第八章 数控机床的机械结构8-1-2

第八章数控机床的机械结构第一节概述一、数控机床的结构特点在数控机床发展的最初阶段，其机械结构与通用机床相比没有多大改变，只是在自动变速，刀架或工作台自动转位和手柄操作等方面作些改变。

但随着数控技术的发展，考虑到它的控制方式和使用特点，对机床的生产率、加工精度和寿命提出了更高的要求。

因此，传统机床的一些结构缺陷（例如结构刚性不足、抗振性差、传动部件的惯性大、传动副的摩擦及间隙太大等）就不能满足实际的使用要求。

当前，数控机床主体的结构有以下特点：１）由于采用了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，数控机床的机械传动结构大为简化，传动链也大大缩短。

２）为适应连续地自动化加工和提高加工生产率，数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度和阻尼精度，较高的耐磨性而且热变形小。

３）为减小摩擦，消除传动间隙，获得更高的加工精度，更多地采用了高效传动部件，如滚珠丝杆副和滚动导轨，消隙齿轮传动副等。

４）为了改善劳动条件，减少辅助时间，改善操作性，提高劳动生产率，采用了刀具自动夹紧装置、刀库与自动换刀装置及自动排屑装置等辅助装置。

二、数控机床的结构要求根据数控机床的使用场合和结构特点，数控机床的机械结构应具有以下一些结构要求：（一）较高的机床静、动刚度数控机床是按照数控编程或手动输入数据方式提供的指令进行自动加工的。

由于其机械结构（如机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴箱等）的几何精度与变形所产生的定位误差在加工过程中不能人为的调整与补偿。

因此，必须把各处机械结构部件产生的弹性变形控制在最小限度内，以保证所要求的加工精度与表面质量。

为了提高数控机床主轴的刚度，不但经常采用三支承结构，而且选用刚性很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承，以减小主轴的径向和轴向变形。

为了提高机床大件的刚度采用封闭截面的床身；及采用液力平衡和重块平衡来减少移动部件因位置变动造成的机床变形；为了提高机床各部件的接触刚度增加机床的承载能力，采用刮研的方法可以增加单位面积上的接触点；在结合面之间施加足够大的预加载荷也能够增加接触面积，这些措施都能有效地提高接触刚度。

为了充分发挥数控机床的高效率加工能力，并能进行稳定的切削，在保证静态刚度的前提下，还必须提高其动态刚度。

常用的措施主要有：提高系统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率。

试验表明，提高阻尼系数是改善抗振性的有效方法。

钢板的焊接结构既可以增加静刚度，减轻结构重量，又可以增加构件本身的阻尼。

因此，近年来在数控机床上采用了钢板焊接结构的床身、立柱、横梁和工作台。

封砂铸件也有利于振动衰减，它对提高抗振性也有较好的效果。

（二）减少机床的热变形机床在内外热源的影响下，各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破坏，也使机床精度下降。

对于数控机床来说，因为全部加工过程是由穿孔带的指令控制的，热变形的影响就更为严重。

为了减少数控机床的热变形，在数控机床结构中，通常采用下措施：１）减少发热机床内部发热是产生热变形的主要热源，应当尽可能地将热源从主机中分离出去。

２）控制温升在采取了一系列减少热源的措施之后，热变形的情况将有所改善但要完全消除机床的内外热源通常是十分困难的，甚至是不可能的。

所以必须通过良好的散热和冷却来控制温升，以减少热源的影响。

其中比较有效的方法是在机床的发热部位进行强制冷却，也可以在机床低温部分通过加热的方法，使机床各点的温度趋于一致，这样可以减少由于温差造成的翘曲变形。

３）改善机床结构在同样发热和条件下，机床结构结对热变形也有很大影响，如数控机床过去采用的单立柱结构有可能被双柱结构所代替。

双立柱结构由于左右对称，受热后的主轴轴线除产生垂直方向的平移外，其它方向的变形很小，而垂直方向的轴线移动可以方便地用一个坐标的修正量进行补偿。

对于数控车床的主轴箱，应尽量使主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上，如图8-1所示。

这就可以使主轴的热变形对加工直径的影响降低到最小的限度。

在结构上还应当尽可能减小主轴中心与主轴箱底面的距离（如图中的尺寸H），以减少热变形的总量。

同时应使主轴箱的前后温升一致，避免主轴变形后出现倾斜。

图8-1 数控车床热变形方向应与切入方向垂直数控机床中的滚珠丝杠是在预加载荷大、转速高以及散热差的条件下工作的，因此丝杠容易发热。

滚珠丝杠的热伸长所造成的后果是严重的，尤其是在开环系统中，它将会使进给系统丧失定位精度。

目前某些机床用预拉的方法来减少丝杠的热变形。

对于采取了上述措施仍不能消除的热变形，可以根据测量的结果，由数控系统发出补偿脉冲加以修正。

（三）减少运动件的摩擦和消除传动间隙数控机床工作台（或拖板）的位移量是以脉冲当量作为它的最小单位，通常又要求能以极低的速度运动。

为了使工作台能对数控装置的指令作出准确的响应，就必须采取相应的措施。

目前常用的有滑动导轨、滚动导轨和静压导轨在摩擦阻尼特性方面存在着明显的差别。

它们的摩擦力和运动速度的关系如图8-2所示。

对于滑动导轨（图ａ），如果启动时作用力克服不了数值较大的静摩擦力，这时被传动的工作台并不能立即运动，作用力只能使一连串的传动元件（如步进电机、齿轮、丝杠及螺母等）产生弹性变形，并储存了能量。

