1.6　數控機床的機械結構

機床本體是數控機床的主體部分，它將來自數控裝置的各種運動和動作指令轉換成真實的、準確的機械運動和動作，實現數控機床的功能，并保證數控機床的性能要求。

數控機床的機械結構一般由以下幾部分組成。

（1）主傳動系統，包括動力源、傳動件及主運動執行件（如主軸）等，其功能是實現主運動。

（2）進給傳動系統，包括動力源、傳動件及主運動執行件（如工作臺、刀架）等，其功能是實現進給運動。

（3）基礎支撐件，包括床身、立柱、導軌、工作臺等，其功能是支撐機床本體的零部件，并保證這些零部件在切削過程中占有準確的位置。

（4）輔助裝置，包括液壓、氣動、潤滑、冷卻、防護、排屑等裝置。

此外，根據數控機床的功能和需要還可以選用以下幾個部件：實現工件回轉、分度定位的裝置和附件，如回轉工作臺；刀庫、刀架和自動換刀裝置（ATC）；自動托盤交換裝置（APC）；特殊功能裝置，如刀具破損檢測、精度檢測和監控裝置等。

數控機床作為一種高速、高效和高精度的自動化加工設備，因其控制系統功能強大，其機床性能得到了提高。數控機床的機械結構與普通機床相比，有了明顯的改進，主要體現在以下幾個方面。

（1）結構簡單，操作方便，自動化程度高。

（2）采用無間隙傳動裝置和新技術。

（3）有適應無人化、柔性化加工的特殊部件。

（4）對機械結構剛度、靈敏度、運動精度、零部件功能、靜態性能和熱穩定性要求高。

1.6.1　數控機床的總體布局

數控機床大都采用機、電、液、氣一體化布局，以及全封閉或半封閉防護，機械結構大大簡化，易于操作及實現自動化。

1.數控車床常見布局

數控車床根據床身和導軌與水平面的相對位置不同，有以下四種布局形式。

（1）水平床身式如圖1-10 所示，床身的工藝性好，便于導軌面的加工，但是下部空間小，排屑困難，刀架水平放置加大了機床寬度方向的機構尺寸，一般可用于大型數控車床、經濟型數控車床的布局。

（2）斜床身式如圖1-11 所示，排屑較方便，易于安裝機械手，可實現單機自動化，適用于中小型數控車床。

（3）水平床身—傾斜滑板式，如圖1-12 所示，具有水平床身式工藝性好、寬度方向尺寸小且排屑方便的特點，是臥式數控車床的最佳布局形式。

（4）立床身式如圖1-13 所示。斜床身式的導軌傾斜角度一般為30°、45°、60°、75°和90°，當導軌傾斜角度為90°時稱為立床身式。導軌傾斜角度小，排屑不方便；傾斜角度大，導軌的導向性及受力情況差。導軌傾斜角度的大小還直接影響機床外形尺寸中高度與寬度的比例。綜合考慮以上因素，中小規格的數控車床，其床身的傾斜角度以60°為宜。

2.加工中心常見布局形式

臥式加工中心布局不同形式的主要區別在于立柱的結構形式和X、Z 坐標軸的移動方式。

（1）單立柱、工作臺移動式如圖1-14 所示，其特點是單立柱、Z 軸工作臺移動式布局，與傳統的臥式鏜床結構相同。

（2）雙立柱、工作臺移動式如圖1-15 所示，采用對稱式框架結構雙立柱、Z 軸工作臺移動式布局，提高了結構剛度，減小了熱變形的影響。

（3）雙立柱、立柱移動式如圖1-16 所示，采用T 形床身、框架結構雙立柱、Z 軸立柱移動式布局，機床剛性好，工作臺承載能力強，加工精度容易得到保證，是臥式加工中心的典型結構。

立式加工中心的布局形式與臥式加工中心類似，常見布局有以下三種形式。

（1）工作臺移動式如圖1-17（a）所示，是中小規格機床的常用結構形式。

（2）立柱移動式如圖1-17（b）所示，采用了T 形床身，分離了工作臺原有的X、Y 向運動，保留了X 向運動，使得工作臺的承載變大，滿足重載切削要求；立柱自重較大，在強力切削的作用下，Y 向的振動相對變小，加工出的工件質量更好。

