数控机床典型机械结构解析

数控机床是典型的机电一体化产品，尽管它的机械结构同普通机床有许多相似之处，然而，现代数控机床并不是简单地在普通机床上配备数控系统，也不是在普通机床的基础上，仅对局部加以改进而成。普通机床存在着一些如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动装置之间存在间隙等弱点，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率，以及使用寿命等要求。现代数控机床，特别是加工中心，无论是其基础大件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已发生了很大的变化，已形成数控机床的独特机械结构。

1.数控机床的结构特点

由于数控机床的控制方式和使用特点，数控机床与普通机床相比在机械传动和结构上有显著的不同，其特点如下。

（1）传动机构简约化。采用高性能的无级变速主轴及伺服系统，机械传动结构大为简化，传动链缩短。

（2）支承件的高刚度化。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）传动装置精密化。如滚珠丝杠螺母副、静压蜗杆副以及滚动导轨、静压导轨和塑料滑动导轨都为精密化的传动装置。

（4）自动化程度高、操作方便。数控机床采用多主轴、多刀架以及带刀库的自动换刀装置、刀具与工件的自动夹紧装置和自动排屑、自动润滑冷却装置等，以改善劳动条件、提高生产率。

（5）热稳定性好。数控机床采取减小机床热变形的措施，以保证机床的精度稳定，获得可靠的加工质量，如采用低摩擦系数的导轨和轴承，主轴箱采用强制外循环润滑冷却，立柱采取双壁框式结构等。

2.数控机床主传动系统

数控机床的主传动系统是用来实现机床的主运动的，它将主轴电动机的原动力变成可供主轴上刀具切削加工的切削力矩和切削速度。它的精度决定了零件的加工精度，数控机床的主传动系统承受主切削力，它的功率大小与回转速度直接影响机床的加工效率。

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。与普通机床的主传动系统相比，数控机床的主传动系统在结构上比较简单。这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来实现，省去了繁杂的齿轮变速机构；有些只有二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。

1）对主轴驱动的要求

数控机床的主轴驱动是指产生主切削运动的传动，它是数控机床的重要组成部分之一。随着数控技术的不断发展，传统的主轴驱动已不能满足要求，现代数控机床对主轴驱动提出了更高的要求，具体如下。

（1）调速范围宽、并实现无级调速。为适应各种工序和不同材料加工的要求，需要较宽的变速范围，且要求在整个速度范围内均能够提供切削所需的功率或扭矩。特别是对于具有自动换刀装置的加工中心，为适应各种刀具、各种材料的加工，对主轴的调速范围要求更高。

（2）转速高，功率大。这项要求能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。

（3）较高的回转精度和良好的动态响应性能。应减少传动链，提高主轴部件刚度和抗振性、热稳定性，变速时自动加减速时间应短，调速运转平稳。应能对主轴负载进行检测控制，有过载报警功能。

（4）有旋转轴联动功能。要求主轴能与其他进给轴同时实现联动控制，如在车螺纹、攻丝等加工时，主轴转速与直线坐标轴进给速度之间应保持一定的联动关系。

（5）具有恒线速切削功能。如利用车床和磨床进行工件端面加工时，为了保证端面加工时粗糙度的一致性，要求刀具切削的线速度为恒定值，这就要求主轴转速能随着车削直径的改变而自动变化。

（6）主轴准停控制功能。在加工中心上自动换刀时或执行某些特定的加工动作时，要求主轴需停在一个固定不变的方位上，这就需要主轴有高精度的准停控制功能。

2）主轴调速方法

数控机床的主轴调速是按照控制指令自动执行的，为了能同时满足对主传动调速和输出扭矩的要求，数控机床常采用机电结合的方法，即同时采用电动机调速和齿轮变速两种方法。其中，齿轮变速用于增大输出扭矩，并配合齿轮换挡来扩大调速范围。

（1）电动机调速。用于主轴调速的调速电动机主要有直流主轴电动机和交流主轴电动机两大类。

①直流主轴电动机调速。通常在数控机床中，为扩大调速范围，对直流主轴电动机的调速，采用改变电枢电压（降压调速）或改变励磁电流（弱磁调速）的方法实现无级调速，降压调速可获得恒转矩，弱磁调速可获得恒功率输出。

