数控机床主机的机械结构特点分析

数控机床主机从外观上看与普通机床相似。其实两者有着很大的差异。与传统的机床构件相比，数控机床的机械构件要求传动刚度、传动精度更高；传动系统更具稳定性；快速响应能力更强。数控机床主机中的关键部件，如机床床身、导轨副、丝杠螺母副等，其特殊结构是普通机床所没有的。所以不能简单的认为数控机床就是数控装置加普通机床所组成。因此，数控加工技术在机床上的开发应用，不但要进行数控系统的设计，还要进行机床结构的设计。以下就数控机床主要的机械结构特点进行分析。

1.机床床身结构

床身是数控机床的主要基础件，起着支承和导向的作用，要求采用具有高刚度、高抗震性及较小热变形的机械结构。数控车床的床身采用封闭的箱体结构，（6-8（b））。与普通机床床身结构（图6-8（a））相比，它的抗弯刚度与抗扭刚度高了许多。箱式机床床身结构中还保留着铸件的泥芯，这能提高系统的抗振能力并能吸收噪声。

图6-8　不同结构的机床床身示意

（a）普通机床床身；（b）数控车床床身

现代数控机床可以采用焊接床身。试验表明，钢板焊接的机床床身的刚度相比铸造床身有较大的提高。焊接床身的设计自由度大，可以灵活地布置焊缝、设计隔板、筋板，从而充分发挥结构的承载和抗变形能力。此外，钢的弹性模量约为铸铁的2倍。因此，采用钢板焊接结构的床身的固有频率提高，从而提高床身的结构刚度。

2.导轨副

机床运动部件中，摩擦阻力主要来自导轨副。普通机床上的滑动导轨副的摩擦因数比较大。并且动/静摩擦因数的差别也大。数控系统要求机床导轨运动轻便、灵活、摩擦因数小、动/静摩擦因数的差别小、启动阻力小、低速运行时无爬行现象等。滚动导轨、贴塑导轨等能满足数控系统的要求。特别是滚动导轨，在导轨面间形成滚动摩擦，摩擦因数很小（f=0.002 5～0.005），动/静摩擦因数很相近。滚动导轨所需的功率小、摩擦发热少、磨损小、精度高，是数控机床理想的传动元件。常用的导轨副有以下3种类型。

1）滚动直线导轨

如图6-9所示，滚动直线导轨是一种滚动体为钢珠的单元式标准结构导轨元件，其相对运动表面经研磨成四列圆弧沟槽，滚珠锁定在保持架上，实现顺畅地循环滚动。导轨沟槽圆弧的曲率为滚动体的52%～53%，因而滚珠在负荷方向为两点接触，即使制造有误差仍能保持滚珠灵活转动，而且由于两者直径相差不大，导致接触应力小、运动约束好。单元式滚动直线导轨在制造时已消除了间隙，因而刚度和精度都较高。滚动直线导轨在装配平面上采用整体装夹的方法，因而即使装夹平面有些偏差，也能因自身变形的矫正而保证滚珠顺畅地滚动。

图6-9　滚动直线导轨结构示意图

1—压紧圈；2—支承块；3—密封板；4—承载钢珠；5—反向钢珠；6—加油孔；7—侧板；8—导轨；9—保持器(www.xing528.com)

我国目前尚无有关滚动直线导轨的统一标准，用户选用此类零件时主要的依据是制造厂的产品说明书。

2）滚动导轨块

如图6-10所示，滚动导轨块是一种圆柱滚动体的标准结构导轨元件。滚动导轨块装夹在运动部件上，工作时滚动体在导轨块和支承件导轨平面（固定部件）之间运动，在导轨块内部实现循环。滚动导轨块刚度高、承载能力强、便于拆卸，它的行程取决于支承件导轨平面的长度。但该类导轨制造成本高，抗振性能欠佳。

图6-10　滚动导轨块结构示意图

3）贴塑导轨

贴塑导轨是广泛用在数控机床进给系统中的一种滑动摩擦导轨。贴塑导轨将塑料基的自润滑复合材料覆盖并粘贴于滑动部件的导轨上，与铸铁或镶钢的床身导轨配用，可改变原机床导轨的摩擦状态。目前，使用较普遍的自润滑复合材料是填充聚四氟乙烯软带。与传统滑动摩擦导轨相比，贴塑导轨的摩擦因数小、动/静摩擦因数差别小、低速无爬行，吸振、耐磨、抗撕裂能力强，成本低、加工性和化学稳定性好，并有良好的自润滑性和抗振性。聚四氟乙烯贴塑导轨可在原滑动导轨的基础上粘贴，不受几何形状的限制。贴塑导轨的粘接尺寸如图6-11所示。

图6-11　粘塑导轨粘接示意图

3.滚珠丝杠螺母副

滚珠丝杠螺母副如图6-12所示，其结构的主要特点是在丝杠和螺母的圆弧螺旋槽之间装有滚珠作为传动元件，因而摩擦因数小，传动效率可达90%～95%，动/静摩擦因数相差小。在施加预紧后，其轴向刚度好、传动平稳、无间隙、不易产生爬行，随动精度和定位精度都较高，是目前数控机床进给系统最常用的机械结构之一。但是，滚珠丝杠螺母副安装时要通过预紧消除间隙，保证换向精度。

图6-12　滚珠丝杠螺母副结构原理