1第五章數控機床的典型部件5.1概述5.2數控機床的主軸系統

5.3數控機床的進給系統

5.4床身與立柱

5.5機床導軌

5.6自動換刀裝置

5.7自動排屑裝置

5.1概述5.1.1對數控機床機械機構的要求1.機床的性能要求（1）機床的工藝范圍●機床可完成加工工序種類；●加工零件類型；●材料和尺寸范圍，毛坯種類。（2）加工精度●尺寸、形狀和位置精度。●機床精度：幾何精度、運動精度和定位精度。（3）注意低速運動的平穩性。●導軌的材料和結構●進給系統的剛性和動態特性

2.滿足機床剛度和抗振性的要求

●具有抵抗外載荷的能力；

●抵抗受迫和自激振動的能力；

●改善機床機構。

3.減少熱變形要求

●減少發熱

●控制溫升

●改善機床機構

4.機床可靠性要求

5.人機要求

●數控車床的結構

●加工中心的結構

數控車床加工中心5.2數控機床的主軸系統

5.2.1對數控機床主軸系統的要求數控機床主軸系統是數控機床的主運動傳動系統。數控機床主軸運動是機床成型運動之一。它的精度決定了零件的加工精度。數控機床是具有高效率的機床，因此它的主軸系統必須滿足如下要求：

（1）具有更大的調速范圍并實現無級調速。數控機床為了保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得更高的生產率、加工精度和表面質量，必須要求能在較大的調速范圍內實現無級調速。一般要求主軸具備1∶（100～1000）的恒轉矩調速范圍和1∶10的恒功率調速范圍。

(2)具有較高的精度與剛度，傳遞平穩，噪聲低。數控機床加工精度的提高，與主軸系統具有較高的精度密切相關。為此，要提高傳動件的制造精度與剛度，就要對齒輪齒面高頻感應加熱淬火，以增加耐磨性；最后一級采用斜齒輪傳動，使傳動平穩；采用精度高的軸承及合理的支撐跨距等，以提高主軸組件的剛性。

（3）良好的抗振性和熱穩定性。數控機床加工時，可能由于斷續切削、加工余量不均勻、運動部件不平衡以及切削過程中的自振等原因引起的沖擊力的干擾，會使主軸產生振動，從而影響加工精度和表面粗糙度，嚴重時甚至可能破壞刀具和主軸系統中的零件，使其無法工作。主軸系統發熱使其中的零部件產生熱變形，降低傳動效率，破壞零部件之間的相對位置精度和運動精度，造成加工誤差。為此，主軸組件要有較高的固有頻率，實現動平衡，保持合適的配合間隙并進行循環潤滑等。

（4）在車削中心上，要求主軸具有C軸控制功能。在車削中心上，為了使之具有螺紋車削功能，要求主軸與進給驅動實行同步控制，即主軸具有旋轉進給軸(C軸)的控制功能。（5）在加工中心上，要求主軸具有高精度的準停功能。在加工中心上自動換刀時，主軸須停止在一個固定不變的方位上，以保證換刀位置的準確以及某些加工工藝的需要，即要求主軸具有高精度的準停功能。

(6)具有恒線速度切削控制功能。利用車床和磨床進行工件端面加工時，為了保證端面加工時粗糙度的一致性，要求刀具切削的線速度為恒定值，隨著刀具的徑向進給，切削直徑的逐漸減小，應不斷提高主軸轉速，并維持線速度為常數。此外，為了獲得更高的運動精度，要求主運動傳動鏈盡可能短，同時，由于數控機床特別是加工中心通常配備有多把刀具，要求能夠實現主軸上刀具的快速及自動更換。

5.2.2數控機床主軸的傳動方式數控機床主運動調速范圍很寬，其主軸的傳動方式主要有以下幾種。圖5－1數控機床主傳動的四種配置方式(a)齒輪變速；(b)帶傳動；(c)兩個電機分別驅動；(d)調速電機直接驅動

1．帶有變速齒輪的主軸傳動如圖5－1（a）所示，這是大中型數控機床較常采用的配置方式，通過少數幾對齒輪傳動，擴大變速范圍，確保低速時有較大的扭矩，以滿足主軸輸出扭矩特性的要求。滑移齒輪的移位大多采用液壓撥叉或直接由液壓缸驅動齒輪來實現。2．通過帶傳動的主軸傳動

如圖5－1（b）所示，這種傳動主要用在轉速較高、變速范圍不大的小型數控機床上。電機本身的調整就能夠滿足要求，不用齒輪變速，可以避免由齒輪傳動所引起的振動和噪聲。它適用于高速低轉矩特性的主軸，常用的有多楔帶和同步齒形帶。

多楔帶數控機床上應用的多楔帶又稱為復合三角帶，其橫向斷面呈多個楔形，楔角為40°。多楔帶綜合了V帶和平帶的優點，運轉時振動小、發熱少、運轉平穩、重量小，因此可在40m／s的線速度下使用。多楔帶與帶輪的接觸好、負載分布均勻，即使瞬時超載，也不會產生打滑，而傳遞功率比V帶大20%～30%，因此能夠滿足主傳動高速、大轉矩和不打滑的要求。多楔帶在安裝時需要較大的張緊力，使得主軸和電機承受較大的徑向負載，這是多楔帶的一大缺點。同步齒形帶同步齒形帶傳動是一種綜合了帶傳動和鏈傳動優點的新型傳動方式。同步齒形帶的帶型有梯形齒和圓弧齒。通過帶輪與輪齒相嵌合，進行無滑動的嚙合傳動。帶內采用了加載后無彈性伸長的材料做強力層，以保持帶的節距不變，可使主、從動帶輪進行無相對滑動的同步傳動。與一般帶傳動相比，同步齒形帶傳動具有如下優點：

(1)傳動效率高，可達98%以上；

(2)無滑動，傳動比準確；

(3)傳動平穩，噪聲小；

(4)使用范圍較廣，速度可達50m／s，速比可達10左右，傳遞功率由幾瓦至數千瓦；

(5)維修保養方便，不需要潤滑；

(6)安裝時中心距要求嚴格，帶與帶輪制造工藝較復雜，成本高。

3．用兩個電機分別驅動主軸傳動

用兩個電機分別驅動主軸傳動如圖5－1（c）所示，它是上述兩種方式的混合傳動，具有上述兩種方式的性能。高速時，由一個電機通過帶傳動；低速時，由另一個電機通過齒輪傳動，齒輪起到降速和擴大變速范圍的作用，這樣就使恒功率區增大，擴大了變速范圍，避免了低速時轉矩不夠且電機功率不能充分利用的問題。但兩個電機不能同時工作，也是一種浪費。

4．調速電機直接驅動主軸傳動由調速電機直接驅動主軸傳動如圖5－1（d）所示。這種主軸傳動方式是由電機直接帶動主軸旋轉，即直接驅動式，如圖5－4所示。它大大簡化了主軸箱體與主軸的結構，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出的扭矩小，電機發熱對主軸的精度影響較大。圖5－4直接驅動式

圖5－5日本研制的立式加工中心主軸組件

近年來出現了一種新式的內裝電機主軸，即主軸與電機轉子合為一體。其優點是主軸組件結構緊湊、重量和慣量小，可提高啟動、停止的響應特性，并利于控制振動和噪聲；缺點是電機運轉產生的熱量易使主軸產生熱變形。因此，溫度控制和冷卻是使用內裝電機主軸的關鍵問題。圖5－5所示為日本研制的立式加工中心主軸組件，其內裝電機主軸最高轉速可達180000r／min。5.2.3主軸部件主軸部件是機床的一個關鍵部件，它包括主軸的支撐和安裝在主軸上的傳動零件等。主軸部件質量的好壞直接影響到加工質量。1．主軸端部的結構形狀主軸端部用于安裝刀具或夾持工件的夾具，在設計要求上，應能保證定位準確、安裝可靠、聯結牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的轉矩。主軸端部的結構形狀都已標準化，圖5－6所示為普通機床和數控機床所通用的幾種主軸端部的結構形式。

圖5－6主軸端部的結構形式(a)車床主軸端部；(b)銑、鏜類機床主軸端部；(c)外圓磨床砂輪主軸端部；(d)內圓磨床砂輪主軸端部；(e)普通鏜桿裝在鉆床主軸上的端部；(f)組合機床主軸端部

