外，在螺母内进出口处各装一挡珠器，并在螺母外表面装一套筒，这样构成封闭的循环滚道。外循环结构制造工艺简单，使用较广泛。其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡珠现象，噪声也较大。

(2)内循环内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种形式。如图3-20a所示为圆柱凸键反向器，反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽2。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键1定位，以保证对准螺纹滚道方向。图3-20b为扁圆镶块反向器，反向器为一半圆头平键形镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽3，用镶块

图3-20内循环滚珠丝杠1一凸键2、3一反向槽4一丝杠5一钢珠6一螺母8一反向器的外廓定位。两种反向器比较，后者尺寸较小；从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。但这种反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。3．螺旋滚道型面

螺旋滚道型面(即滚道法向截形)的形状有多种，常见的截形有单圆弧型面和双圆弧型面两种。图3-21为螺旋滚道型面的简图，图中钢球与滚道表面在接触点处的公法线与螺纹轴线的垂线间的夹角称为接触角。理想接触角α=45°。

图3-21滚珠丝杠副螺旋滚道型面的形状a)单圆弧b)双圆弧c)矩形滚道(1)单圆弧型面如图图3-21a所示，通常滚道半径rn稍大于滚珠半径rw，通常2rn=(1.04～1.1)Dw。对于单圆弧型面的螺纹滚道，接触角α是随轴向负荷F的大小而变化。当F=0时，α=0；承载后，随F的增大,α也增大。α的大小由接触变形的大小决定。当接触α增大后，传动效率Ed、轴向刚度Rc以及承载能力随之增大。(2)双圆弧型面如图3-21b所示，滚珠与滚道只在内相切的两点接触，接触角α不变。两圆弧交接处有一小空隙，可容纳一些脏物，这对滚珠的流动有利。

单圆弧型面，接触角α是随负载的大小而变化，因而轴承刚度和承载能力也随之而变化，应用较少。双圆弧型面，接触角选定后是不变的，应用较广。

(3)矩形滚道型面如图3-21c所示，这种型面制造容易，只能承受轴向载荷，承载能力低，可在要求不高的传动中应用。

图3-21滚珠丝杠副螺旋滚道型面的形状a)单圆弧b)双圆弧c)矩形滚道4．滚珠丝杠螺母副间隙的调整

滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙，其数值是指丝杠和螺母无相对转动时，二者之间的最大轴向窜动量。除了结构本身的游隙之外，还包括施加轴向载荷后产生的弹性变形所造成的轴向窜动量。

由于存在轴向间隙，当丝杠反向转动时，将产生空回误差，从而影响传动精度和轴向刚度。通常采用预加载荷(预紧)的方法来减小弹性变形所带来的轴向间隙，保证反向传动精度和轴向刚度。但过大的预加载荷会增加摩擦阻力，降低传动效率，缩短使用寿命。所以，一般需要经过多次调整，以保证既消除间隙又能灵活运转。调整时除螺母预紧外还应特别注意使丝杠安装部分和驱动部分的间隙尽可能小，并且具有足够刚度。同时应注意预紧力不宜过大。预紧力过大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。

(1)双螺母消隙常用的双螺母丝杠消除间隙方法有：

1)垫片调隙式。如图3-22所示，调整垫片厚度使左右两螺母产生轴向位移，即可消除间隙和产生预紧力。这种方法结构简单，刚性好，但调整不便，滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧。

