1、第 4 章 习 题 解 答4.1 数控机床对机械结构的基本要求是什么？提高数控机床性能的措施主要有哪些？数 控 机 床 对 机 械 结 构 的 基 本 要 求 是 ： 具 有 较 高 的 静 、 动 刚 度 和 良 好 的 抗 振 性 ； 具 有 良 好 的 热 稳 定 性；具有较高的运动精度与良好的低速稳定性；具有良好的操作、安全防护性能成。提 高 数 控 机 床 性 能 的 措 施 主 要 有 ： 合 理 选 择 数 控 机 床 的 总 体 布 局 ； 提 高 结 构 件 的 刚 度 ； 提 高 机 床 抗振性；改善机床的热变形；保证运动的精度和稳定性。4.2 数 控 机 床 采 用 斜
2、床 身 布 局 有 什 么 优 点 ？斜床身布局的数控车床（导轨倾斜角度通常选择 45、 60和 75） ， 不仅可以在同等条件下， 改 善 受 力 情 况 ； 而 且 还 可 通 过 整 体 封 闭 式 截 面 设 计 ， 提 高 床 身 的 刚 度 。 特 别 是 自 动 换 刀 装 置 的 布 置 较 方便。4.3 卧 式 数 控 镗 铣 床 或 加 工 中 心 采 用 T 型床身和框架结构双立柱各有什么优点？T 型床身布局可以使工作台沿床身作 X 向移动时， 在全行程范围内， 工作台和工件完全支承在床 身 上 ， 因 此 ， 机 床 刚 性 好 ， 工 作 台 承 载 能 力 强 ，
3、加 工 精 度 容 易 得 到 保 证 。 而 且 ， 这 种 结 构 可 以 很 方 便 地增加 X 轴行程，便于机床品种的系列化、零部件的通用化和标准化。框 架 结 构 双 立 柱 采 用 了 对 称 结 构 ， 主 轴 箱 在 两 立 柱 中 间 上 、 下 运 动 ， 与 传 统 的 主 轴 箱 侧 挂 式 结 构 相 比 ， 大 大 提 高 了 结 构 刚 度 。 另 外 ， 主 轴 箱 是 从 左 、 右 两 导 轨 的 内 侧 进 行 定 位 ， 热 变 形 产 生 的 主 轴 中 心变位被限制在垂直方向上，因此，可以通过对 Y 轴的补偿，减小热变形的影响。4.4 什么叫“箱 中
4、箱” （box in box）结 构？高速加工机床为什么要采用“箱中箱”结构？卧式布局高速数控机床采用了 “内外双框架” 即称为 “箱中箱” （b ox in box） 结构 。 这两种布局 型 式 在 总 体 上 的 共 同 特 点 是 ： 运 动 部 件 质 量 轻 ， 结 构 刚 性 好 。 机 床 进 给 系 统 的 结 构 全 部 （ 或 部 分 ） 移 出工作台外，以最大限度减轻移动部件的质量和惯量，是高速加工机床结构布局设计的总原则。4.5 什 么 叫 虚 拟 轴 机 床 ？ 其 结 构 特 点 是 什 么 ？ 与 传 统 机 床 相 比 它 具 有 哪 些 主 要 优 点 ？虚
5、拟轴机床的基座与主轴平台间是由六根杆并联地连接的，称之为并联结构。X、Y 、Z 三个坐 标轴的运动由六根杆同时相互耦合地作伸缩运动来实现。 主轴平台的受力由六根杆分摊承担， 每根杆 受 力 要 小 得 多 ， 且 只 承 受 拉 力 或 压 力 ， 不 承 受 弯 矩 或 扭 矩 。 因 此 ， 刚 度 高 、 移 动 部 件 质 量 小 、 结 构 简 单、零件的数量多，是并联结构机床突出的优点。4.6 数控机床对主传动系统的基本要求是什么？在数控机床上实现主传动的无级变速方式主要有哪 几种？数控机床对主传动系统的基本要求： 为了达到最佳切削效果，一般都应在最佳切削条件下工作，因此，主轴一般
6、都要求能自动实 现无级变速。 要 求 机 床 主 轴 系 统 必 须 具 有 足 够 高 的 转 速 和 足 够 大 的 功 率 ， 以 适 应 高 速 、 高 效 的 加 工 需 要 。 为 了 降 低 噪 声 、 减 轻 发 热 、 减 少 振 动 ， 主 传 动 系 统 应 简 化 结 构 ， 减 少 传 动 件 。 在加工中心上，还必须具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装 置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。 为 了 扩 大 机 床 功 能 ， 实 现 对 C 轴 位 置 （ 主 轴 回 转 角 度 ） 的 控 制 ， 主 轴 还 需 要 安 装 位