2．主軸軸承的類型

1）滾動軸承滾動軸承摩擦阻力小，可以預緊，潤滑維護簡單，能在一定的轉速范圍和載荷變動范圍內穩定地工作。滾動軸承由專業化工廠生產，選購維修方便，在數控機床上被廣泛采用。但與滑動軸承相比，滾動軸承的噪聲大，滾動體數目有限，剛度是變化的，抗振性略差并且對轉速有很大的限制。數控機床主軸組件在有可能的條件下，應盡量使用滾動軸承，特別是大多數立式主軸和主軸裝在套筒內能夠作軸向移動的主軸，這時滾動軸承可以用潤滑脂潤滑以避免漏油。圖5－7為主軸常用的滾動軸承類型。

圖5－7主軸常用的滾動軸承(a)錐孔雙列圓柱滾子軸承；(b)雙列推力向心球軸承；(c)雙列圓錐滾子軸承；(d)帶凸肩的雙列空心圓柱滾子軸承；(e)帶預緊彈簧的單列圓錐滾子軸承；(f)角接觸滾子軸承

滾球：容易實現高精度，但是承載能力差；滾柱：精度稍差，但承載能力強。

2）滑動軸承滑動軸承在數控機床上最常使用的是靜壓滑動軸承。靜壓滑動軸承的油膜壓強是由液壓缸從外界供給的，它和主軸轉與不轉、轉速的高低無關（忽略旋轉時的動壓效應）。它的承載能力不隨轉速而變化，而且無磨損，啟動和運轉時摩擦阻力力矩相同，因此靜壓軸承的剛度大，回轉精度高，但靜壓軸承需要一套液壓裝置，成本較高。

圖5－8主軸軸承常見的支撐形式(a)形式一；(b)形式二；(c)形式三

3．主軸軸承的支撐形式主軸軸承的支撐形式主要取決于主軸轉速特性的速度因素和對主軸剛度的要求。主軸軸承常見的支撐形式有以下三種，如圖5－8所示。

（1）前支撐采用雙列短圓柱滾子軸承和60°角接觸雙列向心推力球軸承組合，后支撐采用成對向心推力球軸承(見圖5－8（a）)。此配置可提高主軸的綜合剛度，滿足強力切削的要求。它普遍用于各類數控機床主軸。

（2）前支撐采用高精度雙列向心推力球軸承(見圖5－8（b）)。向心推力軸承有良好的高速性，主軸最高轉速可達4000r／min，但它的承載能力小，適于高速、輕載、高精密的數控機床主軸。

（3）前后支撐分別采用雙列和單列圓錐滾子軸承(見圖5－8（c）)。這種軸承的徑向和軸向剛度高，能承受重載荷，尤其是可承受較強的動載荷。其安裝、調整性能好，但這種支撐方式限制了主軸轉速和精度，因此可用于中等精度、低速、重載的數控機床的主軸。

4．滾動軸承的間隙與預緊

滾動軸承存在較大間隙時，載荷將集中作用于受力方向上的少數滾動體上，使得軸承剛度下降，承載能力下降，旋轉精度變差。將滾動軸承進行適當預緊，使滾動體與內外圈滾道在接觸處產生一定量的預變形，就可使受載后承載的滾動體數量增多，受力趨向均勻，從而提高軸承承載能力和剛度，有利于減少主軸回轉軸線的漂移，提高旋轉精度。但過盈量不宜太大，否則會使軸承的摩擦磨損加劇，承載能力顯著下降。公差等級、軸承類型和工作條件不同的主軸組件，其軸承所需的預緊量各有所不同。因此，主軸組件必須具備軸承間隙的調整機構。

5．滾動軸承的精度

主軸部件所用滾動軸承的精度有高級E、精密級D、特精級C和超精級B。前支撐的精度一般比后支撐的精度高一級，也可以用相同的精度等級。普通精度的機床通常前支撐取C，D級，后支撐用D，E級。特高精度的機床前后支撐均用B級。

Standards精度等級precisionGrade中國標準GBP0（G）P6（E）P5（D）P4（C）P2（B）國際標準ISONormalClassClass6Class5Class4Class2美國標準ANSIABEC1ABEC3ABEC5ABEC7ABEC9德國標準DINP0P6P5P4P2日本標準JIS0級6級5級4級2級5.2.4主軸的準停主軸準停功能又稱為主軸定位功能，即當主軸停止時，控制其停于固定位置，這是自動換刀所必需的功能。在自動換刀的鏜銑加工中心上，切削的轉矩通常是通過刀桿的端面鍵來傳遞的，這就要求主軸具有準確定位于圓周上特定角度的功能。主軸準停換刀如圖5－5所示。當加工階梯孔或精鏜孔后退刀時，為防止刀具與小階梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面，必須先讓刀，再退刀，因此，刀具就必須具有定位功能。主軸準停階梯孔或精鏜孔如圖5－10所示。

圖5－5主軸準停換刀示意圖

圖5－10主軸準停階梯孔或精鏜孔示意圖

圖5－11為典型的V形槽輪定位盤機械準停原理示意圖。帶有V形槽的定位盤與主軸端面保持一定的關系，以確定定位位置。當準停指令到來時，首先使主軸減速至某一可以設定的低速轉動，當無觸點開關有效信號被檢測到后，立即使主軸電動機停轉并斷開主軸傳動鏈，此時主軸電動機與主軸傳動件依慣性繼續空轉，同時準停油缸定位銷伸出并壓向定位盤。當定位盤V形槽與定位銷正對時，由于油缸的壓力，定位銷插入V形槽中，準停到LS2信號有效，表明準停動作完成。這里LS1為準停釋放信號。采用這種準停方式，必須有一定的邏輯互鎖，即LS2有效時才能進行下面諸如換刀等動作。而只有當LS1有效時才能啟動主軸電動機正常運轉。上述準停功能通常可由數控系統所配的可編程控制器完成。圖5－11典型的V形槽輪定位盤機械準停原理示意圖

1．機械準停控制

2．電氣準停控制

目前國內外中高檔數控系統均采用電氣準停控制。采用電氣準停控制有如下優點：

(1)簡化機械結構。與機械準停相比，電氣準停只需在這種旋轉部件和固定部件上安裝傳感器即可。

（2）縮短準停時間。準停時間包括在換刀時間內，而換刀時間是加工中心的一項重要指標。若采用電氣準停，即使主軸在高速轉動時，也能快速定位于準停位置。

（3）可靠性增加。由于無需復雜的機械、開關和液壓缸等裝置，也沒有機械準停所形成的機械沖擊，因此準停控制的壽命與可靠性大大增加。（4）性能價格比提高。由于簡化了機械結構和強電控制邏輯，因此這部分的成本大大降低。但電氣準停常作為選擇功能，這是因為訂購電氣準停附件需另加費用。但總體來看，其性價比比機械準停大大提高。

1）磁傳感器主軸準停控制

磁傳感器主軸準停控制由主軸驅動自身完成。主軸驅動完成準停后會向數控裝置回答完成信號ORE，然后數控系統再進行下面的工作。其基本結構如圖6－8所示。當主軸轉動或停止時，一旦接收到數控裝置發來的準停開關信號，主軸立即加速或減速至某一準停速度(可在主軸驅動裝置中設定)。主軸到達準停速度且準停位置到達時(即磁發體與磁傳感器對準)，主軸立即減速至某一爬行速度(可在主軸驅動裝置中設定)。然后當磁傳感器信號出現時，主軸驅動立即進入磁傳感器作為反饋元件的位置閉環控制，目標位置為準停位置。準停完成后，主軸驅動裝置輸出準停完成信號給數控裝置，從而可進行自動換刀(ATC)或其他動作。磁發體與磁傳感器在主軸上的位置如圖5－12所示。

圖5－12磁發體與磁傳感器在主軸上的位置

圖5－13編碼器主軸準停控制原理圖

2)編碼器主軸準停控制圖5－13為編碼器主軸準停控制原理圖。可采用主軸電動機內部安裝的編碼器信號(來自于主軸驅動裝置)，也可以在主軸上直接安裝另外一個編碼器。采用前一種方式要注意傳動鏈對主軸準停精度的影響。主軸驅動裝置內部可自動轉換，使主軸驅動處于速度控制或位置控制狀態。準停角度可由外部開關量(12位)設定，這一點與磁準停不同，磁準停的角度無法隨意設定，要想調整準停位置，只有調整磁發體與磁傳感器的相對位置。其步驟與傳感器類似。

