数控机床导轨的设计
数控机床结构与设计7-数控机床的床身与导轨
总结词
新型材料的不断涌现为床身与导轨的设 计和制造提供了更多的选择和可能性。
VS
详细描述
例如，高强度铝合金、铸铁、树脂复合材 料等轻质高强材料的应用，可以显著减轻 床身与导轨的重量，提高其动态性能。同 时，新材料的引入也促进了防腐、耐磨和 降低噪声等性能的提升。
智能化、自动化的设计与制造
总结词
智能化和自动化是床身与导轨未来发展的重要方向，有助于提高生产效率和降低成本。
选择依据
选择导轨材料时，需综合考虑使用要求、工作条件、工艺要求和经济性等因素。
导轨的精度与调整
精度
导轨的精度直接影响机床的加工精度，包括几何精度和运动精度。几何精度包括直线度、平面度、相互位置精度 等；运动精度包括运动平滑度、运动速度和加速度等。
调整
为保证导轨的精度，需要进行定期检查和调整。调整内容包括间隙调整、预紧力调整和润滑调整等。间隙调整主 要是为了消除导轨间的间隙，提高导向精度；预紧力调整是通过施加合适的预紧力，提高导轨的刚性和稳定性； 润滑调整则是为了保证导轨的正常润滑，降低摩擦和磨损。
详细描述
通过引入智能传感器、嵌入式系统、云计算等技术，可以实现床身与导轨的实时监测、自动调整和远 程维护等功能。同时，自动化生产线和机器人集成技术的应用，使得床身与导轨的加工制造过程更加 高效和精准。
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数控机床导轨
导轨的作用与类型
作用
导轨作为数控机床的重要基础部件，主要起导向和支承作用，保证机床的直线 运动精度和稳定性。
类型
根据不同的分类标准，导轨可分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨等。滑动导 轨又可分为滑动直线导轨和滑动平面导轨。
导轨的材料选择
支撑件与导轨设计
3. 支承件的热变形
改善支承件热变形的措施有： （1）在机床结构方面，采用热对称结构。 （2）在机床上采取热平衡措施。 （3）在机床上采取控制温升的措施。 （4）采用热位移补偿，预测热变形规律，建立数学模型
存入计算机中进行实时补偿。
支撑件与导轨设计
4. 其他要求
支承件设计时还应便于排屑，吊运安全，合理安置液
且动、静摩擦系数相差很小，能防止低速爬行现象；化学
稳定性、抗振性好；耐磨性好，且具有良好的自润滑性；
结构和工艺简单，成本低，维护修理方便等。
失效形式
磨损
疲劳和压溃
支撑件与导轨设计
（1）贴塑导轨
如下图所示，贴塑导轨是在动导轨上粘接上一层塑料导 轨软带，通常与支承导轨上的铸铁导轨或淬硬钢导轨相配 使用。塑料导轨软带是由聚四氟乙烯为基体，加入合金粉 和硫化物等多种填充剂制成的复合材料。
支撑件与导轨设计
a. 提高支撑件自身刚度 正确选择支撑件的截面尺寸 合理布置肋板 合理开窗加盖
b. 提高支撑件连接刚度和局部刚度 支撑件肋条的布置 合理选择支撑件壁厚
a）
b）
c）
d）
e）
f）
g）
图2.56 肋条形式
a）口字型 b）纵横肋条 c）三角形 d）交叉型
e）蜂窝支型撑件与f导）轨设米计字型 g）井字型
a）有翘曲现象
b）有辅助导轨
图2.59 带辅助导轨的床身
1－主轴箱 2－工件 3－工作台 4－溜板 5－床身
支撑件与导轨设计
2）床身的截面形状
床身中常用的几种截面肋板布置如图2.61所示。
a）V形肋
b）对角
c）斜方肋
图2.61 床身截面肋板2所示
数控机床的导轨
数控机床结构与装调工艺
③燕尾形导轨。
可以看成是三角形导轨的变形。 其磨损后不能自动补偿间隙，需用镶条 调整。两燕尾面起压板面作用，用一根 镶条就可调整水平、垂直方向的间隙。 导轨制造、检验和修理较复杂，摩擦阻 力大。当承受垂直作用力时，它以支承 平面为主要工作面，它的刚度与矩形导 轨相近；当承受颠覆力矩时，其斜面为 主要工作面，刚度较低。燕尾形导轨一 般用于要求高度小的多层移动部件。两 个导轨面间的夹角为55。
