1.6　数控机床的机械结构

机床本体是数控机床的主体部分，它将来自数控装置的各种运动和动作指令转换成真实的、准确的机械运动和动作，实现数控机床的功能，并保证数控机床的性能要求。

数控机床的机械结构一般由以下几部分组成。

（1）主传动系统，包括动力源、传动件及主运动执行件（如主轴）等，其功能是实现主运动。

（2）进给传动系统，包括动力源、传动件及主运动执行件（如工作台、刀架）等，其功能是实现进给运动。

（3）基础支撑件，包括床身、立柱、导轨、工作台等，其功能是支撑机床本体的零部件，并保证这些零部件在切削过程中占有准确的位置。

（4）辅助装置，包括液压、气动、润滑、冷却、防护、排屑等装置。

此外，根据数控机床的功能和需要还可以选用以下几个部件：实现工件回转、分度定位的装置和附件，如回转工作台；刀库、刀架和自动换刀装置（ATC）；自动托盘交换装置（APC）；特殊功能装置，如刀具破损检测、精度检测和监控装置等。

数控机床作为一种高速、高效和高精度的自动化加工设备，因其控制系统功能强大，其机床性能得到了提高。数控机床的机械结构与普通机床相比，有了明显的改进，主要体现在以下几个方面。

（1）结构简单，操作方便，自动化程度高。

（2）采用无间隙传动装置和新技术。

（3）有适应无人化、柔性化加工的特殊部件。

（4）对机械结构刚度、灵敏度、运动精度、零部件功能、静态性能和热稳定性要求高。

1.6.1　数控机床的总体布局

数控机床大都采用机、电、液、气一体化布局，以及全封闭或半封闭防护，机械结构大大简化，易于操作及实现自动化。

1.数控车床常见布局

数控车床根据床身和导轨与水平面的相对位置不同，有以下四种布局形式。

（1）水平床身式如图1-10 所示，床身的工艺性好，便于导轨面的加工，但是下部空间小，排屑困难，刀架水平放置加大了机床宽度方向的机构尺寸，一般可用于大型数控车床、经济型数控车床的布局。

（2）斜床身式如图1-11 所示，排屑较方便，易于安装机械手，可实现单机自动化，适用于中小型数控车床。

（3）水平床身—倾斜滑板式，如图1-12 所示，具有水平床身式工艺性好、宽度方向尺寸小且排屑方便的特点，是卧式数控车床的最佳布局形式。

（4）立床身式如图1-13 所示。斜床身式的导轨倾斜角度一般为30°、45°、60°、75°和90°，当导轨倾斜角度为90°时称为立床身式。导轨倾斜角度小，排屑不方便；倾斜角度大，导轨的导向性及受力情况差。导轨倾斜角度的大小还直接影响机床外形尺寸中高度与宽度的比例。综合考虑以上因素，中小规格的数控车床，其床身的倾斜角度以60°为宜。

2.加工中心常见布局形式

卧式加工中心布局不同形式的主要区别在于立柱的结构形式和X、Z 坐标轴的移动方式。

（1）单立柱、工作台移动式如图1-14 所示，其特点是单立柱、Z 轴工作台移动式布局，与传统的卧式镗床结构相同。

（2）双立柱、工作台移动式如图1-15 所示，采用对称式框架结构双立柱、Z 轴工作台移动式布局，提高了结构刚度，减小了热变形的影响。

（3）双立柱、立柱移动式如图1-16 所示，采用T 形床身、框架结构双立柱、Z 轴立柱移动式布局，机床刚性好，工作台承载能力强，加工精度容易得到保证，是卧式加工中心的典型结构。

立式加工中心的布局形式与卧式加工中心类似，常见布局有以下三种形式。

（1）工作台移动式如图1-17（a）所示，是中小规格机床的常用结构形式。

（2）立柱移动式如图1-17（b）所示，采用了T 形床身，分离了工作台原有的X、Y 向运动，保留了X 向运动，使得工作台的承载变大，满足重载切削要求；立柱自重较大，在强力切削的作用下，Y 向的振动相对变小，加工出的工件质量更好。

