第1章緒論（1）

1.1數控機床的基本特征、用途和分類（1）

1.1.1數控機床的運動形式（1）

1.1.2數控機床的基本技術特征（1）

1.1.3數控機床的用途和分類（2）

1.2數控機床的基本構成和工作原理（3）

1.2.1數控機床的基本構成（3）

1.2.2數控機床的一般工作原理（5）

1.2.3數控機床的物理繫統特點（5）

1.3數控機床的控制形式及特點（7）

1.3.1按運動軌跡形式劃分（7）

1.3.2按伺服進給繫統的控制類型劃分（7）

1.3.3按數控繫統功能水平劃分（9）

1.4數控機床的功能特性和布局、結構（9）

1.4.1數控機床坐標繫的確定（9）

1.4.2控制軸數和聯動軸數及功能特性（10）

1.4.3數控機床的布局和結構特點及應用（11）

1.4.4數控機床的主要性能參數（13）

1.5數控機床的發展概況（14）

1.5.1數控機床的發展歷程（14）

1.5.2數控機床的發展趨勢（15）

習題和思考題（16）

第2章數控機床的總體設計（17）

2.1數控機床結構設計的基本特性要求及理論簡介（17）

2.1.1精度（17）

2.1.2剛度（18）

2.1.3抗振性（18）

2.1.4熱變形特性（19）

2.1.5噪聲（20）

2.1.6低速運動平穩性（20）

2.1.7可靠性（22）

2.2數控機床的設計方法和步驟（23）

2.2.1數控機床的基本設計方法（23）

2.2.2數控機床的設計類型（24）

2.2.3數控機床的主要設計步驟（25）

2.3數控機床總體方案分析和設計（27）

2.3.1運動組合分析和設計（27）

2.3.2組成部分劃分及其功能要求（29）

2.3.3總體布局和結構方案分析（31）

2.3.4總體布局和結構設計基本原則（34）

2.3.5總體布局和結構設計示例（35）

2.3.6總體方案圖設計（39）

2.4主要參數設計和確定（40）

2.4.1主參數和尺寸參數（40）

2.4.2運動參數（40）

2.4.3動力參數和其他參數（42）

2.5數控機床設計總流程（43）

習題和思考題（45）

第3章數控機床主傳動與主軸繫統設計Ⅰ——主傳動繫統設計（46）

3.1概述（46）

3.1.1主傳動與主軸繫統的作用和特點（46）

3.1.2主傳動與主軸繫統的組成及相互關繫（47）

3.1.3主傳動與主軸繫統的設計要求（47）

3.1.4主傳動繫統類型及其特性（48）

3.1.5數控機床主傳動機構類型及其特性（49）

3.1.6變速的物理規律（49）

3.2無級調速的一擋傳動形式設計計算（49）

3.2.1伺服電機的機械特性（49）

3.2.2直聯傳動形式（50）

3.2.3一擋傳動形式（51）

3.2.4結構形式和特點（53）

3.3兩擋無級變速主傳動繫統的分析和設計計算（54）

3.3.1分段無級變速主傳動形式（54）

3.3.2兩擋無級變速傳動形式分析和計算（54）

3.3.3兩擋無級變速繫統技術參數的綜合分析和確定（57）

3.4兩擋無級變速主傳動繫統的結構設計（58）

3.4.1兩擋無級變速主傳動繫統結構設計要求和內容（58）

3.4.2換擋機構類型（59）

3.4.3主傳動機構排布（59）

3.4.4主軸轉速的自動變換（62）

3.4.5結構設計實例（63）

3.5主軸旋轉與進給軸的同步控制（66）

3.5.1主軸旋轉與軸向進給的同步控制（66）

3.5.2主軸旋轉與徑向進給的同步控制（67）

習題和思考題（67）

第4章數控機床主傳動與主軸繫統設計Ⅱ——主軸組件設計及其與主傳動繫統的

配置關繫（69）

4.1主軸組件的特點、組成和基本要求（69）

4.1.1主軸組件的特點和組成（69）

4.1.2主軸組件的基本要求（69）