3）數控系統主軸準停控制這種準停控制方式是由數控系統完成的，采用這種控制方式時需注意以下問題：

（1）數控系統須具有主軸閉環控制功能。通常為避免沖擊，主軸驅動都具有軟啟動功能，但這對主軸位置閉環控制會產生不良影響。此時，若位置增益過低，則準停精度和剛度(克服外界擾動的能力)不能滿足要求；若過高，則會產生嚴重的定位振蕩現象。因此必須使主軸進入伺服狀態，此時其特性與進給伺服系統相近，才可進行位置控制。（2）當采用電動機軸端編碼器信號反饋給數控裝置時，主軸傳動鏈精度可能對主軸精度產生影響。數控系統控制主軸準停的原理與進給位置控制的原理非常相似，如圖5－14所示。

當采用數控系統控制主軸準停時，角度指定由數控系統內部設定，因此準停角度的設定更加方便。其工作原理是：數控系統執行準停指令M19或M19S**時，首先將M19送至可編程控制器，可編程控制器經譯碼送出控制信號使主軸驅動進入伺服狀態，同時數控系統控制主軸電動機降速并尋找零位脈沖C，然后進入位置閉環控制狀態。如執行：M19，無S指令，則主軸定位于相對于零位脈沖C的某一缺省位置(可由數控系統設定)。如執行M19S**，則主軸定位于指令位置，也就是相對零位脈沖S**的角度位置。

圖5－14數控系統主軸準停控制原理圖

例M03

S1000

//主軸以1000r／min正轉

M19

//主軸準停于缺省位置

M19

S100

//主軸準停轉至100°處

S1000

//主軸再次以1000r／min正轉

M19

S200

//主軸準停至200°處

5.2.5主軸的潤滑與密封

1．主軸軸承的潤滑方式在數控機床上，主軸軸承潤滑方式有：油脂潤滑、油液循環潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑等。

（1）油脂潤滑方式。它是目前在數控機床的主軸軸承上最常用的潤滑方式，特別是在前支撐軸承上更為常用。當然，如果主軸箱中沒有冷卻潤滑油系統，那么后支撐軸承和其他軸承一般也采用油脂潤滑方式。

主軸軸承油脂封入量通常為軸承空間容量的10%，切忌隨意填滿，因為油脂過多，會加劇主軸發熱。若用油脂潤滑方式，則要采用有效的密封措施，以防止切削液或潤滑油進入軸承中。

(2)油液循環潤滑。在數控機床主軸上，有采用油液循環潤滑方式的，例如裝有GAMET軸承的主軸，即可使用這種方式。對一般主軸軸承來說，后支撐上采用這種潤滑方式比較常見。恒溫油液循環潤滑冷卻方式如圖5－15所示。由油溫自動控制箱控制的恒溫油液，經油泵打到潤軸箱，其中一路沿主軸前支撐套外圈上的螺旋槽流動，以帶走主軸軸承所發出的熱量；另一條路通過主軸箱內的分油器，把恒溫油噴射到傳動齒輪和傳動軸支撐軸承上，以帶走它們所產生的熱量。這種方式的潤滑和降溫效果都很好。

圖5－15恒溫油液循環潤滑冷卻方式

（3）油霧潤滑方式。油霧潤滑方式是將油液經高壓氣體霧化后，從噴嘴噴到需潤滑的部位的潤滑方式。由于是霧狀油液，其吸熱性好，又無油液攪拌作用，因此常用于高速主軸軸承的潤滑。但是油霧容易吹出，污染環境，目前歐洲有些國家已經禁止使用這種潤滑方式。（4）油氣潤滑方式。油氣潤滑方式是針對高速主軸而開發的新型潤滑方式。它是用極微量油（8～16min約0.03cm3油）潤滑軸承，以抑制軸承發熱。其潤滑原理如圖5－16所示。油箱中的油位開關和管路中的壓力開關確保在油箱中無油或壓力不足時，能自動切斷主電動機電源。

圖5－16油氣潤滑原理圖

2.主軸的密封

主軸的密封分接觸式和非接觸式兩種。圖5－17接觸式密封(a)油氈圈密封；(b)耐油橡膠密封圈密封

圖5－18非接觸式密封(a)形式一；(b)形式二；(c)形式三

圖5－18（a）是利用軸承蓋與軸的間隙密封的，軸承蓋的孔內開槽則是為了提高密封效果。這種密封形式用在工作環境比較清潔的油脂潤滑處；圖5－18（b）是在螺母的外圓上開鋸齒形環槽，當油向外流時，靠主軸傳動的離心力把油沿斜面甩到端蓋1的空腔內，油液流回箱內；圖5－18（c）是迷宮式密封結構，在切屑多、灰塵大的工作環境下可獲得可靠的密封效果，這種結構適用油脂或油液潤滑的密封。非接觸式的油液密封時，為了防漏，應保證回油能盡快排掉以及回油孔的暢通。

油脂潤滑密封5.3

數控機床的進給系統

5.3.1對數控機床進給系統的要求進給系統即進給驅動裝置，是指將伺服電動機的旋轉運動變為工作臺直線運動的整個機械傳動鏈。為確保數控機床進給系統的傳動精度和工作平穩性等，數控機床進給傳動系統必須滿足如下要求：

（1）摩擦阻力要小。在進給系統中要盡量減少傳動件之間的摩擦阻力，尤其是減少絲杠傳動和工作臺運動導軌之間的摩擦，以消除低速進給爬行現象，從而提高整個伺服進給系統的穩定性。數控機床廣泛采用滾珠絲杠和滾動導軌以及塑料導軌和靜壓導軌。

（2）傳動剛度要高。進給傳動系統的高傳動剛度主要取決于絲杠螺母副(直線運動)或蝸輪蝸桿副(回轉運動)及其支撐部件的剛度。傳動剛度不足與摩擦阻力一起會導致工作臺產生爬行現象以及造成反向死區，影響傳動準確性。縮短傳動鏈，合理選擇絲杠尺寸以及對絲杠螺母副及支撐部件等進行預緊是提高傳動剛度的有效途徑。

（3）轉動慣量要小。進給系統中每個部件的轉動慣量對進給系統的啟動、制動特性等都有直接的影響，尤其是高速運轉零件的轉動慣量。在滿足傳動強度和剛度的前提下，應盡可能使各零件的結構、配置合理，減小旋轉零件的直徑和質量，以減少運動部件的轉動慣量。

（4）諧振頻率要高。為了提高進給系統的抗振性，應使機械構件具有高的固有頻率和合適的阻尼，一般要求機械傳動系統的固有頻率應高于伺服驅動系統的2～3倍。（5）傳動間隙要小。機械間隙是造成進給系統反向死區的另一主要原因，因此，對傳動鏈的各個環節，包括括齒輪副、絲杠螺母副、聯軸器及其支撐部件等均應采用消除間隙的結構措施。

5.3.2齒輪傳動副

1．直齒圓柱齒輪傳動副消除間隙的方法直齒圓柱齒輪傳動副有以下3種調整法。（1）偏心套調整法。圖5－19所示為偏心套式消除間隙結構。電機1通過偏心套2安裝到機床殼體上，通過轉動偏心套2，使電動機中心軸線的位置向上，而從動齒輪軸線位置固定不變，因此兩嚙合齒輪的中心距減小，從而消除齒側間隙。

圖5－19偏心套消除間隙結構

偏心套電機

（2）錐度齒輪軸向墊片調整法。錐度齒輪軸向墊片消除間隙結構如圖5－20所示。齒輪1和齒輪2相嚙合，其分度圓齒厚沿軸向方向略有錐度，這樣就可用墊片3使齒輪2沿軸向移動，從而消除兩齒輪的齒側間隙。

圖5－20錐度齒輪軸向墊片消除間隙結構

（3）雙片薄齒輪錯齒調整法。雙片薄齒輪錯齒消除間隙結構如圖5－21所示。圖5－21（a）所示是一種雙片薄齒輪周向可調彈簧錯齒消隙結構。兩個相同齒數的薄片齒輪1和2與另一個寬齒輪嚙合，兩薄片齒輪可相對回轉。在兩個薄片齒輪1和2的端面均勻分布著4個螺孔，分別裝上凸耳3和8。薄片齒輪1的端面還有另外4個通孔，凸耳8可以在其中穿過，彈簧4的兩端分別鉤在凸耳3和螺釘7上。通過螺母5調節彈簧4的拉力，調節完后用螺母6鎖緊。彈簧的拉力使薄片齒輪錯位，即兩個雙片齒輪的左、右齒面分別貼在寬齒輪齒槽的左、右齒面上，從而消除了齒側間隙。

圖5－21（b）是另一種雙片薄齒輪周向彈簧錯齒消隙結構。薄片齒輪1和2套裝在一起，每片齒輪各開有兩條周向通槽，在齒輪的端面上裝有短柱3，用來安裝彈簧4。裝配時使彈簧4具有足夠的拉力，使兩個薄片齒輪的左、右面分別與寬齒輪的左、右面貼緊，以消除齒側間隙。圖5－21雙片薄齒輪錯齒消除間隙結構(a)結構一；(b)結構二