（3）动立柱式如图1-17（c）所示，采用了T 形床身，X、Y、Z 三轴都是立柱移动式的布局，多用于长床身或采用交换工作台的立式加工中心。

1.6.2　数控机床的主传动系统

数控机床的主传动系统是由主轴电动机、一系列传动元件和主轴构成的具有运动、传动联系的系统。一般包括主轴电动机、传动装置、主轴、主轴轴承、主轴定向装置等。主传动系统的作用是实现主运动。

1.数控机床对主传动系统的基本要求

1）宽调速、无级调速

为了在数控加工时，合理选用切削用量，提高生产率及零件表面质量，必须具有更大的调速范围。如数控车床上为了实现恒线速切削，主传动系统应实现无级变速。

2）高刚性、低噪声

主传动系统的精度与刚性直接影响着加工零件的精度。对数控机床来说，主传动链要求短、传动件精度与刚性要求高，主轴的支承跨距要求合理，要求噪声降到最低限度。

3）高抗振性、高热稳定性

在数控加工切削过程中，受切削力等诸多因素的影响，主轴会产生振动，这会大大影响零件表面粗糙度，甚至破坏加工刀具。另外，摩擦、切削热等还会使主传动系统产生热变形，从而造成加工误差。为此，数控机床的主传动系统必须具有高抗振性和高热稳定性。

4）自动快速换刀

在能够自动换刀的数控机床中，主轴应能准确地停在某一固定位置，以便在该处进行换刀等动作，因而要求主轴能够实现定向控制。此外，为实现主轴自动快速换刀功能，必须具备刀具的自动夹紧机构。

2.主传动的变速方式

根据上述要求，数控机床主传动主要有无级变速和分段无级变速两种变速传动方式。

主传动主要采用无级变速方式，不仅能在一定的变速范围内选择合理的切削速度，而且能在运动中自动变速，此变速传动方式采用了直流或交流主轴伺服电动机驱动。

由于数控机床主运动的调速范围较大（最高转速与最低转速比R>100～200，甚至R>1000），单靠无级变速电动机无法满足如此大的调速范围，因此常在无级变速电动机之后串联有级变速传动，以满足数控机床的调速范围和转矩特性，即分段无级变速传动方式。

3.主轴的传动类型

1）齿轮传动主轴

齿轮传动主轴如图1-18 所示，是大中型数控机床较常采用的传动类型，即无级变速交、直流电动机通过几对齿轮传动后，实现分段无级变速，这种变速方式可扩大恒功率的调速范围，扩大了主轴输出扭矩。但是采用齿轮传动，容易引起主轴发热、振动和噪声，给切削加工带来许多不利影响。随着主电动机特性的改善，出现了主电动机直接带动主轴的形式。

2）带传动主轴

带传动主轴如图1-19 所示，是由无级变速主电动机经皮带传动直接带动主轴运转的主运动形式。这种变速方式一般适用中小型数控机床，用于调速范围不需太大、扭矩也不需太高的场合。它可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声，从而大大提高主轴的运转精度。

另外，随着现代主轴伺服电动机的发展，出现了能实现宽范围无级调速的宽域主电动机，使主轴的输出特性得到了很好的改善，扩大了恒功率的调速范围，并提高了输出扭矩。在避免齿轮传动不足的情况下，保持齿轮传动带来的优点，使数控机床在机械结构上朝着优化的方向前进了一大步。为保证皮带传动的平稳，一般用多楔带。

3）两个电动机分别驱动主轴

两个电动机分别驱动主轴是混合传动类型，兼有上述两种方式的性能，如图1-20 所示。高速时，由一个电动机通过带进行传动；低速时，由另一个电动机通过齿轮进行传动。避免了低速时转矩不够，且电动机功率不能充分利用的问题，但是两个电动机不能同时工作。

