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第二章
数控机床结构
第一节 数控设备的产生和发展
第二节 主运动机械部件
第三节 数控机床的进给传动系统
第四节 数控机床的换刀装置
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第一节 数控设备的产生和发展
一、较高的机床静、动刚度
数控机床是按照数控编程或手动输入数
据方式提供的指令自动进行加工的。由于机
械结构（如机床床身、导轨、工作台、刀架
和主轴等）的几何精度与变形产生的定位误
差在。加工过程中不能人为地调整与补偿,
因此，必须把各处机械结构部件产生
的弹性变形控制在最小限度内，以
保证所要求的加工精度与表面质量。
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二、减少机床的热变形
1、减少发热
2、控制温升
3、改善机床机构
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三、减少运动间的摩擦和消除传动间隙
数控机床工作台（或拖板）
的位移量十一脉中当量为最小单
位的，通常又要求能以基地的速
度运动。为了使工作台能对数控
装臵的指令作出准确响应，就必
须采取相应的措施。目前常用的
滑动导轨、滚动导轨和静压导轨
在摩擦阻尼特性方面存在着明显的差别。在进给系统中用滚
珠丝杠代替滑动丝 杠也可以收到同样的效果。目前，数控
机床几乎无一例外地采用滚珠丝杠传动。
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四、提高机床的寿命和精度保持性
为了提高机床的寿命和精度保持性，在设计时应充分考
虑数控机场零部件的耐磨性，尤其是机床导轨、进给伺港机
主轴部件等影响进度的主要零件的耐磨性。在使用过程中，
应保证数控机床各部件润滑良好。
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五、减少辅助时间和改善操作性能
在数控机床的单件加工中，辅助
时间（非切屑时间）占有较大的比重。
要进一步提高机床的生产率，就必须
采取促使最大限度地压缩 辅助时间。
目前已经有很多数控机床采用了多主
轴、多刀架、以及带刀库的自动换刀
装臵等，以减少换刀时间。对于切屑
用量加大的数控机床，床身机构必须
有利于排屑。
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第二节 主运动机械部件
1、带有变速齿轮的主传动
3、由调速电机直接驱动的主传动
2、通过皮带传动的主传动
这是大、中型数
控机床采用较多
的一种方式。
这种主传动方式大大简
化了主轴箱体结构，提
高了主轴部件的刚度。
这主要应用在小
型数控机床上。
一、主传动运动的变速系统
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1、前后支撑采用不同轴承
此配臵形式使主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强
力切屑的要求，因此普遍应用于各类数控机床。
2、前轴承采用高精度双列向心推力球轴承
向心推力球轴承高速时性能良好。但是，它的承载能力
小，因而适用于高速、轻载和紧密的数控车床。
3、双列和单列圆锥滚子轴承
这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承
受较强的动载荷，安装与调整性能也好。但是，这种轴承限
制了主轴的最高转 速和精度，因此使用中等精度、低速与
重载的数控机床。
二、数控机床主轴部件
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一、进给传动系统作用
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。
二、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。
第三节 数控机床的进给传动系统
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1、步进伺服电机伺服进给系统
一般用于经济型数控机床。
2、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。
3、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。
4、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。
三、进给传动系统种类
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１、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臵。目前联轴器的类型繁多，有
液力式、电磁式和机械式。
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）。
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。
四、进给传动机械部件
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２、减速机构
(1)、齿轮传动装臵
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
臵中几乎都有齿轮传动。
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。
(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。
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3、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
须要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，行程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-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），
则必须有制动装臵。
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。
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一、自动换刀装置的作用
自动换刀装臵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。
二、对自动换刀装置的要求
数控机床对自动换刀装臵的
要求是：换刀迅速、时间短，重
复定位精度高，刀具储存量足够,
所占空间位臵小，工作稳定可靠。
第四节 数控机床的换刀装置
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三、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，依次转至加工位臵，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，由交换装臵从刀库和主轴上取
刀交换。
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自动换刀装臵中，实现
刀库与主轴间传递和装卸刀
具的装臵为刀具交换装臵。
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臵
换刀），其中以机械手换刀
最为常见。
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四、刀具交换装置
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五、刀库
刀库是自动换刀装臵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。
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２、刀库类型
一般有盘式、链式及鼓轮式刀库几种,
(1) 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。
(2) 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。
(3) 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。
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3、选刀方式
常有顺序选刀和任意选刀两种,
(1) 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。
