在數(shù)控機(jī)床發(fā)展的最初階段，其機(jī)械結(jié)構(gòu)與通用機(jī)床相比沒(méi)有多大的變化，只是在自動(dòng)變速、刀架和工作臺(tái)自動(dòng)轉(zhuǎn)位和手柄操作等方面作些改變。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，考慮到它的控制方式和使用特點(diǎn)，才對(duì)機(jī)床的生產(chǎn)率、加工精度和壽命提出了更高的要求。數(shù)控機(jī)床的主體機(jī)構(gòu)有以下特點(diǎn)：1）由于采用了高性能的無(wú)級(jí)變速主軸及伺服傳動(dòng)系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床的極限傳動(dòng)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈也大大縮短;2）為適應(yīng)連續(xù)的自動(dòng)化加工和提高加工生產(chǎn)率，數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的靜、動(dòng)態(tài)剛度和阻尼精度，以及較高的耐磨性，而且熱變形小;3）為減小摩擦、消除傳動(dòng)間隙和獲得更高的加工精度，更多地采用了高效傳動(dòng)部件，如滾珠絲杠副和滾動(dòng)導(dǎo)軌、消隙齒輪傳動(dòng)副等;4）為了改善勞動(dòng)條件、減少輔助時(shí)間、改善操作性、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，采用了刀具自動(dòng)夾緊裝置、刀庫(kù)與自動(dòng)換刀裝置及自動(dòng)排屑裝置等輔助裝置。根據(jù)數(shù)控機(jī)床的適用場(chǎng)合和機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)因提出以下要求：
一、較高的機(jī)床靜、動(dòng)剛度
數(shù)控機(jī)床是按照數(shù)控編程或手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)方式提供的指令自動(dòng)進(jìn)行加工的。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)（如機(jī)床床身、導(dǎo)軌、工作臺(tái)、刀架和主軸箱等）的幾何精度與變形產(chǎn)生的定位誤差在加工過(guò)程中不能人為地調(diào)整與補(bǔ)償，因此，必須把各處機(jī)械結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生的彈性變形控制在最小限度內(nèi)，以保證所要求的加工精度與表面質(zhì)量。
為了提高數(shù)控機(jī)床主軸的剛度，不但經(jīng)常采用三支撐結(jié)構(gòu)，而且選用鋼性很好的雙列短圓柱滾子軸承和角接觸向心推力軸承鉸接出相信忒力軸承 ，以減小主軸的徑向和軸向變形。為了提高機(jī)床大件的剛度，采用封閉界面的床身，并采用液力平衡減少移動(dòng)部件因位置變動(dòng)造成的機(jī)床變形。為了提高機(jī)床各部件的接觸剛度，增加機(jī)床的承載能力，采用刮研的方法增加單位面積上的接觸點(diǎn)，并在結(jié)合面之間施加足夠大的預(yù)加載荷，以增加接觸面積。這些措施都能有效地提高接觸剛度。
為了充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的高效加工能力，并能進(jìn)行穩(wěn)定切削，在保證靜態(tài)剛度的前提下，還必須提高動(dòng)態(tài)剛度。常用的措施主要有提高系統(tǒng)的剛度、增加阻尼以及調(diào)整構(gòu)件的自振頻率等。試驗(yàn)表明，提高阻尼系數(shù)是改善抗振性的有效方法。鋼板的焊接結(jié)構(gòu)既可以增加靜剛度、減輕結(jié)構(gòu)重量，又可以增加構(gòu)件本身的阻尼。因此，近年來(lái)在數(shù)控機(jī)床上采用了鋼板焊接結(jié)構(gòu)的床身、立柱、橫梁和工作臺(tái)。封砂鑄件也有利于振動(dòng)衰減，對(duì)提高抗振性也有較好的效果。
二、減少機(jī)床的熱變形
在內(nèi)外熱源的影響下，機(jī)床各部件將發(fā)生不同程度的熱變形，使工件與刀具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系遭到破環(huán)，也是機(jī)床季度下降。對(duì)于數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，因?yàn)槿考庸み^(guò)程是計(jì)算的指令控制的，熱變形的影響就更為嚴(yán)重。為了減少熱變形，在數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)中通常采用以下措施。