4）调速电动机直接驱动主轴

将主轴电动机直接与主轴连接，带动主轴转动。这样大大简化了主轴箱体与主轴结构，有效地提高了传动效率。但是主轴转速的变化及转矩的输出完全与电动机的输出特性一致，因而在使用上受到一定限制。

近年来，出现了一种内装电动机主轴，即主轴与电动机的转子合为一体，而电动机的定子则与主轴箱体固定，如图1-21 所示。这种形式使主轴部件的结构紧凑、质量轻、惯量小，可提高主轴的启动、停止响应特性，有利于控制振动和降低噪声，主轴的最高转速可达20 000r/min 以上。但是，这种传动方式最大的缺点是主电动机运转时产生的热量易使主轴产生热变形。因此，采用此种方式时，温度的控制与冷却是关键的问题。通常，这种数控机床自带特定的冷却系统，如风冷、水冷、空调降温等装置。

4.数控机床的主轴部件

主轴部件是机床的关键部件，主轴对零件加工质量有着直接的影响。而数控机床的主轴部件应有更高的精度、刚度和热稳定性，还应满足数控机床所特有的结构要求。如数控车床加工螺纹需配有主轴编码器；加工中心自动换刀需配有刀具自动夹紧、放松、主轴准停、排屑装置等。

1）主轴端部结构

主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具。在设计要求上，应能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。主轴端部的结构与形状目前都已标准化，机床通用的主轴端部结构如图1-22 所示。

2）主轴轴承

主轴轴承是主轴部件的重要组成部分。在数控机床上，主轴轴承常用的有滚动轴承和静压滑动轴承。数控机床主轴轴承的配置形式影响主轴的刚性、回转精度及转速。常见的配置形式有以下三种。

（1）前支承采用60°角接触双列向心推力球轴承如图1-23 所示，能使主轴获得较大的径向和轴向刚度，可以满足机床强力切削的要求，普遍应用于数控车床、数控铣床、加工中心等数控机床的主轴。

（2）前支承采用高精度双列向心推力球轴承如图1-24 所示，前支承采用背靠背的组配方式，具有良好的高速性能，但它的承载能力较小，适用于高速轻载和精密的数控机床。

（3）前支承采用双列圆锥滚子轴承如图1-25 所示，能使主轴承受较重的载荷，径向和轴向刚度高，安装和调整性好。但这种配置相对限制了主轴最高转速和回转精度，适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。

3）主轴的准停装置

加工中心或带有自动换刀装置的数控镗铣床，由于需要进行自动换刀，要求主轴有准确的周向定位精度，这种周向定位功能称为主轴准停。由于刀具装在主轴锥孔内，切削时，切削转矩不能完全靠锥孔的摩擦力来传递，通常在主轴前端设置一个凸键，称作端面键。当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与端面键对准、相配，为保证自动换刀，主轴必须停止在某一固定角度的位置上，准停装置就是为保证主轴在换刀时能够准确停止在换刀位置而设置的。

目前，主轴的准停装置根据其基本原理可分为三种形式，其中机械方式一种、电气方式两种，如图1-26 所示。

（1）机械方式。在主轴尾部连接一定位盘，在此定位盘上开有一个V 形槽。利用无触点开关在某个特定位置发出准停信号，定位销插入V 形槽的方式来实现主轴准停，这种准停方式的优点是比较可靠，但结构复杂。

（2）电气方式。一种是利用磁性传感器作为位置反馈部件，由它输出信号，使主轴准确停在规定位置上，可靠性好，能满足一般换刀要求。另一种是利用主轴光电脉冲编码器的同步信号作为准停信号来控制主轴准停。近年来，在数控镗铣床上已将这一编码器与主轴电动机合二为一，使结构大大简化。这种准停方式可靠，动作迅速平稳，在一定程度上有取代以上两种准停方式的趋势。

