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目录 1

第1章 数控机床概述 1

1.1 数控机床的特点 1

1.1.1 数控机床的优点 1

1.1.2 数控机床加工零件的特点 2

1.2 数控机床的工作原理和组成 3

1.2.1 数控机床的工作原理 3

1.2.2 数控机床的组成 3

1.3 数控机床的分类 5

1.3.1 按运动方式分类 5

1.3.2 按控制方式分类 5

1.4 控制轴数与联动轴数 7

1.3.3 按数控系统的功能水平分类 7

1.5 数控机床性能、结构及应用 8

1.5.1 数控机床的精度指标 8

1.5.2 典型数控机床结构及应用 8

1.6 数控机床的发展趋势 14

1.6.1 数控机床的产生和发展 14

1.6.2 数控机床的发展趋势 14

第2章 数控机床的总体设计 18

2.1 数控机床设计的基本要求 18

2.1.1 工艺范围 18

2.1.2 加工精度 18

2.1.3 柔性 18

2.1.8 生产周期 19

2.1.7 成本 19

2.1.9 可靠性 19

2.1.5 噪声 19

2.1.6 生产率和自动化 19

2.1.4 开放性 19

2.1.10 机床宜人性 20

2.1.11 符合绿色工程的要求 20

2.2 数控机床设计方法和理论 21

2.2.1 机床设计方法 21

2.2.2 机床设计步骤 21

2.2.3 机床设计的基本理论 22

2.2.4 并联机床设计创新 27

2.3 系列化、通用化、标准化和模块化 27

2.3.1 机床系列化设计 27

2.3.2 零部件的通用化和标准化 28

2.3.3 模块化设计 29

2.4 数控机床总体方案设计 31

2.4.1 几何运动设计 32

2.4.2 机床总体结构方案设计 37

2.5 机床主要参数的设计 42

2.5.1 主参数和尺寸参数 42

2.5.2 运动参数 42

第3章 数控机床主传动系统设计 50

3.1 概述 50

3.1.1 数控机床主传动系统的特点 50

3.1.2 主传动系统的设计要求 50

3.1.3 数控机床主传动系统配置方式 50

3.1.4 主传动系统的类型 51

3.2 分级变速主传动系统设计 52

3.2.1 转速图的概念 52

3.2.2 变速规律 54

3.2.3 结构网及结构式 54

3.2.4 拟定转速图的方法 55

3.2.5 齿轮齿数的确定 57

3.2.6 主传动系统计算转速 57

3.3 无级变速传动链的设计 59

3.3.1 无级变速装置的分类 59

3.3.2 机械无级变速与分级变速机构的串联 60

3.3.3 采用直流或交流电动机无级调速 61

3.4.2 柔性化、复合化设计 65

3.4.1 高速主传动设计 65

3.4 现代数控机床主传动系统 65

3.5 主传动系统结构设计 67

3.5.1 变速机构 67

3.5.2 齿轮在轴上的布置 68

3.5.3 主传动的开停、制动装置 69

3.5.4 立式加工中心主轴箱的构造 70

3.5.5 数控车床主轴箱构造 71

第4章 主轴组件设计 74

4.1 主轴组件的基本要求 74

4.2 主轴 75

4.2.1 主轴的构造 75

4.2.2 主轴的材料和热处理 76

4.3 主轴滚动支承 77

4.2.3 主轴的技术要求 77

4.3.1 主轴常用滚动轴承的类型 78

4.3.2 主轴滚动轴承的选择 81

4.3.3 主轴轴承的配置形式 81

4.3.4 滚动轴承精度等级的选择 84

4.3.5 主轴滚动轴承的预紧 85

4.4 主轴滑动轴承 86

4.4.1 动压轴承 86

4.4.2 液体静压轴承 88

4.4.3 气体静压轴承 89

4.5 主轴组件的设计计算 90

4.5.1 初选主轴直径 90

4.5.3 主轴最佳跨距的选择 91

4.5.2 主轴悬伸量的确定 91

4.6 数控机床主轴组件的结构形式 94

4.6.1 主轴的支承与润滑 94

4.6.2 刀具自动装卸及切屑清除装置 95

4.6.3 主轴准停装置 96

4.7 高速主轴单元 97

4.7.1 高速电主轴的结构 97

4.7.2 高性能的CNC控制系统 98

4.7.3 冷却润滑技术的研究 98

4.7.4 高速精密轴承 99

4.7.5 电主轴的动平衡 100

4.7.6 刀具的夹紧 100

4.8.1 提高旋转精度 101

4.8 提高主轴组件性能的措施 101

4.7.7 轴上零件的联接 101

4.8.2 改善动态特性 102

4.8.3 控制主轴组件温升 103

