数控原理与数控机课件 第七章

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1、数控原理与数控机课件 第七章 第七章数控机床的总体设计数控机床与同类型的普通机床虽然在结构上十分相似。 但是，两者之间。 但是，两者之间存在很大的差异，这是由于数控机床的工作原理和加工特点加工特点所决定的。 数控机床的特点如下。 第一节数控机床的结构设计 一、数控机床结构设计的要求 (一)自动保证稳定的加工精度在工件的 (一)自动保证稳定的加工精度在工件的加工过程中，从控制工件尺寸的角度来分析，普通机床与数控机床两者是有很大差异的。 的角度来分析，普通机床与数控机床两者是有很大差异的。 1普通机床在普通机床上加工工件时，如图71(a)所示，在普通机床上加工工件时，如图71(a)所示，操作者直接

2、直接测量工件的实际尺寸，然后和，然后和设计图纸所要求的尺寸相比较后，操作者本人对操纵手柄后，操作者本人对操纵手柄进行调节，达到修正加工偏差的目的。 在这个操作过程中，操作者实际上起到了测量、调节和控制装置的作用。 由操作者本人完成了测量、运算比较和调节控制的功能。 可以说，达到修正加工偏差的目的。 在这个操作过程中，操作者实际上起到了测量、调节和控制装置的作用。 由操作者本人完成了测量、运算比较和调节控制的功能。 可以说操作者实际上处于控制回路之内，是控制系统中的某些环节操作者实际上处于控制回路之内，是控制系统中的某些环节。 2数控机床在加工时，一都按预先编制的加工程序在加工时，一都按预先编制

3、的加工程序自动进行自动进行，操作者只是发出启动命令发出启动命令，监视机床的工作情况工作情况，在加工过程中并不直接测量工件的尺寸并不直接测量工件的尺寸，而是由数控装置根据程序指令和机床的根据程序指令和机床的位置检测装置位置检测装置的测量结果来控制刀具和工件的相对位置，从而达到控制工件尺寸的目的。 的相对位置，从而达到控制工件尺寸的目的。 这样，如果由于机床的温升引起热变形温升引起热变形、导轨磨损、刀具磨损、机床刀具工件的工艺系统的弹性变形，以及进给运动的、机床刀具工件的工艺系统的弹性变形，以及进给运动的定位误差定位误差等因素，使刀具和工件的相对位置偏离了理论值，则将造成工件的等因素，使刀具和工件

4、的相对位置偏离了理论值，则将造成工件的加工误差加工误差。 因此，在设计数控机床时，对于影响机床加工精度的各项因素，如机床的。 因此，在设计数控机床时，对于影响机床加工精度的各项因素，如机床的刚度、抗振性、摩擦磨损摩擦磨损、温升及热变形、进给运动的、进给运动的定位精度等，应该给予足够的重视。 等，应该给予足够的重视。 (二)提高加工能力和切削效率通常，由于数控机床比较昂贵首期投资较大，为取得与投资相应的经济效益，应使数控机床的 (二)提高加工能力和切削效率通常，由于数控机床比较昂贵首期投资较大，为取得与投资相应的经济效益，应使数控机床的使用率提高，承受负荷的能力大。 机床上总是。 机床上总是采用

5、工作能力最强的刀具来最大限度地提高切削功率和切削效率采用工作能力最强的刀具来最大限度地提高切削功率和切削效率。 数控机床的传动功率比普通机床要大，以此来适应切削功率不断提高的需要。 因此，数控机床的结构要有良好的。 数控机床的传动功率比普通机床要大，以此来适应切削功率不断提高的需要。 因此，数控机床的结构要有良好的刚性、抗振能力抗振能力、承受载荷的能力以及使用寿命。 (三)提高使用效率单件零件在数控机床上加工所用的工时，往往只有普通机床的14左右只有普通机床的14左右，甚至更短。 这是因为，一方面数控机床提高了切削效率提高了切削效率，缩短了切削时间；另一方面，在数控机床上还采用了各种措施来，在