另外，准停功能还可延伸至其他功能，如在镗孔时为不使刀尖划伤已加工表面，在退刀时要让刀尖在固定位置退出加工表面一个微小量；又如在加工精密坐标孔时，准停能使每次都在主轴固定的圆周位置上装刀，保证刀尖与主轴相对位置的一致性，从而减少被加工孔的误差；还有在数控车床上，利用准停功能可以保证在特殊卡盘上装夹不规则零件时，为实现自动上下料，主轴必须停在特定位置上。由此可见，准停的功能可应用于许多主轴需要周向定位的场合。

1.6.3　数控机床的进给传动系统

进给传动系统的作用是实现进给运动。进给运动以保证刀具与工件相对位置关系为目的，是数字控制系统的直接控制对象，其动作由机械传动装置执行，故工件的加工精度将受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性等因素的影响。

1.对进给传动系统的要求

为确保数控机床进给系统的传动精度和工作平稳性等，在设计机械传动装置时，对进给传动系统提出以下要求。

1）提高传动部件的刚度

数控机床直线运动的定位精度和分辨率都要达到微米级，回转运动的定位精度和分辨率都要达到角秒级，如果传动部件的刚度不够，必然会使传动部件产生弹性变形，影响系统的定位精度、动态稳定性和快速响应特性。可通过加大滚珠丝杠的直径、对运动及支承部件进行预紧等方式提高传动部件的刚度。

2）减小传动部件的惯量

如果驱动电动机已确定，传动部件的惯量就直接决定了进给系统的响应速度。因此，在满足系统刚度和强度的前提下，应尽可能地减小传动部件的质量、直径，以降低其惯性，提高响应的快速性。

3）减小传动部件的间隙

在开环、半闭环的进给系统中，传动部件的间隙将直接影响进给系统的定位精度；在闭环系统中将影响系统的稳定性。因此必须采取措施，对传动部件如齿轮副、滚珠丝杠副、蜗轮蜗杆副等进行间隙的消除或使间隙减小到合理范围。

4）减小系统的摩擦阻力

摩擦阻力的存在一方面会降低传动效率，产生发热；另一方面还直接影响到系统的快速性。可通过采用滚珠丝杠副、静压丝杠副、直线滚动导轨、塑料导轨等高效执行元件，减少系统的摩擦阻力，提高运动精度，避免低速爬行现象。

2.数控机床的进给传动的分类

数控机床的进给传动可分为直线进给传动和圆周进给传动两大类。直线进给传动包括机床的基本坐标轴（X、Y、Z）及与基本坐标轴平行的坐标轴（U、V、W）的运动；圆周进给运动是指绕基本坐标轴（X、Y、Z）回转的坐标轴（A、B、C）的运动，进给传动系统结构如图1-27 所示。实现直线进给传动主要有以下三种形式。

1）滚珠丝杠或静压丝杠

滚珠丝杠或静压丝杠，将伺服电动机的旋转运动转换为直线运动。

滚珠丝杠副是能够进行回转运动与直线运动相互转换的新型传动装置，是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件，主要由滚珠丝杠、螺母、滚珠、返回装置四部分组成。滚珠是丝杠与螺母之间的滚动体传动元件，在其内部弧形螺旋槽形成的螺旋滚道内滚动，当丝杠相对于螺母旋转时，滚珠在自转的同时又在滚道内循环，使丝杠和螺母相对产生轴向运动。

由以上滚珠丝杠副传动的工作过程，可以明显看出滚动丝杠副的丝杠与螺母之间是通过滚珠来传递运动的，使之成为滚动摩擦，这是滚珠丝杠区别于普通滑动丝杠的关键所在。其特点主要有以下几点。

（1）传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率高达92%～98%，是普通滑动丝杠的3～4 倍，功率消耗减少2/3～3/4。

（2）灵敏度高、传动平稳。由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小。因此，低速不易产生爬行，高速传动平稳。

（3）定位精度高、传动刚度高。用多种方法可以消除丝杠和螺母的轴向间隙，使反向无空行程，定位精度高，适当预紧后，还可以提高轴向刚度。

（4）不能自锁、有可逆性。既能将旋转运动转换成直线运动，也能将直线运动转换成旋转运动。因此丝杠在垂直状态使用时，应增加制动装置。

（5）制造成本高。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度及表面粗糙度等要求高，制造工艺较复杂，成本高。