②交流主轴电动机调速。大多数交流进给伺服电动机采用永磁式同步电动机，但交流主轴电动机则多采用鼠笼式感应电动机，这是因为受永磁体的限制，永磁式同步电动机的容量不允许做得太大，而且其成本也很高。另外，数控机床主轴传动系统不必像进给传动系统那样，需要如此高的动态性能和调速范围。鼠笼式感应电动机其结构简单、便宜、可靠，配上矢量变换控制的主轴驱动装置则完全可以满足数控机床主轴的要求。

交流主轴电动机目前广泛采用矢量控制的变频调速方法，其中使用的变频器应同时有调频兼调压的功能以适应负载特性的要求。

（2）齿轮变速。采用电动机无级调速，使主轴齿轮箱的结构大大简化，但其低速段输出扭矩常常无法满足机床强力切削的要求。若片面追求无级调速，势必要增大主轴电动机的功率，从而使主轴电动机与驱动装置的体积、重量及成本大大增加。因此，数控机床常采用1～4挡齿轮变速与无级调速相结合的方式，即所谓分段无级变速。

3）主轴驱动方式

数控机床的主轴驱动方式主要有四种配置方式，如图6-13所示。

图6-13　数控机床的主轴驱动方式

（a）带有变速齿轮的主传动；（b）带传动的主传动；（c）用两个电动机分别驱动主轴的主传动；（d）调速电动机直接驱动主轴的主传动

（1）带有变速齿轮的主传动：这是大、中型数控机床采用较多的一种变速方式。如图6-13（a）所示，它采用少数几对齿轮降速，使主轴实现分段无级变速，扩大了输出扭矩，以满足主轴低速时对输出扭矩的要求。一部分小型数控机床也采用此种传动方式以获得强力切削时所需要的扭矩。其特点如下。

①在带有齿轮变速的分段无级变速系统中，主轴的正、反向起动与停止、制动是由电动机实现的，主轴变速则由电动机无级变速与齿轮有级变速相配合来实现。

②变挡时，滑移齿轮的位移大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。这种配置适合于大中型机床，确保主轴低速时输出大扭矩、高速时输出恒功率特性的要求。另外，一部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需的扭矩。

（2）带传动的主传动：这种传动主要应用在转速较高、变速范围不大的小型数控机床上，如图6-13（b）所示。电动机本身的调整就能够满足要求，不用齿轮变速，可避免由齿轮传动时引起振动和噪声。它适用于高速低扭矩特性的主轴，常用的带有多楔带和同步齿形带。

数控机床上应用的多楔带又称为复合三角带，横向断面呈多个楔形，传递负载主要靠强力层，如图6-14（a）所示。强力层中有多根钢丝绳或涤纶绳，具有较小的伸长率、较大的抗拉强度和抗疲劳强度。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、重量小，可在40m/s的线速度下使用。此外，多楔带与带轮的接触好，负载分布均匀，即使瞬时超载，也不会产生打滑，而传动功率比V带大20%～30%，因此能够满足主传动要求的高速、大转矩和不打滑的要求。但多楔带安装时需较大的张紧力，使得主轴和电动机承受较大的径向负载，这是多楔带的一大缺点。

图6-14　多楔带和同步齿形带结构形式

（a）多楔带；（b）同步齿形带

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。按齿形不同同步齿形带又可分为梯形齿和圆弧齿［见图6-14（b）］两种。同步齿形带的结构和传动如图6-15所示，带的工作面及带轮外圆均制成齿形，通过带齿与轮齿相嵌合，作无相对滑动的啮合传动。其中，梯形齿多用在转速不高或小功率动力传动中，而圆弧齿多用在数控加工中心等要求较高的数控机床主传动系统中。同步齿形带采用受载后无弹性变形的材料做强力层，以保持带的节距不变，使主、从动带轮进行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以下优点：

图6-15　同步齿形带的结构和传动

①传动效率高，传动效率可达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50 m/s，速比可达10左右，传递功率可由几瓦至数千瓦；

⑤维修保养方便，不需要润滑。

不足之处是，同步齿形带安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本较高。同步齿形带主要在小型数控机床和数控车床上使用。该传动方式传动平稳、结构简单、安装调试方便，避免了齿轮传动引起的振动和噪声，只适用于低扭矩特性要求的主轴，调速范围比（恒功率调速范围与恒扭矩调速范围之比）受电动机调速范围比的约束。