6、数控机床上还采用了各种措施来缩短辅助时间。 数控机床是全自动机床，从自动化的控制原理上，将。 数控机床是全自动机床，从自动化的控制原理上，将变速操作、尺寸测量等辅助加工时间减少到最少限度。 此外，数控机床还尽量。 此外，数控机床还尽量缩短装卸刀具、装卸工件、搬运工件、检查加工精度检查加工精度、调整机床等辅助加工时间。 加工中心是能够自动换刀的数控机床，它具有是能够自动换刀的数控机床，它具有自动换刀、工件自动转位或者自动分度等功能，使工件在等功能，使工件在一次装夹后可以完成多个表面的多种加工工序。 因此，机床上必须具有完成这些工序。 因此，机床上必须具有完成这些辅助动作的自动化的结构与部件。 当

7、然，有关提高静、动刚度，抗震性能，热稳定性和几何精度提高静、动刚度，抗震性能，热稳定性和几何精度等方面的要求和结构措施，对于普通机床和数控机床都是一致的，但是，它们二者所要求的程度应该是有差异的。 综上所述，数控机床的结构设计要求可以归纳为如下几个方面。 综上所述，数控机床的结构设计要求可以归纳为如下几个方面。 具有实现辅助操作自动化的结构部件。 具有大切削功率，高的静、动刚度，良好的抗震性能。 具有较高的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性。 二、提高机床的结构刚度机床的刚度是指在切削力和其他力的作用下，抵抗变形的能力。 数控机床要求具有更高的静刚度与动刚度，有的标准规定数控机床的刚度系数

8、应比类似的普通机床高是指在切削力和其他力的作用下，抵抗变形的能力。 数控机床要求具有更高的静刚度与动刚度，有的标准规定数控机床的刚度系数应比类似的普通机床高50。 机床在加工过程中，要承受各种外力的作用。 承受。 机床在加工过程中，要承受各种外力的作用。 承受的静态力有运动部件和工件的自重，承受的动态力有切削力切削力、驱动力、加速和减速所引起的惯性力、摩擦力等。 机床的各个部件在这些力的作用下，将产生变形。 例如固定连接表面或运动啮合、摩擦力等。 机床的各个部件在这些力的作用下，将产生变形。 例如固定连接表面或运动啮合表面的接触变形，各个支撑部件的弯曲和扭转变形支撑部件的弯曲和扭转变形，以及某

9、些支撑构件的局部变形等。 这些变形都会直接或间接地引起刀具和工件之间的相对位移，从而引起工件的加工误差，或者影响机床切削过程的特性。 等。 这些变形都会直接或间接地引起刀具和工件之间的相对位移，从而引起工件的加工误差，或者影响机床切削过程的特性。 由于情况复杂，一般很难对结构刚度进行精确的计算。 设计者只能对。 设计者只能对件部分构件（如轴、丝杆等）用计算方法求算其刚度,而对于床身、立柱、工作台、箱体等零部件的方法求算其刚度,而对于床身、立柱、工作台、箱体等零部件的弯曲和扭转变形，结合面的接触变形等，只要、将其变形，结合面的接触变形等，只要、将其简化进行近似计算，计算结果往往与实际相差较大，故

10、只能，计算结果往往与实际相差较大，故只能作为定性分析的参考。 一般来讲，在设计时仍然需要。 一般来讲，在设计时仍然需要对模型、实物或类似的样机进行试验、分析和对比以确定合理结构方案。 尽管如此，遵循下述原则和措施，是可以合理提高机床的结构刚度的。 (一)合理选择构件的结构形式以确定合理结构方案。 尽管如此，遵循下述原则和措施，是可以合理提高机床的结构刚度的。 (一)合理选择构件的结构形式1正确选择截面的形状和尺寸构件承受弯曲扭转扭荷后，其变形大小取决于断面的抗弯和抗扭惯性矩，抗弯和抗扭性矩大的则其刚度高。 表7-1列出了在断面面积相同(即重量相同)的情况下各种断面形状的惯性矩。 从表71中的数