传动导轨运动的传动链的刚度13数控机床结构与装调工艺数控技术系机制教研室导向精度精度保持性低速平稳性足够的刚度结构工艺性好导轨的刚度是机床工作质量的重要指标它表示导轨在承受动静载荷下抵抗变形的能力若刚度不足则直接影响部件之间的相对位置精度和导向精度另外还使得导轨面上的比压分布不均加重导轨的磨损因此导轨必须具有足够的刚度14数控机床结构与装调工艺数控技术系机制教研室导向精度精度保持性低速平稳性足够的刚度结构工艺性好在可能的情况下应尽量使导轨结构简单便于制造和维护
⑤平－平－三 角形组合
是用于重型龙门刨床工作台导轨的一种形式，三角形导轨主 要起导向作用，平导轨主要起承载作用，不需用镶条调整间隙。
数控机床的导轨 数控技术系机制教研室
数控机床结构与装调工艺
3）圆周运动导轨
主要用于圆形工作台、转盘和转塔头架等旋转运动部件。 ①平面圆环导轨 。 ②锥形圆环导轨 。 ③V形圆环导轨 。
数控机床的导轨 数控技术系机制教研室
数控机床结构与装调工艺
三、导轨的基本要求
导向精度 精度保持性 低速平稳性 足够的刚度 结构工艺性好
在可能的情况下，应尽量使导轨结 构简单，便于制造和维护。
对于刮研导轨，应尽量减少刮研量。 对于镶装导轨，应做到更换容易。
大型精密数控直线滚动导轨磨床整体结构布局设计分析
翱羧恭
应力为 ６ ． Ｍ ａ ９ ８ Ｐ ，立柱与横梁等大型部件应 力值基
本上在 ０ １ Ｐ 左右。 ．Ｍ ａ
离 了该机床主轴最大转速 （８ ０／ ） １０ ｒｍ 。
（ ）从 温度场 分布来 看 ，Ｈ 一７ Ｃ Ｃ的温度 ３ Ｚ０７ Ｎ 场分布与 Ｈ 一８ Ｃ Ｃ的分 布相似 ，Ｈ 一８ Ｃ Ｃ温 Ｚ０８ Ｎ Ｚ０８ Ｎ
图 ２ Ｈ － ８ Ｃ Ｃ总 体 结 构 Ｚ０ ８ Ｎ
床身 的摆动与扭转 。
５ 副 床身 ．
１ ．卧式 磨 头
２ 立 式磨 头 ． ７ ．立柱
３ 横梁 ．
４ ．夹具
６ ．工作 台
８ 床身 ．主
９ ．副床 身
Ｈ 一８ Ｃ Ｃ采 用 龙 门式 结 构 布 局 ，由立 柱 、 Ｚ０ ８ Ｎ
择 Ｓｌ １６与 Ｓｌ １７混 合 划 分 ，接 触 单 元选 择 ｏｄ８ ｉ ｏｄ８ ｉ
Ｃ Ｎ Ａ７ Ｏ Ｔ １４和 Ｔ Ｒ Ｅ ７ 。Ｈ 一７ Ｃ Ｃ分析模 型的 Ａ Ｇ １０ Ｚ ０７ Ｎ 总节点数 ：３９３３ ５ ７ ，接 触单元 数 ：１ ２ ，实体单 ８６０
元 ：１６６ １ Ｚ ０ ８ Ｎ ９ ６ 。Ｈ ． ８ Ｃ Ｃ分 析 模 型 的总 节 点 数 ：
ｔ Ｔ ｌ 。ｅ ｏ ＆ｃ ｇ
羧
鬻
横梁下 ，由于 磨削 时 的振 动互 相耦 合 ，振动 耦 合 下磨 削表 面质量 不 易控制 。 因而 在 原先 的 总体 布
局 基 础 上 ，较 难 达 到 国 家 科 技 重 大 专 项 的技 术 指
二 、有限元数值模拟
１ ．动 力学分 析在 线修 整 ，卧式 磨 头用 于磨 削 导轨 基 面及
重载导轨上平面 内的圆弧面 。 与 Ｈ 一７ Ｃ Ｃ导轨磨 床 的结 构设计 整体 布局 Ｚ０７ Ｎ 方案相 比，Ｈ ．８ Ｃ Ｃ的特点是 ： Ｚ０ ８ Ｎ （ ）把卧式磨 头装 在横梁前 侧 的另一 立柱上 ， １ 使立卧磨头距离拉近 ，缩短将近 １１ 。 Ｉ ＂ １ （ ）缩短床身 、纵 向进 给 导轨 及 纵 向丝杆 将 ２
数控机床液体静压导轨结构的优化设计
数控机床液体静压导轨结构的优化设计摘要：数控机床的导轨性能对数控机床的加工中心有着直接的影响，常规材料制造的机床导轨产生的动力学与热力学无法满足现代的高精度零件加工，为了提高数控机床的加工精准度，采用液体静压导轨并对导轨进行了改进。