滚珠丝杠副常用的循环方式有两种。在整个循环过程中，滚珠始终与丝杠各表面保持接触的称为内循环；滚珠在循环过程中，与丝杠滚道脱离接触的称为外循环。

（1）如图1-28 所示为外循环滚珠丝杠副，图1-28（a）所示结构是在螺母体上钻有两个与螺旋槽相切的孔，作为滚珠的进口与出口，并紧贴螺母外表面，在两孔内插入弯管的两端，这样就可引导滚珠构成封闭循环回路，这叫插管式外循环。也可在螺母的外表面开一螺旋凹槽代替插管，称为螺旋槽式外循环，如图1-28（b）所示。外循环的结构制造工艺相对简单些，但滚道接缝处很难做到平滑，影响滚道滚动的平稳性，甚至发生卡珠现象，噪声也较大。

（2）如图1-29 所示为内循环滚珠丝杠，在螺母滚道的外侧孔内装有一个接通相邻滚道的反向器，借助反向器迫使滚珠翻越丝杠的牙顶而进入相邻滚道。因此，内循环反向器的数量与滚珠的列数相同。内循环滚珠丝杠的反向器中承担反向任务的只有一圈滚珠。与外循环相比，具有回路短、不易发生滚珠堵塞、流畅性好、摩擦损失小、传动效率高、结构紧凑、定位可靠、刚性好等特点。但结构复杂，制造成本高，且不能用于多头螺纹传动。

滚珠丝杠副的轴向间隙调整和预紧方法。滚珠丝杠副的轴向间隙，是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动量，它直接影响其传动刚度和精度。为了保证滚珠丝杠副的反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙，可采用双螺母预紧方法，其基本原理是使两个螺母产生轴向位移，以消除它们之间的间隙和施加预紧力。

常用的消除间隙的方法有垫片调整式、螺纹调整式、齿差调整式。

（1）垫片调整式。如图1-30 所示，垫片调整式通过调整垫片的厚度，使螺母产生轴向位移。这种结构简单可靠，刚性好，但调整费时，且不能在工作中随时调整。

（2）螺纹调整式。如图1-31 所示，螺纹调整式通过两个锁紧圆螺母的旋转来调整丝杠与螺母之间的轴向间隙，这种结构紧凑，调整方便，应用广泛，但轴向位移量不易精确控制。

（3）齿差调整式。如图1-32 所示的齿差调整式将两部分螺母外缘做成外齿轮和内齿轮，左右两个齿轮Z1 和Z2 仅差一个齿，如Z1=99 齿，Z2=100 齿。调整间隙时，将内外齿脱离啮合，并使左右两个部分同时向同一方向转过一个齿，即Z1 转过1/99 转，Z2 转过1/100 转，致使左右螺母相向或相离一个距离Δ。当滚珠丝杠的螺距L=6mm 时，则

当转过齿数的数量为n 时，位移量为Δ的n 倍，这样即可很精确（微量）地消除丝杠螺母的轴向间隙。这种预紧结构复杂，调整准确可靠，精度也较高，一般应用在精度要求较高的场合。

滚珠丝杠副通过上述预紧方法消除间隙时应特别注意：预加载荷以能有效地减小弹性变形所带来的轴向位移为度，过大的预紧力将增加摩擦阻力，降低传动效率，并使寿命大为缩短，所以，一般要经过几次仔细调整才能保证机床在最大轴向载荷下，既消除间隙，又能灵活运转。目前，滚珠丝杠副已由滚珠丝杠专业厂生产，其预紧力已提前调整好供数控机床制造厂安装使用。