（3）動立柱式如圖1-17（c）所示，采用了T 形床身，X、Y、Z 三軸都是立柱移動式的布局，多用于長床身或采用交換工作臺的立式加工中心。

1.6.2　數控機床的主傳動系統

數控機床的主傳動系統是由主軸電動機、一系列傳動元件和主軸構成的具有運動、傳動聯系的系統。一般包括主軸電動機、傳動裝置、主軸、主軸軸承、主軸定向裝置等。主傳動系統的作用是實現主運動。

1.數控機床對主傳動系統的基本要求

1）寬調速、無級調速

為了在數控加工時，合理選用切削用量，提高生產率及零件表面質量，必須具有更大的調速范圍。如數控車床上為了實現恒線速切削，主傳動系統應實現無級變速。

2）高剛性、低噪聲

主傳動系統的精度與剛性直接影響著加工零件的精度。對數控機床來說，主傳動鏈要求短、傳動件精度與剛性要求高，主軸的支承跨距要求合理，要求噪聲降到最低限度。

3）高抗振性、高熱穩定性

在數控加工切削過程中，受切削力等諸多因素的影響，主軸會產生振動，這會大大影響零件表面粗糙度，甚至破壞加工刀具。另外，摩擦、切削熱等還會使主傳動系統產生熱變形，從而造成加工誤差。為此，數控機床的主傳動系統必須具有高抗振性和高熱穩定性。

4）自動快速換刀

在能夠自動換刀的數控機床中，主軸應能準確地停在某一固定位置，以便在該處進行換刀等動作，因而要求主軸能夠實現定向控制。此外，為實現主軸自動快速換刀功能，必須具備刀具的自動夾緊機構。

2.主傳動的變速方式

根據上述要求，數控機床主傳動主要有無級變速和分段無級變速兩種變速傳動方式。

主傳動主要采用無級變速方式，不僅能在一定的變速范圍內選擇合理的切削速度，而且能在運動中自動變速，此變速傳動方式采用了直流或交流主軸伺服電動機驅動。

由于數控機床主運動的調速范圍較大（最高轉速與最低轉速比R>100～200，甚至R>1000），單靠無級變速電動機無法滿足如此大的調速范圍，因此常在無級變速電動機之后串聯有級變速傳動，以滿足數控機床的調速范圍和轉矩特性，即分段無級變速傳動方式。

3.主軸的傳動類型

1）齒輪傳動主軸

齒輪傳動主軸如圖1-18 所示，是大中型數控機床較常采用的傳動類型，即無級變速交、直流電動機通過幾對齒輪傳動后，實現分段無級變速，這種變速方式可擴大恒功率的調速范圍，擴大了主軸輸出扭矩。但是采用齒輪傳動，容易引起主軸發熱、振動和噪聲，給切削加工帶來許多不利影響。隨著主電動機特性的改善，出現了主電動機直接帶動主軸的形式。

2）帶傳動主軸

帶傳動主軸如圖1-19 所示，是由無級變速主電動機經皮帶傳動直接帶動主軸運轉的主運動形式。這種變速方式一般適用中小型數控機床，用于調速范圍不需太大、扭矩也不需太高的場合。它可以避免齒輪傳動時引起的振動與噪聲，從而大大提高主軸的運轉精度。

另外，隨著現代主軸伺服電動機的發展，出現了能實現寬范圍無級調速的寬域主電動機，使主軸的輸出特性得到了很好的改善，擴大了恒功率的調速范圍，并提高了輸出扭矩。在避免齒輪傳動不足的情況下，保持齒輪傳動帶來的優點，使數控機床在機械結構上朝著優化的方向前進了一大步。為保證皮帶傳動的平穩，一般用多楔帶。

3）兩個電動機分別驅動主軸

兩個電動機分別驅動主軸是混合傳動類型，兼有上述兩種方式的性能，如圖1-20 所示。高速時，由一個電動機通過帶進行傳動；低速時，由另一個電動機通過齒輪進行傳動。避免了低速時轉矩不夠，且電動機功率不能充分利用的問題，但是兩個電動機不能同時工作。

4）調速電動機直接驅動主軸

將主軸電動機直接與主軸連接，帶動主軸轉動。這樣大大簡化了主軸箱體與主軸結構，有效地提高了傳動效率。但是主軸轉速的變化及轉矩的輸出完全與電動機的輸出特性一致，因而在使用上受到一定限制。