（3）用两个电动机分别驱动主轴的主传动。用两个电动机分别驱动主轴的主传动是上述两种方式的混合传动，具有上述两种方式的性能，如图6-13（c）所示。高速时，通过皮带直接驱动主轴旋转；低速时，由另一个电动机通过齿轮传动驱动主轴旋转，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，避免了低速时扭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的主传动。图6-13（d）为调速电动机直接驱动主轴的主传动。该种方式下电动机的转子直接装在主轴上，因而大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效提高了主轴刚度。但主轴输出扭矩小，电动机的发热对主轴精度影响较大，如图6-16所示。

图6-16　调速电动机直接驱动主轴的主传动

（5）电主轴。电主轴是高频主轴（High Frequency Spindle）的简称，也称为直接传动主轴（Direct Drive Spindle），是内装式电动机主轴单元。它把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”，具有结构紧凑、机械效率高、可获得极高的回转速度、回转精度高、噪音低、振动小等优点，在现代数控机床中获得了广泛的应用。目前，电主轴已成为一种机电一体化的高科技产品，由一些技术水平很高的专业工厂生产，如瑞士的FISCHER公司、德国的GMN公司、美国的PRECISE公司、意大利的GAMFIOR公司、日本的NSK公司和KOYO公司、瑞典的SKF公司等，国内也出现了一批生产电主轴的优秀企业，如洛阳轴承研究所、广州昊志等。

电主轴驱动系统（如图6-17所示）由无外壳主轴电动机、主轴、轴承、主轴箱体、主轴电气驱动模块和冷却装置等组成。电动机的转子采用压配方法与主轴做成一体，从而取消了从主电动机到主轴之间的一切机械传动环节（如传动带、齿轮、离合器等），实现了主电动机与机床主轴的一体化，使机床的主传动系统实现了所谓的“零传动”。

图6-17　电主轴驱动系统组成

电主轴的基本参数和主要规格包括：套筒直径、最高转速、输出功率、计算转速、计算转速转矩和刀具接口等。在高速加工机床上，大多数使用电动机转子和主轴一体的电主轴，可以使主轴达到每分钟数万转，甚至几十万转的高速，主传动系统的结构更简单、刚性更好。

高速电主轴的热稳定性问题是该类型主轴需要解决的关键问题之一。由于电主轴将电动机集成于主轴部件的结构中，使电动机成为一个内部热源。电动机的发热主要有定子绕组的铜耗发热及转子的铁损发热，其中定子绕组的发热量占电动机总发热量的2/3以上。另外，电动机转子在主轴壳体内的高速搅动，使内腔中的空气也会发热，这些热源产生的热量主要通过主轴壳体和主轴进行散热，所以电动机产生的热量有相当一部分会通过主轴传到轴承上去，因而影响轴承的寿命，并且会使主轴产生热伸长，影响加工精度。

为改善电主轴的热特性，应采取一定的措施和设置专门的冷却系统。

电主轴除可满足各类高速切削的要求外，还可与各种规格锥柄配套，用于普通加工中心、铣床、钻床作增速用。最近还出现轴承寿命更长的液体静压轴承和磁悬浮轴承配套的电主轴，以及交流永磁同步电动机电主轴。

4）主轴部件的结构

数控机床的主轴部件是主运动的执行部件，它夹持刀具或工件，并带动其旋转。主轴部件既要满足精加工时高精度的要求，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。主轴部件包括主轴端部、主轴支承以及安装在主轴上的传动零件，对于具有自动换刀功能的数控机床还有刀具夹紧机构及吹屑装置、主轴准停装置等。

（1）主轴端部。主轴端部用于安装刀具或夹持安装工件的夹具，在设计要求上，应能保证定位准确，夹紧牢固可靠，能传递足够大的扭矩，安装、拆卸方便。主轴端部的结构已经标准化，如图6-18为几种通用的结构形式。