1.減少發(fā)熱
機(jī)床內(nèi)部發(fā)熱時(shí)產(chǎn)生熱變形的主要熱源，應(yīng)當(dāng)盡可能地將熱源從主機(jī)中分離出去。
2.控制溫升
在采取了一系列減少熱源的措施后，熱變形的情況將有所改善。但要完全消除機(jī)床的內(nèi)外熱源通常是十分困難的，甚至是不可能的。所以必須通過(guò)良好的散熱和冷卻來(lái)控制溫升，以減少熱源的影響。其中部較有效的方法是在機(jī)床的發(fā)熱部位強(qiáng)制冷卻，也可以在機(jī)床低溫部分通過(guò)加熱的方法，使機(jī)床各點(diǎn)的溫度趨于一致，這樣可以減少由于溫差造成的翹曲變形。
3.改善機(jī)床機(jī)構(gòu)
在同樣發(fā)熱條件下，機(jī)床機(jī)構(gòu)對(duì)熱變形也有很大影響。如數(shù)控機(jī)床過(guò)去采用的單立柱機(jī)構(gòu)有可能被雙柱機(jī)構(gòu)所代替。由于左右對(duì)稱(chēng)，雙立柱機(jī)構(gòu)受熱后的主軸線除產(chǎn)生垂直方向的平移外，其它方向的變形很小，而垂直方向的軸線移動(dòng)可以方便地用一個(gè)坐標(biāo)的修正量進(jìn)行補(bǔ)償。
對(duì)于數(shù)控車(chē)床的主軸箱，應(yīng)盡量使主軸的熱變形發(fā)生在刀具切入的垂直方向上。這就可以使主軸熱變形對(duì)加工直徑的影響降低到最小限度。在結(jié)構(gòu)上還應(yīng)盡可能減小主軸中心與主軸向地面的距離，以減少熱變形的總量，同時(shí)應(yīng)使主軸箱的前后溫升一致，避免主軸變形后出現(xiàn)傾斜。
數(shù)控機(jī)床中的滾珠絲杠常在預(yù)計(jì)載荷大、轉(zhuǎn)速高以及散熱差的條件下工作，因此絲杠容易發(fā)熱。滾珠絲杠熱生產(chǎn)造成的后果是嚴(yán)重的，尤其是在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，它會(huì)使進(jìn)給系統(tǒng)喪失定位精度。目前某些機(jī)床用預(yù)拉的方法減少絲杠的熱變形。對(duì)于采取了上述措施仍不能消除的熱變形，可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出補(bǔ)償脈沖加以修正。
三、減少運(yùn)動(dòng)間的摩擦和消除傳動(dòng)間隙
數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)（或拖板）的位移量十一脈中當(dāng)量為最小單位的，通常又要求能以基地的速度運(yùn)動(dòng)。為了使工作臺(tái)能對(duì)數(shù)控裝置的指令作出準(zhǔn)確響應(yīng)，就必須采取相應(yīng)的措施。目前常用的滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌在摩擦阻尼特性方面存在著明顯的差別。在進(jìn)給系統(tǒng)中用滾珠絲杠代替滑動(dòng)絲杠也可以收到同樣的效果。目前，數(shù)控機(jī)床幾乎無(wú)一例外地采用滾珠絲杠傳動(dòng)。
數(shù)控機(jī)床（尤其是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床）的加工精度在很大程度上取決于進(jìn)給傳動(dòng)鏈的精度。除了減少傳動(dòng)齒輪和滾珠絲杠的加工誤差之外，另一個(gè)重要措施是采用無(wú)間隙傳動(dòng)副。對(duì)于滾珠絲杠螺距的累積誤差，通常采用脈沖補(bǔ)償裝置進(jìn)行螺距補(bǔ)償。
四、提高機(jī)床的壽命和精度保持性
為了提高機(jī)床的壽命和精度保持性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮數(shù)控機(jī)場(chǎng)零部件的耐磨性，尤其是機(jī)床導(dǎo)軌、進(jìn)給伺港機(jī)主軸部件等影響進(jìn)度的主要零件的耐磨性。在使用過(guò)程中，應(yīng)保證數(shù)控機(jī)床各部件潤(rùn)滑良好。
五、減少輔助時(shí)間和改善操作性能
在數(shù)控機(jī)床的單件加工中，輔助時(shí)間（非切屑時(shí)間）占有較大的比重。要進(jìn)一步提高機(jī)床的生產(chǎn)率，就必須采取促使最大限度地壓縮輔助時(shí)間。目前已經(jīng)有很多數(shù)控機(jī)床采用了多主軸、多刀架、以及帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置等，以減少換刀時(shí)間。對(duì)于切屑用量加大的數(shù)控機(jī)床，床身機(jī)構(gòu)必須有利于排屑。