4.2主軸（71）

4.2.1主軸結構（71）

4.2.2主軸的材料和熱處理（72）

4.3主軸支承形式和滾動軸承（73）

4.3.1主軸支承的作用、組成和分類（73）

4.3.2主軸支承類型的選擇和主要設計內容（73）

4.3.3主軸常用滾動軸承類型及特點（74）

4.3.4主軸滾動軸承的選擇、配置和布局方式（75）

4.3.5主軸滾動軸承的精度選擇和配置（76）

4.3.6主軸滾動軸承的安裝和預緊（78）

4.4主軸組件的設計計算（79）

4.4.1主軸組件設計計算的一般步驟和內容（79）

4.4.2主軸前端懸伸量的確定（79）

4.4.3主軸直徑的確定（80）

4.4.4主軸跨距的計算和確定方法（81）

4.4.5主軸組件的驗算（83）

4.5主軸組件結構和刀具自動松夾機構（84）

4.5.1主軸組件整體結構（84）

4.5.2刀具自動松夾和錐孔吹淨裝置（85）

4.5.3主軸的準停和位置檢測（87）

4.6高速電主軸（88）

4.6.1高速加工概述（88）

4.6.2高速電主軸的結構設計和參數（88）

4.6.3高速電主軸的冷卻和潤滑（90）

4.7提高主軸組件精度和性能的措施（91）

4.7.1提高主軸回轉精度的措施（91）

4.7.2控制主軸溫升和改善熱特性的措施（92）

4.7.3主軸組件的平衡（92）

4.8主傳動繫統與主軸組件的配置結合形式和銑頭部件（92）

4.8.1主傳動繫統與主軸組件的配置結合形式（92）

4.8.2銑頭部件（94）

習題和思考題（94）

第5章伺服進給傳動繫統設計（95）

5.1伺服進給繫統的組成、工作原理和基本要求（95）

5.1.1伺服進給繫統的組成和工作原理（95）

5.1.2伺服進給繫統的主要性能要求（96）

5.2伺服進給傳動繫統的主要類型及特性（96）

5.2.1伺服進給傳動繫統類型（96）

5.2.2伺服進給傳動繫統的組成、原理及特性（97）

5.3進給傳動繫統的主要功能部件（100）

5.3.1進給傳動繫統主要功能部件的發展變化（100）

5.3.2滾珠絲杠傳動機構（101）

5.3.3軸孔連接和彈性聯軸器（106）

5.3.4同步齒形帶傳動副（108）

5.3.5滾珠絲杠專用軸承（108）

5.3.6伺服電機簡介（109）

5.4滾珠絲杠副的主要支承形式及預拉伸安裝與計算（110）

5.4.1滾珠絲杠副的主要支承形式及其特性（110）

5.4.2滾珠絲杠副預拉伸安裝及預拉伸力確定（112）

5.5進給傳動繫統結構示例（114）

5.6伺服進給傳動繫統的設計計算（116）

5.6.1伺服進給傳動繫統的主要設計計算內容和設計要求（116）

5.6.2負載力矩計算和電機力矩規格選擇（117）

5.6.3快速移動速度計算（119）

5.6.4加速度、慣量和慣量匹配（120）

5.6.5伺服進給電機規格的綜合選擇（122）

5.6.6絲杠穩定性、臨界轉速和轉速校核計算（122）

5.7伺服進給傳動繫統的誤差、精度和剛度（123）

5.7.1伺服進給傳動繫統的動態響應和穩定性（123）

5.7.2伺服進給傳動繫統的死區誤差（124）

5.7.3伺服進給傳動繫統的伺服誤差（127）

5.7.4伺服進給傳動繫統的定位精度（127）

5.7.5傳動支承繫統剛度及變形誤差分析（129）

5.7.6傳動機構的固有頻率（132）

習題和思考題（135）

第6章數控機床本體與導軌設計（136）

6.1數控機床本體的組成、作用和要求（136）

6.1.1數控機床本體的組成和作用（136）

6.1.2數控機床本體應滿足的要求（137）

6.2數控機床本體和基礎支承件的結構設計（137）

6.2.1數控機床基礎支承件的作用和應滿足的要求（137）