近年來，出現了一種內裝電動機主軸，即主軸與電動機的轉子合為一體，而電動機的定子則與主軸箱體固定，如圖1-21 所示。這種形式使主軸部件的結構緊湊、質量輕、慣量小，可提高主軸的啟動、停止響應特性，有利于控制振動和降低噪聲，主軸的最高轉速可達20 000r/min 以上。但是，這種傳動方式最大的缺點是主電動機運轉時產生的熱量易使主軸產生熱變形。因此，采用此種方式時，溫度的控制與冷卻是關鍵的問題。通常，這種數控機床自帶特定的冷卻系統，如風冷、水冷、空調降溫等裝置。

4.數控機床的主軸部件

主軸部件是機床的關鍵部件，主軸對零件加工質量有著直接的影響。而數控機床的主軸部件應有更高的精度、剛度和熱穩定性，還應滿足數控機床所特有的結構要求。如數控車床加工螺紋需配有主軸編碼器；加工中心自動換刀需配有刀具自動夾緊、放松、主軸準停、排屑裝置等。

1）主軸端部結構

主軸端部用于安裝刀具或夾持工件的夾具。在設計要求上，應能保證定位準確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的扭矩。主軸端部的結構與形狀目前都已標準化，機床通用的主軸端部結構如圖1-22 所示。

2）主軸軸承

主軸軸承是主軸部件的重要組成部分。在數控機床上，主軸軸承常用的有滾動軸承和靜壓滑動軸承。數控機床主軸軸承的配置形式影響主軸的剛性、回轉精度及轉速。常見的配置形式有以下三種。

（1）前支承采用60°角接觸雙列向心推力球軸承如圖1-23 所示，能使主軸獲得較大的徑向和軸向剛度，可以滿足機床強力切削的要求，普遍應用于數控車床、數控銑床、加工中心等數控機床的主軸。

（2）前支承采用高精度雙列向心推力球軸承如圖1-24 所示，前支承采用背靠背的組配方式，具有良好的高速性能，但它的承載能力較小，適用于高速輕載和精密的數控機床。

（3）前支承采用雙列圓錐滾子軸承如圖1-25 所示，能使主軸承受較重的載荷，徑向和軸向剛度高，安裝和調整性好。但這種配置相對限制了主軸最高轉速和回轉精度，適用于中等精度、低速與重載的數控機床主軸。

3）主軸的準停裝置

加工中心或帶有自動換刀裝置的數控鏜銑床，由于需要進行自動換刀，要求主軸有準確的周向定位精度，這種周向定位功能稱為主軸準停。由于刀具裝在主軸錐孔內，切削時，切削轉矩不能完全靠錐孔的摩擦力來傳遞，通常在主軸前端設置一個凸鍵，稱作端面鍵。當刀具裝入主軸時，刀柄上的鍵槽必須與端面鍵對準、相配，為保證自動換刀，主軸必須停止在某一固定角度的位置上，準停裝置就是為保證主軸在換刀時能夠準確停止在換刀位置而設置的。

目前，主軸的準停裝置根據其基本原理可分為三種形式，其中機械方式一種、電氣方式兩種，如圖1-26 所示。

（1）機械方式。在主軸尾部連接一定位盤，在此定位盤上開有一個V 形槽。利用無觸點開關在某個特定位置發出準停信號，定位銷插入V 形槽的方式來實現主軸準停，這種準停方式的優點是比較可靠，但結構復雜。

（2）電氣方式。一種是利用磁性傳感器作為位置反饋部件，由它輸出信號，使主軸準確停在規定位置上，可靠性好，能滿足一般換刀要求。另一種是利用主軸光電脈沖編碼器的同步信號作為準停信號來控制主軸準停。近年來，在數控鏜銑床上已將這一編碼器與主軸電動機合二為一，使結構大大簡化。這種準停方式可靠，動作迅速平穩，在一定程度上有取代以上兩種準停方式的趨勢。

另外，準停功能還可延伸至其他功能，如在鏜孔時為不使刀尖劃傷已加工表面，在退刀時要讓刀尖在固定位置退出加工表面一個微小量；又如在加工精密坐標孔時，準停能使每次都在主軸固定的圓周位置上裝刀，保證刀尖與主軸相對位置的一致性，從而減少被加工孔的誤差；還有在數控車床上，利用準停功能可以保證在特殊卡盤上裝夾不規則零件時，為實現自動上下料，主軸必須停在特定位置上。由此可見，準停的功能可應用于許多主軸需要周向定位的場合。

