模块二 数控机床的功能部件

模块二 数控机床的功能部件

§2-1 数控机床机械结构组成及特点

一、主要组成

数控机床是一种典型的机电一体化产品，是机械和电子技术相结合的产物。 数控机床的机械结构主要由以下几个部分组成

1. 主传动系统 包括动力源、传动件及主运动执行件（主轴）等，将驱动装置的运动和动力传给执行机构，以实现主切削运动。

2. 进给传动系统 包括动力源、传动件及主运动执行件（工作台、刀架）等，将驱动装置的运动和动力传给执行机构，以实现进给切削运动。

3. 基础支撑部件 包括机床的床身、立柱、导轨等，是整个机床的基础和框架

4. 辅助装置 实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置。

主要介绍数控机床的主传动系统、进给传动系统、导轨、自动换刀装置及其他辅助装置等几个主要的关键部件的结构特点。

二、机械机构的主要特点

数控机床的机械结构和普通机床的机械结构相比，具有如下特点：

1．支承件的高刚度化 床身、立柱等采用静刚度、动刚度、热刚度特性都较好的支承构件。

2．传动机构简约化 主轴转速由主轴的伺服驱动系统来调节和控制，取代了普通机床的多级齿轮传动系统，简化了机械传动结构。

3．传动元件精密化 采用效率、刚度和精度等各方面都较好的传动元件，如滚珠丝杠螺母副、静压蜗轮蜗杆副以及带有塑料层滑动导轨、静压导轨等。

4．辅助操作自动化 采用多主轴、多刀架结构，刀具与工件的自动夹紧装置，自动换刀装置，自动排屑装置，自动润滑冷却装置，刀具破损检测、精度检测和监控装置等，改善了劳动条件，提高了生产率。

§2-2 数控机床的主传动系统

数控机床的工艺范围很宽，针对不同的机床类型和加工工艺特点，数控机床的主传动系统相对于普通机床而言，尤其突出的特点：

1．主轴转速高，输出功率大，能满足数控机床高速切削和大功率切削的需要，实现高效率加工。

2. 主轴转速的变换迅速可靠，并能实现无级变速，使切削工作始终在最佳状态下进行。

3. 为了实现道具的快速或自动装卸，主轴还要有自动装卸装置等

一、主传动系统变速方式

为了适应数控机床加工范围广、工艺适应性强、加工精度和自动化程度高等特点，要求主传动装置应具有很宽的变速范围，并能无级变速。目前，数控机床的主传动变速系统，有采用齿轮分级变速的，也有采用直流和交流调速电动机无级变速的。但随着全数字化交流调速技术的日趋完善，齿轮分级变速传动在逐渐减少。采用交流调速电动机，不仅可以大大简化机械结构，而且可以很方便地实现范围很宽的无级变速，还可以按照控制指令连续地进行变速，以便在大型数控车床上车削端面、圆锥面等时，实现恒线速切削，进一步提高机床的工作性能。采用调速电动机的主传动变速系统，通常有三种配置方式。

数控机床的主传动方式主要有三种，如图2-1所示。

图2-1 数控机床的主传动方式

1．带有二级齿轮变速的主传动方式 如图（a ）所示，主轴电机经过二级齿轮变速，使主轴获得低速和高速两种转速系列，这种分段无级变速，确保低速时的大扭矩，满足机床对扭矩特性的要求，是大中型数控机床采用较多的一种配置方式。

2．通过定比传动（同步带）的主传动方式 如图（b ）所示，主轴电机经定比传动传递给主轴，定比传动采用齿轮传动或带传动。

3．由主轴电机直接驱动的主传动方式 如图（c ）所示，电机轴与主轴用联轴器同轴连接。这种方式大大简化了主轴结构，有效地提高了主轴刚度。近年来

出现了一种电主轴，该主轴本身就是电机的转子，主轴箱体与电子定子相连。其优点是主轴部件结构更紧凑，质量小，惯性小，可提高启动、停止的响应特性；缺点同样是热变形问题。