2．斜齒圓柱齒輪傳動副消除間隙的方法圖5－22斜齒輪軸向墊片消除間隙結構

t=Δcotβ（β為螺旋角）斜齒圓柱齒輪傳動副消除間隙的方法與直齒圓柱齒輪傳動副中雙片薄齒輪消除間隙的思路相似，也是用兩個薄片齒輪和一個寬齒輪嚙合，只是通過不同的方法使兩個薄片齒輪沿軸向移動合適的距離后，相當于兩薄片斜齒圓柱齒輪的螺旋線錯開了一定的角度。兩個齒輪與寬齒輪嚙合時分別負責不同的方向(正向和反向)，從而起到消除間隙的作用。

（1）斜齒輪軸向墊片調整法。

斜齒輪軸向墊片調整法。圖5－22所示為斜齒輪軸向墊片消除間隙結構，其原理與錯齒調整法相同。薄片斜齒輪1和2的齒形拼裝在一起加工，裝配時在兩薄片齒輪間裝入已知厚度為t的墊片3，這樣它的螺旋線便錯開了，使兩薄片斜齒輪分別與寬齒輪4的左、右齒面貼緊，從而消除間隙。墊片3的厚度t與齒側間隙Δ的關系可用下式表示：t=Δcotβ（β為螺旋角）墊片厚度一般由測試法確定，往往要經幾次修磨才能調整好。這種結構的齒輪承載能力較小，且不能自動補償消除間隙，屬剛性消除間隙的范疇。

（2）斜齒輪軸向壓簧錯齒調整法。圖5－23所示為斜齒輪軸向壓簧錯齒消除間隙結構。該結構的消隙原理與軸向墊片調整法相似，所不同的是利用薄片斜齒輪2右面的彈簧壓力使兩個薄片齒輪產生相對軸向位移，從而使它們的左、右齒輪面分別與寬齒輪的左、右齒面貼緊，以消除齒側間隙。圖5－23（a）采用的是壓簧，圖5－23（b）采用的是碟形彈簧。彈簧3的壓力可利用螺母5來調整，壓力的大小要調整合適，壓力過大會加快齒輪磨損，壓力過小達不到消隙作用。這種結構能使齒輪間隙自動消除，并始終保持無間隙的嚙合，但這種結構軸向尺寸較大，只適合于負載較小的場合。

圖5－23斜齒輪軸向壓簧錯齒消除間隙結構

3．錐齒輪傳動副消除間隙的方法

錐齒輪同圓柱齒輪一樣，可用上述類似的方法來消除齒側間隙。

（1）錐齒輪軸向壓簧調整法。圖5－24所示為錐齒輪軸向壓簧消除間隙結構。兩個嚙合著的錐齒輪1和2，其中在裝有錐齒輪1的傳動軸5上裝有壓簧3，錐齒輪1在彈簧力的作用下可稍作軸向移動，從而消除間隙。彈簧力的大小由螺母4調節。

圖5－24錐齒輪軸向壓簧消除間隙結構

（2）錐齒輪周向彈簧調整法。圖5－25為周向彈簧消除間隙結構。將一對嚙合錐齒輪中的一個齒輪做成大小兩片1和2，在大片上制有三個圓弧槽，而在小片的端面上制有三個凸爪6，凸爪6伸入大片的圓弧槽中。彈簧4一端頂在凸爪6上，而另一端頂在鑲塊3上。為了安全起見，用螺釘5將大小片齒圈相對固定，安裝完畢之后將螺釘卸去，利用彈簧力使大小片錐齒輪稍微錯開，從而達到消除間隙的目的。

圖5－25錐齒輪周向彈簧消除間隙結構

4.齒輪齒條傳動副消除間隙的方法

在大型數控機床中，工作臺的行程很大，因此，它的進給運動不宜采用滾珠絲杠副來實現，而常采用齒輪齒條來實現。當驅動時，可采用雙片薄齒輪錯齒調整法，分別與齒條齒槽左、右側面貼緊，從而消除齒側隙。圖5－26所示為齒輪齒條消除間隙結構。進給運動由軸2輸入，通過兩對斜齒輪將運動傳給軸1和3，然后由兩個直齒輪4和5去傳動齒條，帶動工作臺移動。軸2上兩個斜齒輪的螺旋線方向相反。如果通過彈簧在軸2上作用一個軸向力F，則使斜齒輪產生微量的軸向移動，這時軸1和軸3便以相反的方向轉過微小的角度，使齒輪4和5分別與齒條的兩齒面貼緊，從而消除間隙。

圖5－26齒輪齒條消除間隙結構

附加順時針旋轉附加逆時針旋轉5.3.3聯軸器

1.錐環無鍵聯軸器該機構利用錐環對之間的摩擦實現軸與轂之間的無間隙連接傳遞轉矩，并可任意調節兩連接件之間的角度位置。通過選擇所用錐環的對數，可傳遞不同大小的轉矩。圖5－27所示為錐環(錐形夾緊環)無鍵消隙聯軸器，它可使動力傳遞沒有反向間隙。螺釘5通過壓圈3施加軸向力時，由于錐環之間的楔緊作用，內外環分別產生徑向彈性變形，消除配合間隙，同時產生接觸壓力以傳遞轉矩。為了能補償同軸度及垂直度誤差引起的干涉現象，可采用圖5－28所示的撓性聯軸器。其柔性片4分別用螺釘和球面墊圈與兩邊的聯軸套2相連，通過柔性片傳遞轉矩。柔性片每片厚0.25mm，材料為不銹鋼。聯軸器兩端的位置偏差由柔性片的變形抵消。

圖5－27錐環無鍵消隙聯軸器圖5－28撓性聯軸器

2.套筒式聯軸器

圖5－29所示為套筒式聯軸器的幾種結構形式。其結構簡單，徑向尺寸小，但拆裝困難(要求兩中心軸線嚴格對準，不允許存在徑向及角度偏差)，使用受到一定限制。其中，圖5－29（a）結構雖簡單實用，但不太可靠；圖5－29（b）結構簡單，加工和安裝容易，但消除周向間隙不可靠，且易松動；圖5－29（c）是用十字滑塊聯軸器相連，滑塊的槽口配研，這種結構無法保證完全消除傳動間隙。

圖5－29套筒式聯軸器(a)結構一；(b)結構二；(c)結構三

5.3.4滾珠絲杠螺母機構

1．滾珠絲杠螺母副的工作原理與特點

滾珠絲杠螺母副（簡稱滾珠絲杠副）是一種在絲杠與螺母間裝有滾珠作為中間元件的絲杠副，其結構原理如圖5－30所示。在絲杠1和螺母3上都裝有半圓弧形的螺旋槽，當它們套裝在一起時便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠回路管道（在圖中4所指的位置），將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來，構成封閉的循環滾道，并在滾道內裝滿滾珠4。當絲杠旋轉時，滾珠在滾道內既自轉又沿滾道循環轉動，因而迫使螺母（或絲杠）軸向移動。

圖5－30滾珠絲杠副結構原理

與傳統的滑動絲杠螺母副比較，滾珠絲杠螺母副具有以下優點：

(1)傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠螺母副的傳動效率h=0.92～0.96，是普通絲杠螺母副的3～4倍，因此功率消耗只相當于普通絲杠傳動的1/4～1/3。同時由于發熱小，因此可實現高速運動。

(2)運動平穩無爬行。由于摩擦阻力小，動、靜摩擦系數之差極小，因此運動平穩，不易出現爬行現象。

(3)傳動精度高，反向時無空程。滾珠絲杠副經預緊后，可消除軸向間隙，因而無反向死區，同時也提高了傳動剛度。

(4)磨損小，精度保持性好，使用壽命長。

(5)具有運動的可逆性。由于摩擦系數小，不能自鎖，因而可以將旋轉運動轉換成直線運動，也可將直線運動轉換成旋轉運動，即絲杠和螺母均可作主動件或從動件。

滾珠絲杠副的缺點是：（1）由于結構復雜，絲杠和螺母等元件的加工精度和表面質量要求高，因此制造成本高。（2）由于不能自鎖，特別是垂直安裝的滾珠絲杠傳動，會因部件的自重而自動下降，當部件向下運動且切斷動力源時，由于部件的自重和慣性，滾珠絲杠不能立即停止運動，因此必須增加制動裝置。