主運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件
數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)是指生產(chǎn)切屑的傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)，例如，數(shù)控車(chē)床上主軸帶動(dòng)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，立式加工中心上主軸帶動(dòng)銑刀、鏜刀和砂輪等的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)主傳動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)的。
一、主傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)的變速系統(tǒng)
目前，數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)電機(jī)已經(jīng)基本不再使用普通交流異步電機(jī)和傳統(tǒng)的直流調(diào)速電機(jī)，他們與逐步被新興的交流變頻調(diào)速伺服電機(jī)和直流伺服調(diào)速電機(jī)代替。數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)要求有較大的調(diào)速范圍，以保證加工時(shí)能選用合理的切屑用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。為了適應(yīng)各種工件和各種工件材料的要求，多恭喜自動(dòng)換刀的數(shù)控機(jī)床和加工中心主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。數(shù)控機(jī)床的變速時(shí)按照控制指令自動(dòng)進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。 由于直流和交流變速主軸電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，不僅能方便地實(shí)現(xiàn)寬范圍的無(wú)級(jí)變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)和提高了變速控制的可靠性，因此在數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)中更能顯示出它的優(yōu)越性。為了確保低速時(shí)的扭矩，有的數(shù)控機(jī)床在交流和直流電機(jī)無(wú)級(jí)變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速。由于主運(yùn)動(dòng)采用了無(wú)級(jí)變速，在大型數(shù)控車(chē)床上測(cè)斜端面時(shí)就可實(shí)現(xiàn)恒速切屑控制，以便進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和表面質(zhì)量。數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)主要有三種配置方式。
1.帶有變速齒輪的主傳動(dòng)
這是大、種型數(shù)控機(jī)床采用較多的一種方式。通過(guò)少數(shù)幾對(duì)齒輪減速，擴(kuò)大了輸出扭矩，以滿足主軸對(duì)輸出扭矩特性的要求。一部分小型數(shù)控機(jī)床業(yè)采用此種傳動(dòng)方式，以獲得強(qiáng)力切屑時(shí)所需要的扭矩�；讫X輪的移位大都采用液壓撥叉或直接由液壓油缸帶動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)。
2.通過(guò)皮帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)
這主要應(yīng)用在小型數(shù)控機(jī)床上，可以避免齒輪傳動(dòng)是引起的振動(dòng)與噪聲。但它只能使用與要求的扭矩特性的主軸。
3.由調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng)
這種主傳動(dòng)方式大大簡(jiǎn)化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度。但主軸輸出扭矩小，電機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸的精度影響較大。
二、數(shù)控?fù)舸┲鬏S部件
