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，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”（box 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：
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⑴ 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，主轴一般都要求能自动实 现无级变速。
⑵ 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。
⑶ 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。
⑷ 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。
⑸ 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：⑴ 采用交流主轴驱动系统实现无级变速传动；⑵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；⑶ 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 1∶12 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
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么优点？
数控机床对进给传动系统的基本要求：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 的进给速度和大于 10 m / s 的加速度。
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（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： ⑴ 增加滚珠直径 预紧法；⑵ 螺母夹紧预紧法；⑶ 整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（G—Y 方式）；两端支承方式（J—J 方式）；两端固定的支承方式（G—G 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？
滚珠丝杠螺母副与驱动电动机的联接型式主要有三种：⒈ 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
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结构简单，安装、调整方便。⒉ 通过齿轮联接：这种结构的优点是：⑴ 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。⑵ 可以充分利用伺服电机高转速、低扭矩的性能， 使其变为低转速、大扭矩输出，获得更大的进给驱动力。⑶ 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。⑷ 进给电机和丝杠中心可 以不在同一直线上，布置灵活。⒊ 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：⒈ 导向精度高；⒉ 精度保持性好；⒊ 足够的刚度；⒋ 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。
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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，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：⑴ 主轴定向准停；⑵ 刀库向右运动；⑶ 主轴箱 上升；⑷ 刀库旋转；⑸ 主轴箱下降；⑹ 刀库快速向左返回。 4.19 简述立式加工中心凸轮机械手换刀的动作过程。
立式加工中心凸轮机械手换刀的动作过程：⑴ 刀具预选；⑵ 主轴定向准停；⑶ 机械手回转夹 刀；⑷ 卸刀；⑸ 刀具换位；⑹ 装刀；⑺ 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。
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数控技术课后答案董玉红主编第4章习题解答
