第02章 机床结构要求汇总

又如采用滚动轴承作为支承的主轴部件，都要设计预 紧结构 调 整轴承间隙，使轴承在有预加载荷的条件下运转，以提高主轴的支承刚 度。预加载荷增大了实际接触点的面积，从而达到提高接触刚度的目的。
采用螺纹紧固的固定连接面，合理布置一定数量的螺栓，并对螺 栓的拧紧力矩提出严格要求以保证适当的预紧力，也是为提高接触刚度 而常采用的措施。
数控机床的结构
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结构变迁的原因
传统机床+数控装置的模式不再适用：
1. 生产率、加工精度、寿命； 2. 结构刚性不足、抗振性、摩擦、传动间隙等制约数 控机床性能进一步提高；
针对数控机床特性的机床结构设计成为 一个新的研究课题
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数控机床的模块化与机电一体化
模块化：灵活配置，合理要求，降低成本，提高效率，提 高柔性。 机电一体化：总体设计与结构设计的重要要求，核心就是 要考虑总体布局上机械与电气的有机结合。
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提高机床结构抗振性
1.2 提高机床结构的抗振性
机床的振动会在被加工工件表面留下振纹，影响工件的 表面质量，严重时则使加工过程难以进行下去。机床加 工时可能产生两种形式的振动：
强迫振动
自激振动
机床的抗振性指的是抵抗这两种振动的能力。
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提高机床结构抗震性
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数控机床结构要求
1.1.2 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
改善受力状态
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。 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。
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数控机床的机床本体由下列各部分组成：
(1) 主传动系统，其功用是实现主运动。 (2) 进给系统，其功用是实现进给运动。 (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。 (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。 (5) 实现工件回转、分度定位的装置和附件，如 回转工作台。 (6) 刀库、刀架和自动换刀装置 (ATC) 。 (7) 自动托盘交换装置 (APC) 。 (8) 特殊功能装置，如刀具破损检测、精度检测 和监控装置等。

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数控机床结构要求
a 传统车床车身
b 数控车床车身
设床身截面积和惯性矩及其所受切削力 P 相等
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数控机床结构要求
对传统车床，床身水平布局，床身所受扭矩为 ：
对数控车床，床身倾斜布局，设倾角为 β ，床身所受扭矩为 ：
结论：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。
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需要说明的是： 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，是必须的；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、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。
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数控机床结构要求
1.1.5 采用钢板焊接结构
长期以来，机床基础件主要采用铸铁件。近年来，以钢板焊接结构代 替铸铁件的趋势不断扩大，从开始在单件和小批量的重型和超重型机 床上的应用，逐步发展到有一定批量的中型机床。
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数控机床结构要求
上表列出了某型号数控车床焊接床身和铸造床身的刚度的对比结果。 从结果看，焊接床身的刚度高于铸造床身。这是因为两种床身的筋 板布置不同，钢板焊接结构容易采用数控机床的结构与传动用最有 利于提高刚度的筋板布置形式，能充分发挥壁板和筋板的承载及抵 抗变形的作用；焊接结构还无需铸造结构所需的出砂口，有可能将 基础件做成完全封闭的箱形结构。另外，钢板的弹性摸量 E 为 2×105MPa ，而铸铁的弹性模量 E 仅1.2×105MPa ，两者几乎相 差一倍， E= σ / ε ，在应力 σ 相同时， E 大则产生的应变 ε 小， E 的大小反映了材料抵抗弹性变形的能力。因此，在结构 相同时， E 值大的材料刚度则高。
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数控机床结构要求
1.1.1 合理设计基础件的截面形状和尺寸，采用合理的筋板结构
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。 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 提高基础件的结构静刚度。
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数控机床结构要求
如图是一大型龙门铣床，当主轴部件移到横梁中部时，横梁的弯曲 变形 ( 下凹 ) 最大。为此可将横梁导轨加工成中部凸起的抛物线形， 或者通过在横梁内部安装辅助梁和预校正螺钉将主导轨预调校正为中凸 抛物线形，这样可以补偿主轴箱移动到横梁中部时引起的弯曲变形
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平均压强 p 与变形 δ 之比称为接触刚度
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数控机床结构要求
由于机床总有为数较多的静、动连接面，如果不注意提 高接触刚度，各连接面的接触变形就会大大降低机床的整体 刚度，对加工精度产生非常不利的影响。
由于影响接触刚度的根本因素是实际接触面积的大小，所以任何增 大实际接触面积的方法都能有效地提高接触刚度。 如机床的导轨常采用人工铲刮工艺作为最终的精加工工序，通过 刮研 ，可以增加单位面积上的接触点，并使接触点分布均匀，从而增 加导轨副结合面的实际接触面积，提高接触刚度。
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数控机床结构要求
1.1.3 补偿有关零、部件的静力变形
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。
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数控机床结构要求
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。
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数控机床结构要求
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，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。
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数控机床结构要求
1.1 提高机床结构的静刚度
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。
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 ％。
强迫振动:
是在各种动态力 ( 如高速回转零件的不平衡力、 往复运动件的换向冲击力、周期变化的切削力等 ) 作用下被迫产生 的振动。如果动态力的频率与机床某部件的固有频率重合，则将发生 共振。机床结构抵抗强迫振动的能力可以用动刚度大小来表示。
自激振动:
是在没有外加动态力的情况下，由切削过程自身 所激发的振动。自激振动的频率接近或略高于机床主振型的低阶固有 频率，振幅较大，对加工过程产生极为不利的影响。当机床的刚度、 刀具切削角度、工件与刀具材料、切削速度和进给量都一定时，影响 自激振动的主要因素就是切削宽度 b ，因此，可以把不产生自激振动 的最大切削宽度，称为临界切削宽度，作为判断机床切削稳定性(抵抗 自激振动的能力)的指标。
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数控机床结构要求
下图 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。
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XK-716 型立式加工中心
b STAMA MCll8 型立式加工中心
数控机床结构要求
合理布置 筋板还 可提高基础件的局 部刚度，所示为某 款超精密重切削卧 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。
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数控机床结构要求
合理布置基础件 的筋板可以 提高静刚度，下表 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。
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数控机床结构要求
1. 数控机床的结构要求
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动 时的摩擦特性、几何精度、传动精度等。
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加 工 程 序
输 入 装 置
数 置控 装
辅助控制装置 伺服驱动装置 检测反馈装置
机 床 本 体
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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。
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数控机床结构要求
为补偿主轴箱自重的影响，也可以用加平衡重块或 其他平衡力的方法，抵消部分直接作用于横梁上的 自重，从而减小横梁因主轴箱自重引起的弯曲变形
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数控机床结构要求
1.1.4 提高机床各部件的接触刚度
所谓接触刚度：指在机床各部件的固定连接面和运动副的结合 面之间，总会存在宏观和微观不平，两个面之间真正接触的只 是一些高点，实际接触面积小于两接触表面的面积 ( 名义接触 面积 ) ，因此，在承载时，作用于这些接触点的压强要比平均 压强大得多，从而产生接触变形。
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数控机床结构要求
传统的卧式镗铣床和卧式加工中心的结构布局的比较
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 。