數(shù)控機(jī)床主軸部件的精度、剛度和熱變形對(duì)加工質(zhì)量有直接影響。由于加工過(guò)程中不對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行人工調(diào)整，因此這些影響就更為嚴(yán)重。目前數(shù)控機(jī)床的主軸廠主要有三種型式。
1.前后支撐采用不同軸承
前支撐采用雙列短圓柱滾子軸承和60°角接觸雙列向心推力球軸承組合，后支撐采用成對(duì)向心推力球軸承。此配置形式使主軸的綜合剛度大幅度提高，可以滿足強(qiáng)力切屑的要求，因此普遍應(yīng)用于各類(lèi)數(shù)控機(jī)床。
2.前軸承采用高精度雙列向心推力球軸承
向心推力球軸承高速時(shí)性能良好，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)4000r/min。但是，它的承載能力小，因而適用于高速、輕載和緊密的數(shù)控車(chē)床。
3.雙列和單列圓錐滾子軸承
這種軸承徑向和軸向剛度高，能承受重載荷，尤其能承受較強(qiáng)的動(dòng)載荷，安裝與調(diào)整性能也好。但是，這種軸承限制了主軸的最高轉(zhuǎn)速和精度，因此使用中等精度、低速與重載的數(shù)控機(jī)床。在主軸的機(jī)構(gòu)上，要處理好卡盤(pán)和刀架的裝夾、主軸的卸荷、主軸軸承的定位和間隙調(diào)整、 主軸部件的潤(rùn)滑和密封以及工藝上的其他一系列問(wèn)題。為了盡可能減少主軸部件溫升熱變形對(duì)機(jī)床工作精度的影響，通常利用潤(rùn)滑油的循環(huán)系統(tǒng)把主軸部件的熱量帶走，使主軸部件與箱體保持恒定的溫度。在某些數(shù)控鏜、銑床上采用專(zhuān)用的制冷裝置，比較理想的實(shí)現(xiàn)了溫度控制。近年來(lái)，某些數(shù)控機(jī)床的主軸軸承采用高級(jí)油脂，用封入方式進(jìn)行潤(rùn)滑，每加一次油脂可以使用7年至10年。為了使?jié)櫥秃陀椭恢禄旌�，通常采用迷宮密封方式。
對(duì)于數(shù)控車(chē)床主軸，因?yàn)樵谒膬啥税惭b著結(jié)構(gòu)笨重的動(dòng)力卡盤(pán)和夾緊油缸，所以主軸剛度必須進(jìn)一步提高，并應(yīng)設(shè)計(jì)合理的連接端，以改善動(dòng)力卡盤(pán)與主軸端度的連接剛度。
對(duì)于數(shù)控鏜床或銑床的主軸，考慮到實(shí)現(xiàn)刀具的快速或自動(dòng)裝卸，主軸上還配有刀具自動(dòng)裝卸、主軸準(zhǔn)停和主軸孔內(nèi)切屑的清除裝置。
進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)械部件
通常，一個(gè)典型的數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控制進(jìn)給系統(tǒng)，由位置比較，放大元件、驅(qū)動(dòng)單元、機(jī)械傳動(dòng)裝置和檢測(cè)反饋元件等幾部分組成。其中，機(jī)械傳動(dòng)裝置是位置控制中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。這里所說(shuō)的機(jī)械傳動(dòng)裝置，是指將驅(qū)動(dòng)源的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)的直線運(yùn)動(dòng)的整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈，包括齒輪裝置、絲杠螺母副等中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
（一）聯(lián)軸器
聯(lián)軸器是用來(lái)連接寄給機(jī)構(gòu)的兩根軸使之一起回轉(zhuǎn)移傳遞扭矩和運(yùn)動(dòng)的一種裝置。目前聯(lián)軸器的類(lèi)型繁多，有液力式、電磁式和機(jī)械式。機(jī)械式聯(lián)軸器的應(yīng)用最為廣泛。套筒聯(lián)軸器構(gòu)造簡(jiǎn)單，徑向尺寸小，但裝卸困難（軸需作軸向移動(dòng)）。且要求兩軸嚴(yán)格對(duì)中，不允許有徑向或角度偏差，因此使用時(shí)受到一定限制。
繞行聯(lián)軸器采用錐形夾緊環(huán)傳遞載荷，可使動(dòng)力傳遞沒(méi)有方向間隙。
凸緣式聯(lián)軸器構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本的、可傳遞較大扭矩，常用于轉(zhuǎn)速低、五種及、軸的剛性大及對(duì)中性好的場(chǎng)合。他的主要缺點(diǎn)是對(duì)兩軸的對(duì)中性要求很高。若兩軸間存在位移與傾斜，救在機(jī)件內(nèi)引起附加載荷，使工作狀況惡化。