2)螺纹调隙式。如图3-23所示，螺母1的外端有凸缘，螺母8外端有螺纹，调整时只要旋动圆螺母6，即可消除轴向间隙，并可达到产生预紧力的目的。

图3-22垫片调隙式图3-23螺纹调整式的滚珠丝杠螺母副1、8-螺母2-返回器3-钢球4-螺杆5-垫圈6-圆螺母3)齿差调隙式。如图3-24所示，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别为z1和z2，并相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于套筒同方向都转动一个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量。例如，z1=80，z2=81，滚珠丝杠的导程为Pn=6mm时，s=6／6480≈0.001mm，这种调整方法能精确调整预紧量，调整方便、可靠，但结构尺寸较大，多用于高精度的传动。图3-24齿差调隙式图3-25单螺母变螺距式1)单螺母变位螺距预加负荷。如图3-25所示，它是在滚珠螺母体内的两列循环珠链之间，使内螺母滚道在轴向产生一个△L0的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位实现预紧。这种调隙方法结构简单，但负荷量须预先设定且不能改变。(2)单螺母消隙2)单螺母螺钉预紧。如图3-26所示，螺母在专业生产工厂完成精磨之后，沿径向开一薄槽，通过内六角调整螺钉实现间隙的调整和预紧。该专利技术成功地解决了开槽后滚珠在螺母中良好的通过性。单螺母结构不仅具有很好的性能价格比，而且间隙的调整和预紧极为方便。图3-26能消除间隙的单螺母结构3)滚珠丝杠螺母副预紧对于滚珠丝杠螺母副，为保证传动精度及刚度，除消除传动间隙外，还要求预紧。预紧力计算公式为：

Fv=1／3Fmax。式中，Fmax为轴向最大工作载荷。前述各例消除滚珠丝杠螺母副轴向间隙的方法，都能对螺母副进行预紧。调整时只要注意预紧力大小Fv=1／3Fmax即可。

5．滚珠丝杠的支承与制动

(1)支承方式为提高传动刚度，选择合理的支承结构并正确安装很重要。滚珠丝杠主要承受轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重，因此滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求较高。滚珠丝杠的支承结构见表3-2。

表3-2滚珠丝杆的支承结构支承型式一端固定(F)一端自由(O)F-O一端固定(F)一端浮动(S)F-S两端固定F-F简图特点结构简单，承载能力小，轴向刚度低，压杆稳压性较差和临界转速低，设计时应尽量使丝杆受拉伸轴向刚度和F-O相同，压杆稳压性和临界转速比同长度的F-O高，丝杆有热膨胀的余底，需保证螺母与两支承同轴，结构较复杂，工艺较困难丝杆的轴向刚度为一端固定的4倍，压杆的稳压性好，固有频率比一端固定的高，可旋加预紧力提高传动刚度，结构和工艺都较复杂适用范围适用短丝杆，垂直丝杆适用于较长丝杆或卧式丝杆适用于长丝杆以及对刚度和位移精度要求较高的场合近来出现一种滚珠丝杠专用轴承，其结构如图3-27所示。这是一种能够承受很大轴向力的特殊角接触球轴承，与一般角接触球轴承相比，接触角增大到60°，增加了滚珠的数目并相应减小滚珠的直径。这种新结构的轴承比一般轴承的轴向刚度提高两倍以上，使用极为方便。产品成对出售，而且在出厂时已经选配好内外环的厚度，装配调试时只要用螺母和端盖将内环和外环压紧，就能获得出厂时已经调整好的预紧力。使用极为方便。

图3-27滚球丝杠用60°角接触球轴承(2)制动方式由于滚珠丝杠副的传动效率高，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，故必须装有制动装置。图3-28为数控卧式镗床主轴箱进给丝杠制动装置示意图。机床工作时，电磁铁通电，使摩擦离合器脱开。运动由步进电动机经减速齿轮传给丝杠，使主轴箱上下移动。当加工完毕，或中间停车时，步进电动机和电磁铁同时断电，借压力弹簧作用合上摩擦离合器，使丝杠不能转动，主轴箱便不会下落。6．滚珠丝杠的预拉伸滚珠丝杠在工作时会发热，其温度高于床身。丝杠的热膨胀将使导程加大，影响定位精度。为了补偿热膨胀，可将丝杠预拉伸。预拉伸量应略大于热膨胀量。发热后，热膨胀量抵消了部分预拉伸量，使丝杠内的拉应力下降，但长度却没有变化。需进行预拉伸的丝杠在制图3-28丝杠制动装置造时应使其目标行程(螺纹部分在常温下的长度)等于公称行程(螺纹部分的理论长度等于公称导程乘以丝杠上的螺纹圈数)减去预拉伸量。拉伸后恢复公称行程值。减去的量称为“行程补偿值”。7．滚珠丝杠副的参数