1.6.3　數控機床的進給傳動系統

進給傳動系統的作用是實現進給運動。進給運動以保證刀具與工件相對位置關系為目的，是數字控制系統的直接控制對象，其動作由機械傳動裝置執行，故工件的加工精度將受到進給運動的傳動精度、靈敏度和穩定性等因素的影響。

1.對進給傳動系統的要求

為確保數控機床進給系統的傳動精度和工作平穩性等，在設計機械傳動裝置時，對進給傳動系統提出以下要求。

1）提高傳動部件的剛度

數控機床直線運動的定位精度和分辨率都要達到微米級，回轉運動的定位精度和分辨率都要達到角秒級，如果傳動部件的剛度不夠，必然會使傳動部件產生彈性變形，影響系統的定位精度、動態穩定性和快速響應特性。可通過加大滾珠絲杠的直徑、對運動及支承部件進行預緊等方式提高傳動部件的剛度。

2）減小傳動部件的慣量

如果驅動電動機已確定，傳動部件的慣量就直接決定了進給系統的響應速度。因此，在滿足系統剛度和強度的前提下，應盡可能地減小傳動部件的質量、直徑，以降低其慣性，提高響應的快速性。

3）減小傳動部件的間隙

在開環、半閉環的進給系統中，傳動部件的間隙將直接影響進給系統的定位精度；在閉環系統中將影響系統的穩定性。因此必須采取措施，對傳動部件如齒輪副、滾珠絲杠副、蝸輪蝸桿副等進行間隙的消除或使間隙減小到合理范圍。

4）減小系統的摩擦阻力

摩擦阻力的存在一方面會降低傳動效率，產生發熱；另一方面還直接影響到系統的快速性。可通過采用滾珠絲杠副、靜壓絲杠副、直線滾動導軌、塑料導軌等高效執行元件，減少系統的摩擦阻力，提高運動精度，避免低速爬行現象。

2.數控機床的進給傳動的分類

數控機床的進給傳動可分為直線進給傳動和圓周進給傳動兩大類。直線進給傳動包括機床的基本坐標軸（X、Y、Z）及與基本坐標軸平行的坐標軸（U、V、W）的運動；圓周進給運動是指繞基本坐標軸（X、Y、Z）回轉的坐標軸（A、B、C）的運動，進給傳動系統結構如圖1-27 所示。實現直線進給傳動主要有以下三種形式。

1）滾珠絲杠或靜壓絲杠

滾珠絲杠或靜壓絲杠，將伺服電動機的旋轉運動轉換為直線運動。

滾珠絲杠副是能夠進行回轉運動與直線運動相互轉換的新型傳動裝置，是在絲杠和螺母之間以滾珠為滾動體的螺旋傳動元件，主要由滾珠絲杠、螺母、滾珠、返回裝置四部分組成。滾珠是絲杠與螺母之間的滾動體傳動元件，在其內部弧形螺旋槽形成的螺旋滾道內滾動，當絲杠相對于螺母旋轉時，滾珠在自轉的同時又在滾道內循環，使絲杠和螺母相對產生軸向運動。

由以上滾珠絲杠副傳動的工作過程，可以明顯看出滾動絲杠副的絲杠與螺母之間是通過滾珠來傳遞運動的，使之成為滾動摩擦，這是滾珠絲杠區別于普通滑動絲杠的關鍵所在。其特點主要有以下幾點。

（1）傳動效率高。滾珠絲杠副的傳動效率高達92%～98%，是普通滑動絲杠的3～4 倍，功率消耗減少2/3～3/4。

（2）靈敏度高、傳動平穩。由于是滾動摩擦，動、靜摩擦系數相差極小。因此，低速不易產生爬行，高速傳動平穩。

（3）定位精度高、傳動剛度高。用多種方法可以消除絲杠和螺母的軸向間隙，使反向無空行程，定位精度高，適當預緊后，還可以提高軸向剛度。

（4）不能自鎖、有可逆性。既能將旋轉運動轉換成直線運動，也能將直線運動轉換成旋轉運動。因此絲杠在垂直狀態使用時，應增加制動裝置。

（5）制造成本高。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度及表面粗糙度等要求高，制造工藝較復雜，成本高。