（二）減速機(jī)構(gòu)
1.齒輪傳動(dòng)裝置
齒輪傳動(dòng)是應(yīng)用非常廣泛的一種機(jī)械傳動(dòng)，各種機(jī)床的傳動(dòng)裝置中幾乎都有齒輪傳動(dòng)。在數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中采用齒輪傳動(dòng)裝置的目的有兩個(gè)。一是將高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)矩的伺服電機(jī)（如步進(jìn)電機(jī)、直流和交流伺服電機(jī)等）的輸出改變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的執(zhí)行件的輸入;另一是使?jié)L珠絲杠和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在系統(tǒng)中專(zhuān)有較小的比重。此外，對(duì)于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)還可以保證所要求的運(yùn)動(dòng)精度。
為了盡量減小齒側(cè)間隙對(duì)數(shù)控機(jī)床加工精度的影響，經(jīng)常在結(jié)構(gòu)上采取措施，以減小或消除齒輪副的空程誤差。如采用雙片齒輪錯(cuò)齒法、利用偏心套調(diào)整齒輪副中心距或采用軸向墊片調(diào)整法消除齒輪側(cè)隙。
與采用同步齒形帶相比，在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈中采用齒輪減速裝置，更易產(chǎn)生低頻振蕩，因此減速機(jī)構(gòu)中常配置阻尼器來(lái)改善動(dòng)態(tài)性能。
2.同步齒形帶
同步齒形帶傳動(dòng)是一種新型的帶傳動(dòng)。他利用齒形帶的齒形與帶輪的輪齒依次嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，因而兼有帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)及鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，且無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，平均傳動(dòng)比較準(zhǔn)確，傳動(dòng)精度高，而且齒形帶的強(qiáng)度高、厚度小、重量輕、故可用于高速傳動(dòng)。齒形帶無(wú)需特別張緊，故作用在軸和軸承上的載荷小，傳動(dòng)效率也高，現(xiàn)已在數(shù)控機(jī)床上廣泛應(yīng)用。同步齒形帶的主要參數(shù)與規(guī)格如下：
1）齒距 齒距p為相鄰兩齒在節(jié)線上的距離。由于強(qiáng)力層在工作時(shí)長(zhǎng)度不變，所以強(qiáng)力層的中心線被規(guī)定為齒形帶的節(jié)線（中性層），并以節(jié)線的周長(zhǎng)L作為齒形帶的公稱(chēng)長(zhǎng)度。
2）模數(shù) 模數(shù)定義為m=p/π,使菪未?嘰緙撲愕囊桓鮒饕?讕蕁?br /> 3）其它參數(shù) 齒形帶的其它參數(shù)和尺寸與漸開(kāi)線齒條基本相同。齒形帶齒形的計(jì)算公式與漸開(kāi)線齒條不同，因?yàn)辇X形帶的節(jié)線在強(qiáng)力層上，而不在齒高中部。
齒形帶的標(biāo)注方法是：模數(shù)*寬度*齒數(shù)，即m*b*z。
（三）滾珠絲杠螺母副
為了提高進(jìn)給系統(tǒng)的靈敏度、定位精度和防止爬行，必須降低數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的摩擦并減少靜、動(dòng)摩擦系數(shù)之差。因此，形成不太長(zhǎng)的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)常用滾珠絲杠副。
滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率高達(dá)85%-98%，是普通滑動(dòng)絲杠副的2-4倍。滾珠絲杠副的摩擦角小于1°，因此不自鎖。如果滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)升降運(yùn)動(dòng)（如主軸箱或升降臺(tái)的升降），則必須有制動(dòng)裝置。
滾珠絲杠的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)實(shí)際上幾乎沒(méi)有什么差別。它可以消除反向間隙并施加預(yù)載，有助于提高定位精度和剛度。滾珠絲杠由專(zhuān)門(mén)工廠制造 |