图2-2 同步齿形带主传动方式

图2-3 电主轴（电机直接驱动的主传动方式）

二、主轴单元

数控机床的主轴单元，既要满足精加工时精度较高的要求，又要具备粗加工时高效切削的能力，因此在旋转精度、刚度、抗振性和热变形等方面，都有很高的要求。在布局结构方面，一般数控机床的主轴部件，与其它高效、精密自动化机床没有多大区别，但对于具有自动换刀功能的数控车床，其主轴部件除主轴、主轴轴承和传动件等一般组成部分外，还有刀具自动夹紧、主轴自动准停和主轴装刀孔吹净等装置。

数控机床的主轴单元包括主轴、主轴的支承轴承和安装在主轴上的传动零件等。主轴单元是机床的重要部件，其结构的先进性已成为衡量机床水平的标志之

一。由于数控机床的转速高、功率大，并且在加工过程中不进行人工调整，因此要求主轴部件具有良好的回转精度、结构刚度、抗振性、热稳定性、耐磨性和精度的保持性。对于具有自动换刀装置的数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸和夹紧，还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置等。

1. 主轴及主轴前端结构

机床主轴的端部一般用于安装刀具、夹持工件或夹具。在结构上，应能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。目前，主轴端部的结构形状都已标准化，图2-4所示为几种机床上通用的结构形式。

（a ）数控车床主轴端部 （b ）铣、镗类机床主轴端部 （c ）外圆磨床砂轮主轴端部 （d ）内圆磨床砂轮主轴端部 （e ）钻床与普通镗床锤杆端部 （f ）数控镗床主轴端部

图2-4 机床主轴的几种结构形式

2. 主轴轴承及配置形式

（1）主轴轴承

机床主轴带着刀具或夹具在支承件中作回转运动，需要传递切削扭矩，承受切削抗力，并保证必要的旋转精度。数控机床主轴支承根据主轴部件的转速、承载能力及回转精度等要求的不同而采用不同种类的轴承。一般中小型数控机床（如车床、铣床、加工中心、磨床）的主轴部件多数采用滚动轴承；重型数控机床采用液体静压轴承；高精度数控机床（如坐标磨床）采用气体静压轴承；超高转速（2～10万转／分钟）的主轴可采用磁力轴承或陶瓷滚珠轴承。在各种类型的轴承中，以滚动轴承的使用最为普遍，图2-6所示为主轴常用的几种滚动轴承的类型。

（a ） 双列圆柱滚子轴承 （b ） 双列推力向心球轴承 （c ） 双列圆锥滚子轴承 （d ） 带凸缘双列圆柱滚子轴承 （e ） 带弹簧的单列圆锥滚子轴承

图2-5 主轴常用的几种滚动轴承的结构形式

（2）主轴轴承的配置形式

根据主轴部件的工作精度、刚度、温升和结构的复杂程度，合理配置轴承，可以提高主传动系统的精度。采用滚动轴承支承，有许多不同的配置形式，目前数控机床主轴轴承的配置主要有如图2-6所示的几种形式。

(a )

(b)

(c)

(d)

图2-6 数控机床主轴的配置形式

在图（a ）所示的配置形式中，前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接

触球轴承组合，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用成对角接触球轴承，这种配置可提高主轴的综合刚度，满足强力切削的要求，普遍应用于各类数控机床。在图（b ）所示的配置形式中，前轴承采用角接触球轴承，由2～3个轴承组成一套，背靠背安装，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，这种配置适用于高速、重载的主轴部件，图（c ）所示前后支承均采用成对角接触球轴承，以承受径向载荷和轴向载荷，这种配置适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。图（d ）所示前支承采用双列圆锥滚子轴承，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用单列圆锥滚子轴承，这种配置可承受重载荷和较强的动载荷，安装与调整性能好，但主轴转速和精度的提高受到限制，适用于中等精度，低速与重载荷的数控机床主轴。

3. 加工中心主轴准停装置

主轴的准停是指数控机床的主轴每次能准确停止在一个固定的位置上。在数控加工中心上进行自动换刀时，需要让主轴停止转动，并且准确地停在一个固定的位置上，以便换刀。在自动换刀的数控加工中心上，切削扭矩通常是通过刀杆的端面键来传递的，这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的功能。此外，在进行反镗或反倒角等加工时，要求主轴实现准停，使刀尖停在一个固定的方位上。为此，加工中心的主轴必须具有准停装置。