滾珠絲杠副常用的循環方式有兩種。在整個循環過程中，滾珠始終與絲杠各表面保持接觸的稱為內循環；滾珠在循環過程中，與絲杠滾道脫離接觸的稱為外循環。

（1）如圖1-28 所示為外循環滾珠絲杠副，圖1-28（a）所示結構是在螺母體上鉆有兩個與螺旋槽相切的孔，作為滾珠的進口與出口，并緊貼螺母外表面，在兩孔內插入彎管的兩端，這樣就可引導滾珠構成封閉循環回路，這叫插管式外循環。也可在螺母的外表面開一螺旋凹槽代替插管，稱為螺旋槽式外循環，如圖1-28（b）所示。外循環的結構制造工藝相對簡單些，但滾道接縫處很難做到平滑，影響滾道滾動的平穩性，甚至發生卡珠現象，噪聲也較大。

（2）如圖1-29 所示為內循環滾珠絲杠，在螺母滾道的外側孔內裝有一個接通相鄰滾道的反向器，借助反向器迫使滾珠翻越絲杠的牙頂而進入相鄰滾道。因此，內循環反向器的數量與滾珠的列數相同。內循環滾珠絲杠的反向器中承擔反向任務的只有一圈滾珠。與外循環相比，具有回路短、不易發生滾珠堵塞、流暢性好、摩擦損失小、傳動效率高、結構緊湊、定位可靠、剛性好等特點。但結構復雜，制造成本高，且不能用于多頭螺紋傳動。

滾珠絲杠副的軸向間隙調整和預緊方法。滾珠絲杠副的軸向間隙，是指絲杠和螺母無相對轉動時，絲杠和螺母之間的最大軸向竄動量，它直接影響其傳動剛度和精度。為了保證滾珠絲杠副的反向傳動精度和軸向剛度，必須消除軸向間隙，可采用雙螺母預緊方法，其基本原理是使兩個螺母產生軸向位移，以消除它們之間的間隙和施加預緊力。

常用的消除間隙的方法有墊片調整式、螺紋調整式、齒差調整式。

（1）墊片調整式。如圖1-30 所示，墊片調整式通過調整墊片的厚度，使螺母產生軸向位移。這種結構簡單可靠，剛性好，但調整費時，且不能在工作中隨時調整。

（2）螺紋調整式。如圖1-31 所示，螺紋調整式通過兩個鎖緊圓螺母的旋轉來調整絲杠與螺母之間的軸向間隙，這種結構緊湊，調整方便，應用廣泛，但軸向位移量不易精確控制。

（3）齒差調整式。如圖1-32 所示的齒差調整式將兩部分螺母外緣做成外齒輪和內齒輪，左右兩個齒輪Z1 和Z2 僅差一個齒，如Z1=99 齒，Z2=100 齒。調整間隙時，將內外齒脫離嚙合，并使左右兩個部分同時向同一方向轉過一個齒，即Z1 轉過1/99 轉，Z2 轉過1/100 轉，致使左右螺母相向或相離一個距離Δ。當滾珠絲杠的螺距L=6mm 時，則

當轉過齒數的數量為n 時，位移量為Δ的n 倍，這樣即可很精確（微量）地消除絲杠螺母的軸向間隙。這種預緊結構復雜，調整準確可靠，精度也較高，一般應用在精度要求較高的場合。

滾珠絲杠副通過上述預緊方法消除間隙時應特別注意：預加載荷以能有效地減小彈性變形所帶來的軸向位移為度，過大的預緊力將增加摩擦阻力，降低傳動效率，并使壽命大為縮短，所以，一般要經過幾次仔細調整才能保證機床在最大軸向載荷下，既消除間隙，又能靈活運轉。目前，滾珠絲杠副已由滾珠絲杠專業廠生產，其預緊力已提前調整好供數控機床制造廠安裝使用。

2）雙齒輪-齒條傳動

通過齒輪齒條副將伺服電動機的旋轉運動變成直線運動。齒輪—齒條傳動是行程較長的大型數控機床上常用的進給傳動形式。這種傳動結構適用于傳動剛性要求高、傳動精度不太高的場合。采用齒輪-齒條傳動時，必須采取消除齒側間隙的措施。通常采用兩個齒輪與齒條嚙合的方法，專用的預加載機構使兩齒輪以相反方向預轉過微小的角度，使兩齒輪分別與齒條的兩側齒面貼緊，從而消除間隙。