图6-18（a）为数控车床的主轴端部，为短锥法兰式结构。它以短锥和轴肩端面作定位面，卡盘、拨盘等夹具通过卡盘座，用四个双头螺柱及螺母固定在主轴上。安装卡盘时，只需将预先拧紧在卡盘座上的双头螺柱及螺母一起通过主轴的轴肩和锁紧盘的圆柱孔，然后将锁紧盘转过一个角度，使双头螺柱进入锁紧盘宽度较窄的圆弧槽内，把螺母卡住，然后拧紧螺钉和螺母，就可以使卡盘或拨盘可靠地安装在主轴的前端。这种结构定心精度高，装卸方便，夹紧可靠，主轴前端悬伸长度较短，连接刚度好，应用广泛。

图6-18（b）为铣、镗类机床的主轴端部。铣刀或刀杆由前端7∶24的锥孔定位，并用拉杆从主轴后端拉紧，前端的端面键用于传递扭矩。

图6-18（c）为外圆磨床砂轮的主轴端部。

图6-18（d）为内圆磨床砂轮的主轴端部。

图6-18（e）为钻床与普通镗床镗轴端部，刀具由莫氏锥孔定位，锥孔后端第一个扁孔用于传递扭矩，第二个扁孔用于拆卸刀具。

图6-18（f）为数控镗床的镗轴端部，图中7∶24的锥孔设有自锁作用，便于自动换刀时拔出刀具。

（2）主轴支承。数控机床主轴支承根据主轴部件对转速、承载能力、回转精度等性能要求采用不同种类的轴承。中小型数控机床（如车床、铣床、加工中心、磨床）的主轴支承多采用滚动轴承；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；转速达（2～100 000 r/min）的主轴可采用磁力轴承或陶瓷滚珠轴承。如图6-19所示为主轴常用的几种滚动轴承类型。

图6-18　主轴端部的结构形式

（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）钻床与普通镗床镗轴端部；（f）数控镗床镗轴端部

图6-19　主轴常用的几种滚动轴承类型

（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

数控机床采用滚动轴承作为主轴支承时，主要有以下几种不同的配置形式，如图6-20所示。

图6-20　数控机床主轴轴承配置形式

①前支承采用双列圆柱滚子轴承和60°角接触双列推力向心球轴承组合，承受径向和轴向载荷，后支承采用成对角接触球轴承，如图6-20（a）所示。这种配置形式是现代数控机床主轴支承中刚性最好的一种，它使主轴的综合刚度得到大幅度提高，可以满足强力切削的要求，目前各类数控机床的主轴支承普遍采用这种配置形式。

②采用高精度双列角接触球轴承，如图6-20（b）所示。角接触球轴承具有良好的高速性能，主轴最高转速可达4 000 r/min，但它的承载能力小，因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。在加工中心的主轴中，为了提高承载能力，有时应用3个或4个角接触球轴承组合的前支承，并用隔套实现预紧。

③采用双列和单列圆锥轴承，如图6-20（c）所示。这种配置形式径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能好，但限制了主轴的最高转速和精度，因此适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。

（3）刀具夹紧机构和吹屑装置。在自动换刀的数控机床中，为实现刀具在主轴上的自动装卸，其主轴必须设计有刀具夹紧机构。自动换刀立式铣镗床主轴的刀具夹紧机构如图6-21所示。

刀夹1以锥度为7∶24的锥柄在主轴3前端的锥孔中定位，并通过拧紧在锥柄尾部的拉钉2拉紧在锥孔中。夹紧刀夹时，液压缸上腔接通回油，弹簧11推活塞6上移，处于图6-21所示的位置，拉杆4在碟形弹簧5作用下向上移动；由于此时装在拉杆前端径向孔中的钢球12，进入主轴孔中直径较小的d2处（见图6-21），被迫径向收拢而卡进拉钉2的环形凹槽内，因而刀杆被拉杆拉紧，依靠摩擦力紧固在主轴上。切削扭矩则由端面键13传递。换刀前需将刀夹松开时，液压油进入液压缸上腔，活塞6推动拉杆4向下移动，碟形弹簧被压缩；当钢球12随拉杆一起下移至进入主轴孔直径较大的d1处时，它就不再能约束拉钉的头部，紧接着拉杆前端内孔的台肩端面碰到拉钉，把刀夹顶松。此时行程开关10发出信号，换刀机械手随即将刀夹取下。与此同时，压缩空气由管接头9经活塞和拉杆的中心通孔吹入主轴装刀孔内，把切屑或脏物清除干净，以保证刀具的安装精度。机械手把新刀装上主轴后，液压缸7接通回油，碟形弹簧又拉紧刀夹。刀夹拉紧后，行程开关8发出信号。