目前准停装置主要有机械式和电气式两种。图2-7所示为一种利用V 形槽轮定位盘的机械式准停装置。在主轴上固定一个V 形槽定位盘，使V 形槽与主轴上的端面键保持一定的相对位置关系，其工作原理为：准停前主轴必须是处于停止状态，当接收到主轴准停指令后，主轴电机以低速转动，主轴箱内齿轮换挡使主轴以低速旋转，时间继电器开始动作，并延时4～6秒，保证主轴转稳后接通无触点开关1的电源，当主轴转到图示位置即V 形槽轮定位盘3上的感应块2与无触点开关1相接触后发出信号，使主轴电机停转。另一延时继电器延时0.2～0.4秒后，压力油进入定位液压缸右腔，使定向活塞向左移动，当定向活塞上的定向滚轮5顶入定位盘的V 形槽内时，行程开关LS2发出信号，主轴准停完成。重新启动主轴时，需先让压力油进入定位液压缸左腔，使活塞杆向右移，当活塞杆向右移到位时，行程开关LSl 发出一个信号，表明定向滚轮5退出凸轮定位盘的凹槽了，此时主轴可以启动工作。

1—无触点开关；2—感应块；3—V 形槽轮定位盘；

4—定位液压缸；5—定向滚轮；6—定向活塞

图2-7 V形槽轮定位盘准停装置

机械准停装置比较准确可靠，但结构较复杂。现代的数控机床一般都采用电气式主轴准停装置，只要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确地定向。图2-8所示为一种用磁传感器检测定向的电气式主轴准停装置。

3

54

2

1

1—主轴；2—同步齿形带；3—主轴电机；4—永久磁铁；5—磁传感器

图2-8 电气式主轴准停装置

在主轴上安装有一个永久磁铁4与主轴一起旋转，在距离永久磁铁4旋转轨迹外1～2毫米处，固定有一个磁传感器5，当机床主轴需要停转换刀时，数控装置发出主轴停转的指令，主轴电机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，永久磁铁4与磁传感器5之间没有接触摩擦，准停的定位精度可达±1°，能满足一般换

刀要求，而且定向时间短，可靠性较高。

§2-3 数控机床的进给传动部件

一、进给传动系统简述

数控机床进给传动装置的传动精度、灵敏度和稳定性，将直接影响工件的加工精度，因此常采用各种不同于普通机床的进给机构，以提高传动刚性，减少摩擦阻力和运动惯量，避免伺服机构滞后和反向死区等。例如，采用线性导轨（滚动导轨）、塑料导轨或静压导轨代替普通滑动导轨；用滚珠丝杠螺母机构代替普通的滑动丝杠螺母机构，以及采用可消除间隙的齿轮传动副和键联接等。

1. 作用 数控机床的进给传动系统负责接受数控系统发出的脉冲指令，并经放大和转换后驱动机床运动执行件实现预期的运动。

2. 对进给传动系统的要求 为保证数控机床高的加工精度，要求其进给传动系统有高的传动精度、高的灵敏度（响应速度快）、工作稳定、有高的构件刚度及使用寿命、小的摩擦及运动惯量，并能清除传动间隙。

3. 进给传动系统种类

a. 步进伺服电机伺服进给系统

一般用于经济型数控机床。

b. 直流伺服电机伺服进给系统

功率稳定，但因采用电刷，其磨损导致在使用中需进行更换。一般用于中档数控机床。

c. 交流伺服电机伺服进给系统

应用极为普遍，主要用于中高档数控机床。

d. 直线电机伺服进给系统

无中间传动链，精度高，进给快，无长度限制；但散热差，防护要求特别高，主要用于高速机床。

二、进给传动机械部件

（一）联轴器

联轴器是用来连接寄给机构的两根轴使之一起回转移传递扭矩和运动的一种装置。目前联轴器的类型繁多，有液力式、电磁式和机械式。机械式联轴器的应用最为广泛。

套筒联轴器构造简单，径向尺寸小，但装卸困难（轴需作轴向移动）。且要求两轴严格对中，不允许有径向或角度偏差，因此使用时受到一定限制。 绕行联轴器采用锥形夹紧环传递载荷，可使动力传递没有方向间隙。