本文以某型号数控机床加工中心的液体静压导轨为研究对象，并对液体静压导轨进行了改进，通过合理的数据假设进行设计，从而增加数控机床加工的精准性。
首先强化液体静态导轨的内部结构，其次对数控机床液体静压导轨的性能进行分析，最后针对液体静压导轨表面进行设计，将U-V形沟槽与V形沟槽进行减阻对比。
实验模拟结果表明：液体静压导轨的静压变形最大值较小，导轨油垫进行了完善设计；U-V形沟槽在减阻上面有着显著的效果，可以有效地改善液体静压的综合性能，并对数控机床的导轨设计提供参考意见。
关键词：数控机床；液体静压导轨；结构设计引文：随着现代化发展越来越快，人们对生活和工作的现代化产品要求越来越便利，导致现在产品的做工需要更加精密，因此各行各业对精密数据机床的需求更加地迫切。
在这样的大环境下，我国科研人员研究出了具有独立产权的精密数控机床，并以此为基础进行了改进和完善，本文以液体静态导轨作为研究对象，通过对导轨的改进提高切削功能与刀具的寿命，并在导体表面进行了合理的设计和完善，采用对比手段进行对照，得出最佳的液体静态导轨设计方案，从而提高数控机床中心加工技术的精准性，为推进现代化科技发展奠定基础[1]。
1液体静压导轨的分析与结构设计1.1液体静压导轨分析液体静压导轨是一种卧式加工中心，其导轨表面能有效地减阻。
图1显示了卧式加工中心的结构图。
在机床加工时，采用液体静压导轨对立柱进行支撑、固定和引导，以减少立柱和床身之间的摩擦，从而传导刀具与工件的作用力，使数控机床加工更加的精准[2]。
图1 卧式加工中心结构示意图例如，在一个经典的车床加工过程中，其主要的加工程序中：切削量f=0.5mm/r，则切削速度 vc=150 m/min，其它的参数都是通过参考相关的设计手册得到的。
导轨的设计与选择
一、导轨的设计与选择。
1、对导轨的要求1）导轨精度高导轨精度是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线和它与有关基面之间的相互位置的准确性。
无论在空载或切削工件时导轨都应有足够的导轨精度，这是对导轨的基本要求。
2）耐磨性能好导轨的耐磨性是指导轨在长期使用过程中保持一定导向精度的能力。
因导轨在工作过程中难免磨损，所以应力求减少磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。
3）足够的刚度导轨受力变形会影响部件之间的导向精度和相对位置，因此要求轨道应有足够的刚度。
4）低速运动平稳性要使导轨的摩擦阻力小，运动轻便，低速运动时无爬行现象。
5）结构简单、工艺性好导轨的制造和维修要方便，在使用时便于调整和维护。
2、对导轨的技术要求1）导轨的精度要求滑动导轨，不管是V-平型还是平-平型，导轨面的平面度通常取0.01〜0.015mm,长度方面的直线度通常取0.005〜0.01mm;侧导向面的直线度取0.01~0.015mm, 侧导向面之间的平行度取0.01〜0.015mm,侧导向面对导轨地面的垂直度取0.005〜0.01mm。
2）导轨的热处理数控机床的开动率普遍都很高，这就要求导轨具有较高的耐磨性，以提高其精度保持性。
为此，导轨大多需要淬火处理。
导轨淬火的方式有中频淬火、超音频淬火、火焰淬火等，其中用的较多的是前两种方式。
二、导轨的种类和特点导轨按运动轨迹可分为直线运动导轨和圆运动导轨；按工作性质可分为主运动导轨、进给运动导轨和调整导轨；按接触面的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨等三大类。
1）滑动导轨：是一种做滑动摩擦的普通导轨。
滑动导轨的优点是结构简单，使用维护方便，缺点是未形成完全液体摩擦时低速易爬行，磨损大，寿命短，运动精度不稳定。