如图3-29所示，滚珠丝杠副的参数有：

(1)公称直径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柱直径，它是滚珠丝杠副的特征尺寸。公称直径d0越大，承载能力和刚度越大，推荐滚珠丝杠副的公称直径d0应大于丝杠工作长度的1／30。数控机床常用的进给丝杠，公称直径d0为φ30～φ80mm。

a)滚珠丝杠副轴向剖面图b)滚珠丝杠副法向剖面图图3-29滚珠丝杠副的基本参数(2)导程L丝杠相对螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。(3)基本导程L0丝杠相对于螺母旋转2π时，螺母上的基准点轴向位移。(4)接触角β在螺纹滚道法向剖面内，滚珠球心与滚道接触点的连线和螺纹轴线的垂直线间的夹角，理想接触角β等于45°。

(6)滚珠的工作圈数i试验结果已表明，在每一个循环回路中，各圈滚珠所受的轴向负载是不均匀的，第一圈滚珠承受总负载的50％左右，第二圈约承受30％，第三圈约为20％。因此，滚珠丝杠副中的每个循环回路的滚珠工作圈数取为i=2.5～3.5圈，工作圈数大于3.5无实际意义。

(8)滚珠的总数N一般N不超过150个，若超过规定的最大值，则因流通不畅容易产生堵塞现象。反之，若工作滚珠的总数N太少，将使得每个滚珠的负载加大，引起过大的弹性变形。

(9)其他参数除了上述参数外，滚珠丝杠副还有丝杠螺纹大径d、丝杠螺纹小径d1，螺纹全长L、螺母螺纹大径D、螺母螺纹小径D1、滚道圆弧偏心距e、滚道圆弧半径R等参数。

8．滚珠丝杠副的精度等级与标注

(1)滚珠丝杆副的精度等级按JB3162.2-91《滚珠丝杠副的验收技术条件》规定，滚球丝杠副的精度分为1、2、3、4、5、8和10七个等级，1级精度最高，依次递减。

根据不同的应用场合，滚珠丝杠副分为定位型（P类）和传动型（T类）。数控机床进给系统用的是定位型滚珠丝杠副，精度主要采用1-4级。

(2)滚珠丝杠副的标注方法如图3-30所示。滚珠丝杠副的标注方法是根据其结构、规格、精度和螺纹旋向等特征，采用汉语拼音、数字等结合的标注法。图3-30滚球丝杆副的标注滚珠丝杠副的标注方法尚不完全统一，如表3-3和表3-4所示为《机床设计手册》中介绍的标注方法。例如：CDM5010-3-P3表示为外循环插管式，双螺母垫片预紧，导珠管埋人式的滚珠丝杠副，公称直径为50mm，基本导程为10mm，螺纹旋向为右旋，负荷总圈数3圈，精度等级为3级。WD3005-3.5×1／B左一900×1000，表示外循环垫片调隙式的双螺母滚珠丝杠螺母副，公称直径为30mm，螺距为5mm，一个螺母工作滚珠为3.5圈，单列B级精度，左旋，丝杠的螺纹部分长度为900mm，丝杠总长度为1000mm。表3-3滚珠丝杆副预紧方式代号表3-4滚珠丝杆副中钢球循环方式代号预紧方式代号