3）直線電動機

直接運用直線電動機進行驅動，可以完全取消傳動系統中將旋轉運動變為直線運動的環節，大大簡化機械傳動的結構，實現所謂的“零傳動”。它可從根本上消除傳動環節對精度、剛度、快速性和穩定性的影響，所以可以獲得比傳統進給驅動系統更高的定位精度、快進速度和加速度。

3.進給傳動系統齒輪傳動間隙消除方法

數控機床的進給傳動系統中常用的傳動機構是減速齒輪傳動機構，除要求其本身具有較高的運動精度和工作的平穩性外，還必須盡可能地消除齒輪傳動過程中的齒側間隙，因為齒側間隙的存在將使機械傳動系統產生回程誤差，影響加工精度及系統的穩定性。常用的消隙方法主要有剛性消隙法和柔性消隙法兩種。

（1）剛性消隙法是在嚴格控制齒輪齒厚和齒距誤差的條件下進行的，調整后的齒側間隙不能自動補償，但能提高傳動剛度。

偏心軸套消隙機構如圖1-33 所示，電動機1 通過偏心軸套2 裝在箱體上。轉動偏心軸套可調整兩齒輪中心距，消除齒側間隙。

錐度齒輪消隙機構如圖1-34 所示，在加工相互嚙合的兩個齒輪1、2 時，將分度圓柱面加工成帶有小錐度的圓錐面，使齒輪齒厚在軸向稍有變化。裝配時通過改變墊片3 的厚度來改變兩齒輪的軸向相對位置，以消除間隙。

斜齒輪消隙機構如圖1-35 所示，寬齒輪3 同時與兩相同齒數的窄斜齒圓柱齒輪1、2 嚙合，1、2 齒輪通過鍵與軸相連，不能相對轉動。齒輪1 和2 的齒形與鍵槽均拼裝起來加工，加工時在兩窄斜齒圓柱齒輪間裝入厚度為t 的墊片4。裝配時，通過改變墊片4 的厚度，使兩齒輪的螺旋槽錯位，兩齒輪的左右兩齒面分別與寬齒輪齒面接觸，以消除齒側間隙。

（2）柔性消隙法即調整后齒側間隙，從而自動補償。采用這種消隙方法時，對齒輪齒厚和齒距的精度要求可適當降低，但其缺點是影響傳動平穩性，且傳動剛度低，結構也較為復雜。

如圖1-36 所示為雙齒輪錯齒式消隙機構。相同齒數的兩薄片齒輪1 和2 同時與另一寬齒輪嚙合，兩薄片齒輪套裝在一起，并可做相對轉動。每個齒輪端面均布四個螺紋孔，分別安裝凸耳3 和8。彈簧4 兩端分別勾在凸耳8 和調節螺釘7 上，由螺母5 調節彈簧4 的拉力，再由螺母6 鎖緊。在彈簧的拉力作用下，兩薄片齒輪的左右齒面分別與寬齒輪的左右齒面相接觸，從而消除間隙。由于正向和反向旋轉時只有一片齒輪承受扭矩，因此承載能力受到限制。在設計時，所選彈簧的拉力必須保證能承受最大扭矩。

蝶形彈簧消隙機構如圖1-37 所示。薄片斜齒輪1 和2 同時與厚齒輪6 嚙合，螺母5 通過墊片4 調節蝶形彈簧3 的壓力，以達到消除齒側間隙的目的。彈簧作用力的調整必須適當，壓力過小，達不到消隙的目的；壓力過大，將會使齒輪磨損加快。為了使齒輪在軸向能左右移動，而又不允許產生偏斜，這就要求齒輪的內孔具有較長的導向長度，因此增大了軸向尺寸。

如圖1-38 和圖1-39 所示分別為軸向壓簧消隙機構和周向彈簧消隙機構。

1.6.4　數控機床的導軌

導軌是進給傳動系統的重要環節之一，它對數控機床的剛度、精度與精度保持性等有著重要的影響，現代數控機床的導軌，對導向精度、精度保持性、摩擦特性、運動平穩性和靈敏度都有更高的要求，在材料和結構上發生了“質”的變化，已不同于普通機床的導軌。數控機床常用導軌有以下幾種。