滑动导轨一般用于普通机床和冶金设备上。
2）滚动导轨的特点是：摩擦阻力小，运动轻便灵活；磨损小，能长期保持精度；动、静摩擦系数差别小，低速时不易出现"爬行"现象，故运动均匀平稳。
数控龙门导轨磨床总体方案设计
The grinder can process a variety of surfaces, such as inner, outer cylindrical surface and a conical surface, plane, tooth profile of involute spiral surface and various surface, forming surface. Grinder of many types, according to the nature of their work can be divided into: external grinder, internal grinder, surface grinder, grinding machine tools and some special grinding machine. Thread grinder, grinding machine, such as spherical spline grinding machine, grinder and centerless grinder. Rail grinding machine is a kind of according to the nature of the work out of the grinder.
数控机床结构与设计7——数控机床的床身与导轨
图6-5 AG床身的结构形式
(a)整体结构，(b)框架结构， (c)分块结构
6，2 贴塑滑动导轨设计
滑动导轨具有结构简单，制造方便，接触 刚度大的优点。但传统滑动导轨摩擦阻力 大，磨损快，动静库擦系数差别大，低速 时易产生爬行现象。除简易型数控机床外， 在其它数控机床上已不采用，在数控机床 上常用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨 和新型塑料滑动导轨。它们具有良好的摩 擦性能及使用寿命长的特点，尤其是靼料 导轨将有代替滚动导轨的趋势。
图6-4 铸造床身的封砂结构
(a)旧结构 (b)新结构
6. 1．4 床身的结构设计
AG(人造花岗石)材质是一种新型休身材质， 它除了具有好的阻尼性能(阻尼为灰铸铁的 8～10倍)外，还具有尺寸稳定性好、抗腐 蚀性强、制造成本低等优点，与灰铸铁比， 它热容量大，热导率低，构件的热变形小； AG床身的后期加工量很少，这样可以大大 减少占用大型机床加工时间和加工成本， 并能节约大量金屑，如一个磨床床身就可 以节约90％左右的金属材料。
6. 3．1 静压导轨的结构
按静压导轨的结构形式可分为两大类。开 式静压导轨和闭式静压导轨两类。按供油 方式可分为恒压供油和恒流供油两类。 1．开式静压导轨是指不能限制工作台从 导轨上分离的静压导轨，如图6—13所示， 这种导轨的载荷总是指向导轨，不能承受 相反方向的载荷，并且不易达到很高的刚 性。这种静压导轨用于运动速度比较低的 重型机床。
床身式立式铣床
3．较好的热稳定性
对数控机床来说，尤其是高精度数控机床， 热稳定性已成了一个突出问题，必须在设 计上要作到使整机的热变形较小，或使热 变形对加工精度的影响较小。
6．1．2 床身的结构
1．床身结构 根据数控机床的类型不同，床身的结构 形式有各种各样的形式。例如数控车床床 身的结构 形式有平床身、斜床身、平床身 斜导轨和直立床身等四种类型，在数控车 床一章中已作介绍，另外这种斜床身结构 还能设计成封闭式断面，这样大大提高了 床身的刚度，如图6—1所示。