11、据可以看出。 从表71中的数据可以看出形状相同的断面，当保持相同的截面积时，应该减小壁厚，加大截面的轮廓尺寸；圆形截面的抗扭刚度比方形截面的大，抗弯刚度则比方形截面的小；封闭式截面的刚度比不封闭式截面的刚度大很多；壁上开孔将使刚度下降，在孔周围加上凸缘可以使抗弯刚度得到恢复。 2合理选择及布置隔板和筋条合理布置支承件的隔板和筋条，可以提高构件的静刚度。 图7-2所示的几种立柱的结构，在内部布置有纵、横和对角筋板，对它进行静、动刚度实验的结果列表于7-2中。 其中以合理布置支承件的隔板和筋条，可以提高构件的静刚度。 图7-2所示的几种立柱的结构，在内部布置有纵、横和对角筋板，对它进行静、动刚度实

12、验的结果列表于7-2中。 其中以以交叉筋板(序号5)为最好以交叉筋板(序号5)为最好。 对于一些薄壁构件，为了减少壁面的翘曲和构件截面的畸形变形，可以在壁板上设置如图7-3所示的，为了减少壁面的翘曲和构件截面的畸形变形，可以在壁板上设置如图7-3所示的筋条，其中以蜂窝状加强筋较好，如图7-3(f)所示。 它除了能够，其中以蜂窝状加强筋较好，如图7-3(f)所示。 它除了能够提高构件刚度之外，还能够减少铸造时的之外，还能够减少铸造时的收缩应力。 机床的导轨和支承件的联结部分，往往是局部刚度最弱的部分，但是联结方式对局部刚度影响最大。 图7-4所示为导轨与床身联结的几种结构形式。 如果机床的导轨和

13、支承件的联结部分，往往是局部刚度最弱的部分，但是联结方式对局部刚度影响最大。 图7-4所示为导轨与床身联结的几种结构形式。 如果导轨的尺寸较宽时，应该使用双壁联结型式，如图7-4中的(d)、(e)、(f)。 如果导轨的尺寸较窄时导轨的尺寸较窄时，可以使用单壁或者加厚的单壁联结，或者在单壁上增加垂直筋条单壁上增加垂直筋条来提高局部刚度。 3提高构件的局部刚度机床的床身、立柱等支承件，采用钢板和型钢焊接而成，具有减轻重量、提高刚度的显著优点。 钢材的弹性模量是铸铁的两倍左右，在形状和尺寸相同的情况下，如果要求焊接件与铸件的刚度相同，则焊接件的壁厚只需要铸件的一半；如果要求局部刚度相同，则因为局部刚

14、度与壁厚的三次方成正比，所以焊接件的壁厚只需要铸件的80左右。 此外，在刚度相同的情况下减轻重量，或在重量相同的情况下提高刚度，都可以提高构件的固有频率，使共振不易发生。 用钢板焊接有可能将构件作成完全封闭的箱体结构，从而有利于提高构件的刚度。 左右，在形状和尺寸相同的情况下，如果要求焊接件与铸件的刚度相同，则焊接件的壁厚只需要铸件的一半；如果要求局部刚度相同，则因为局部刚度与壁厚的三次方成正比，所以焊接件的壁厚只需要铸件的80左右。 此外，在刚度相同的情况下减轻重量，或在重量相同的情况下提高刚度，都可以提高构件的固有频率，使共振不易发生。 用钢板焊接有可能将构件作成完全封闭的箱体结构，从而有利于提高构件的刚度。 4选用焊接结构的构件 (二)合理的结构布局可以提高刚度以 (二)合理的结构布局可以提高刚度以卧式镗床或卧式加工中心为例进行分析，图7-5(a)、(b)、(c)所示三种方案的为例进行分析，图7-5(a)、(b)、(c)所示三种方案的主轴箱是单面悬挂在立柱侧面的，主轴箱的自重将使立柱将使立柱产生弯曲变形；切削力也将使立柱产生弯曲和扭曲变形。 这些变形将要影响到零件的加工精度。 变形。 这些变形将要影响到零件的加工精度。 方案(d)的主轴箱的主轴中心位于立柱的对称面内主轴中心位于立柱的对称面内，主轴箱的自重不再引起立柱的变形，相同的切削