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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数控机床的组成和工作原理 3

1.2.1数控机床的组成 3

1.2.2数控机床的工作原理 4

1.2.3数控系统的主要工作过程 5

1.3数控机床的分类 5

1.3.1按运动方式分类 6

1.3.2按控制方式分类 6

1.3.3按数控系统的功能水平分类 7

1.4控制轴数与联动轴数 8

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 9

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数控机床设计方法和理论 18

2.1.1设计类型 18

2.1.2设计方法的特点 19

2.1.3数控机床的设计步骤 20

2.1.4数控机床设计的基本理论 21

2.1.5并联机床设计创新 25

2.2数控机床总体方案设计 26

2.2.1运动设计及表面形成方法 26

2.2.2机床总体结构方案设计 28

2.3机床主要参数的设计 36

2.3.1主参数和尺寸参数 36

2.3.2运动参数 36

2.3.3动力参数 39

第3章数控机床主传动系统设计 44

3.1概述 44

3.1.1数控机床主传动系统的特点 44

3.1.2主传动系统的设计要求 44

3.1.3数控机床主传动系统配置方式 44

3.1.4主传动系统的类型 45

3.2分级变速主传动系统设计 46

3.2.1转速图的概念 46

3.2.2变速规律 47

3.2.3结构网及结构式 48

3.2.4拟定转速图的方法 49

3.2.5齿轮齿数的确定 50

3.2.6主传动系统计算转速 50

3.3无级变速传动链的设计 53

3.3.1无级变速装置的分类 53

3.3.2机械无级变速与分级变速机构的串联 53

3.3.3采用直流或交流电动机无级调速 54

3.3.4主轴转速的自动变换 58

3.3.5主轴旋转与进给轴的同步控制 60

3.4现代数控机床主传动系统 61

3.4.1高速主传动设计 61

3.4.2柔性化、复合化设计 61

3.5主传动系统结构设计 62

3.5.1变速机构 63

3.5.2齿轮在轴上的布置 63

3.5.3立式加工中心主轴箱的构造 65

3.5.4数控车床主轴箱构造 66

第4章主轴组件设计 69

4.1主轴组件的基本要求 69

4.2主轴 70

4.2.1主轴的构造 70

4.2.2主轴的材料和热处理 71

4.3主轴滚动支承 71

4.3.1主轴常用滚动轴承的类型 72

4.3.2主轴滚动轴承的选择 74

4.3.3主轴轴承的配置方式 75

4.3.4滚动轴承精度等级的选择 77

4.3.5主轴滚动轴承的预紧 78

4.4静压轴承 79

4.4.1液体静压轴承 79

4.4.2气体静压轴承 80

4.5主轴组件的设计计算 81

4.5.1初选主轴直径 81

4.5.2主轴悬伸量的确定 82

4.5.3主轴最佳跨距的选择 82

4.6数控机床主轴组件的结构形式 85

4.6.1主轴的支承与润滑 85

4.6.2刀具自动装卸及切屑清除装置 86

4.6.3主轴准停装置 87

4.7高速主轴单元 87

4.7.1高速电主轴的结构 88

4.7.2高性能的CNC控制系统 89

4.7.3冷却润滑技术的研究 89

4.7.4高速精密轴承 89

4.7.5电主轴的动平衡 90

4.7.6刀具的夹紧 90

4.7.7轴上零件的连接 91

4.8提高主轴组件性能的措施 91

4.8.1提高旋转精度 91

4.8.2改善动态特性 92

4.8.3控制主轴组件温升 93

第5章伺服进给传动系统设计 94

5.1伺服进给传动系统概述 94

5.1.1伺服进给系统分类 94

5.1.2伺服进给系统的基本要求 95

5.2直线运动机构——滚珠丝杠螺母机构 95

5.2.1工作原理及其特点 95

5.2.2结构类型 96