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数控机床导轨的设计
作者：王佳蕊张琳琳
来源：《科学与财富》2015年第36期
摘要：导轨是机床的关键部件之一，其性能好坏，将直接影响机床的加工精度、承载能力和使用寿命。
其功用是支承并引导运动部件沿一定的轨迹运动，它承受其支承的运动部件和工件（或刀具）的质量和切削力。
关键词：数控机床；导轨；设计
引言
按机床的运动性质，大多数机床都是进给运动导轨，其导轨副之间的相对运动速度较低，本机床进给运动为刀架的上下运动、刀架在横梁的左右运动以及整个横梁的上下升降运动，采用的是矩形导轨，使用镶条来调整各部件间的间隙。
静压导轨是将具有一定压强的润滑油，经节流器，通入动导轨的纵向油槽中，形成承载油膜，将导轨副的摩擦面隔开，实现液体摩擦，这种靠液压系统产生的压力油形成承载油膜的导轨称为静压导轨。
静压导轨的优点是：摩擦系数为0.005～0.001，机械效率高；由于有油膜作用，不会产生粘着磨损，导轨精度保持性好；油膜有均化表面误差的作用，相当于提高了制造精度；油膜的阻尼比大，一般为0.04～0.06，因此静压导轨抗震性能较好；静压导轨低速运行平稳，防爬行性能良好。
但是静压导轨结构复杂，需要一套完整的液压系统，维修也相当困难。
因此，静压导轨适用于具有液压传动系统的精密机床和高精度机床的水平进给运动导轨。
本文设计机床导轨为立式车床的立柱导轨，主要承载横梁的升降，采用滑动导轨能够满足精度传动要求。
1.滑动导轨的截面形状
导轨的主要功能是导向，动导轨必须按照导向轨迹进行运动，因此必须限定除沿静导轨面移动的另外五个自由度。
支承导轨制造或安装在立柱、横梁等支承件上，接触导轨面的宽度远小于其导轨的长度，根据定位原理，可以视导轨为窄定位板，只能限制沿y轴移动和绕x轴转动的两个自由度；可以利用两窄板（a和b）定位方法，在一个坐标面中形成一个定位平面，可以限制沿y轴的移动和绕X轴、Z轴转动的三个自由度；要准确导向，还需要限制沿X轴的移动和绕y轴的转动，因此，需增加另一坐标面上的窄支承平面c。
从而形成最基本的双矩形导轨。
该矩形导轨结构简单，容易制造，刚度和承载能力大，安装调整方便。
但是其缺点是导轨面易磨损且不能够自动补偿，且需要增加间隙调整机构。
这种导轨广泛用于普通精度机床和中型机床中，如数控机床。
为使C面定位可靠，保证导向精度，应用镶条调整c面与动导轨结合面之间的间隙。
导轨面模型如图1.1所示。
图1.1横梁矩形导轨面
2.导轨间隙的调整
辅助导轨副间的间隙调整一般是用精磨压板来调整导轨副间的间隙。
而调整矩形导轨问的间隙常用斜镶条和平镶条来调整。
虽然平镶条制造较斜镶条较为容易，但是，当其与导轨面配合时就会出现累积的间隙误差，调整较为麻烦，现已不常用。
而斜镶条斜面与动导轨配合斜面在长度方向上斜度相等，倾斜方向相反，这样可以纵向移动镶条调整导轨横向间隙。
镶条应保证有适当的长度余量，以保证镶条斜面与动导轨面有足够的接触面，从而有利于传动平稳；镶条平面与支承导轨面、镶条斜面与动导轨斜面配拉削后，截去长度余量，固定在动导轨上，如图2.1所示。
我们采用图示调整方式通过配合精度可以避免镶条在运动时的窜动。
图2.1斜镶条的间隙调整
3.提高滑动导轨耐磨性措施
铸铁是一种成本低，有良好的减震性和耐磨性，易于铸造和切削加工的材料，因此常用于机床的大件的铸造。
一般铸造出的导轨其耐磨性较低，容易粘着磨损，
导轨寿命较低，所以常在浇注导轨时加入少量的如硅、锰等的孕育剂，在灰铸铁中加入磷、铜等细化晶粒的元素，浇注完成后对其表面进行高频淬火等措施，都可以提高导轨的耐磨性。