循环方式代号变位导程预紧B内循环浮动式F增大钢球直径预紧Z垫片预紧D钢固式G齿差预紧C螺母预紧L单螺母无预紧W外循环管接式C9．滚珠丝杠螺母副的维护

(1)支承轴承的定期检查应定期检查丝杠支承与床身的连接是否有松动以及支承轴承是否损坏等。如有以上问题，要及时紧固松动部位并更换支承轴承。

(2)滚珠丝杠副的润滑和密封滚珠丝杠副也可用润滑剂来提高耐磨性及传动效率。润滑剂可分为润滑油及润滑脂两大类。润滑油为一般机油或90～180号透平油或140号主轴油。润滑脂可采用锂基油脂。润滑脂加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，而润滑油则经过壳体上的油孔注入螺母的空间内。

(3)滚珠丝杠副常用防尘密封圈和防护罩

1)密封圈。密封圈装在滚珠螺母的两端。接触式的弹性密封圈系用耐油橡皮或尼龙等材料制成，其内孔制成与丝杠螺纹滚道相配合的形状。接触式密封圈的防尘效果好，但因有接触压力，使摩擦力矩略有增加。

非接触式的密封圈系用聚氯乙烯等塑料制成，其内孔形状与丝杠螺纹滚道相反，并略有间隙，非接触式密封圈又称迷宫式密封圈。

2)防护罩对于暴露在外面的丝杠一般采用螺旋钢带、伸缩套筒、锥形套筒以及折叠式塑料或人造革等形式的防护罩，以防止尘埃和磨粒粘附到丝杠表面。这几种防护罩与导轨的防护罩有相似之处，一端连接在滚珠螺母的端面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。

3.3.5静压丝杠螺母副机构1．工作原理静压丝杠螺母副(简称静压丝杠，或静压螺母，或静压丝杠副)是在丝杠和螺母的螺纹间维持一定厚度，且有一定刚度的压力油膜。当丝杠转动时，即通过油膜推动螺母移动，或作相反的传动。我国于1980年开始在数控非圆齿轮插齿机上应用，随后又在螺纹磨床、高精度滚刀铲磨机床和大型精密车床上应用静压丝杠。图3-31静压丝杠螺母副工作原理静压丝杠螺母副是在丝杠和螺母的螺旋面之间通入压力油，使其间保持一定厚度、一定刚度的压力油膜，因而丝杠和螺母之间为纯液体摩擦的传动副。如图3-31所示，油腔在螺旋面的两侧，而且互不相通，压力油经节流器进入油腔，并从螺纹根部与端部流出。设供油压力为PH，经节流器后压力为Pi(即油腔压力)。当无外载时，螺纹两则间隙h1=h2，从两则油腔流出的流量相等，两侧油腔中的压力也相等，即P1=P2。这时，丝杠螺纹处于螺母螺纹的中间平衡状态的位置。

当丝杠或螺母受到轴向力F作用后，受压一侧的间隙减小，由于节流器的作用，油腔压力P2增大。相反的一侧间隙增大，而压力Pl下降。因而形成油膜压力差△P=P2-Pl，以平衡轴向力F。平衡条件近似地表示为：

F=(P2-Pl)Anz

式中，

A—是单个油腔在丝杠轴线垂直面内的有效承载面积；

N—是每扣螺纹单侧油腔数；

Z—是螺母的有效扣数。

油膜压力差力图平衡轴向力，使间隙差减小并保持不变，这种调节作用总是自动进行的。

2．结构

静压丝杠副油腔节流器一般在螺母上，而丝杠结构与一般滑动丝杠基本相同。在结构上应尽量满足：保证刚度的条件下，使结构尽量简单，制造、安装和维修尽量方便。如图3-32所示为YK53型和YK5332型数控非圆齿轮插齿机上的静压丝杠螺母副。节流器8装在螺母1的两侧端面上。螺母全长有效扣上的所有同侧、同方位上的油腔共用一个节流器。若螺纹一侧上有3个油腔，则共需6个节流器。节流器靠本身1：50的圆锥面塞进螺母1内。锥度的配合要紧密贴合，以防渗油和影响节流比，然后用油塞6堵住。从液压泵来的油，经螺母座4上的油孔3和5，再经节流器8进入螺母1外圆面上的油槽13，然后经由油孔12进入油腔11。从油腔11流出的油，经螺纹顶部和根部的回油槽10，从螺母1的两端面流出，然后将油导向回油箱。螺母座4与螺母1采用静配合联接，并用两个螺钉9固紧，以防松动。油孔2接压力表，以显示节流前的油压。图3-32静压丝杆螺母副装配图1-螺母2-接压力表油孔3、5、12-进油孔4-螺母座6-油塞8-节流器8-丝杆9-螺杆10-回油槽11-油腔13-进油槽3．结构类型