1.塑料滑動導軌

為了進一步降低普通滑動導軌的摩擦系數，防止低速爬行，提高定位精度，在數控機床上普遍采用塑料作為滑動導軌的材料，使原來“鑄鐵-鑄鐵”的滑動變為“鑄鐵-塑料”或“鋼-塑料”的滑動。

1）塑料軟帶

塑料軟帶也稱聚四氟乙烯導軌軟帶，導軌材料以聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二硫化鉬和石墨等填充劑混合燒結，并做成軟帶狀，厚度約1.2mm。

塑料軟帶用特殊的黏結劑粘貼在導軌上，它不受導軌形狀的限制，各種組合形狀的滑動導軌均可粘貼；導軌各個面，包括下壓板面和鑲條也均可以粘貼，如圖1-40 所示。由于這類導軌軟帶采用粘貼的方法，習慣上也稱為貼塑導軌。

2）塑料導軌的特點

（1）摩擦特性好。實驗表明，“鑄鐵-淬火鋼”或“鑄鐵-鑄鐵”導軌副的動、靜摩擦系數相差近一倍，而“金屬-聚四氟乙烯”導軌軟帶（Turcite-B、TSF）的動、靜摩擦系數基本不變，且摩擦系數很低。這種良好的摩擦特性能防止低速爬行，使機床運行平穩，獲得高的定位精度。

（2）耐磨性好。除摩擦系數低外，塑料材料中含有青銅、二硫化鉬和石墨，因此其本身具有自潤滑作用，對潤滑油的供油量要求不高，采用間歇式供油即可。另外，塑料質地較軟，即使嵌入細小的金屬碎屑、灰塵等，也不至于損傷金屬導軌面和軟帶本身，可延長導軌的使用壽命。

（3）減振性好。塑料的阻尼性能好，其減振消聲的性能對提高摩擦副的相對運動速度有很大的意義。

（4）工藝性好。可降低對塑料結合金屬基體的硬度和表面質量，而且塑料易于加工（銑、刨、磨、刮），使導軌副接觸面獲得良好的表面質量。

除此之外，塑料導軌還具有良好的經濟性，結構簡單，成本低，目前在數控機床上得到了廣泛的使用。

2.滾動導軌

滾動導軌是在導軌工作面之間安裝滾動體（滾珠、滾柱和滾針），與滾珠絲杠的工作原理類似，使兩導軌面之間形成的摩擦為滾動摩擦。動、靜摩擦系數相差極小，幾乎不受運動速度變化的影響。

直線滾動導軌是目前最流行的一種形式。其結構如圖1-41 所示，直線滾動導軌主要由導軌、滑塊、滾珠、端蓋等組成。生產廠把滾動導軌的預緊力調整適當，可成組安裝，所以這種導軌又稱為單元式直線滾動導軌。使用時，導軌固定在不運動部件上，滑塊固定在運動部件上。當滑塊沿導軌移動時，滾珠在導軌和滑塊之間的圓弧直槽內滾動，并通過端蓋內的滾道，從工作負荷區滾動到非工作負荷區，然后再滾動到工作負荷區，不斷循環，從而把導軌體和滑塊之間的移動變成了滾珠的滾動。為防止灰塵和臟物進入導軌滾道，滑塊兩端及下部均裝有塑料密封墊、滑塊、注油杯。滾動導軌的最大優點是摩擦系數小，比塑料導軌還小；運動輕便靈活，靈敏度高；低速運動平穩性好，不會產生爬行現象，定位精度高；耐磨性好，磨損小，精度保持性好；潤滑系統簡單，因此滾動導軌在數控機床上得到普遍的應用。但是，滾動導軌的抗振性較差，結構復雜，對臟物較敏感，必須有良好的防護措施。

3.靜壓導軌

靜壓導軌是在兩個相對運動的導軌面間通入壓力油，使運動件浮起。工作過程中，導軌面上油腔中的油壓能隨著外加負載的變化自動調節，以平衡外負荷，保證導軌面始終處于純液體摩擦狀態，靜壓導軌的工作原理如圖1-42 所示。

靜壓導軌的摩擦系數極小（約為0.0005），功率消耗少，由于液體摩擦，故導軌不會磨損，導軌的精度保持性好，壽命長。油膜厚度幾乎不受速度的影響，油膜承載能力大、剛性好、吸振性良好，導軌運行平穩，既無爬行，也不產生振動。但靜壓導軌結構復雜，并需要有一個具有良好過濾效果的液壓裝置，制造成本較高。目前，靜壓導軌較多地應用在大型、重型數控機床上。