图6-21　自动换刀立式铣镗床主轴的刀具夹紧机构（JCS-018）

1—刀夹；2—拉钉；3—主轴；4—拉杆；5—碟形弹簧；6—活塞；7—液压缸；8、10—行程开关；9—管接头；11—弹簧；12—钢球；13—端面键。

自动清除主轴孔中切屑和灰尘是换刀操作中的一个不容忽视的问题。如果在主轴锥孔中掉进了切屑或其他污物，在拉紧刀杆时，主轴锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，甚至使刀杆发生偏斜，破坏了刀具的正确定位，影响加工零件的精度，甚至使零件报废。为了保持主轴锥孔的清洁，在刀具夹紧机构中设有吹屑装置，并常用压缩空气吹屑。图6-21的活塞6的中心钻有压缩空气通道，当活塞向左移动时，压缩空气经拉杆4吹出，将主轴锥孔清理干净。喷气头中的喷气小孔要有合理的喷射角度，并均匀分布，以提高吹屑效果。

（4）主轴准停装置。主轴准停功能又称为主轴定位功能，即当主轴停止时，能够准确地停于某一固定的位置。在自动换刀的数控机床上，每次自动装卸刀具时，都必须使主轴准确地停在固定不变的周向位置上，以保证自动换刀时主轴上的端面键能对准刀柄上的键槽，同时使每次装刀时刀柄与主轴的相对位置不变，提高刀具的重复安装精度，从而可提高孔加工时孔径的一致性。

目前，主轴准停装置很多，主要分为机械式和电气式两种。JCS-018加工中心采用电气式准停装置，见图6-22。其具体工作原理如下。(www.xing528.com)

在带动主轴旋转的多楔带轮1的端面上装有一个垫片4，垫片上装有一体积很小的永久磁铁3，在主轴箱箱体上对应于主轴准停的位置装有磁传感器2。当机床需要停车换刀时，数控装置发出主轴停转的指令，主轴电动机立即降速，在主轴以最低转速慢转几圈、永久磁铁3对准磁传感器2时，磁传感器发出准停信号，该信号经放大后，由定向电路控制主轴电动机停在规定的周向位置上。

3.数控机床进给传动系统

图6-22　JCS-018加工中心的电气式准停装置

1—多楔带轮；2—磁传感器；3—永久磁铁；4—垫片；5—主轴

数控机床的进给传动系统常用伺服进给传动系统来工作，它将伺服电动机的旋转运动转变为执行部件的直线移动或回转运动。典型的数控机床闭环控制进给传动系统，通常由位置比较、放大元件、驱动单元、机械传动装置和检测反馈元件等部分组成，而其中的机械传动装置，是指将驱动源（即电动机）的旋转运动变为工作台或刀架直线运动的整个机械传动链，包括齿轮传动副、滚珠丝杆螺母副、减速装置和蜗杆蜗轮等中间传动机构。另外，导轨的性能对进给传动系统的影响也是不容忽视的。

进给传动系统是保证刀具与工件相对位置的重要部件，被加工工件的轮廓精度和位置精度都受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。

1）数控机床进给传动系统的性能特点

（1）运动件的摩擦阻力小。进给传动系统的摩擦阻力一方面会降低传动效率，产生摩擦热；另一方面还直接影响系统的快速响应特性；动、静摩擦阻力之差会产生爬行现象，因此必须有效地减少运动件之间的摩擦阻力。

进给传动系统中的摩擦阻力主要来自丝杠螺母副和导轨，所以，改善丝杠和导轨结构是降低摩擦阻力的目标之一。

在数控机床进给传动系统中，普遍采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、滚动导轨、静压导轨和塑料导轨等高效执行部件，来减小摩擦阻力，提高运动精度，避免低速爬行。

（2）传动系统的精度和刚度高。一般来说，数控机床直线运动的定位精度和分辨率都要达到微米级，回转运动的定位精度要达到角秒级。伺服电动机的驱动转矩很大（特别是起动、制动时的转矩），如果传动部件的刚度不足，必然会使传动部件产生变形，影响定位精度、动态稳定性和快速响应特性。因此必须提高进给传动系统的精度和刚度。