6.2.2數控機床本體和支承件的受力分析（138）

6.2.3支承件的靜剛度（142）

6.2.4支承件的動態特性（146）

6.2.5支承件的結構設計（148）

6.2.6機床本體的結構設計及基本原則（152）

6.3機床導軌設計（152）

6.3.1導軌的作用和特點（153）

6.3.2導軌的分類（153）

6.3.3導軌的基本要求和設計內容（154）

6.3.4滑動導軌（156）

6.3.5滾動導軌（163）

6.3.6靜壓導軌和動壓導軌簡介（170）

6.3.7機床整機導軌的組合形式（172）

習題和思考題（173）

第7章數控機床的輔助繫統（174）

7.1潤滑繫統（174）

7.1.1潤滑繫統的主要類型和功能（174）

7.1.2自動定時定量集中潤滑繫統（174）

7.2冷卻和排屑繫統（176）

7.2.1冷卻繫統（177）

7.2.2自動排屑繫統（178）

7.3防護繫統（180）

7.3.1數控機床防護繫統功能和措施（180）

7.3.2重要零部件和整機的防護（181）

7.4氣動繫統與液壓繫統（183）

7.4.1氣動繫統（183）

7.4.2液壓繫統（183）

習題和思考題（186）

第8章刀具自動交換繫統和數控回轉臺（187）

8.1刀具自動交換繫統（187）

8.1.1概述（187）

8.1.2車削中心和車銑復合加工中心自動刀架（188）

8.1.3加工中心刀庫（191）

8.2數控回轉工作臺和分度工作臺（197）

8.2.1數控回轉工作臺（197）

8.2.2數控分度工作臺（199）

習題和思考題（200）

第9章數控與電氣控制繫統（201）

9.1數控與電氣控制繫統的組成和工作原理（201）

9.1.1數控與電氣控制繫統的組成、布局和安裝（201）

9.1.2數控與電氣控制繫統的運行和控制流程（202）

9.2數控裝置和伺服（203）

9.2.1數控裝置的功能（203）

9.2.2數控裝置的組成及各部分功能（206）

9.2.3數控裝置的工作流程和原理（208）

9.2.4伺服驅動器的類型及特點（209）

9.3數控繫統的連接（210）

9.3.1CNC網絡繫統（210）

9.3.2華中數控繫統的連接（212）

9.3.3FANUC數控繫統的連接（215）

9.4數控機床電氣控制要求、內容和設計步驟（220）

9.4.1電氣設計準則和基本要求簡介（220）

9.4.2數控機床電氣控制內容及控制方式（221）

9.4.3數控機床典型電氣原理圖（222）

9.4.4數控與電氣控制繫統的設計步驟及內容（224）

9.5數控機床的位置檢測裝置（226）

9.5.1位置檢測裝置的類型、作用和要求（226）

9.5.2光柵檢測裝置（226）

9.5.3脈衝編碼器檢測裝置（228）

習題和思考題（229）

第10章數控機床布局結構形式（230）

10.1車削類數控機床布局結構形式（230）

10.1.1機床總體布局和結構形式及特點（230）

10.1.2傳動繫統和結構部件（233）

10.1.3數控車床和車削中心主要技術參數（235）

10.2銑鏜切削類數控機床布局結構形式（236）

10.2.1數控升降臺銑床（237）

10.2.2十字滑臺數控立（臥）式床身銑床及加工中心（238）

10.2.3動柱式數控立（臥）式床身銑床及加工中心（241）

10.2.4數控臥式（）滑枕床身式銑床及加工中心（243）

10.2.5數控龍門銑床及加工中心（246）

10.2.6鏜銑削部件結構（251）

10.2.7數控鏜銑床及加工中心主要技術參數（252）

習題和思考題（253）

第11章數控機床精度體繫及原理（254）

11.1概述（254）

