导轨介绍

数控机床定义：数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理编码和指令程序，并将其译码，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。

数控机床重要性：数控技术及数控机床在当今机械制造中具有重要地位，在国家基础工业现代化中具有战略性作用，数控机床具有广泛的通用性，又具有很高的自动化程度，适应范围广，生产准备周期短，工序高度集中，生产效率和加工精度高，能完成复杂型面的加工。数控机床的拥有量以成为衡量一个国家制造业现代化水平的重要标志，它是世界各国竞相发展的重要装备。

数控机床工作时产生的振动，不仅会影响机床的加工精度和工件的表面质量，而且还会降低生产效率和刀具的耐用度，甚至会降低机床的使用寿命，振动所产生的噪声还会影响工作环境。随着数控技术及数控机床的发展，需要导向机构具有更高的速度、精度和更好的耐久性，这加快了直线滚动导轨研究和应用。对于数控机床，直线滚动导轨的动态特性是影响其动态特性的关键因素之一。直线滚动导轨是数控机床的重要部件，其动态特性对机床的动态性能有非常的大的影响，而机床动态特性又会直接影响机床加工性能。

一、对导轨的基本要求

机床导轨的功用即为导向和支承，也就是支承运动部件（如

刀架，工作台等）并保证运动部件在外力作用下能准确沿着规定

方向运动。因此，导轨的精度及其性能对机床加工精度，承载能

力等有着重要的影响。所以导轨应满足以下几方面的基本要求：

1．较高的导向精度

导向精度是指机床的胸部件沿导轨移动时与有关基面之间的

相互位置的准确性。无论在空载或切削加工时，导轨均应有足够

的导向精度。影响导向精度的主要因素是导轨的结构形式，导轨

的制造和装配质量，以及导轨和基础件的刚度等。

2．良好的精度保持性

精度保持性是指导轨在长期使用中保持导向精度的能力。影

响精度保持性的主要因素是导轨的磨损、导轨的结构及支承件（如床身、立柱）材料的稳定性。

3．良好的摩擦特性

运动部件在导轨上低速运动或微量位移时，运动应平稳，无爬行现象。这一要求对数控机床尤其重要，这就要求导轨的摩擦因数要小，动、静摩擦因数的差值尽量小，还要有良好的摩擦阻尼特性。

此外，导轨还要结构简单，工艺性好，便于加工、装配、调整和维修。

按能实现的运动形式不同，导轨可分为直线运动导轨和回转运动导轨，以下以直线运动导轨为例进行分析。

数控机床上常用的导轨，按其接触面间的摩擦性质的不同，可分为普通滑动导轨、滚动导轨和静压导轨三大类。

二、普通滑动导轨

1．常用截形

图5-84 滑动导轨的截面形状

普通滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性强等优点，常用的导轨截面形状有矩形、三角形及燕尾形三种，如图5-84所示。

（a）为三角形导轨，它具有较高的导向性，而且该导轨面有了磨损时会自动下沉补偿磨损量，精度保持性也较高，但是它的当量摩擦因数较高，因而承载能力不如矩形导轨。

（b）为矩形导轨，这种导轨当量摩擦因数小，刚度高，承载能力高，结构简单，工艺性好，便于加工和维修。该导轨的侧良间隙不能自动补偿，需设置间隙调整机构。

（c）为燕尾形导轨，它结构紧凑自成闭式，可以承受颠覆力矩，也需设置侧隙调整机构占这种导轨刚度较差，适于受力不大要求结构尺寸比较紧凑的地方。

四、滚动导轨

（一）滚动导轨的特点

滚动导轨是在导轨工作面间放入滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使导轨面间成为滚动摩擦。

滚动导轨摩擦因数小，f=0.0025～0.005，动、静摩擦因数很接近，且几乎不受运动速度变化的影响，因而运动轻便灵活，所需驱动功率小；摩擦发热少，磨损小，精度保持性好；低速运动时，不易出现爬行现象，定位精度高；滚动导轨可以预紧，显著提高了刚度。滚动导轨很适合用于要求移动部件运动平稳、灵敏，以及实现精密定位的场合，在数控机床上得到了广泛的应用。