凸缘式联轴器构造简单、成本的、可传递较大扭矩，常用于转速低、五种及、轴的刚性大及对中性好的场合。他的主要缺点是对两轴的对中性要求很高。若两轴间存在位移与倾斜，救在机件内引起附加载荷，使工作状况恶化。

（二）减速机构

1. 齿轮传动装置

齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，各种机床的传动装置中几乎都有齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置 的目的有两个。一是将高转速的转矩的伺服电机（如步进电机、直流和交流伺服电机等）的输出改变为低转速大转矩的执行件的输入；另一是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中专有较小的比重。此外，对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。

为了尽量减小齿侧间隙对数控机床加工精度的影响，经常在结构上采取措施，以减小或消除齿轮副的空程误差。如采用双片齿轮错齿法、利用偏心套调整齿轮

副中心距或采用轴向垫片调整法消除齿轮侧隙。

图2-8 偏心轴套式消除间隙机构图 图2-9 轴向垫片调整结构

图2-10 周向拉簧调整 图2-11 轴向压簧调整

与采用同步齿形带相比，在数控机床进给传动链中采用齿轮减速装置，更易产生低频振荡，因此减速机构中常配置阻尼器来改善动态性能。

2.同步齿形带

同步齿形带传动是一种新型的带传动。他利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次啮合传递运动和动力，因而兼有带传动、齿轮传动及链 传动的优点，且无相对滑动，平均传动比较准确，传动精度高，而且齿形带的强度高、厚度小、重量轻、故可用于高速传动。齿形带无需特别张紧，故作用在轴和轴承上的载荷小，传动效率也高，现已在数控机床上广泛应用。

(三) 滚珠丝杠螺母副

为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必须降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，形成不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副。

滚珠丝杠副的传动效率高达85%-98%，是普通滑动丝杠副的2-4倍。滚珠丝杠副的摩擦角小于1°，因此不自锁。如果滚珠丝杠副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降），则必须有制动装置。

滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上几乎没有什么差别。它可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。滚珠丝杠由专门工厂制造。

1. 滚珠丝杠的工作原理

图2-12 滚珠丝杠螺母副的内循环方式

图2-13 滚珠丝杠副的外循环方式

2. 轴向间隙的消除

图2-14 垫片调整间隙和施加预紧力

1、2—锁紧螺母

图2-15 锁紧螺母调整间隙

1—外齿轮；2—内齿轮

图2-16 齿差式调整间隙结构

（三）滚珠丝杠螺母副的制动装置

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）。当机床工的指令脉冲后，将旋转运动通过液压扭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立向（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。超越离合乐器有时也用滚珠丝杠的制动装

置。

（四）滚珠丝杠的保护装置

滚珠丝杠副也可用润滑来提高耐摩性及传动效率。润滑济可分为润滑油及润滑剂两大类。润滑脂加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，而润滑油则通过壳体上的油孔注入螺母空间内。

滚珠丝杠副和其它滚动摩擦的传动元件，只要避免磨料微粒及化学活性物质进入，就可以认为这些元件几乎是在不产生磨损的情况下工作的。但如果在滚道上落入了脏物，或使用肮脏的润滑油，不仅会妨碍滚珠的正常运转，而且使磨损急剧增加。对于制造误差和预紧变形量以微米计的滚珠丝杠传动副来说，这种磨损就特别敏感。因此，有效的防护密封和保持润滑油的清洁显得十分必要。 通常采用毛毡圈对螺母副进行密封，毛毡圈的厚度为螺距的2－3倍，而且内孔做成螺纹的形状，使之紧密的包住丝杠，并装入螺母或套筒两端的槽孔内。密封圈除了采用柔软的毛毡之外，还可以采用耐油橡皮或尼龙材料。由于密封圈和丝杠直接接触，因此防尘效果较好，但也增加了滚珠丝杠螺母副的摩擦阻力矩。为了避免这种摩擦阻力矩，可以采用由较硬质塑料制成的非接触式迷宫密封圈，