当作用力超过静摩擦力时，弹性变形恢复，使工作台突然向前运动。

这时由静摩擦力变为动摩擦力，其数值就明显减小，使工作台产生加速运动。

由于工作台的惯性，使它冲过了平衡点而使工作强偏离了给定的位置。

由图8-2（b）、（c）可见，由于滚动导轨和静压导轨的静摩擦力较小，而且很接近于动摩擦力，还由于润滑油的作用，使它们的摩擦力随着速度的提高而增大，这就有效地避免了低速爬行，从而提高了定们精度和运动平稳性。

因此数控机床普遍采用滚动导轨和静压导轨。

图8-2 摩擦力和运动速度的关系在进给系统中用滚珠丝杠代替滑动丝杠也可以收到同样的效果，目前数控机床几乎无例外在采用了滚珠丝杠传动。

数控机床（尤其是开环系统的数控机床）的加工精度在很大程度上取决于进给传动链的精度。

除了减少传动齿轮和滚珠杠的加工误差之外，另一个重要措施是采用无间隙传动副。

对于滚珠丝杠螺距的累积误差，通常采用脉冲补偿装置进行螺距补偿。

（四）提高机床的寿命和精度保持性为了提高机床的寿命和保持性，在设计时应充分考虑数控机床零部件的耐磨性，尤其是机床的导轨、进给丝杠及主轴部件等影响精度的主要零件的耐磨性。

在使用过程中，保证数控机床各部件润滑良好。

（五）减少辅助时间，改善操作性在数控机床的单件加工时间中，辅助时间（非切削时间）占有较大的比重。

要进一步提高机床生产率就必须采取措施最大限度地压缩辅助时间。

目前已经有很多数控机床采用了多主轴、多刀架以及带刀库的自动换刀装置等，来减少换刀时间。

对于切屑数量较大的数控机床，其床身结构必须有利于排屑。

第二节数控机床主传动及其实现数控机床的主传动运动是指产生切削的传动运动。

例如数控车床上主轴带动工件的旋转运动，立式加工中心上主轴带动铣刀、镗刀或砂轮等的旋转运动。

数控机床的主传动运动是通过主传动电机拖动的。

一、主传动运动的变速系统目前，数控机床的主传动电机已经基本不再条用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机，它们已逐步被新型的交流变频调速电机和直流调速电机所代替。

数控机床的主运动要求较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。

对于多工序自动换刀的数控机床加工中心机床，为了适应各种工序和各种工件材料的要求，主运动的调速范围应进一步扩大。

数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。

由于直流和交流主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能方便地实现宽范围的无级变速且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性，因此在数控机床的主传动系统中更显示出它的优越性。

为了确保低速时的扭矩，有的数控机床在交流或直滚电机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速。

由于主运动采用了调速电机直接自动无级变速，在大型数控车床上车削端面时就可实现恒速切削控制，以便进一步提高生产效率和表面质量。

数控机床主传动主要有三种配置方式（图8-3）。

１）带有变速齿轮的主传动（图8-3a）这是大、中型数控机床采用较多的一种方式。

通过少数几对齿轮降速，扩大了输出扭矩，以满足主轴的输出扭矩特性的要求。

一部分小型数控机床也采用此种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。

滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压油缸带动齿轮来实现。

２）通过皮带传动的主传动（图8-3b）主要应用在小型数控机上，可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声。

但它只能适用于低扭矩特性要求的主轴。

３）由调速电机直接驱动的主传动（图8-3c）这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。

图8-3 数控机床主运动的三种配置方式二、数控机床主轴部件数控机床主轴部件的精度、刚度和热变形对加工质量有着直接的影响，由于数控机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重。

1．主轴轴承配置形式目前数控床的主轴轴承配置形式主要有三种（图8-4）。

１）前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力球轴承组合，后支承采用成对向心推力球轴承（图a）此配置型式使主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强力切削的要求，因此普遍应用于各类数控机床的主轴。

２）前轴承采用高精度双列向心推力球轴承（图b），向心推力球轴承具有良好的高速性能，主轴最高转速可达4000r/min，但是它的承载能力小，因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。

３）双列和单列圆锥滚子轴承（图c）这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能好。

但是这种轴承方式限制了主轴的最高转速和精度因此适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。

在主轴的结构上要处理好卡盘或刀具的装夹、主轴的卸荷、主轴轴承的定位和间隙调整、主轴部件的润滑和密封以及工艺上的一系列问题。

为了尽可能减少主轴部件温升引起的热变形对机床工作精度的影响，通常利用润滑油的循环系统把主轴部件的热量带走，使主轴部件与箱体保持恒定的温度。

在某些数控镗铣床上采用专用的致冷装置，比较理想地实现了温度控制。

近年来，某些数控机床的主轴轴承采图8-4 数控机床主轴轴承配置形式用高级油脂，用封入方式进行润滑，每加一次油脂可以使用七年至十年，为了使润滑油和油脂不致混合，通常采用迷宫密封方式。

对于数控车床主轴，因为在它的两端安装着结构笨重的动力卡盘和夹紧油缸，主轴刚度必须进一步提高，并应设计合理的联接端以改善动力卡盘与主轴端部的联接刚度。

2．主轴内刀具的自动夹紧和切屑清除装置在带有刀库的自动换刀数控机床中，为实现刀具在主轴上的自动半年其主轴必须有刀具的自动夹紧机构。