滚动导轨的缺点是结构较复杂，制造较困难，因而成本较高。此外，滚动导轨对脏物较敏感，必须要有良好的防护装置。（二）滚动导轨的结构类型

1.滚珠导轨

如图5-87，这种导轨结构紧凑，制造容易，成本较低，但由于是点接触，因而刚度低、承载能力较小，只适用于载荷较小（小于2000N）、切削力矩和颠覆力矩都较小的机床。导轨用淬硬钢制成，淬硬至60～62HRC。

2.滚柱导轨

如图5-88，这种导轨的承载能力和刚度都比滚珠导轨大，适用于载荷较大的机床，但对导轨面的平行度要求较高，否则会引起滚柱的偏移和侧向滑动，使导轨磨损加剧和降低精度。

图（a）所示的滚柱导轨结构简单，制造较方便。导轨一般采

用镶钢结构，如图（b）所示。

图（c）所示为十字交叉短滚柱导轨，相邻滚柱的轴线交叉成90°排列，滚柱长度比直径小0.15～0.25mm，这样排列使导轨能承受任意方向的力。这种导轨结构紧凑，刚性较好，不易引起振动，但制造较困难。

图5-88 滚柱导轨

3．滚针导轨

滚针比滚柱的长径比大，由于直径尺寸小，故结构紧凑；与滚柱导轨相比，可在同样长度上排列更多的滚针，因而承载能力比滚柱导轨大，但摩擦也要大一些。适用于尺寸受限制的场合。

4．直线滚动导轨块（幅）组件

近年来，数控机床愈来愈多地采用了由专业厂生产制造的直线滚动导轨块或导轨副组件。该种导轨组件本身制造精度很高，而对机床的安装基面要求不高，安装、调整都非常方便，现已有多种形式、规格可供使用。

图5-89所示为一种滚柱导轨块组件，其特点是刚度高、承载能力大，导轨行程不受限制。当运动部件移动时，滚柱3在支承部件的导轨与本体6之间滚动，同时绕本体6循环滚动。每一导轨上使用导轨块的数量根据导轨的长度和负载的大小决定。图5-90是滚柱导轨块在机床上的安装实例。

五、滑动导轨和滚动导轨的比较

直线滚动导轨广泛应用各种数控机床中，己逐步取代了滑动导轨，相对传统

滑动导轨，它主要有以下几个优点：

(1)定位精度高

滚动直线导轨的运动借助滚珠滚动实现，导轨摩擦阻力小，动静摩擦阻力差

值小，低速时不易产生爬行。重复定位精度高，适合作频繁启动或换向的运动部件。可将机床定位精度设定到超微米级。同时根据需要，适当增加预载荷，确保滚珠不发生滑动，实现平稳运动，减小了运动的冲击和振动。

(2)磨损小

对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生韵运动精度误差是无法

避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之

相反，滚动接触由于摩擦耗能小，滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使滚动直线导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易。

(3)适应高速运动且大幅降低驱动功率

采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，可使所需的动力源及动力传递机

构小型化，使驱动扭矩大大减少，使机床所需电力降低80％，节能效果明显。可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率20--30％。

(4)承载能力强

直线滚动导轨具有较好的承载性能，可以承受不同方向的力和力矩载荷，如

承受上下左右方向的力，以及颠簸力矩、摇动力矩和摆动力矩。因此，具有很好的载荷适应性。在设计制造中加以适当的预加载荷可以增加阻尼，以提高抗振性，同时可以消除高频振动现象。而滑动导轨在平行接触面方向可承受的侧向负荷较小，易造成机床运行精度不良。

(5)组装容易并具互换性

传统的滑动导轨必须对导轨面进行刮研，既费事又费时，且一旦机床精度不良，必须再刮研一次。滚动导轨具有互换性，只要更换滑块或导轨或整个滚动导轨副，机床即可重新获得高精度。

直线滚动导轨虽然许多方面优于滑动直线导轨，但是其动态特性却不如滑动

直线导轨。随着数控机床加工性能的要求不断提高，对数控机床动态特性的要求也越来越高。动态性能是指抵抗振动的能力，数控机床工作时产生的振动，不仅会影响机床的加工精度和工件的表面质量，而且还会降低生产效率和刀具的耐用度，甚至会降低机床的使用寿命

文献

赵利波，数控机床直线滚动导轨动力学特性研究