§2-4 数控回转工作台和回转刀架

一、直线工作台

一般所讲的直线工作台的形状为矩形，滚珠丝杠螺母副中的螺母与工作台相连接，带到其实现进给运动。矩形工作台表面的T 型槽与工件、附件等连接。

图2-17 直线工作台内部结构图

二、回转工作台

回转工作台是数控铣床、数控镗床和加工中心等数控机床不可缺少的重要部件，其作用是使数控机床能按照控制指令作分度或回转运动，完成指定的加工工序。常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。

1．分度工作台

分度工作台的功能是按照数控指令完成工作台的自动分度回转动作，将工件转位换面，与自动换刀装置配合使用，在加工过程中实现工件一次装夹、多个面加工的工序集中式加工，提高数控机床的加工效率。通常分度工作台的分度运动只限于某些规定的角度，不能实现0°～360°范围内任意角度的分度。为了保证加工精度，分度工作台的定位（定心和分度）精度要求很高，要有专门的定位元件来保证。

图2-18 定位销式分度工作台结构

2．数控回转工作台

为了扩大数控机床的加工性能，适应某些零件加工的需要，数控机床的进给运动，除X 、Y 、Z 三个坐标轴的直线进给运动之外，还可以有绕X 、Y 、Z 三个坐标轴的圆周进给运动，分别称为A 、B 、C 轴。数控机床的圆周进给运动，一般由数控回转工作台来实现。由于数控回转工作台能实现自动进给，所以它在结构上和数控机床的进给驱动机构有许多共同之点。不同之点在于数控机床的进给驱动机构实现的是直线进给运动，而数控转台实现的是圆周进给运动。

数控回转工作

台分为开环和闭环两种。

图2-19 数控回转工作台

三、数控回转刀架

回转刀架是数控车床上使用的一种简单的自动换刀装置，有四方刀架和六角刀架等多种形式，回转刀架上分别安装有四把、六把或更多的刀具，并按数控指令进行换刀。回转刀架又有立式和卧式两种，立式回转刀架的回转轴与机床主轴成垂直布置，结构比较简单，经济型数控车床多采用这种刀架。

回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时切削抗力和减少刀架在切削力作用下的变形，提高加工精度。回转刀架还要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后具有较高的重复定位精度（一般为0.001～0.005mm ）。图2-20所示为螺旋升降式四方刀架，

图2-20 立式四方刀架结构

§2-5 自动换刀装置

数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、刀库占地面积小以及安全可靠等基本要求。

一、自动换刀装置

数控机床自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围见表2-2。

自动换刀装置可帮助数控机床节省辅助时间，并满足在一次安装中完成多工序、工步加工要求。

三、对自动换刀装置的要求

数控机床对自动换刀装置的要求是：换刀迅速、时间短，重复定位精度高，刀具储存量足够，所占空间位置小，工作稳定可靠。

四、换刀形式

1、回转刀架换刀

其结构类似普通车床上回转刀架，根据加工对象不同可设计成四方或六角形式，由数控系统发出指令进行回转换刀。

2、更换主轴头换刀

各主轴头预先装好所需刀具，依次转至加工位置，接通主运动，带动刀具旋转。该方式的优点是省去了自动松夹、装卸刀具、夹紧及刀具搬动等一系列复杂操作，缩短了换刀时间，提高了换刀可靠性。

3、使用刀库换刀

将加工中所需刀具分别装于标准刀柄，在机外进行尺寸调整之后按一定方式

放入刀库，由交换装置从刀库和主轴上取刀交换。

五、刀具交换装置

自动换刀装置中，实现刀库与主轴间传递和装卸刀具的装置为刀具交换装置。刀具交换方式常有两种：采用机械手交换刀具和由刀库与机床主轴的相对运动交换刀具（刀库移至主轴处换刀或主轴运动到刀库换刀位置换刀）, 其中以机械手换刀最为常见。

图2-21 机械手换刀

六、刀库

刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局及具体结构对数控机床的总体设计有很大影响。

1、刀库容量

指刀库存放刀具的数量，一般根据加工工艺要求而定。刀库容量小，不能满足加工需要；容量过大，又会使刀库尺寸大，占地面积大，选刀过程时间长，且刀库利用率低，结构过于复杂，造成很大浪费。