进给传动系统传动的精度和刚度，主要取决于丝杠螺母副、蜗杆螺母副及其支承结构的刚度。加大滚珠丝杠的直径，对滚珠丝杠螺母副、蜗杆螺母副、支承部件进行预紧，对滚珠丝杠进行预拉伸等，都是提高系统刚度的有效措施。此外，在传动链中设置减速齿轮，可以减小脉冲当量，从系统设计的角度分析可以提高传动精度，消除传动间隙。

（3）减小运动部件惯性，产生适当阻尼。进给传动系统中传动装置的惯量对伺服机构的起动和制动特性都有直接影响，尤其是高速运转的零件，其惯性的影响更大。因此，在满足部件强度和刚度的前提下，应尽可能减小执行部件的质量、直径，合理配置零件的结构，以减小运动部件的惯量，提高快速性。

另外，系统中还应产生适当的阻尼，尽管阻尼会降低伺服系统的快速响应特性，但也是提高系统稳定性所必需的。

2）滚珠丝杠螺母副传动结构

滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的新型理想传动装置，在数控机床上得到广泛的使用。

（1）工作原理与特点。滚珠丝杠螺母副（简称滚珠丝杠副）是一种在丝杠与螺母间装有滚珠作为中间传动元件的丝杠副，其结构如图6-23所示。图中丝杠和螺母上都磨有圆弧形的螺旋槽，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线滚道，在滚道内装有滚珠。当丝杠回转时，滚珠相对于螺母上的滚道滚动，因此丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能循环流动。

滚珠丝杠螺母副的特点如下。

图6-23　滚珠丝杠螺母副结构

①传动效率高，摩擦损失小。传动效率可达0.92～0.96，比常规的滑动丝杠螺母副效率提高3～4倍，因此伺服电动机所需传动转矩小。

②灵敏度高，传动平稳。滚珠丝杠螺母副的动、静摩擦因数相差极小，无论是静止、低速还是高速，摩擦阻力几乎不变。因此，滚珠丝杠螺母副传动灵敏，随动性高，不易产生爬行。

③磨损小，使用寿命长。使用寿命主要取决于材料表面的抗疲劳强度。滚珠丝杠螺母副制造精度高，其循环运动比滚动轴承低，所以磨损小，精度保持性好，使用寿命长。

④运动具有可逆性，反向定位精度高。不仅可以将旋转运动变为直线运动，也可将直线运动变为旋转运动，通过预紧消除轴向间隙，保证反向无空回死区，从而提高轴向刚度和反向定位精度。

⑤制造工艺复杂，成本高。螺旋槽需要加工成弧形，且对精度和表面粗糙度要求很高，螺旋线滚道必须磨削，因此制造工艺复杂，成本高。

⑥不能自锁。滚珠丝杠螺母副摩擦阻力小，运动具有可逆性，因而不能自锁，为了避免系统惯性或垂直安装时对运动可能造成的影响，因此需要附加制动机构。

（2）滚珠丝杠螺母副的循环方式。滚珠丝杠螺母副按滚珠的循环方式有外循环和内循环两种。图6-24所示为滚珠丝杠螺母副的内循环方式，滚珠循环过程中与丝杠始终接触，螺旋槽的两相邻滚道之间由反向器实现滚珠的循环运动，并防止滚珠在管道内作循环运动。

图6-24　滚珠丝杠螺母副的内循环方式

1—丝杠；2—螺母；3—滚珠；4—反向器。
（a）结构图；（b）实物图

如图6-25所示，滚珠丝杠螺母副的外循环方式中滚珠在循环返回时，离开螺旋线滚道，在螺母体内或体外作循环运动。

图6-25　滚珠丝杠螺母副的外循环方式

1—弯管；2—压板；3—丝杠；4—滚环；5—螺旋线滚道。

（3）滚珠丝杠螺母副间隙的调整。滚珠丝杠螺母副的间隙是轴向间隙，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。为了保证滚珠丝杆传动精度，必须消除滚珠丝杆螺母副轴向间隙。

