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1、数控机床的结构要求发布: 2008-8-27 12:13|作者: 管理员| 查看: 66次中国机械资讯网-B D E*g-| g D 机床本体是数控机床的主体部分。来自于数控装置的各种运动和动作指令，都必须由机床本体转换成真实的、准确的机械运动和动作，才能实现数控机床的功能，并保证数控机床的性能要求。$ h ? F o0E0 j8v4E z K(s ,0数控机床的机床本体由下列各部分组成：b y c U s q j0 中国机械资讯网 W%E x u2x l5? (1) 主传动系统，其功用是实现主运动。4X5v1M z K1g J0 中国机械资讯网&C _G I _ | j9f (2) 进给系统
2、，其功用是实现进给运动。Z r %l s-h0 7 H,H+J!| T2g0(3) 机床基础件，通常指床身、底座、立柱、滑座、工作台等。其功用是支承机床本体的零、部件，并保证这些零、部件在切削加工过程中占有的准确位置。0z&H J T j n0 v3NT$ 7J v!Y j0U0(4) 实现某些部件动作和某些辅助功能的装置，如液压、气动、润滑、冷却以及防护、排屑等装置。p8d F+n 0 X X h I G B W0(5) 实现工件回转、分度定位的装置和附件，如回转工作台。.p0C M:g5R7g#0 中国机械资讯网 a#a.H0,G 5e4a H1d (6) 刀库、刀架和自动换刀装置 (AT
3、C) 。中国机械资讯网 g F B-c J1T(c8I*g:T%E9t8X/| H0(7) 自动托盘交换装置 (APC) 。中国机械资讯网: B Z$n Kv Z* m5f(q/P0(8) 特殊功能装置，如刀具破损检测、精度检测和监控装置等。中国机械资讯网$Gb d;a:f c| N o M Z8b9.d0其中，机床基础件、主传动系统、进给系统以及液压、润滑、冷却等辅助装置是构成数控机床的机床本体的基本部件，其他部件则按数控机床的功能和需要选用。尽管数控机床的机床本体的基本构成与传统的机床十分相似，但由于数控机床在功能和性能上的要求与传统机床存在着巨大的差距，所以数控机床的机床本体在总体布局、
4、结构、性能上与传统机床有许多明显的差异，出现了许多适应数控机床功能特点的完全新颖的机械结构和部件。W:u j d3F k0 #S p U9d %U f0数控机床是一种高精度、高效率的自动化加工设备。尽管数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，但仍然为机械制造厂家所普遍采用并取得很好的经济效益，其原因在于数控机床能自动化地，高精度、高质量、高效率地解决中、小批量的加工问题。数控技术、伺服驱动技术的发展及在机床上的应用，为数控机床的自动化、高精度、高效率提供了可能性，但要将可能性变成现实，则必须要求数控机床的机械结构具有优良的特性才能保证。这些特性包括结构的静刚度、抗振性、热稳定性、低速运动的平稳性及运
5、动时的摩擦特性、几何精度、传动精度等。$v k0Oe2.L0 中国机械资讯网0W4w%Lm f)q 一、提高机床结构的静刚度O I5;L R y a0 中国机械资讯网6 I.A c:f ? 机床结构的静刚度是指在切削力和其他力的作用下，机床抵抗变形的能力。中国机械资讯网 -m | T-p jZ | e J中国机械资讯网3U%e7T!7h _ y(w |5J 机床在加工过程中，受多种外力的作用，包括运动部件和工件的自重、切削力、驱动力、加减速时的惯性力、摩擦阻力等。机床的各部件在这些力的作用下将产生变形，如 各基础 件的弯曲和扭转变形，支承构件的局部变形，固定 连接面和运动啮合面的接触变形等。这