按油腔开在螺纹面上的形式和节流控制方式的不同，目前机床上采用的静压丝杠有以下三种：

1)在螺纹面中径上开一条连通的螺旋沟槽油腔。每一侧油腔只用一个节流器控制称为集中阻尼节流。其结构示意图见图3-33。这种形式的静压丝杠基本上不能承受径向载荷和颠覆力矩。

图3-33集中阻尼节流图3-34分散阻尼节流2)在螺纹面每侧中径上开3～4个油腔，每个油腔用一个节流器控制称为分散阻尼节流。其结构示意见图3-34。这种形式的静压丝杠具有一定的径向承载能力和抗颠覆力矩能力，但节流器的数目较多，结构较复杂，制造和安装困难。3)在螺纹面每侧中径上开3～4个油腔，将分布于同侧、同方位上的油腔用一个节流器控制称为分散集中阻尼节流。其结构示意见图3-35。这种形式的静压丝杠具有一定的径向承载能力和抗颠覆力矩能力。节流器的数量较少(一般6—8个节流器)，制造和安装较方便，使用可靠。

图3-35分散集中阻尼节流4.按节流形式不同，目前机床上采用的静压丝杠有以下两种：1)毛细管节流式(属于固定节流)。结构简单、调试方便、使用可靠、性能稳定，节流器制造也简便，主要用于中、小型机床，目前国内应用较多。但此种节流方式对油液的清洁程度要求较高。2)薄膜双面反馈式(属于可变节流)。油膜刚度较高，适用于大型重载机床。此种节流方式对油液的清洁程度要求较低。由于薄膜的制造精度不易保证，调整费事，往往影响使用。目前国内应用尚少。5.工作特点和应用

(1)静压丝杠的主要优点

1)摩擦因数小，仅为0.0005。比滚珠丝杠(摩擦因数一般为0.002～0.005)的摩擦损失还小。因起动力矩很小，故有利于保证传动灵敏性，避免爬行，提高和长期保持运动精度。