图6-26为结构通过修磨垫片的厚度来调整轴向间隙，这种调整方法具有结构简单、可靠、刚性好、装卸方便等优点，但调整较费时间，很难在一次修磨中完成调整，滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧，适用于一般精度的机床。

图6-26　通过修磨垫片的厚度调整轴向间隙

图6-27为利用两个锁紧螺母来调整螺母的轴向间隙来实现预紧的结构，两个螺母靠平键与外套相连，其中右边的一个螺母外伸部分有螺纹，这种方法结构简单，调整方便，但调整精度较差，且易于松动。

图6-27　利用两个锁紧螺母调整螺母的轴向间隙

1、2—锁紧螺母。

图6-28为双螺母齿差式调整间隙结构。

图6-28　双螺母齿差式调整间隙结构

1—外齿轮；2—内齿轮。

3.数控机床的自动换刀装置

为完成对零件的多工序加工而设置的存储及更换刀具的装置称为自动换刀装置（Automatic Tool Changer，ATC）。自动换刀装置应当具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储备量、占地面积小和安全可靠等特性。自动换刀装置是加工中心区别于其他数控机床的特征结构。自动换刀装置具有根据工艺要求自动更换所需刀具的功能，即自动换刀机能。各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的类型、工艺范围和使用刀具的种类和数量。

1）自动换刀装置的形式

自动换刀装置主要由刀库、机械手和驱动机构等部件组成的一套独立、完整装置。当需换刀时，根据数控系统指令，由机械手（或通过别的方式）将刀具从刀库取出装入主轴中。尽管换刀过程、选刀方式、刀库结构、机械手类型等各不相同，但都是在数控装置及PLC控制下，由电动机、液压或气动机构驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。当机构中装入接触式传感器，自动换刀装置还可实现对刀具和工件误差的测量。

根据其结构形式，自动换刀装置可分为：排式刀架、回转刀架、转塔式自动换刀装置和带刀库的自动换刀装置。

（1）排式刀架。如图6-29所示，排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。当一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这种结构有以下优点：刀具布置和机床调整等方面都较为方便；可根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具；换刀迅速省时，有利于提高机床的生产效率。

（2）回转刀架。如图6-30所示，数控车床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置，根据不同加工对象，可以设计成四方刀架和六角刀架等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指令换刀。回转刀架在结构上应具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀尖位置不进行人工调整，因此更有必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一次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为0.001～0.005 mm）。

图6-29　排式刀架

图6-30　回转刀架

（3）转塔式自动换刀装置。一般数控机床常采用转塔式自动换刀装置，如数控车床的转塔刀架，数控钻镗床的多轴转塔头等。在转塔式自动换刀装置的各个主轴头上，预先安装有各工序所需要的旋转刀具，当发出换刀指令时，各种主轴头依次地转到加工位置，并接通主运动，使相应的主轴带动刀具旋转，而其他处于不同加工位置的主轴都与主运动脱开（如图6-31所示）。转塔式自动换刀装置的主要优点在于省去了自动松夹、卸刀、装刀、夹紧，以及刀具搬运等一系列复杂的操作，缩短了换刀时间，提高了换刀可靠性，它适用于工序较少，精度要求不高的数控机床。

图6-31　转搭式自动换刀装置

1—刀库；2—机械手；3，4—刀具主轴；5—转塔头；6—工件；7—工作台。

（4）带刀库的自动换刀装置。由于回转刀架、转塔头式换刀装置容纳的刀具数量不能太多，不能满足复杂零件的加工需要，因此，自动换刀数控机床多采用带刀库的自动换刀装置。

首先要把加工过程中使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸预调整后，按一定的方式放入刀库。换刀时，先在刀库中选刀，再由自动换刀装置从刀库或主轴上取出刀具，进行交换，将新刀具装入主轴，旧刀具放回刀库。