2、刀库类型

一般有盘式、链式及鼓轮式刀库几种。

盘式刀库 刀具呈环行排列，空间利用率低，容量不大但结构简单。

链式刀库 结构紧凑，容量大，链环的形状也可随机床布局制成各种形式而灵活多变，还可将换刀位突出以便于换刀，应用较为广泛。

鼓轮式或格子式刀库 占地小，结构紧凑，容量大，但选刀、取刀动作复杂，多用于 FMS 的集中供刀系统。

图2-22 盘式刀库 链式刀库

3、选刀方式

常用的有顺序选刀和任意选刀两种。

顺序选刀是在加工前，将加工所需刀具依工艺次序插入刀库刀套中，顺序不能有差错，加工时按顺序调刀。工件变更时，需重调刀具顺序，操作烦琐，且加工同一工件中刀具不能重复使用。

任意选刀是刀具均有自己的代码，加工中任选且可重复使用，也不用放于固定刀座，装刀、选刀都较方便。

§2-6 数控机床支撑部件

一、床身

床身是机床的主体，是整个机床的基础支撑部件，一般用来防止导轨、主轴箱等重要部件，床上的结构对机床的布局有很大的影响。

图2-23 机床常见的几种布局

二、导轨

导轨按运动轨迹可分为直线导轨和回转导轨；按工作性质可分为主运动导轨、进给运动导轨和调整导轨；按接触面的摩擦性质可分为滑动导轨、静压导轨和滚动导轨等三类。

1．滑动导轨

滑动导轨具有结构简单、制造方便、高度好及抗振性高的优点，是机床最广泛使用的导轨形式。但对一般导轨而言具有静摩擦系数大，动摩擦系数不稳定等缺点，低速时易出现爬行现象，从而影响了运动部件的定位精度。为了改善滑动导轨的摩擦特性，可通过选用合适的导轨材料、热处理及加工方法来达到。如采用优质铸铁、合金耐磨材料导轨等。70年代以来出现了各种新型的工程塑料，它可以满足机床导轨低摩擦、耐磨、无爬行和高刚度的要求，即所谓的帖塑导轨。

2．滚动导轨

滚动导轨是在导轨面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使导轨面之间为滚动摩擦而不是滑动摩擦。滚动导轨与滑动导轨相比其优点是：灵敏度高、摩擦阻力小、运动均匀。尤其是在低速时无爬行现象。定位精度高，重复定位精度可达0．2μm ，而且使用寿命较常。缺点是滚动导轨抗振性较差，对防护的要求较高，而且结构复杂，制造较为困难，成本较高。

3. 静压导轨

液体静压导轨是将具有一定压力的油液，经节流器输送到导轨面上的油腔中，形成承载油膜，将相互接触的导轨表面隔开，实现液体摩擦。这种导轨的摩擦系数小（一般为0.005～0.001），机械效率高，能长期保持导轨的导向精度。承栽油膜有良好的吸振性，低速下不易产生爬行，所以在机床上得到日益广泛的应用。这种导轨的缺点是结构复杂，且需备置一套专门的供油系统。如图2-16 所示为开放式静压导轨工作原理示意图。

§2-7数控机床的辅助装置

一、液压和气动装置

现代数控机床中，除数控系统外，还需要配备液压和气动等辅助装置。所用的液压和气动装置应结构紧凑、工作可靠、易于控制和调节。虽然液压和气动的工作原理类似，但适用范围不同。

液压传动装置由于使用工作压力高的油性介质，因此机构出力大、机械结构更紧凑、动作平稳可靠、易于调节和噪音较小，但要配置油泵和油箱，当油液渗漏时污染环境。气动装置的气源容易获得，机床可以不必再单独配置动力源，装置结构简单，工作介质不污染环境，工作速度快和动作频率高，适合于完成频繁起动的辅助工作。