7、置 检 测 装 置，以便实现对主轴位置的控制。实现主传动的无级变速方式主要有： 采用交流主轴驱动系统实现无级变速传动；采用变频 器带变频电机或普通交流电机实现无级变速的方式； 在高速加工机床上，广泛使用主轴和电机一 体 化 的 新 颖 功 能 部 件 电 主 轴 。 电 主 轴 的 电 机 转 子 和 主 轴 一 体 ， 无 需 任 何 传 动 件 ， 可 以 使 主 轴 达 到 数万转、甚至十几万转的高速。4.7 数 控 机 床 的 主 传 动 增 加 辅 助 机 械 变 速 装 置 的 作 用 是 什 么 ？在 大 、 中 型 数 控 机 床 上 ， 为 了 使 主 轴 在 低 速 时 获
8、 得 大 扭 矩 和 扩 大 恒 功 率 调 速 范 围 ， 通 常 在 使 用 无 级 变 速 传 动 的 基 础 上 ， 再 增 加 两 级 或 三 级 辅 助 机 械 变 速 机 构 作 为 补 充 。 通 过 分 段 变 速 方 式 ， 确 保 低 速 时的大扭矩，扩大恒功率调速范围，满足机床重切削时对扭矩的要求。4.8 什 么 叫 电 主 轴 ？ 数 控 机 床 采 用 电 主 轴 有 哪 些 优 点 ？所 谓 电 主 轴 ， 虽 然 外 形 各 不 相 同 ， 但 其 实 质 都 是 一 只 转 子 中 空 的 电 机 。 在 高 速 加 工 机 床 上 ， 大 多 数 使 用 电
9、 机 转 子 和 主 轴 一 体 的 电 主 轴 ， 可 以 使 主 轴 达 到 数 万 转 、 甚 至 十 几 万 转 的 高 速 ， 主 轴 传 动 系 统 的结构更简单、刚性更好。4.9 常 用 的 主 轴 轴 承 有 哪 几 种 ？ 它 们 在 性 能 上 有 何 区 别 ？常用的主轴轴承有：锥 孔 双 列 圆 柱 滚 子 轴 承 ， 内 圈 为 112 的 锥 孔 ， 当 内 圈 沿 锥 形 轴 轴 向 移 动 时 ， 内 圈 胀 大 ， 可 以 调 整 滚 道 间 隙 。 这 种 轴 承 的 特 点 是 滚 子 数 量 多 ， 两 列 滚 子 交 错 排 列 ， 因 此 承 载 能
10、 力 大 ， 刚 性 好 ， 允 许 转 速较高。但它对箱体孔、主轴颈的加工精度要求高，且只能承受径向载荷。双列推力向心球轴承，接触角为 60。这种轴承的球径小、数量多，允许转速高，轴向刚度较 高，能承受双向轴向载荷。该种轴承一般与双列圆柱滚子轴承配套用作主轴的前支承。双列圆锥滚子轴承。 这种轴承的特点是内、 外列滚子数量相差一个， 能使振动频率不一致， 因此， 可以改善轴承的动态性能。轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷，通常用作主轴的前支承。4.10 数控机床对进给传动系统的基本要求是什么？进给传动系统的基本型式有哪几种？它们各有什么优点？数 控 机 床 对 进 给 传 动 系 统 的 基
11、本 要 求 ： 提 高 传 动 部 件 的 刚 度 ； 减 小 传 动 部 件 的 惯 量 ； 减 小 传 动 部 件的间隙；减小系统的摩擦阻力。4.11 什 么 叫 直 线 电 动 机 ？ 数 控 机 床 采 用 直 线 电 动 机 驱 动 有 什 么 优 点 和 不 足 ？ 直线电动机是一种能将电信号直接转换成为直线位移的电动机。 数控机床采用直线电动机驱动的优点：（1）采用直线电动机驱动，不需要丝杠、齿轮齿条等转换装置即能直接实现直线运动，因此， 它大大简化了进给系统结构，提高了传递效率。（ 2） 采 用 直 线 电 动 机 驱 动 时 ， 可 以 达 到 大 于 100m/min 的进