2）双齿轮-齿条传动

通过齿轮齿条副将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。齿轮—齿条传动是行程较长的大型数控机床上常用的进给传动形式。这种传动结构适用于传动刚性要求高、传动精度不太高的场合。采用齿轮-齿条传动时，必须采取消除齿侧间隙的措施。通常采用两个齿轮与齿条啮合的方法，专用的预加载机构使两齿轮以相反方向预转过微小的角度，使两齿轮分别与齿条的两侧齿面贴紧，从而消除间隙。

3）直线电动机

直接运用直线电动机进行驱动，可以完全取消传动系统中将旋转运动变为直线运动的环节，大大简化机械传动的结构，实现所谓的“零传动”。它可从根本上消除传动环节对精度、刚度、快速性和稳定性的影响，所以可以获得比传统进给驱动系统更高的定位精度、快进速度和加速度。

3.进给传动系统齿轮传动间隙消除方法

数控机床的进给传动系统中常用的传动机构是减速齿轮传动机构，除要求其本身具有较高的运动精度和工作的平稳性外，还必须尽可能地消除齿轮传动过程中的齿侧间隙，因为齿侧间隙的存在将使机械传动系统产生回程误差，影响加工精度及系统的稳定性。常用的消隙方法主要有刚性消隙法和柔性消隙法两种。

（1）刚性消隙法是在严格控制齿轮齿厚和齿距误差的条件下进行的，调整后的齿侧间隙不能自动补偿，但能提高传动刚度。

偏心轴套消隙机构如图1-33 所示，电动机1 通过偏心轴套2 装在箱体上。转动偏心轴套可调整两齿轮中心距，消除齿侧间隙。

锥度齿轮消隙机构如图1-34 所示，在加工相互啮合的两个齿轮1、2 时，将分度圆柱面加工成带有小锥度的圆锥面，使齿轮齿厚在轴向稍有变化。装配时通过改变垫片3 的厚度来改变两齿轮的轴向相对位置，以消除间隙。

斜齿轮消隙机构如图1-35 所示，宽齿轮3 同时与两相同齿数的窄斜齿圆柱齿轮1、2 啮合，1、2 齿轮通过键与轴相连，不能相对转动。齿轮1 和2 的齿形与键槽均拼装起来加工，加工时在两窄斜齿圆柱齿轮间装入厚度为t 的垫片4。装配时，通过改变垫片4 的厚度，使两齿轮的螺旋槽错位，两齿轮的左右两齿面分别与宽齿轮齿面接触，以消除齿侧间隙。

（2）柔性消隙法即调整后齿侧间隙，从而自动补偿。采用这种消隙方法时，对齿轮齿厚和齿距的精度要求可适当降低，但其缺点是影响传动平稳性，且传动刚度低，结构也较为复杂。

如图1-36 所示为双齿轮错齿式消隙机构。相同齿数的两薄片齿轮1 和2 同时与另一宽齿轮啮合，两薄片齿轮套装在一起，并可做相对转动。每个齿轮端面均布四个螺纹孔，分别安装凸耳3 和8。弹簧4 两端分别勾在凸耳8 和调节螺钉7 上，由螺母5 调节弹簧4 的拉力，再由螺母6 锁紧。在弹簧的拉力作用下，两薄片齿轮的左右齿面分别与宽齿轮的左右齿面相接触，从而消除间隙。由于正向和反向旋转时只有一片齿轮承受扭矩，因此承载能力受到限制。在设计时，所选弹簧的拉力必须保证能承受最大扭矩。

蝶形弹簧消隙机构如图1-37 所示。薄片斜齿轮1 和2 同时与厚齿轮6 啮合，螺母5 通过垫片4 调节蝶形弹簧3 的压力，以达到消除齿侧间隙的目的。弹簧作用力的调整必须适当，压力过小，达不到消隙的目的；压力过大，将会使齿轮磨损加快。为了使齿轮在轴向能左右移动，而又不允许产生偏斜，这就要求齿轮的内孔具有较长的导向长度，因此增大了轴向尺寸。