液压和气动装置在机床中能实现和完成如下的辅助功能：

1．自动换刀所需的动作。如机械手的伸、缩、回转和摆动及刀柄的松开和拉紧动作。

2．机床运动部件的平衡。如机床主轴箱的重力平衡、刀库机械手的平衡装置等。

3．机床运动部件的制动和离合器的控制，齿轮拨叉挂档等。

4．机床的润滑和冷却。

5．机床防护罩、板、门的自动开关。

6．工作台的松开夹紧、交换工作台的自动交换动作。

7．夹具的自动松开、夹紧。

8．工件、刀具定位面和交换工作台的自动吹屑清理等。

二、排屑装置

数控机床在单位时间内金属切削量大大高于普通机床。工件在加工过程中会产生大量的切屑。这些切屑占据一定的加工区域，如果不及时排除，就会覆盖或缠绕在工件或刀具上，阻碍机械加工的顺利进行。并且，炽热的切屑会引起机床或工件热变形，影响加工的精度。因此，在数控机床上必须配备排屑装置，它是现代数控机床必备的附属装置。排屑装置的作用就是快速地将切屑从加工区域排出数控机床之外。在数控车床和磨床上的切屑中往往混合着切削液，排屑装置从其中分离出切屑，并将它们送入切屑收集箱（车）内，而切削液则被回收到冷却液箱。数控铣床、加工中心和数控铣镗床的工件安装在工作台面上，切屑不能直接落入排屑装置，故往往需要采用大流量冷却液冲刷、或压缩空气吹扫等方法使切屑进入排屑槽，然后再回收冷却液并排出切屑。

排屑装置是一种具有独立功能的附件，它的工作可靠性和自动化程度随着数控机床技术的发展而不断提高。各主要工业国家都已研究开发了各种类型的排屑装置，并广泛应用在各类数控机床上。这些装置已逐步标准化和系列化，并有专业工厂生产。数控机床排屑装置的结构和工作形式应根据机床的种类、规格、加工工艺特点、工件的材质和使用的冷却液种类等来选择。

排屑装置的安装位置一般都尽可能靠近刀具切削区域。如车床的排屑装置，装在回转工件下方，铣床和加工中心的排屑装置装在床身的回液槽上或工作台边侧位置，以利于简化机床或排屑装置结构，减小机床占地面积，提高排屑效率。排出的切屑一般都落入切屑收集箱或小车中，有的则直接排入车间的集中排屑系统。

图2-24 排屑装置

三、其它辅助装置

数控机床除了上述的液压和气动装置、自动排屑装置外，还有自动润滑系统、冷却装置、刀具破损检测装置、精度检测装置和监控装置等。

§2-8 数控机床的位置检测装置

一、位置检测元件的分类及要求

1．位置检测元件的技术指标：分辨率为位置检测装置所能测量的最小移动量，分辨率不仅取决于检测元件还取决于测量电路。

2．位置检测的分类：直接测量：全闭环不受传动精度的影响有直线光栅尺和感应同步器； 间接测量：半闭环，检测角度，受传动精度的影响有光电编码器，旋转变压器。

3．速度检测元件：测速电机，光电编码器。

要求：1) 工作可靠、抗干扰性强。

2）满足精度、速度和测量范围的要求。

3）使用维护方便，适合机床的工作环境。

4）易于实现高速的动态测量和处理、易于实现自动化。

5）成本低

二、光电编码器

1．构成：光源、指示光栅、圆光栅、光电元件。

图2-25 光电编码器的工作原理

三、光栅尺

1．种类： 分类方法1：物理光栅尺；计量光栅尺

分类方法2：透射光栅尺；反射光栅尺

分类方法3：增量式光栅尺；绝对是光栅尺

2． 结构：光源、指示光栅、标尺光栅、光电元件。

3． 原理 1）、指示光栅与标尺光栅刻度等宽。

2）、平行装配，且无摩擦

3）、两尺条纹之间有一定夹角

4）、当指示光栅与标尺光栅相对运动时，会产生与光栅线垂直的横

向的条纹，该条纹为莫尔条纹，当移动一个栅距时，摩尔条纹也

移动一个纹矩。

图2-26 光栅尺-

复习题

1．数控机床在机械结构上与普通机床相比较有何特点？

2．简述数控车床进给系统的组成。

3．数控镗铣加工中心在结构上和普通数控铣床有何不同？

4．车削中心有何特点？

5．立式回转刀架和卧式回转刀架各有何优缺点？

6．卧式加工中心和立式加工中心工艺性能有何不同？

7．五坐标加工中心适合加工何种零件？

8．刀库有哪几种形式，各适用于何种加工中心？

9．简述加工中心上刀库直接换刀和机械手换刀的过程，并分析各自的特点。

10．简述常用导轨形式并说明各自的特点。