(2) 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 。
第二章
数控机床结构
第一节 数控设备的产生和发展
第二节 主运动机械部件
第三节 数控机床的进给传动系统
第四节 数控机床的换刀装置
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第一节 数控设备的产生和发展
一、较高的机床静、动刚度
数控机床是按照数控编程或手动输入数
据方式提供的指令自动进行加工的。由于机
械结构（如机床床身、导轨、工作台、刀架
和主轴等）的几何精度与变形产生的定位误
差在。加工过程中不能人为地调整与补偿,
因此，必须把各处机械结构部件产生
的弹性变形控制在最小限度内，以
保证所要求的加工精度与表面质量。
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二、减少机床的热变形
1、减少发热
2、控制温升
3、改善机床机构
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三、减少运动间的摩擦和消除传动间隙
数控机床工作台（或拖板）
的位移量十一脉中当量为最小单
位的，通常又要求能以基地的速
度运动。为了使工作台能对数控
装臵的指令作出准确响应，就必
须采取相应的措施。目前常用的
滑动导轨、滚动导轨和静压导轨
在摩擦阻尼特性方面存在着明显的差别。在进给系统中用滚
珠丝杠代替滑动丝 杠也可以收到同样的效果。目前，数控
机床几乎无一例外地采用滚珠丝杠传动。
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四、提高机床的寿命和精度保持性
为了提高机床的寿命和精度保持性，在设计时应充分考
虑数控机场零部件的耐磨性，尤其是机床导轨、进给伺港机
主轴部件等影响进度的主要零件的耐磨性。在使用过程中，
应保证数控机床各部件润滑良好。
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五、减少辅助时间和改善操作性能
在数控机床的单件加工中，辅助
时间（非切屑时间）占有较大的比重。
要进一步提高机床的生产率，就必须
采取促使最大限度地压缩 辅助时间。
目前已经有很多数控机床采用了多主
轴、多刀架、以及带刀库的自动换刀
装臵等，以减少换刀时间。对于切屑
用量加大的数控机床，床身机构必须
有利于排屑。
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第二节 主运动机械部件
1、带有变速齿轮的主传动
3、由调速电机直接驱动的主传动
2、通过皮带传动的主传动
这是大、中型数
控机床采用较多
的一种方式。
这种主传动方式大大简
化了主轴箱体结构，提
高了主轴部件的刚度。
这主要应用在小
型数控机床上。
一、主传动运动的变速系统
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1、前后支撑采用不同轴承
此配臵形式使主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强
力切屑的要求，因此普遍应用于各类数控机床。
2、前轴承采用高精度双列向心推力球轴承
向心推力球轴承高速时性能良好。但是，它的承载能力
小，因而适用于高速、轻载和紧密的数控车床。
3、双列和单列圆锥滚子轴承
这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承
受较强的动载荷，安装与调整性能也好。但是，这种轴承限
制了主轴的最高转 速和精度，因此使用中等精度、低速与
重载的数控机床。
二、数控机床主轴部件
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一、进给传动系统作用
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。
二、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。
第三节 数控机床的进给传动系统
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1、步进伺服电机伺服进给系统
一般用于经济型数控机床。
2、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。
3、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。
4、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。
三、进给传动系统种类
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１、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臵。目前联轴器的类型繁多，有
液力式、电磁式和机械式。
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）。
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。
四、进给传动机械部件
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２、减速机构
(1)、齿轮传动装臵
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
臵中几乎都有齿轮传动。
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。
(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。
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3、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
须要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，行程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-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），
则必须有制动装臵。
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。
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一、自动换刀装置的作用
自动换刀装臵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。
二、对自动换刀装置的要求
数控机床对自动换刀装臵的
要求是：换刀迅速、时间短，重
复定位精度高，刀具储存量足够,
所占空间位臵小，工作稳定可靠。
第四节 数控机床的换刀装置
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三、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，依次转至加工位臵，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，由交换装臵从刀库和主轴上取
刀交换。
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自动换刀装臵中，实现
刀库与主轴间传递和装卸刀
具的装臵为刀具交换装臵。
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臵
换刀），其中以机械手换刀
最为常见。
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五、刀库
刀库是自动换刀装臵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。
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２、刀库类型
一般有盘式、链式及鼓轮式刀库几种,
(1) 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。
(2) 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。
(3) 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。
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3、选刀方式
常有顺序选刀和任意选刀两种,
(1) 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。
(2) 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 。