5.2.3滚珠丝杠的安装 98

5.2.4滚珠丝杠螺母副的计算和选用 99

5.3数控机床消隙机构及其常用的连接方式 101

5.3.1进给系统传动齿轮间隙消除 101

5.3.2数控机床常用的连接方式 103

5.4伺服电动机及其调速 107

5.4.1步进电动机 107

5.4.2直流伺服电动机及其调速系统 112

5.4.3交流伺服电动机及其调速 115

5.4.4直线电动机 117

5.5典型进给系统结构 119

5.6伺服进给系统设计的基本要求 120

5.7伺服进给系统机械传动装置的设计步骤及计算 122

5.7.1负载转矩的计算 122

5.7.2负载惯量的计算 123

5.7.3伺服电动机的选择 124

5.7.4电动机惯量与负载惯量的匹配 125

5.8伺服进给系统的动态响应、稳定性及精度 127

5.8.1动态性能指标 127

5.8.2系统的稳定性 128

5.8.3开环、半闭环伺服进给系统的死区误差及定位精度 129

5.8.4静态误差与伺服刚度 131

5.8.5传动链的自然频率 132

5.8.6刚度计算 132

第6章数控机床检测装置 135

6.1数控机床测量系统分类与特点 135

6.1.1检测装置的分类 135

6.1.2数控测量装置的性能指标及要求 136

6.2常用测量元件的工作原理及应用 136

6.2.1旋转变压器 136

6.2.2感应同步器 138

6.2.3光栅 141

6.2.4磁栅 144

6.2.5脉冲编码器 147

第7章数控机床本体设计 152

7.1支承件设计 152

7.1.1数控机床支承件的功用和应满足的要求 152

7.1.2支承件的静刚度 153

7.1.3支承件的动态特性 160

7.1.4支承件的结构设计 165

7.1.5支承件的有限元计算简介 167

7.2导轨设计 169

7.2.1导轨的分类 169

7.2.2对导轨的基本要求 172

7.2.3滑动导轨 173

7.2.4滚动导轨 180

7.2.5提高导轨耐磨性的措施 186

第8章自动换刀和自动交换工件系统 191

8.1自动换刀装置 191

8.1.1回转刀架换刀 191

8.1.2更换主轴换刀 193

8.1.3带刀库的自动换刀系统 194

8.2工件自动交换系统 200

8.2.1托盘交换装置 200

8.2.2装卸料机器人 201

8.2.3有轨小车 202

8.2.4无轨小车 202

8.3数控机床的回转工作台 203

8.3.1数控回转工作台 203

8.3.2分度工作台 204

第9章计算机数控系统 208

9.1概述 208

9.1.1CNC系统组成 208

9.1.2计算机数控装置的组成 208

9.1.3CNC系统功能 210

9.1.4计算机数控装置的工作原理 213

9.2数控系统的硬件结构 215

9.2.1CNC系统的硬件构成特点 215

9.2.2单CPU结构GNC系统的硬件结构 216

9.2.3多CPU结构CNC系统的硬件结构 217

9.3CNC系统的软件结构 218

9.3.1CNC装置软硬件的界面 218

9.3.2CNC系统控制软件的结构特点 219

9.3.3常规CNC系统的软件结构 221

9.4数控系统的I/O接口 226

9.4.1CNC装置的输入/输出和通信要求 226

9.4.2数控系统的I/0接口电路的作用和要求 226

9.4.3机床I/0接口 227

9.4.4通用I/0接口 228

9.5数控机床用可编程序控制器 229

9.5.1可编程序控制器的组成 229

9.5.2可编程序控制器的工作过程 230

9.5.3可编程序控制器的特点 232

9.5.4数控系统PLC的类型 232

9.5.5数控机床中PLC控制功能的实现 234

9.5.6PLC在数控机床上的应用举例 237

9.6FANUC0i数控系统 238

9.6.1控制单元 238

9.6.2电源模块 240

9.6.3伺服模块 241

9.6.4主轴模块 243

9.6.5综合连接图 244

参考文献 246