如图1-38 和图1-39 所示分别为轴向压簧消隙机构和周向弹簧消隙机构。

1.6.4　数控机床的导轨

导轨是进给传动系统的重要环节之一，它对数控机床的刚度、精度与精度保持性等有着重要的影响，现代数控机床的导轨，对导向精度、精度保持性、摩擦特性、运动平稳性和灵敏度都有更高的要求，在材料和结构上发生了“质”的变化，已不同于普通机床的导轨。数控机床常用导轨有以下几种。

1.塑料滑动导轨

为了进一步降低普通滑动导轨的摩擦系数，防止低速爬行，提高定位精度，在数控机床上普遍采用塑料作为滑动导轨的材料，使原来“铸铁-铸铁”的滑动变为“铸铁-塑料”或“钢-塑料”的滑动。

1）塑料软带

塑料软带也称聚四氟乙烯导轨软带，导轨材料以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结，并做成软带状，厚度约1.2mm。

塑料软带用特殊的黏结剂粘贴在导轨上，它不受导轨形状的限制，各种组合形状的滑动导轨均可粘贴；导轨各个面，包括下压板面和镶条也均可以粘贴，如图1-40 所示。由于这类导轨软带采用粘贴的方法，习惯上也称为贴塑导轨。

2）塑料导轨的特点

（1）摩擦特性好。实验表明，“铸铁-淬火钢”或“铸铁-铸铁”导轨副的动、静摩擦系数相差近一倍，而“金属-聚四氟乙烯”导轨软带（Turcite-B、TSF）的动、静摩擦系数基本不变，且摩擦系数很低。这种良好的摩擦特性能防止低速爬行，使机床运行平稳，获得高的定位精度。

（2）耐磨性好。除摩擦系数低外，塑料材料中含有青铜、二硫化钼和石墨，因此其本身具有自润滑作用，对润滑油的供油量要求不高，采用间歇式供油即可。另外，塑料质地较软，即使嵌入细小的金属碎屑、灰尘等，也不至于损伤金属导轨面和软带本身，可延长导轨的使用寿命。

（3）减振性好。塑料的阻尼性能好，其减振消声的性能对提高摩擦副的相对运动速度有很大的意义。

（4）工艺性好。可降低对塑料结合金属基体的硬度和表面质量，而且塑料易于加工（铣、刨、磨、刮），使导轨副接触面获得良好的表面质量。

除此之外，塑料导轨还具有良好的经济性，结构简单，成本低，目前在数控机床上得到了广泛的使用。

2.滚动导轨

滚动导轨是在导轨工作面之间安装滚动体（滚珠、滚柱和滚针），与滚珠丝杠的工作原理类似，使两导轨面之间形成的摩擦为滚动摩擦。动、静摩擦系数相差极小，几乎不受运动速度变化的影响。

直线滚动导轨是目前最流行的一种形式。其结构如图1-41 所示，直线滚动导轨主要由导轨、滑块、滚珠、端盖等组成。生产厂把滚动导轨的预紧力调整适当，可成组安装，所以这种导轨又称为单元式直线滚动导轨。使用时，导轨固定在不运动部件上，滑块固定在运动部件上。当滑块沿导轨移动时，滚珠在导轨和滑块之间的圆弧直槽内滚动，并通过端盖内的滚道，从工作负荷区滚动到非工作负荷区，然后再滚动到工作负荷区，不断循环，从而把导轨体和滑块之间的移动变成了滚珠的滚动。为防止灰尘和脏物进入导轨滚道，滑块两端及下部均装有塑料密封垫、滑块、注油杯。滚动导轨的最大优点是摩擦系数小，比塑料导轨还小；运动轻便灵活，灵敏度高；低速运动平稳性好，不会产生爬行现象，定位精度高；耐磨性好，磨损小，精度保持性好；润滑系统简单，因此滚动导轨在数控机床上得到普遍的应用。但是，滚动导轨的抗振性较差，结构复杂，对脏物较敏感，必须有良好的防护措施。