2．滾珠絲杠螺母副的結構類型

滾珠絲杠螺母副按其中的滾珠循環方式可分為以下兩種：

(1)外循環。滾珠在循環過程結束后，通過螺母外表面上的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進入循環。圖5－31所示為常見的外循環式滾珠絲杠結構。在螺母外圓上裝有螺旋形的插管口，管子的兩端插入滾珠螺母工作始末兩端孔中，以引導滾珠通過插管形成滾珠的多圈循環鏈。這種類型的結構簡單，工藝性好，承載能力較高，但徑向尺寸較大。目前，這種類型滾珠絲杠螺母副的應用最為廣泛，也可用于重載傳動系統。

圖5－31外循環式滾珠絲杠結構

(2)內循環。內循環式滾珠絲杠結構如圖5－32所示，它靠螺母上安裝的反向器接通相鄰滾道，使滾珠成單圈循環。反向器2的數目與滾珠圈數相等。這種類型的結構緊湊，剛度好，滾珠流通性好，摩擦損失小，但制造較困難，適用于高靈敏、高精度的進給系統，不宜用于重載傳動。

圖5－32內循環式滾珠絲杠結構

3．滾珠絲杠螺母副間隙的調整方法

滾珠絲杠的傳動間隙是軸向間隙，其數值是指絲杠和螺母無相對轉動時，二者之間的最大軸向竄動量，除了結構本身的游隙之外，還包括施加軸向載荷后產生的彈性變形所造成的軸向竄動量。

由于存在軸向間隙，當絲杠反向轉動時，將產生空回誤差，從而影響傳動精度和軸向剛度。通常采用預加載荷（預緊）的方法來減小彈性變形所帶來的軸向間隙，以保證反向傳動精度和軸向剛度。但過大的預加載荷會增大摩擦阻力，降低傳動效率，縮短使用壽命。因此，一般需要經過多次調整，以保證既消除間隙又能靈活運轉。調整時，除螺母預緊外還應特別注意使絲杠安裝部分的間隙盡可能小，并且具有足夠剛度，同時應注意預緊力不宜過大，預緊力過大會使空載力矩增加，從而降低傳動效率，縮短使用壽命。

1）雙螺母消隙常用的雙螺母絲杠消除間隙的方法有：（1）墊片調隙式。如圖5－33所示，調整墊片厚度使左、右兩螺母產生軸向位移，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。

圖5－33墊片調隙式

（2）螺紋調隙式。如圖5－34所示，其中一個螺母的外端有凸緣；另一個螺母的外端沒有凸緣，而制有螺紋，它伸出套筒外，并用兩個圓螺母固定著。旋轉圓螺母時，即可消除軸向間隙，并可達到產生預緊力的目的。調整好后再用另一個圓螺母把它鎖緊。這種方法調整方便，且可在使用過程中隨時調整，但預緊力的大小不能準確控制。

圖5－34螺紋調隙式

（3）齒差調隙式。如圖5－35所示，在兩個螺母的凸緣上各制有圓柱外齒輪，分別與固緊在套筒兩端的內齒圈相嚙合，其齒數分別為z1和z2，并相差一個齒。調整時，先取下內齒圈，讓兩個螺母相對于套筒方向都轉動一個齒，然后再插入內齒圈，則兩個螺母便產生相對角位移，其軸向位移量s=（1/z1-1/z2)Pn。例如，z1=80，z2=81，滾珠絲杠的導程Pn=6mm時，s=6/6480≈0.001mm。這種調整方法能精確調整預緊量，調整方便、可靠，但結構尺寸較大，多用于高精度的傳動。圖5－35齒差調隙式

2）單螺母消隙（1）單螺母變位螺距預緊。如圖5－36所示，將螺母的內螺紋滾道在中部的一圈上，產生一個軸向ΔL0的導程突變量，從而使左右端的滾珠在軸向錯位實現預緊。這種調隙方法結構簡單緊湊，運動平穩，特別適用于小型絲杠螺母副，但負荷量須預先設定且不能隨意改變。

圖5－36單螺母變位螺距預緊

（2）單螺母螺釘預緊。如圖5－37所示，螺母在專業生產工廠完成精磨之后，沿徑向開一薄槽，通過內六角調整螺釘實現間隙的調整和預緊。該專利技術已成功地解決了開槽后滾珠在螺母中有良好的通過性的問題。單螺母螺釘結構不僅具有很好的性能價格比，而且間隙的調整和預緊極為方便。

圖5－37單螺母螺釘預緊

（3）滾珠絲杠螺母副預緊。對于滾珠絲杠螺母副，為了保證傳動精度和剛度，除消除傳動間隙外，還要求預緊。預緊力計算公式為

式中，Fmax為軸向最大工作載荷。前述各例消除滾珠絲杠螺母副軸向間隙的方法，都能對螺母副進行預緊。調整時只要使預緊力Fv=（1/3）Fmax即可。

4.滾珠絲杠的支撐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撐結構的剛度也是不可忽視的因素。如為減少受力后的變形，螺母座應有加強肋，增大螺母座與機床的接觸面積，并且要連接可靠。另外，采用高剛度的推力軸承可提高滾珠絲杠的軸向承載能力。滾珠絲杠的支撐方式有以下幾種，如圖5－38所示。

圖5－38滾珠絲杠的支撐方式(a)僅一端裝推力軸承;(b)一端裝推力軸承，另一端裝深溝球軸承；(c)兩端裝推力軸承;(d)兩端裝推力軸承和深溝球軸承

單端支撐：承載能力小，用于短絲杠；一端固定，一端浮動：用于較長絲杠，可以熱游長；兩端推力：有助于提高剛度，但對熱變形較敏感；雙端固定：有最大的剛度，絲杠預緊與熱變形相關。

5．滾珠絲杠螺母副的維護

(1)支撐軸承的定期檢查。應定期檢查絲杠與床身的連接是否有松動以及支撐軸承是否損壞等。如有以上問題，要及時緊固松動部位并更換支撐軸承。

(2)滾珠絲杠副的潤滑和密封。滾珠絲杠副也可用潤滑劑來提高耐磨性及傳動效率。潤滑劑可分潤滑油及潤滑脂兩大類。潤滑油為一般機油、90～180號透平油或140號主軸油。潤滑脂可采用鋰基油脂。潤滑油經過殼體上的油孔注入螺母的空間內，而潤滑脂則加在螺紋滾道和安裝螺母的殼體空間內。

(3)滾珠絲杠副常用防塵密封圈和防護罩。①密封圈。密封圈裝在滾珠螺母的兩端。接觸式的彈性密封圈是用耐油橡皮或尼龍等材料制成的，其內孔制成與絲杠螺紋滾道相配合的形狀。接觸式密封圈的防塵效果好，但因有接觸壓力，所以會使摩擦力矩略有增加。非接觸式的密封圈是用聚氯乙烯等材料制成的，其內孔形狀與絲杠螺紋滾道相反，并略有間隙。非接觸式密封圈又稱為迷宮式密封圈。

②防護罩。對于暴露在外面的絲杠，一般采用螺旋鋼帶、伸縮套筒以及折疊式塑料或人造革等形式的防護罩，以防止塵埃和磨粒粘附到絲杠表面。這幾種防護罩與導軌的防護罩有相似之處，其一端連接在滾珠螺母的端面上，另一端固定在滾珠絲杠的支撐座上。

6.滾珠絲杠副的制動裝置

由于滾珠絲杠副的傳動效率高，無自鎖作用（特別是滾珠絲杠處于垂直傳動時），為防止因自重下降，故必須裝有制動裝置。圖5－39所示為數控銑鏜床主軸箱進給絲杠制動示意圖。機床工作時，電磁鐵通電，使摩擦離合器脫開，運動由電機經減速齒輪傳給絲杠，使主軸箱上、下移動。當加工完畢或中間停車時，電機和電磁鐵同時斷電，借壓力彈簧作用合上摩擦離合器，使絲杠不能轉動，主軸箱便不會下落。

圖5－39數控銑鏜床主軸箱進給絲杠制動示意圖

5.4床身與立柱

1．床身床身是機床的基礎件，必須具有足夠的靜、動剛度和精度能長久保持的特性。

1）移動立柱式臥式床身

移動立柱式臥式床身通常都采用T型床身。它是由橫置的前床身(又叫橫床身)和與它垂直的后床身(又叫縱床身)組成。T型床身有整體式和分離式兩種，圖5－40所示為臥式加工中心分離式T型床身。