2)因油膜层具有一定的刚度，故可大大减小反向时的传动间隙。

3)油膜层可以吸振，且由于油液不断地流动，故可减少丝杠因其他热源引起的热变形，有利于提高机床的加工精度和表面粗糙度。

4)油膜层介于丝杠螺纹和螺母螺纹之间，对于丝杠的传动误差能起到“均化”作用，即丝杠的传动误差可比丝杠本身的制造误差还小。

5)承载能力与供油压力成正比，而与转速无关。提高供油压力即可提高承载能力。

(2)静压丝杠的不足之处

1)对原无液压系统的机床，需增加一套供油系统，且静压系统对于油液的清洁程度要求较高。

2)有时需考虑必要的安全措施，以防供油突然中断时造成不良后果。

3.3.6直线电动机传动1．直线电动机系统在常规的机床进给系统中，仍一直采用“旋转电动机+滚珠丝杠”的传动体系。随着近几年来超高速加工技术的发展，滚珠丝杠机构已不能满足高速度和高加速度的要求，直线电动机开始展示出其强大的生命力。直线电动机是指可以直接产生直线运动的电动机，可作为进给驱动系统，如图3-36所示。图3-36直线电动机进给系统外观1-导轨2-次线3-初线4-检测系统其雏形在世界上出现了旋转电动机不久之后就出现了，但由于受制造技术水平和应用能力的限制，一直未能在制造业领域作为驱动电动机而使用。特别是大功率电子器件、新型交流变频调速技术、微型计算机数控技术和现代控制理论的发展，为直线电动机在高速数控机床中的应用提供了条件。世界上第一台使用直线电动机驱动工作台的高速加工中心是德国Ex-Cell-O公司于1993年生产的，采用了德国Indrament公司开发成功的感应式直线电动机。同时，美国Ingersoll公司和Fort汽车公司合作，在HVM800型卧式加工中心上采用了美国Anorad公司生产的永磁式直线电动机。日本的FANUC公司于1994年购买了Anorad公司的专利权，开始在亚洲市场销售直线电动机。在1996年9月芝加哥国际制造技术博览会(IMTs’96)上，直线电动机如雨后春笋般展现在人们面前，这预示着直线电动机开辟的机床新时代已经到来。

2.直线电动机工作原理简介

直线电动机的工作原理与旋转电动机相比，并没有本质的区别，可以将其视为旋转电动机沿圆周方向拉开展平的产物，如图3-37所示。对应于旋转电动机的定子部分，称为直线电动机的初级；对应于旋转电动机的转子部分，称为直线电动机的次级。当多相交变电流通图3-37旋转电动机展平为直线电动机的过程a)旋转电动机b)直线电动机人多相对称绕组时，就会在直线电动机初级和次级之间的气隙中产生一个行波磁场，从而使初级和次级之间相对移动。当然，二者之间也存在一个垂直力，可以是吸引力，也可以是推斥力。直线电动机可以分为直流直线电动机、步进直线电动机和交流直线电动机三大类。在机床上主要使用交流直线电动机。

在结构上，可以有如图3-38所示的短次级和短初级两种形式。为了减小发热量和降低成本，高速机床用直线电动机一般采用图3-38b所示的短初级、动次级结构。

图3-38直线电动机的形式a)短次级b)短初级在励磁方式上，交流直线电动机可以分为永磁(同步)式和感应(异步)式两种。永磁式直线电动机的次级是一块一块铺设的永久磁钢，其初级是含铁心的三相绕组。感应式直线电动机的初级和永磁式直线电动机的初级相同，而次级是用自行短路的不馈电栅条来代替永磁式直线电动机的永久磁钢。3.使用直线电动机的高速机加工系统特点

现在的机加工对机床的加工速度和加工精度提出了越来越高的要求，传统的“旋转电动机+滚珠丝杠”体系已很难适应这一趋势。使用直线电动机的驱动系统，有以下特点：

(1)电动机，电磁力直接作用于运动体(工作台)上，而不用机械连接，因此没有机械滞后或齿节周期误差，精度完全取决于反馈系统的检测精度。

（2）直线电动机上装配全数字伺服系统，可以达到极好的伺服性能。由于电动机和工作台之间无机械连接件，工作台对位置指令几乎是立即反应(电气时间常数约为1ms)，从而使得跟随误差减至最小而达到较高的精度。并且，在任何速度下都能实现非常平稳的进给运动。