12、给速度和大于 10 m / s 2 的加速度。（3）直线电动机从根本上消除传动环节，故进给系统的精度高、刚度大、快速性和稳定性好， 噪声很小或无噪声。数控机床采用直线电动机驱动的不足：（ 1） 与 同 容 量 旋 转 电 动 机 相 比 ， 直 线 电 动 机 的 效 率 和 功 率 因 数 要 低 ， 特 别 在 低 速 时 更 明 显 。（ 2） 特 别 是 直 线 感 应 电 动 机 的 起 动 推 力 受 电 源 电 压 的 影 响 较 大 ， 故 对 驱 动 器 的 要 求 较 高 ， 应 采 取措施保证或改变电动机的有关特性来减少或消除这种影响。（3）在金属加工机床上，由于电动机直
13、接和导轨、工作台做成一体，必须采取措施以防止磁力 和热变形对加工的影响。4.12 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 循 环 方 式 有 哪 几 种 ？ 怎 样 实 现 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 预 紧 ？循 环 方 式 有 两 种 ： 回 珠 滚 道 布 置 在 螺 母 外 部 ， 滚 珠 在 循 环 过 程 中 ， 有 部 分 时 间 滚 珠 与 丝 杠 脱 离 接 触的称为外循环；回珠滚道布置在螺母内部，循环过程中滚珠始终与丝杠保持接触的称内循环。滚珠丝杠螺母副的预紧方法与螺母的型式有关。 对于单螺母结构主要有三种： 增加滚珠直 径 预 紧 法 ； 螺 母 夹 紧 预 紧 法 ； 整
14、体 螺 母 变 位 螺 距 预 紧 法 。 对 于 双 螺 母 结 构 的 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 ， 主 要采用垫片预紧法。4.13 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 支 承 型 式 有 哪 几 种 ？ 它 们 各 有 什 么 特 点 ？常用的滚珠丝杠螺母副的支承型式有四种： 一端固定、 一端自由的支承方式 （G Z 方式） ； 一 端 固定、 一端游动的支承方式 （ GY 方式） ； 两端支承方式 （J J 方式） ； 两端固定的支承方式 （GG 方式） 。4.14 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 与 电 动 机 间 的 连 接 形 式 有 哪 几 种 ？ 它 们 各 有 什 么 优 点 ？
15、滚珠丝杠螺母副与驱动电动机的联接型式主要有三种： 联 轴 器 直 接 联 接 ： 这 是 一 种 最 简 单 的 联 接 型 式 。 这 种 结 构 型 式 的 优 点 是 ： 具 有 最 大 的 扭 转 刚 度 ； 传 动 机 构 本 身 无 间 隙 ， 传 动 精 度 高 ； 而 且结 构 简 单 ， 安 装 、 调 整 方 便 。 通 过 齿 轮 联 接 ： 这 种 结 构 的 优 点 是 ： 可 以 降 低 丝 杠 、 工 作 台 的 惯 量 在 系 统 中 所 占 的 比 重 ， 提 高 进 给 系 统 的 快 速 性 。 可 以 充 分 利 用 伺 服 电 机 高 转 速 、 低
16、扭 矩 的 性 能 ， 使其变为低转速、大扭矩输出，获得更大的进给驱动力。 在开环步进系统中还可起到机械、电气 间的匹配作用，使数控系统的分辨率和实际工作台的最小移动单位统一。 进给电机和丝杠中心可 以不在同一直线上，布置灵活。 通过同步齿形带联接：同步齿形带传动具有带传动和链传动的共 同 优 点 ， 与 齿 轮 传 动 相 比 它 结 构 更 简 单 ， 制 造 成 本 更 低 ， 安 装 调 整 更 方 便 。 并 且 传 动 不 打 滑 、 不 需 要 大 的 张 紧 力 ； 传 动 效 率 可 以 达 到 98%99.5%， 最 高 线 速 度 可 以 达 到 80m/s， 故 可 以
