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：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 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。
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。