11.1.1機床精度的特點（254）

11.1.2數控機床精度項目組成和標準（254）

11.2數控機床的精度體繫原理（255）

11.2.1數控機床精度體繫組成的確定（255）

11.2.2數控機床精度項目（255）

11.3精度項目及檢測和計算（258）

11.3.1幾何精度項目及檢測（258）

11.3.2位置精度檢測和統計計算原理及評定方法（260）

11.3.3加工精度檢驗（267）

習題和思考題（269）

第12章多軸與先進功能及其結構技術簡介（270）

12.1重心驅動技術（270）

12.1.1重心驅動技術原理和力學分析（270）

12.1.2重心驅動的布局結構及應用（272）

12.2五軸聯動結構技術（272）

12.2.1布局結構類型（273）

12.2.2布局結構性能（274）

12.2.3典型結構示例（275）

12.3工作臺自動交換繫統（279）

12.3.1托盤自動交換繫統的類型及其組成和結構特點（280）

12.3.2主要部件和托盤定位支承裝置（282）

12.3.3托盤自動交換繫統應用示例（284）

12.3.4混合加工類型（284）

12.4銑頭自動交換繫統（285）

12.4.1銑頭自動交換繫統的組成和交換原理（285）

12.4.2銑頭自動交換硬件接口（287）

12.5復合加工中心（289）

12.5.1車銑復合加工中心（289）

12.5.2其他復合加工中心（292）

12.6並聯機床簡介（294）

12.6.1並聯機床的布局結構和工作原理（294）

12.6.2並聯機床的特點、技術關鍵和發展趨勢（295）

習題和思考題（296）

第13章數控機床動態性能分析和優化設計簡介（297）

13.1動態性能分析簡介（297）

13.1.1數控機床的基本動態性能（297）

13.1.2機床繫統模態分析（298）

13.1.3模態分析試驗（300）

13.1.法（302）

13.2計算機輔助結構優化設計簡介（304）

13.2.1機械結構優化設計的目的和一般過程（304）

13.2.2結構優化設計數學模型的建立（305）

13.2.3數控機床支承件結構優化設計類型及特點（307）

13.2.4數控機床支承件結構優化設計的一般步驟和內容（308）

習題和思考題（312）

第14章智能制造和智能機床簡介（313）

14.1智能制造的產生、發展和目標（313）

14.1.1智能制造的產生和發展（313）

14.1.2智能制造繫統及其目標（313）

14.2智能制造的繫統特征和技術體繫（315）

14.2.1智能制造繫統特征（315）

14.2.2智能制造技術體繫（315）

14.2.3智能制造的發展階段（318）

14.3智能工廠（318）

14.3.1智能工廠關鍵環節（319）

14.3.2智能工廠示例（320）

14.4智能機床簡介（323）

14.4.1智能機床閉環加工繫統（323）

14.4.2加工精度超差影響因素分析及處理模式（324）

14.4.3數控機床智能化技術（325）

14.4.4自動化智能化制造裝備的功能模塊特點和實用技術（329）

習題和思考題（331）

參考文獻（332） 