17、 广 泛 用 于 一 般 数 控 机床和高速、高精度的数控机床传动。4.15 数 控 机 床 对 导 轨 的 基 本 要 求 是 什 么 ？ 数 控 机 床 的 导 轨 主 要 有 哪 几 种 ？ 它 们 各 有 什 么 特 点 ？数 控 机 床 对 导 轨 的 基 本 要 求 ： 导 向 精 度 高 ； 精 度 保 持 性 好 ； 足 够 的 刚 度 ； 良好的摩 擦特性。4.16 滚 动 导 轨 具 有 哪 些 优 点 ？滚动导轨的优点：（1）动、静摩擦力之差很小，灵敏性极好，驱动信号与机械动作间的滞后时间极短，有利于提 高数控系统的响应速度和灵敏度。（2） 可以使 驱动电机的功率大幅度下
18、降， 它实际所需的功率只相当于普通导轨的十分之一左右。 它 与 V 型 十 字 交 叉 滚 子 导 轨 相 比 ， 摩 擦 阻 力 可 下 降 40 倍 左 右 。（ 3） 适 合 于 高 速 、 高 精 度 加 工 的 机 床 ， 它 的 瞬 时 速 度 可 以 比 滑 动 导 轨 提 高 10 倍 左 右 。 从 而 可 以 实 现 高 定 位 精 度 和 重 复 定 位 精 度 的 机 床 要 求 。（ 4） 可 以 实 现 无 间 隙 运 动 ， 提 高 进 给 系 统 的 运 动 精 度 。（5） 滚动导轨成对使用时， 具有 “误差均化效应” ， 从而降低基础件 （导轨安装面） 的加
19、工精度 要求，降低基础件的机械制造成本与难度。（6）导轨副的滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承载能力及刚度比平面与钢球 点接触时大大提高。（ 7） 导 轨 采 用 表 面 硬 化 处 理 工 艺 ， 导 轨 内 仍 保 持 良 好 的 机 械 性 能 ， 从 而 使 它 具 有 良 好 的 可 校 性 。（ 8） 滚 动 导 轨 对 安 装 面 的 要 求 较 低 ， 简 化 了 机 械 结 构 的 设 计 ， 降 低 了 机 床 加 工 、 制 造 成 本 。4.17 数 控 机 床 对 自 动 换 刀 装 置 的 基 本 要 求 是 什 么 ？ 常 用 的 换 刀 装 置 有
20、哪 些 结 构 型 式 ？数 控 机 床 对 自 动 换 刀 装 置 的 基 本 要 求 ： 刀 具 存 放 数 量 多 （ 刀 库 容 量 大 ） 、 换 刀 时 间 短 、 刀 具 重 复 定位精度高、结构简单、制造成本低、可靠性高。自动换刀装置的型式与机床种类、机床的总体结构布局、需要交换的刀具数量等因素密切相关。在 数 控 车 床 上 ， 由 于 工 件 安 装 于 主 轴 上 ， 刀 具 只 须 在 刀 架 上 进 行 交 换 即 可 ， 换 刀 装 置 结 构 简 单 ， 型 式 比 较 单 一 ， 通 常 都 使 用 回 转 刀 架 进 行 换 刀 。 在 加 工 中 心 上 ，
21、 由 于 刀 具 被 安 装 于 主 轴 上 ， 换 刀 必 须 在 主 轴 和 刀 库 之 间 进 行 ， 为 此 ， 必 须 设 计 专 门 的 自 动 换 刀 装 置 和 刀 库 ， 其 刀 具 的 交 换 方 式 通 常 可 以 分 为 无 机械手换刀和带机械手换刀两大类。4.18 简 述 立 式 加 工 中 心 无 机 械 手 换 刀 的 主 要 动 作 过 程 。立式加工中心无机械手换刀的主要动作过程： 主轴定向准停； 刀库向右运动； 主轴箱 上升； 刀 库 旋 转 ； 主轴箱下降； 刀 库 快 速 向 左 返 回 。4.19 简 述 立 式 加 工 中 心 凸 轮 机 械 手 换
22、 刀 的 动 作 过 程 。立式加工中心凸轮机械手换刀的动作过程： 刀具预选； 主轴定向准停； 机械手回转夹 刀； 卸 刀 ； 刀 具 换 位 ； 装 刀 ； 机 械 手 返 回 。4.20 数 控 机 床 对 回 转 工 作 台 的 基 本 要 求 是 什 么 ？ 常 用 的 回 转 工 作 台 有 哪 几 种 ？ 它 们 各 有 什 么 特 点 ？数控机床对回转工作台的基本要求： 分辨率小， 定位精度高， 运动平稳， 动作迅速， 转台刚性好。 常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台， 数控机床的分度工作台只能完成分度运动。 数控 机床的回转工作台不但能完成分度运动，而且还能进行连续圆周进给运动。