6、些变形都会直接或间接地引起刀具与工件之间产生相对位移，破坏刀具和工件原来所占有的正确位置，从而影响机床的加工精度和切削过程的特性，所以，提高机床的静刚度是机床结构设计的普遍要求。数控机床为获得高效率而具有的大功率和高速度，使它所承受的各种外力负载更加恶劣，而且加工过程的自动化也使得加工误差无法由人工干预来修正和补偿，所以，数控机床的变形对加工精度的影响会更为严重。为了保证数控机床在自动化、高效率的切削条件下获得稳定的高精度，其机械结构应具有更高的静刚度，有标准规定数控机床的刚度系数应比类似的普通机床高 50 。中国机械资讯网&v!K p &? T Ku M;T1 z x 01 合理设计基础件的
7、截面形状和尺寸，采用合理的筋板结构#? T I i2A0 8R8v5o!DD z;L q0机床在外力的作用下， 各基础件将 承受弯曲和扭转载荷，其弯曲和扭转变形的大小则取决于基础件的截面抗弯 和抗扭惯性矩 ，抗弯、 抗扭惯性矩大，变形则小，刚度就高。表 5-1 列出了在截面 积相同 ( 即重量相同 ) 时，不同截面形状和尺寸的惯性矩。由表中数据可知：在形状和截面积相同时，减小壁厚，加大截面轮廓尺寸，可大大增加刚度；封闭截面的刚度远远高于不封闭截面的刚度；圆形截面的抗扭刚度高于方形截面，抗弯刚度则低于方形截面；矩形截面在尺寸大的方向具有很高的抗弯刚度。因此，通过合理设计截面形状和尺寸，可大大提高
8、基础件的结构静刚度。3l a f-l y8X0 中国机械资讯网%3g g ? 96 j4z 中国机械资讯网 h K J& 3n A H.j*,i;d k,Z0图5-1 所示为 日本森精机 SL 系列数控车床的床身截面，床身导轨倾斜布置，改善了排屑条件，同时截面形状采用封闭式箱体结构，从而加大了床身截面的外轮廓尺寸，使该床身具有很高的抗弯、抗扭刚度。这种倾斜布置的结构为数控车床所普遍采用。中国机械资讯网 b l1x l F;u%z C1 h4F2d(C0-Q Q4z9V W r0 中国机械资讯网 l Kx mw5G 图5-2 所示为卧式加工中心普遍采用的框式立柱结构。从正面看，立柱截面成封闭框形
9、，轮廓尺寸大，从而保证以高扭转刚度承受切削扭矩产生的扭转载荷。从俯视截面看，两个立柱截面形状为矩形，矩形尺寸大的方向正是因切削力作用产生大的弯曲载荷的方向。因而这种结构具有很高的刚度。S H E A (b)e5L a g0 中国机械资讯网 G4-U2N7v I1G _ S/ r U E v |2w0 中国机械资讯网7 G :X3x6C y b.j 合理布置基础件的筋板可以提高静刚度，表5-2 给出了立柱的几种不同筋板布置时的相对静刚度。从表中可知：纵向筋板能提高立柱的抗弯和抗扭刚度，提高抗扭刚度效果更为显著；对角线斜置筋板和对角线交叉筋板对提高立柱的刚度更为有效。*r 0U,p1x S r0
10、中国机械资讯网 Yz W V R E 表5-2 不同筋板布置时立柱的静刚度对比中国机械资讯网 K3F Y0H k _ K:Ek A+p3i |:Yo y k j0中国机械资讯网)C l(E)P I中国机械资讯网;E P*| F8e J2? 图5-3 所示为两种立式加工中心立柱的横截面图。由于该立柱承受弯扭组合载荷，故截面采用接近正方形的封闭外形，为了进一步提高抗弯、抗扭刚度，内部采用了斜方双层壁( 相当于斜纵向筋板) 和对角线交叉筋板。所以，这两种立柱都有很高的抗弯、抗扭刚度。8m2o%B*q6l w I0 中国机械资讯网 s)i o U J8K 4a n%B2M5T2U v0 P B5| m