1.6.5　數控機床的自動換刀裝置

在零件的加工制造過程中，大量的時間被用于更換刀具、裝卸、測量和搬運零件等非切削工藝上，切削加工時間占整個工時的比例較小。為了進一步壓縮非切削時間，數控機床正朝著一臺機床在一次裝夾中完成多工序加工的方向發展。這就是近年來帶有自動換刀裝置的多工序數控機床得以迅速發展的原因。為此，應進一步發展和完善各類刀具自動更換裝置，擴大換刀數量，以便有可能實現更為復雜的換刀操作。這不僅可以提高機床的生產效率，擴大數控機床的功能和使用范圍，而且，由于零件在一次安裝中完成多工序加工，大大減少了零件安裝定位次數，進一步提高了零件的加工精度。

自動換刀裝置應當滿足換刀時間短、刀具重復定位精度高、足夠的刀具儲存量、結構緊湊及安全可靠等要求。

1.回轉刀架換刀裝置

回轉刀架是一種最簡單的自動換刀裝置，常用于數控車床。可以設計成四方刀架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式。回轉刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，并按數控裝置的指令換刀。

回轉刀架在結構上必須具有良好的強度和剛度，以承受粗加工時的切削抗力。由于車削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，對于數控車床來說，加工過程中刀具位置不進行人工調整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結構，以保證回轉刀架在每次轉位之后，具有盡可能高的重復定位精度（一般為0.001～0.005mm）。

2.多主軸轉塔頭換刀裝置

在帶有旋轉刀具的數控鉆鏜銑床上，通過多主軸轉塔頭來換刀是一種比較簡單的換刀方式。這種機床的主軸轉塔頭就是一個轉塔刀庫，轉塔頭有臥式和立式兩種。

如圖1-43 所示為數控轉塔式鏜銑床的外觀圖，八方形轉塔頭上裝有八根主軸，每根主軸上裝有一把刀具。根據工序的要求，按順序自動地將裝有所需要的刀具主軸轉到工作位置，實現自動換刀，同時接通主傳動。不處在工作位置的主軸便與主傳動脫開。轉塔頭的轉位（即換刀）由槽輪機構來實現，每次換刀包括轉塔頭脫開主軸傳動、轉塔頭抬起、轉塔頭轉位和轉塔頭定位壓緊。最后主軸傳動重新接通，這樣完成了轉塔頭轉位、定位動作的全過程。

這種自動換刀裝置儲存刀具的數量較少，適用于加工較簡單的工件。其優點是結構簡單，省去了自動松夾、卸刀、裝刀、夾緊及刀具搬運等一系列復雜的操作，從而提高了換刀的可靠性，并顯著地縮短了換刀時間。但由于空間位置的限制，主軸部件的結構不可能設計得十分堅實，因而影響了主軸系統的剛度。它適用于工序較少、精度要求不太高的數控鉆鏜銑床等。

3.帶刀庫自動換刀系統

在帶刀庫自動換刀系統中，能夠傳遞刀庫與主軸之間的刀具并實現刀具裝卸的裝置稱為刀具的交換裝置。刀具的交換方式通常分為兩種：一種是由機械手交換刀具；另一種是通過刀庫與主軸之間的相對運動實現刀具交換，即無機械手交換刀具。后者換刀時，首先將用過的刀具送回刀庫，然后再從刀庫中取出新刀具，這兩個動作不可能同時進行，因此換刀時間較長；而前者由機械手換刀時有很大的靈活性，這種刀庫可儲存較多的刀具，自動換刀時，機械手把機床主軸已用過的刀具送回刀庫，同時從刀庫中取出下一工步所需刀具并送往主軸，換刀時間重疊，因而換刀時間短，加工效率高，適于加工各種較復雜工件，多應用在所需刀具數量較多的自動換刀數控鏜銑床上。

思考題

1.數控機床由哪幾部分組成？各有什么作用？

2.什么是點位控制、點位/直線控制和輪廓控制？

3.什么是開環、半閉環、閉環控制系統？

4.數控機床的應用范圍是什么？

5.數控機床對導軌的要求是什么？