同时，我们注意到，导轨副应采用不同的材料制造，或者相同的材料不同的热处理方法，这样可以提高导轨副的耐磨性，防止粘着磨损。
本机床立柱导轨，主要承受横梁的重力，切削力基本被其抵消，因此机床导轨有向外被拉的趋势是主要使机床损坏的原因。
由于本次设计的机床精度较高，导轨副传动需要有较高的传动要求，采用耐磨铸铁导轨副，导轨面需进行刮研处理，还需要保证动导轨面的硬度要比其支承导轨面的硬度低20～40HBW，镶条需要贴导轨软带，主要是导轨软带具有良好的摩擦特性，又具有青铜和钢的刚性和导热性，应用也日趋广泛。
提高导轨导轨耐磨性还要有精度保证，长导轨副我们采用精磨，短导轨副采用刮削方式，这样可以保证导轨面的耐磨性。
同时动导轨的滑移速度较低，我们选用导轨面的压强小于
0.2MPa.m/min，此种压强下可以降低导轨面的磨损速度。
此外，良好的润滑环境是导轨副长期工作的保障，为了提高动压效应，改善摩擦状态，需在导轨面开横向油槽，这样可以储存更多的润滑油，提高了动压效应。
又由于是垂直导轨，我们采用N46号全损耗系统供油。
4刀架丝杠的特性
滚珠丝杠传动系统是一个以滚珠作为滚动媒介的滚动螺旋传动的体系。
滚珠丝杠副是将丝杠螺母皆加工成凹半圆弧形螺纹，在螺纹之间放入滚珠形成的。
当丝杠、螺母相对转动时，滚珠沿螺旋滚道滚动，螺纹摩擦为滚动摩擦，从而提高了传动精度和传动机械效率。
为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能自动返回其入口循环流动。
滚珠丝杠副的特性：滚珠丝杠传动系统的传动效率高，是普通滑动丝杠系统的2-4倍，功率消耗也只有滑动丝杠螺母副的0.25-0.35，所以能以较小的扭矩得到较大的推力，由于具有运动可逆性，亦可由直线运动转为旋转运动；滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作时灵敏度高、启动时无颤动、摩擦阻力也较小，当传动系统其余部件的刚度足够，微量进给运动几乎可以达到同步效果；滚珠丝杠传动是点接触，系统运动中产生较小温度，轴向拉伸可以消除间隙，对丝杠进行预拉伸可以大大消除热伸长，因此可以基本消除重复定位精度导致的误差；钢球滚动接触处均经硬化（HRC58～63）处理，并经精密磨削，滚珠在传动槽中做循环运动，相对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性；由于滚珠丝杠副具有很好的同步效果，使用几套相同的丝杠副就可以同时传动几个相同的部件或装置，实现传动系统的同步工作。
刀架在低速进给过程中会受到摩擦阻力的作用出现不均匀的跳跃现象，速度时快时慢，特别在刀架左右点动的过程中出现也会出现这种现象，我们称之为爬行现象。
造成这种情况的大多原因是由于系统中各零部件的刚度不够而造成的弹性变形，或者导轨面的润滑不充分等原因造成的。
这种现象会影响机床的加工精度，定位精度，爬行严重时会造成机床不能正常工作。
因此，我们需分析并确定减少危害机床爬行现象的措施。
出现爬行现象的主要原因是横梁导轨面上的动摩擦因素小于其静摩擦因素，且动摩擦因素随滑移速度的增加而减小以及传动系统的弹性变形。
结论
导轨作为机床的关键部件之一，其性能好坏，将直接影响机床的加工精度、承载能力和使用寿命。
本文从介绍了导轨的类型、横截面积形式。
阐述了导轨间隙的调整方法和提高滑动导轨耐磨性措施。
并在文章最后介绍了与导轨向关联的刀架及其刀架丝杠的特征，对导轨的设计具有一定的意义。
参考文献
[1]李晓华.数控机床的产生及其特点与发展趋势[J].承德职业技术学院学报，2007（2）：106-109
[2]朱南峰.五轴数控加工中心在木制品与家具生产中的应用.见：朱南峰等.2007全国木材加工技术与装备发展研讨会论文集.南京，2007。