（3）直线电动机系统在动力传动中由于没有低效率的中介传动部件而能达到高效率，可获得很好的动态刚度(动态刚度即为在脉冲负荷作用下，伺服系统保持其位置的能力)。

（4）直线电动机驱动系统由于无机械零件相互接触，因此无机械磨损，也就不需要定期维护，也不象滚珠丝杠那样有行程限制，使用多段拼接技术可以满足超长行程机床的要求。

(5)由于直线电动机的动件(初级)已和机床的工作台合二为一，因此，和滚珠丝杠进给单元不同，直线电动机进给单元只能采用全闭环控制系统，其控制框图如图3-39所示。

然而，直线电动机在机床上的应用也存在如下一些问题:（1）由于没有机械连接或啮合，因此垂直轴需要外加一个平衡块或制动器。（2）当负荷变化大时，需要重新整定系统。目前，大多数现代控制装置具有自动整定功能，因此能快速调整机床。（3）磁铁(或线圈)对电动机部件的吸力很大，因此应注意选择导轨和设计滑架结构，并注意解决磁铁吸引金属颗粒的问题。图3-39控制框图3.3.7机床导轨导轨主要用来支承和引导运动部件沿一定的轨道运动。运动的一方叫做动导轨，不动的一方叫做支承导轨。动导轨相对于支承导轨的运动，通常是直线运动或回转运动。1．对导轨的要求（1）导向精度高导向精度主要是指运动导轨沿支承导轨运动时，直线运动导轨的直线性及圆周运动导轨的真圆性，能及导轨同其它运动件之间相互位置的准确性。导轨的几何精度综合反映在静止或低速下的导向精度。直线运动导轨的检验内容为导轨在垂直平面内的直线度、导轨在水平面内的直线度以及两导轨平行度。如导轨全长为20m的龙门刨床，其直线度误差为0．02／1000mm，导轨全长允差为0．08mm。圆运动导轨几何精度检验内容与主轴回转精度的检验方法相类似，用导轨回转时端面跳动及径向跳动表示。如最大切削直径为4m的立车，其允差规定为0．05mm。(2)耐磨性

导轨的的不均匀磨损，破坏导轨的导向精度从而影响机床的加工精度，恨轨的耐磨性与导轨的材料、导轨面的摩擦性质，导轨受力情况及两导轨相对运动精度有关。例如，卧式车床的铸铁导轨，若结构欠佳、润滑不良及维修不及时，则靠近床头箱一段的前导轨，每年磨损量达0．2～0．3mm，这样就降低了刀架移动的直线度和对主轴的平行度，加工精度也就下降。与此同时也增加了溜板箱中开合螺母与丝杠的同轴度误差，加剧了螺母和丝杆的磨损。

(3)低速运动的平稳性当运动导轨作低速运动或微量移动时，应保证导轨运动平稳，不产生爬行现象，机床的“爬行”的现象将影响被加工零件粗糙度和加工精度，特别是对高精度机床来说，必须引起足够的重视。

(4)结构工艺性在可能的情况下，设计时应尽量使导轨结构简单，便于制造、调整和维护。对于刮研导轨应尽量减少刮研量，对于镶装导轨，应做到更换容易，力求工艺性及经济性好。

2．数控机床常用的滑动导轨

数控机床常用直线运动滑动导轨的截面形状如图3-40所示。各个平面所起的作用也各不相同。在矩形和三角形导轨中，M面主要起支承作用，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；在燕尾形导轨中，M面起导向和压板作用，J面起支承作用.图3-40滑动导轨截而根据支承导轨的凸凹状态，又可分为凸形(上图)和凹形(下图)两类导轨。凹形容易存油，但也容易积存切屑和尘粒，因此适用于具有良好防护的环境。（1）矩形导轨（图3-40a）易加工制造，承载能力较大，安装调整方便。M面起支承兼导向作用，起主要导向作用的N面磨损后不能自动补偿间隙，需要有间隙调整装置。它适用于载茶大且导向精度要求不高的机床。

（2）三角形导轨（图3-40b）三角形有二导向面，同时控制了垂直方向和水平方向的导向精度。这种导轨在载荷的作用下，自行补偿消除间隙，导向精度较其他导轨高。

图3-40滑动导轨截而图3-40滑动导轨截而（3）燕尾槽导轨(图中3-40c)这是闭式导轨中接触面最少的一种结构，磨损后不能自动补偿间隙，需用镶条调整。能承受颠覆力矩，摩擦阻力较大，多用于高度小的多层移动部件。

（4）圆柱形导轨(图中3-40d)这种导轨刚度高，易制造，外径可磨削，内孔可珩磨达到精密配合。但磨损后间隙调整困难。它适用于受轴向载茶的场合，如压力机、珩磨机、攻螺纹机和机械手等