圖5－40臥式加工中心分離式T型床身

圖5－41

TH6350臥式加工中心前床身截面

圖5－42固定立柱式臥式床身與斜床身(a)固定立柱式臥式床身；2）固定立柱式臥式床身這種床身適用于小型臥式機床，它一般采用整體結構，如圖5－42（a）所示。

3）斜床身

為提高床身的剛性，數控臥式車床一般采用斜床身，如圖5－42（b）所示。斜床身可以改善機床切削加工時的受力情況，截面可以做成封閉的腔形結構，以提高床身剛性。內部可以填充泥芯和混泥土等阻尼材料，在振動時利用相對磨損來耗散振動能量。

(b)斜床身

圖5－43所示為德國DNE480L型數控車床底座和床身示意圖。其底座內所填充的混凝土的內摩擦阻力較高，再配上封泥芯的床身，使機床有較高的抗振性。該機床為四面密封結構，中間導軌后有縱向肋條，縱向每隔250mm有一橫隔板。床身封閉截面可提高抗彎和抗扭剛度，縱向肋條可提高中間導軌的局部剛度，隔板可減少截面的變形。

圖5－43

DEN480L型數控車床底座和床身示意圖

圖5－44雙立柱框架結構

2．立柱

1)臥式機床的立柱臥式機床的立柱目前大部分采用的是如圖5－44所示的雙立柱框架結構形式。

大、中型臥式機床的移動立柱固定于滑座上，而小型臥式機床的立柱則直接固定于床身上。主軸箱裝在雙立柱的中間，沿立柱導軌上下運動，如圖5－45所示。

圖5－45主軸箱與雙立柱

這類立柱結構的優點是：

(1)剛性高。機床切削時，主軸所受的力的作用點在立柱的中央，加之立柱為對稱形狀，則立柱受扭矩力的因素少，從而大大加強了剛度。（2）熱對稱性強。因為主軸箱處在立柱的中央，而主軸箱又是機床的主要熱源，使立柱成為熱對稱結構，所以減少了熱變形的影響。（3）穩定性好。由于立柱內部肋板采用框架結構箱式布置，因此使得立柱的抗彎、抗扭剛度，以及構件的固有頻率都得到了提高。圖5－46所示為臥式加工中心雙立柱的橫向截面。這類立柱結構的缺點是：制造工藝性差，裝配、調試不方便。

圖5－46臥式加工中心雙立柱的橫向截面

由于采用平衡錘平衡主軸箱的重量，因此平衡錘一般設在立柱內腔里，并隨主軸箱的升降而升降。采用這種平衡方式的立式機床立柱，其內腔是中空的，為加強立柱的剛性也可以采用斜方雙層壁和對角線交叉立柱，如圖5－47所示。2)立式機床的立柱因為主軸箱懸掛在立柱一側，所以一般采用封閉的箱型結構和米字形的內部肋板；又因為米字形肋板鑄造時比較困難，所以有些立柱仍采用井字形的肋板。圖5－47斜方雙層壁和對角線交叉立柱(a)XK－716型立式加工中心;(b)STAMAMCI18型立式加工中心

斜方雙層壁和對角線交叉肋板都有很高的抗扭剛度和抗彎剛度，而且單位重量的剛度比其他結構的高。

5.5機床導軌

5.5.1對導軌的要求

導軌用來支撐和引導運動部件沿著直線或圓周方向準確運動。運動的一方稱為動導軌，不動的一方稱為支撐導軌。為保證機床加工的精度和穩定性，導軌必須滿足以下要求：

（1）高的導向精度。導向精度保證部件運動軌跡的準確性。導向精度受到導軌的結構形狀、組合方式、制造精度和導軌間隙調整等的影響。

(2）良好的耐磨性。耐磨性好可使導軌的導向精度得以長久保持。耐磨性受到導軌副的材料、硬度、潤滑和載荷的影響。

(3）足夠的剛度。在載荷的作用下，導軌剛度高，其保持形狀不變的能力就強。剛度受到導軌結構和尺寸的影響。

(4）具有低速運動的平穩性。低速運動的平穩性使其運動部件在導軌上低速移動時，不會發生“爬行”現象。造成“爬行”的主要因素有摩擦性質、潤滑條件和傳動系統的剛度。5.5.2數控機床上常用的導軌及其特點

1．滑動導軌

1)滑動導軌的結構滑動導軌常見的截面形狀如圖5－48所示。其各個平面所起的作用各不相同。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。圖5－48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

2）滑動導軌的組合形式與應用滑動導軌一般由兩條導軌組成，不同的組合形式是為了滿足不同機床的工作要求。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。雙矩形導軌是用側邊導向，當采用一條導軌的兩側邊導向時稱為窄式導向（圖5－49（a）），若分別采用兩條導軌的兩個側面邊導向則稱為寬式導向（圖5－45（b））。窄式導向制造容易，受熱變形影響小。

圖5－49窄式導向與寬式導向(a)窄式導向；(b)寬式導向

傳統的鑄鐵—鑄鐵和鑄鐵—淬火鋼的導軌副，靜摩擦系數大，且動摩擦系數隨速度變化而變化，摩擦損失大，低速時易出現“爬行”現象，影響運動平穩性和定位精度，因此在數控機床上已很少采用，取而代之的是鑄鐵—塑料滑動導軌或鑲鋼—塑料滑動導軌。目前，塑料導軌的材料可分為兩種：貼塑材料和涂塑材料。

目前在國內生產使用的貼塑材料主要有塑料導軌板和塑料導軌軟帶兩種，它們是由聚四氟乙烯和多種金屬材料制成的復合材料。例如，ＦＱ－１塑料導軌板采用的是在渡銅鋼板上燒結一層多孔青銅，在青銅層間隙中扎入聚四氟乙烯及其他填料，再經適當處理形成金屬-氟塑料的復合體導軌板。這種材料的導軌板的摩擦系數小（約為0.04～0.08），并具有良好的自潤滑作用，特別適用于垂直導軌。

塑料導軌軟帶是以聚四氟乙烯PTFE為基體，添加青銅粉二硫化鉬和石墨等多種填料所構成的復合材料。在油潤滑狀態下，其摩擦系數約為0.06，使用壽命為普通鑄鐵導軌的8～10倍。塑料導軌軟帶有各種厚度規格，長與寬由用戶自行裁剪，采用粘貼的方法固定。由于塑料導軌軟帶較軟，容易被硬物刮傷，因此要有良好的密封防護措施。概括起來，塑料導軌軟帶與其他導軌相比，有以下特點：

（1）摩擦系數低而穩定，比鑄鐵導軌副低一個數量級。（2）動、靜摩擦系數相近，運動平穩性和爬行性能較鑄鐵導軌副好。

（3）吸收振動，具有良好的阻尼特性，優于接觸剛度較低的滾動導軌和易漂浮的靜壓導軌。（4）耐磨性好，有自身潤滑作用，無潤滑劑也能工作，灰塵磨粒的嵌入性好。（5）化學穩定性好，耐低溫，耐強酸、強堿、強氧化劑及各種有機溶劑。（6）維護修理方便，軟帶耐磨，損壞后更換容易。（7）經濟性好，結構簡單，成本低，約為滾動導軌成本的1／20。

圖5－50鑲粘塑料—金屬導軌結構

2．滾動導軌

1）滾動導軌的結構形式

（1）滾動導軌塊。這是一種以滾動體作循環的滾動體。移動部件移動時，滾動體沿封閉軌道作循環運動。滾動體為滾珠或滾柱。數控機床上采用的滾柱式滾動導軌塊如圖5－51所示，它多用于中等負荷導軌。滾動導軌塊由專業廠家生產，有多種規格、形式供用戶選用。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。

圖5－51滾柱式滾動導軌塊(a)單元滾動塊;(b)在加工中心上的應用

(2)直線滾動導軌。直線滾動導軌又稱單元直線滾動導軌。它除導向外還能承受顛覆力矩，其制造精度高，可高速運行，并能長時間保持精度，通過預加負載可提高剛性，具有自調的能力，安裝基面允許誤差大。直線滾動導軌的外形和結構如圖5－52所示。導軌體固定在不動部件上，滑塊固定在運動部件上。當滑塊沿導軌體移動時，滾珠在導軌體和滑塊之間的圓弧直槽內滾動，并通過端蓋內的滾道，從工作負荷到非工作負荷區，然后再滾動回到工作負載區，不斷循環，從而把滾動體和滑塊之間的移動變成了滾珠的滾動。為防止灰塵和臟物進入導軌滾道，滑塊兩端及下部均有塑料密封墊。滑塊上還有潤滑油注油杯，只要定期將鋰基潤滑脂放入潤滑油注油杯即可實現潤滑。