3.静压导轨

静压导轨是在两个相对运动的导轨面间通入压力油，使运动件浮起。工作过程中，导轨面上油腔中的油压能随着外加负载的变化自动调节，以平衡外负荷，保证导轨面始终处于纯液体摩擦状态，静压导轨的工作原理如图1-42 所示。

静压导轨的摩擦系数极小（约为0.0005），功率消耗少，由于液体摩擦，故导轨不会磨损，导轨的精度保持性好，寿命长。油膜厚度几乎不受速度的影响，油膜承载能力大、刚性好、吸振性良好，导轨运行平稳，既无爬行，也不产生振动。但静压导轨结构复杂，并需要有一个具有良好过滤效果的液压装置，制造成本较高。目前，静压导轨较多地应用在大型、重型数控机床上。

1.6.5　数控机床的自动换刀装置

在零件的加工制造过程中，大量的时间被用于更换刀具、装卸、测量和搬运零件等非切削工艺上，切削加工时间占整个工时的比例较小。为了进一步压缩非切削时间，数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的方向发展。这就是近年来带有自动换刀装置的多工序数控机床得以迅速发展的原因。为此，应进一步发展和完善各类刀具自动更换装置，扩大换刀数量，以便有可能实现更为复杂的换刀操作。这不仅可以提高机床的生产效率，扩大数控机床的功能和使用范围，而且，由于零件在一次安装中完成多工序加工，大大减少了零件安装定位次数，进一步提高了零件的加工精度。

自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储存量、结构紧凑及安全可靠等要求。

1.回转刀架换刀装置

回转刀架是一种最简单的自动换刀装置，常用于数控车床。可以设计成四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指令换刀。

回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为0.001～0.005mm）。

2.多主轴转塔头换刀装置

在带有旋转刀具的数控钻镗铣床上，通过多主轴转塔头来换刀是一种比较简单的换刀方式。这种机床的主轴转塔头就是一个转塔刀库，转塔头有卧式和立式两种。

如图1-43 所示为数控转塔式镗铣床的外观图，八方形转塔头上装有八根主轴，每根主轴上装有一把刀具。根据工序的要求，按顺序自动地将装有所需要的刀具主轴转到工作位置，实现自动换刀，同时接通主传动。不处在工作位置的主轴便与主传动脱开。转塔头的转位（即换刀）由槽轮机构来实现，每次换刀包括转塔头脱开主轴传动、转塔头抬起、转塔头转位和转塔头定位压紧。最后主轴传动重新接通，这样完成了转塔头转位、定位动作的全过程。

这种自动换刀装置储存刀具的数量较少，适用于加工较简单的工件。其优点是结构简单，省去了自动松夹、卸刀、装刀、夹紧及刀具搬运等一系列复杂的操作，从而提高了换刀的可靠性，并显著地缩短了换刀时间。但由于空间位置的限制，主轴部件的结构不可能设计得十分坚实，因而影响了主轴系统的刚度。它适用于工序较少、精度要求不太高的数控钻镗铣床等。

3.带刀库自动换刀系统

在带刀库自动换刀系统中，能够传递刀库与主轴之间的刀具并实现刀具装卸的装置称为刀具的交换装置。刀具的交换方式通常分为两种：一种是由机械手交换刀具；另一种是通过刀库与主轴之间的相对运动实现刀具交换，即无机械手交换刀具。后者换刀时，首先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不可能同时进行，因此换刀时间较长；而前者由机械手换刀时有很大的灵活性，这种刀库可储存较多的刀具，自动换刀时，机械手把机床主轴已用过的刀具送回刀库，同时从刀库中取出下一工步所需刀具并送往主轴，换刀时间重叠，因而换刀时间短，加工效率高，适于加工各种较复杂工件，多应用在所需刀具数量较多的自动换刀数控镗铣床上。

思考题

1.数控机床由哪几部分组成？各有什么作用？

2.什么是点位控制、点位/直线控制和轮廓控制？

3.什么是开环、半闭环、闭环控制系统？

4.数控机床的应用范围是什么？

5.数控机床对导轨的要求是什么？