前言 以數控機床為代表的數控裝備是集機械、液壓與氣動、電氣控制、計算機控制、自動檢測、人機工程等先進技術於一體的、典型的、具有代表性意義的機電一體化產品，是國民經濟建設和制造業必不可少的、應用廣泛的先進基礎制造裝備，也是機械制造領域智能制造的主體裝備。先進的數控機床技術和數控機床產業是一個國家工業強盛的重要標志之一。機械制造領域自動化智能化制造過程和裝備設計必然涉及數控裝備技術知識和設計理論，同時也可推廣應用到其他機電一體化裝備中，因此它是機械類專業學生所應掌握的。 本書綜合以往的數控機床基礎知識和技術理論，結合不斷發展的相關先進技術，注重理論聯繫實踐，注重數控機床設計制造一線科研和技術人員的實際需求，注重機械類專業本科生所應學習、了解和掌握的技術理論內容，對數控裝備設計教材內容進行整合、創新，並融入新的內容和研究成果。因此，本書不僅可作為高等院校機械類專業特別是機械設計制造及其自動化專業學生教材，也可作為從事數控機床、機械裝備設計制造及設備維護管理相關工程技術人員的參考書，還可作為機械工程類技術人員繼續教育培訓教材。 本書具有以下特點： （1） 理論與實踐相結合。書中各種分析和計算具有理論性，各種整體方案、部件結構設計環節具有實踐性。 （2） 完整性、先進性和時代性。本書既具有完整性，即內容相對完備，涉及數控機床設計的各個方面，但側重介紹了數控機床總體和結構設計方面，在此基礎上涵蓋數控機床設計的各個環節，甚至包括一般教材鮮有涉及但確實很重要的數控機床精度體繫內容；同時又具有先進性和時代性，融入新成果、新技術相關內容，如較為詳細地介紹了重心驅動技術、五軸聯動結構、工作臺自動交換繫統、銑頭自動交換繫統、復合加工中心，以及簡要介紹了新型功能部件、並聯機床、滾珠絲杠副分析計算新方法、智能制造和智能機床。 （3） 體繫性和邏輯性。 一是具有體繫性。本書從整體入手，再到各部分，按照數控機床內在聯繫，合理設置各章內容。例如，數控機床各組成部分的劃分既符合機床結構內在聯繫，又符合實際設計制造過程的外在關繫；針對核心部分的主傳動繫統和主軸組件，改變獨立分開介紹的常規做法，將它們作為一個整體介紹，先總體融合，再相對分開，*後又綜合，因為這兩部分從功能到實際結構是不能分開的；對於控制部分，數控繫統是核心，但是不能獨立運行，機床側的電氣控制也很重要，因此將兩者整合為數控與電氣控制繫統作整體介紹；對於數控機床精度體繫內容，舍棄穿插性的零散介紹方式，單設一章進行繫統介紹，因為精度對於機床是非常重要的，而且它是一個體繫，是機床有別於其他機電設備和產品的一個重要特征；等等。 二是具有邏輯性。本書首先從數控機床概述、總體設計，到常規數控機床所應包括的各部分內容進行介紹，進而對數控機床總體布局結構形式進行繫統介紹，形成閉環；然後介紹數控機床五軸聯動、部件自動交換、復合加工中心、並聯機床等先進技術內容，以及其動態性能分析和優化設計方面內容；*後介紹智能制造與智能機床。 （4） 適用性。本書針對本科生進入綜合應用學習階段，以及工程技術人員開發設計數控機床所要面對的問題來整理和編排內容，並增加了主傳動機構類型、進給傳動機構類型、絲杠支承形式、絲杠預拉伸方式、數控機床精度體繫及其特點和計算等內容，因為這些內容在數控機床結構分析設計中非常重要。同時，針對機械類專業學生和工程技術人員在計算機控制、電子電路等知識方面較為薄弱的特點，從實際出發，對數控與電氣控制部分內容並未作詳細介紹，而是從原理性、應用性等方面進行簡要介紹。 （5） 通俗易懂。本書用通俗易懂的語言和由淺入深的方式，對實踐性、綜合性很強的數控機床結構形式、性能特點及設計方法，以及數控繫統應用等知識進行介紹。本書編著者張政潑具有多年在企業從事數控機床研究、設計和制造技術工作，以及在大學負責數控機床設計課程教學、科研工作的經驗，見證和參與了中國數控機床工業從20世紀80年代開始崛起、振興和快速發展的歷程，經常主持數控機床、自動化智能化制造裝備相關科研項目和現場研制工作，並堅持理論研究與總結。 本書其他參與編著者呂勇、徐曉華、張棟梁、李天明主要參與了資料收集、大綱和內容討論、插圖繪制、校閱等工作。本書的出版得到數控裝備整機和數控繫統制造企業技術人員的協助，得到學校教材建設立項支持，在此一並表示感謝！同時感謝在本書立項和撰寫中給予幫助和支持的領導、同事們！也非常感謝出版社編輯的關心、支持和指導！ 本書難免存在一些不足，敬請廣大讀者批評和指正。 桂林航天工業學院張政潑 2022年2月