圖5－52直線滾動導軌的外形和結構

2)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。常見的預緊方法有以下兩種：（1）采用過盈配合。預加載荷大于外載荷，預緊力產生過盈量2～3μm，過大會使牽引力增加。若運動部件較重，其重力可起預加載荷作用，若剛度滿足要求，可不施預加載荷。（2）調整法。調整螺釘、斜塊或偏心輪來進行預緊。圖5－53為滾動導軌的預緊方法。

圖5－53滾動導軌的預緊方法(a)滾柱或滾針導軌自由支撐;(b)滾柱或滾針導軌預加載荷；(c)交叉式滾柱導軌;(d)循環式滾動導軌塊

3.液壓導軌

液壓導軌在機床上的使用主要是靜壓導軌。在靜壓導軌兩個相對運動的導軌面間通入壓力油，可使運動件浮起。在工作過程中，導軌面上油腔中的油壓能隨外加負載的變化自動調節，以平衡外加負載，保證導軌面間始終處于純液體摩擦狀態。所以靜壓導軌的摩擦系數極小（約0.0005）、功率消耗小、導軌不會磨損，因而導軌的精度保持性好，壽命長。油膜厚度幾乎不受速度的影響，油膜承載能力大、剛性高、吸振性良好，導軌運行平穩，既無爬行，也不會產生振動。但靜壓導軌結構復雜，并需要一套有良好過濾效果的液壓裝置，因此制造成本較高。目前，靜壓導軌較多應用在大型、重型數控機床上。

靜壓導軌按導軌形式可分為開式和閉式兩種，數控機床用閉式的靜壓導軌。閉式靜壓導軌按供油方式可分為恒壓（即定壓）供油和恒流（即定量）供油兩種。恒壓供油方式中以毛細管節流和單面薄膜反饋節流用得較多，其原理如圖5－54所示。

圖5－54閉式靜壓導軌恒壓供油原理

5.5.3導軌的潤滑與防護

1．導軌的潤滑

1)潤滑方法導軌最簡單的潤滑方式是人工定期加油或用油杯供油。這種方法簡單、成本低，但不可靠，一般用于調節輔助導軌及運動速度低、工作不頻繁的滾動導軌。對運動速度較高的導軌大都采用潤滑泵，以壓力油強制潤滑。這樣不但可連續或間歇供油給導軌進行潤滑，而且可利用油的流動沖洗和冷卻導軌表面。為實現強制潤滑，機床必須備有專門的供油系統。圖5－55為某加工中心導軌的潤滑系統。

圖5－55加工中心導軌的潤滑系統

2)對潤滑油的要求在工作溫度變化時，潤滑油粘度變化要小，要有良好的潤滑性能和足夠的油膜剛度，油中雜質盡量少且不浸蝕機件。常用的全損耗系統用油有L—AN10、15、32、42、68，精密機床導軌油L—HG68，汽輪機油L—TSA32、46等。

2．導軌的防護

為了防止切屑、磨粒或冷卻液散落在導軌面上而引起磨損、擦傷和銹蝕，導軌面上應有可靠的防護裝置。常用的刮板式、卷簾式和疊層式防護罩，大多用于長導軌機床上，如龍門刨床、導軌磨床等。另外，還有手風琴式的伸縮式防護罩等。在機床使用過程中應防止損壞防護罩，對疊層式防護罩應經常用刷子蘸機油清理移動接縫，以避免發生碰殼現象。

5.6自動換刀裝置5.6.1自動換刀裝置的分類加工中心自動換刀裝置根據其組成結構可分為：轉塔式自動換刀裝置、無機械手式自動換刀裝置和有機械手式自動換刀裝置。其中，轉塔式不帶刀庫，而后兩種帶刀庫。

1.不帶刀庫的自動換刀裝置轉塔式自動換刀裝置又分回轉刀架式和轉塔頭式兩種。回轉刀架式用于各種數控車床和車削中心機床，轉塔頭式多用于數控鉆、鏜、銑床。

1）回轉刀架式換刀回轉刀架式換刀是一種簡單的自動換刀裝置。在回轉刀架各刀座安裝或夾持著各種不同用途的刀具，通過回轉刀架的轉位實現換刀。回轉刀架可在回轉軸的徑向和軸向安裝刀具。在數控車床上，回轉刀架和其上的刀具布置大致有以下幾種類型：（1）一個回轉刀架，外圓類、內孔類刀具混合放置。單回轉刀架數控車床如圖5－56所示。

圖5－56單回轉刀架數控車床

（2）兩個回轉刀架，分別布置外圓和內孔類刀具。雙回轉刀架數控車床如圖5－57所示，上刀架的回轉軸與主軸平行，用于裝外圓類刀具；下刀架的回轉軸與主軸垂直，用于裝內孔類刀具。

圖5－57雙回轉刀架數控車床

（3）雙排回轉刀架，外圓類、內孔類刀具分別布置在刀架的一側面。雙排回轉刀架外形如圖5－58所示。回轉刀架的回轉軸與主軸傾斜，每個刀位上可裝兩把刀具，用于加工外圓和內孔。

圖5－58雙排回轉刀架外形圖

回轉刀架的工位數最多可達20多個，但最常用的是8、10、12和16工位4種。工位數越多，刀間夾角越小，非加工位置刀具與工件相碰而產生干涉的可能性就越大，因此在刀架布刀時要給予考慮，避免發生干涉現象。回轉刀架在結構上必須具有良好的強度和剛度，以承受粗加工時的切削抗力，減小刀架在切削力作用下的位移變形，提高加工精度。回轉刀架還要選擇可靠的定位方案和定位結構，以保證回轉刀架在每次轉位之后具有高的重復定位精度。

CK3263系列數控車床回轉刀架結構如圖5－59所示，回轉刀架的升起、轉位、夾緊等動作都是由液壓驅動的。當數控裝置發出換刀指令以后，液壓油進入液壓缸1的右腔，通過活塞推動刀架中心軸2將刀盤3左移，使定位副端齒盤4和5脫離嚙合狀態，為轉位作好準備。齒盤處于完全脫開位置時，嚙合狀態行程開關ST2發出轉位信號，液壓馬達帶動轉位凸輪6旋轉，凸輪依次推動回轉盤7上的分度柱銷8使回轉盤通過鍵帶動中心軸及刀盤作分度轉動。凸輪每轉過一周撥過一個柱銷，使刀盤旋轉一個工位(1／n周，n為刀架工位數，也等于柱銷數)。刀架中心軸的尾端固定著一個有n個齒的凸輪，每當中心軸轉過一個工位時，凸輪壓合計數行程開關ST1一次，開關將此信號送入控制系統。當刀盤旋轉到預定工位時，控制系統發出信號使液壓馬達剎車，轉位凸輪停止運動，刀架處于預定位狀態。與此同時，液壓缸1左腔進油，通過活塞將刀架中心軸和刀盤拉回，端齒盤嚙合，刀盤完成精定位和夾緊動作。刀盤夾緊后，刀架中心軸尾部將ST2壓下，發出轉位結束信號。圖5－59

CK3263系列數控車床回轉刀架結構簡圖

刀盤轉位驅動采用圓柱凸輪步進傳動機構，其工作原理如圖5－60所示。圓柱凸輪是在圓周面上加工出一條兩端有頭的凸輪輪廓。從動回轉盤端面有多個柱銷，柱銷數量與工位數相等。當凸輪按圖中所示方向旋轉時，B銷先進入凸輪輪廓的曲線段，這時凸輪開始驅動回轉盤轉位，與此同時，A銷與凸輪輪廓脫開。當凸輪轉過180°時，B銷接觸的凸輪輪廓由曲線段過渡到直線段，同時與B銷相鄰的C銷開始與凸輪的直線輪廓的另一側面接觸，凸輪繼續轉動，回轉盤不動，刀架處于預定位狀態。由于凸輪是一個兩端開口的非閉合曲線輪廓，所以凸輪在正反轉時均可帶動回轉盤作正反方向的旋轉，因此，這種刀架可通過控制系統中的邏輯電路來自動選擇刀盤回轉方向，以縮短轉位時間，提高換刀速度。

圖5－60圓柱凸輪步進傳動機構工作原理

2)轉塔頭式換刀在使用轉塔頭式換刀的數控機床的轉塔刀架上裝有主軸頭，轉塔轉動時更換主軸頭實現自動換刀。在轉塔各個主軸頭上，預先安裝有各工序所需的旋轉刀具。圖5－61所示為數控鉆鏜銑床，其可繞水平軸轉位的轉塔自動換刀裝置上裝有8把刀具，但只有處于最下端“工作位置”上的主軸與主傳動鏈接通并轉動。待該工步加工完畢，轉塔按照指令轉過一個或幾個位置，待完成自動換刀后，再進入下一步的加工。