如图6-32所示，带刀库的自动换刀装置是目前镗铣加工中心机床上应用最为广泛的一种自动换刀装置，由刀库、选刀机构、刀具交换机构、自动装卸机构等组成。它的整个换刀过程较复杂，首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸预调后，按一定的方式放入刀库。换刀时，先在刀库中进行选刀，并由机械手从刀库和主轴上取出刀具，或直接通过主轴以及刀库的配合运动来取刀；然后，进行刀具交换，再将新刀具装入主轴，把旧刀具放回刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量，它既可以安装在主轴箱的侧面或上方，也可以作为独立部件安装在机床以外。带刀库的自动换刀装置与转塔式自动换刀装置比较，有以下优点：主轴的结构刚性好，利于精密加工和重切削加工；可采用大容量的刀库，以实现复杂零件的多工序加工，从而提高了机床的适应性和加工效率。其缺点是：需要增加刀具的自动夹紧、放松机构、刀库运动及定位机构，还要有清洁刀柄及刀孔、刀座的装置，结构较复杂；换刀过程动作多、换刀时间长，影响换刀工作可靠性的因素较多。

图6-32　带刀库的自动换刀装置

1—主轴箱；2—主轴；3—刀具；4—刀库；5—工件。

2）自动换刀装置的刀库形式和刀具交换方式

（1）刀库的形式。在自动换刀装置中，刀库是最主要的部件之一。刀库是用来贮存加工刀具及辅助工具的地方，其容量、布局及具体结构对数控机床的设计都有很大影响。根据刀库的容量和取刀的方式，可以将刀库设计成各种形式，常见的形式有如下几种。

①线型刀库。线型刀库的刀具在刀库中呈直线排列，如图6-33所示。其结构简单，刀库容量小，一般可容纳8～12把刀具。此形式多见于自动换刀数控车床。

图6-33　线型刀库

②链式刀库。链式刀库的刀座固定在环形链节上。图6-34（a）为常用的单环链式刀库。图6-34（b）为多环链式刀库，链条折叠回绕，增加了存刀量。链式刀库结构紧凑，刀库容量大，链环的形状可根据机床的布局制成各种形状，同时也可以将换刀位突出以便于换刀。在一定范围内，需要增加刀具数量时，可增加链条的长度，而不增加链轮直径。当刀具数量在30～120把时，多采用链式刀库。

图6-34　链式刀库

（a）单环链式刀库；（b）多环链式刀库

③圆盘式刀库。圆盘式刀库是最常用的一种形式，种类很多。如图6-35所示，刀库存刀量最多为50～60把，存刀量过多，则结构尺寸庞大，与机床布局不协调。为进一步扩大存刀量，有的机床使用多圈分布刀具的圆盘式刀库、多层圆盘式刀库、多排圆盘式刀库。

图6-35　圆盘式刀库

④箱型刀库。如图6-36所示，采用箱型刀库时为减少换刀时间，换刀机械手通常利用前一把刀具加工工件的时间，预先取出要更换的刀具。箱型刀库占地面积小，结构紧凑，在相同的空间内可以容纳的刀具数目较多，但由于它的选刀和取刀动作复杂，较少用于单机加工中心，多用于柔性制造系统中的集中供刀系统。

（2）刀具交换方式。数控机床的自动换刀装置中，由刀具交换装置实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具。刀具的交换方式和结构对机床的生产率、工作可靠性都有着直接的影响。刀具的交换方式可分为以下两大类。

①无机械手换刀方式。无机械手换刀方式是依靠刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的。换刀时，必须首先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不可能同时进行，因此换刀时间长，但省去了结构复杂的换刀机械手，提高了换刀的可靠性。

图6-36　箱型刀库

②机械手换刀方式。机械手换刀方式由机械手实现换刀，具有很大的灵活性，选刀和换刀两个动作可同时进行。在各种类型的机械手中，双臂机械手应用最为广泛。

图6-37为双臂机械手中最常见的几种结构形式，分别是钩手，如图6-37（a）所示；抱手，如图6-37（b）所示；伸缩手，如图6-37（c）所示；权手，如图6-37（d）所示。这几种机械手能够完成抓刀、拔刀、换刀、插刀，以及复位等全部动作。为了防止刀具掉落，各机械手的活动爪都必须带有自锁结构。图6-37（a）～（c）的双臂机械手动作比较简单，而且能够同时抓取和装卸机床主轴和刀库中的刀具，因此换刀时间可以进一步缩短。图6-37（d）所示的双臂机械手，虽不是同时抓取主轴和刀库中的刀具，但是换刀准备时间、将刀具送回刀库的时间（图中实线所示位置）与机械加工时间重合，因而换刀（图中细双点画线所示位置）时间较短。

图6-37　双臂机械手