11、 I P;s0(a)XK-716 型立式加工中心； (b)STAMA MCll8 型立式加工中心Z H Oz3O h d PQ;R0 6H g _ +0图5-3 立柱横截面U(O2e*|#c X40 E D!Q7s d I9b0合理布置筋板还可提高基础件的局部刚度，图5-4 所示为日本三井精机 HS 6A 型超精密重切削卧式加工中心采用的床身结构。该床身为整体式结构，截面为封闭箱形结构，整体结构刚度很高。为了加强导轨连接的局部刚度，采用两条成 Y 形的斜筋支撑导轨。:?.s$N%T+L L 9F0 T l9 z# n0中国机械资讯网 IY ?%n t*o T中国机械资讯网1q |.i *y C
12、8j 图5-4 三井精机HS 6A 型加工中心的床身结构 G L s X O8f, P00 中国机械资讯网 J k$E z#R P f 2 采用合理的结构布局，改善机床的受力状态，提高机床的静刚度#G D y C,Q N0q0 +x6P U90在切削力、自重等外力相同的情况下，如果能改善机床的受力状态，减小变形，则能达到提高刚度的目的。以机床主轴为例，在其他条件不变的情况下，缩短主轴前端的悬伸长度，可以减小主轴承受的弯矩，从而减小主轴前端的挠度，提高主轴的刚度。x4?N Q j0 中国机械资讯网/X,w,C e i i K 采用合理的机床结构布局，可以显著地改善机床的受力状况，提高机床的刚度。
13、中国机械资讯网 t U,YE m7f)p w Oy&y v F r R F v0图5-5 所示为传统的车床床身布局 ( 见图5-5(a) 与数控车床床身布局 ( 见图5-5(b) 的受力状况的分析比较。c b&N4m$E s Q0 g(i6H _ O M P#l K0%b G/V0A;F W I9F,i0 | u;E q9j*M I0图5-5 车床床身布局1Y R y k MG0 中国机械资讯网 H N8e*j$ K 设床身截面积和惯性矩及其所受切削力 P 相等，对传统车床，床身水平布局，床身所受扭矩为 ：中国机械资讯网)B9r v(b:M d中国机械资讯网*Z,E N!l(z&H (5-1)
14、#c/K y H X0 中国机械资讯网,l | G I$q-Q 对数控车床，床身倾斜布局，设倾角为 ，床身所受扭矩为 ： (5-2);T L-I&t M z F+f0 C6p B0y G0比较式 (5-1) 和式 (5-2) 可看出，采用倾斜布局的数控车床床身所承受的扭矩要比采用水平布局的传统车床床身的要小，因而机床的刚度得到了提高。中国机械资讯网8q9z t)D n O,J&VD(? L中国机械资讯网4|#j/M4l9E -m 图5-6 所示为传统的卧式镗铣床的结构布局和卧式加工中心 ( 卧式自动换刀数控镗铣床 ) 的结构布局的比较。24b ,o+l c e0 中国机械资讯网*e g N4W
15、 _ m g 传统的卧式镗铣床由于主轴箱单面悬挂在立柱侧面，主轴箱自重将使立柱承受弯矩 ，切削力将使立柱承受扭矩 ，而加工中心的布局使主轴箱的主轴中心位于立柱的对称面内，立柱则不再承受由主轴箱自重产生的弯矩和由切削力产生的扭矩，从而改善了立柱的受力状况，减小了立柱的弯曲、扭转变形，提高了刚度 。H)r _ ,c o A0 $ M K0Zk)K E bu0中国机械资讯网!v r a/I MC* I _5j c 0图5-6 卧式镗铣床与卧式加工中心的结构布局比较9o c-v&#x$T9.F0 中国机械资讯网 i A R Yk4 3 补偿有关零、部件的静力变形8 %k*X L7F M0 5w r y(_#c s3d W f0在外力的作用下，机床的变形是不可避免的，如果能采取措施使变形对加工精度的影响减小，其结果相当于提高了机床的刚度。依照这一思路，产生了许多补偿有关零、部件的静力变形的方法，这种方法普遍用于补偿因自重而引起的静力变形。中国机械资讯网( B$V E q中国机械资讯网 _ I/x Q W6p P