圖5－61數控鉆鏜銑床

圖5－62為臥式八軸轉塔頭結構。轉塔頭內均布八根刀具主軸，結構完全相同，前軸承座2連同主軸1作為一個組件整體裝卸，便于調整主軸軸承的軸向和徑向間隙。按壓操縱桿12，通過頂桿14卸下主軸孔內的刀具。由電動機經變速機構、傳動齒輪、滑移齒輪4到齒輪13傳動主軸。上齒盤5固定在轉塔體8上，下齒盤6則固定在轉塔底座上。轉塔體8由兩個推力球軸承7、9支撐在中心液壓缸11上，活塞和活塞桿10固定在轉塔頭底座上。當壓力油進入油缸下腔時，轉塔頭即被壓緊在底座上。

圖5－62臥式八軸轉塔頭結構

轉塔頭的轉位過程如圖5－63所示。首先由液壓撥叉(圖中未示出)移動滑移齒輪4（圖5－62），使它脫開齒輪13（圖5－62），然后壓力油經固定活塞桿10（圖5－62）中的孔進入中心液壓缸11（圖5－62）的上腔，使轉塔體8（圖5－62）抬起，齒盤5（圖5－62）和齒盤6（圖5－62）脫開。當轉塔頭體1抬起時，與其連在一起的大齒輪2也上移，與軸4上的齒輪3嚙合。當推動轉塔頭轉位液壓缸活塞移動時，活塞桿齒條5經齒輪傳動軸4，使轉塔頭轉位。

同時，軸4下端的小齒輪通過齒輪8、棘爪15、棘輪14、小軸12使杠桿11轉動。當轉塔頭下一個刀具主軸轉到工作位置時，杠桿11端部的金屬電刷從兩同心圓環上的某一組電觸點轉動，與下一組電觸點相接，這樣就可識別和記憶轉塔頭工作主軸的號碼，并給機床控制系統發出信號。活塞桿齒條5每次移動，只能使轉塔頭做一次固定角度的分度運動，因此只適于順序換刀。當活塞桿齒條5到達行程終點時，固定在齒輪8上并隨之轉動的擋桿7按壓微動開關6，發出信號使轉塔頭體下降壓緊，轉塔頭定位夾緊時，大齒輪2下降與齒輪3脫開，此時大齒輪2下端面使一微動開關發出信號，使通向齒條油缸的油路換向，齒條活塞桿復位，這時齒輪8上的擋桿7按壓微動開關13，發出轉塔頭轉位完畢的信號。液壓撥叉重新將滑移齒輪4移到與齒輪13嚙合的位置，使在工作位置的刀具主軸接通主運動鏈。

圖5－63轉塔頭的轉位過程

2.帶有刀庫的自動換刀裝置

1）無機械手式自動換刀裝置無機械手式自動換刀裝置，一般是把刀庫放在主軸箱可以運動到的位置，或整個刀庫、某一刀位能移動到主軸箱可以到達的位置。同時刀庫中刀具的存放方向一般與主軸箱的裝刀方向一致。換刀時，由主軸和刀庫的相對運動進行換刀動作，利用主軸取走或放回刀具。圖5－64為幾種無機械手式自動換刀裝置的立柱不動式臥式加工中心。

圖5－64幾種無機械手式自動換刀裝置的立柱不動式臥式加工中心(a)種類一；(b)種類二；(c)種類三

圖5－65立柱不動式臥式加工中心無機械手式自動換刀裝置的換刀過程(a)步驟一；(b)步驟二；(c)步驟三；(d)步驟四；(e)步驟五；(f)步驟六

2）有機械手式自動換刀裝置有機械手式自動換刀裝置一般由機械手和刀庫組成。其刀庫的配置，位置及數量的選用要比無機械手的換刀裝置靈活得多。它可以根據不同的要求，配置不同形式的機械手，可以是單臂的、雙臂的，甚至可以配置一個主機械手和一個輔助機械手的形式。它能夠配備多至數百把刀具的刀庫。換刀時間可縮短到幾秒甚至零點幾秒。因此，目前大多數加工中心都裝配了有機械手式自動換刀裝置。由于刀庫位置和機械手換刀動作的不同，其自動換刀裝置的結構形式也多種多樣。

5.6.2刀庫

1.刀庫的類型

刀庫的形式和容量主要是為了滿足機床的工藝范圍。圖5－66所示為常見的幾種刀庫的結構形式。圖5－66常見的幾種刀庫的結構形式(a)直線刀庫；(b)刀具徑向布置的圓盤刀庫；(c)刀具軸向布置的圓盤刀庫；(d)刀具傘狀布置的圓盤刀庫；(e)刀具多圈布置的圓盤刀庫；(f)多層圓盤刀庫；(g)多排圓盤刀庫；(h)單排鏈式刀庫；(i)加長鏈條的鏈式刀庫；(j)單面格子箱式刀庫；(k)多面格子箱式刀庫

1）直線刀庫直線刀庫如圖5－66（a）所示，刀具在刀庫中直線排列，結構簡單，存放刀具數量有限(一般為8～12把)，多用于數控車床，數控鉆床也有采用。

2）圓盤刀庫圓盤刀庫如圖5－66（b）～（g）所示，其存刀量少則6～8把，多則50～60把，并且有多種形式。

圖5－66（b）所示刀庫，刀具徑向布置，占有較大空間，一般置于機床立柱上端。圖5－66（c）所示刀庫，刀具軸向布置，常置于主軸側面，刀庫軸心線可垂直放置，也可水平放置，其使用較為廣泛。

圖5－66（d）所示刀庫，刀具為傘狀布置，多斜放于立柱上端。

3）鏈式刀庫鏈式刀庫也是較常使用的一種形式(見圖5－66（h）、（i）)，這種刀庫的刀座固定在鏈節上，常用的有單排鏈式刀庫(見圖5－66（h）)，一般存刀量小于30把，個別能達到60把。若要進一步增加存刀量，則可使用加長鏈條的鏈式刀庫(見圖5－66（i）)。圖5－67給出了各種鏈式刀庫。

圖5－67各種鏈式刀庫(a)單排鏈式刀庫;(b)多排鏈式刀庫;(c)加長鏈條的鏈式刀庫

4)其他刀庫刀庫的形式還有很多，值得一提的是格子箱式刀庫，如圖5－66（j）、（k）所示，其刀庫容量較大，可使整箱刀庫與機外交換。為減少換刀時間，換刀機械手通常利用前一把刀具加工工件的時間，預先取出要更換的刀具，當然所配的數控系統應具備該項功能。這種刀庫的占地面積小，結構緊湊，在相同的空間內可容納的刀具數量較多，但選刀和取刀動作復雜，已經很少用于單機加工中心，多用于FMS（柔性制造系統）的集中供刀系統。圖5－66（j）、（k）分別為單面式和多面式格子箱式刀庫。

2．刀庫的容量刀庫的容量并不是越大越好，太大反而會增加刀庫的尺寸和占地面積，使選刀時間增長。應根據廣泛的工業統計，依照該機床大多數工件加工時需要的刀具數量來確定刀庫容量。據資料分析，對于鉆削加工，用10把刀具就能完成80%的工件加工，用20把刀具就能完成90%的工件加工；對于銑削加工，只需4把銑刀就可以完成90%的銑削工藝；對于車削加工，只需10把刀具即可完成90%的工藝加工。若是從完成被加工工件的全部工序考慮進行統計，得到的結果是大部分（超過80%）的工件完成其全部加工只需40把左右刀具就足夠了。因此從使用角度出發，刀庫的容量一般為10～40把，盲目地加大刀庫容量，會使刀庫的利用率降低，結構過于復雜，而造成很大的浪費。

3．刀庫的選刀方式

常用的刀具選擇方法有順序選刀和任意選刀兩種。順序選刀是在加工之前，將加工零件所需刀具按照工藝要求依次插入刀庫的刀套中，順序不能搞錯，加工是按順序調刀。加工不同的工件時必須重新調整刀庫中的刀具順序，不僅操作煩瑣，而且由于刀具的尺寸誤差也容易造成加工精度不穩定。其優點是刀庫的驅動和控制都比較簡單。因此，這種方式適合于加工批量較大，工件品種數量較少的中、小型自動換刀機床。

5.6.3機械手

1.機械手的形式與種類在自動換刀數控機床中，機械手的形式也是多種多樣的，常見的有如圖5－68所示的幾種形式。

1）單臂單爪回轉式機械手（圖5－68（a））這種機械手的手臂可以回轉不同的角度進行