第5章 伺服进给传动系统设计 104

5.1 伺服进给传动系统概述 104

5.1.1 伺服进给系统分类 104

5.1.2 伺服进给系统的基本要求 105

5.2 直线运动机构——滚珠丝杠螺母机构 105

5.2.1 工作原理及其特点 105

5.2.2 结构类型 106

5.2.3 滚珠丝杠的安装 108

5.2.4 滚珠丝杠螺母的计算和选用 109

5.3.1 进给系统传动齿轮间隙消除 111

5.3 数控机床消隙机构及其常用的联接方式 111

5.3.2 数控机床常用的联接方式 114

5.4 伺服电动机及其调速 117

5.4.1 步进电动机 117

5.4.2 直流伺服电动机及其调速系统 123

5.4.3 交流伺服电动机及其调速 126

5.4.4 直线电动机 128

5.5 典型进给系统结构 130

5.6 伺服进给系统设计的基本要求 131

5.7 伺服进给系统机械传动装置的设计步骤及计算 132

5.7.1 负载转矩的计算 132

5.7.2 负载惯量的计算 134

5.7.4 电动机惯量与负载惯量的匹配 135

5.7.3 伺服电动机的选择 135

5.8.1 动态性能指标 137

5.8 伺服进给系统的动态响应、稳定性及精度 137

5.8.2 系统的稳定性 138

5.8.3 开环、半闭环伺服进给系统的死区误差及定位精度 140

5.8.4 静态误差与伺服刚度 142

5.8.5 传动链的自然频率 143

5.8.6 刚度计算 143

第6章 数控机床检测装置 146

6.1 数控机床测量系统分类与特点 146

6.1.1 检测装置的分类 146

6.1.2 数控测量装置的性能指标及要求 147

6.2.1 旋转变压器 148

6.2 常用测量元件的工作原理及应用 148

6.2.2 感应同步器 149

6.2.3 光栅 152

6.2.4 磁栅 155

6.2.5 脉冲编码器 159

第7章 数控机床本体设计 163

7.1 支承件设计 163

7.1.1 数控机床支承件的功用和应满足的要求 163

7.1.2 支承件的静刚度 164

7.1.3 支承件的动态特性 172

7.1.4 支承件的结构设计 177

7.1.5 支承件的有限元计算简介 179

7.2.1 导轨的分类 181

7.2 导轨设计 181

7.2.2 对导轨的基本要求 186

7.2.3 滑动导轨 187

7.2.4 滚动导轨 194

7.2.5 提高导轨耐磨性的措施 201

第8章 自动换刀和自动交换工件系统 204

8.1 自动换刀装置 204

8.1.1 回转刀架换刀 204

8.1.2 更换主轴换刀 206

8.1.3 带刀库的自动换刀系统 207

8.2 工件自动交换系统 213

8.2.1 托盘交换装置 213

8.2.2 装卸料机器人 214

8.2.3 有轨小车（RGV） 215

8.2.4 无轨小车（AGV） 215

8.3 数控机床的回转工作台 216

8.3.1 数控回转工作台 216

8.3.2 分度工作台 217

第9章 数控机床辅助装置 221

9.1 刀具测量装置 221

9.1.1 机外对刀仪 221

9.1.2 机内对刀仪 222

9.2 工件尺寸精度的自动检测 222

9.2.1 坐标测量机检测技术 222

9.2.2 在机检测——测量头 224

9.2.3 机器人辅助测量技术 225

9.3 数控机床的自动排屑 227

9.4 典型数控机床的安全防护系统 228

9.4.1 皮腔防护系统 228

9.4.2 钢制伸缩式导轨防护罩 230

9.4.3 卷帘防护罩、防护板 231

第10章 普通机床的数控化改造 232

10.1 概述 232

10.1.1 机床数控化改造的必要性 232

10.1.2 机床数控化改造的市场 233

10.1.3 数控化改造的内容 234

10.2 机床数控改造主要步骤 234

10.2.1 改造方案的确定 234

10.2.4 验收及后期工作 235

10.2.3 改造的实施 235

10.2.2 改造的技术准备 235

10.3 数控系统的选择 236

10.4 数控改造中主要机械部件改装 237

10.5 普通车床的数控化改造 237

10.5.1 数控改造对机械传动系统的要求 237

10.5.2 机械传动系统的改造 238

10.5.3 机械部分改造设计计算 242

10.6 普通铣床的数控化改造 244

10.6.1 坐标轴联动方式的确定 244

10.6.2 设计方案的确定 245

10.7 机械部分改造设计计算实例 246

10.8 数控改造几个实例 248

参考文献 250