第八章数控机床的总体布局和结构设计

第八章数控机床的总体布局和结构设计

8.1 数控机床的总体布局

数控机床由各类部件组成，进行机床总体布局时，一方面要从机床的加工原理（即机床各部件的相对运动关系）结合工件的形状、尺寸和重量等因素，来确定各主要部件之间的相对位置关系和配置；另一方面还应考虑机床的操作维修、外观形状、生产管理和人机关系等因素。总体布局是设计中带全局性的问题。对机床的制造和使用关系很大。

一．机床总体布局应考虑工件形状、尺寸和重量。

P177图6-13中有四种类型的铣床，分别为：

a)升降台铣床；

b)床身式铣床；

c)龙门铣床；

d)落地铣床。

a）升降台铣床：加工工件尺寸较小，重量较轻的工件，加工时刀具相对不动，由工件运动来完成三个方向的进给运动。分别由工作台、

升降台和滑板来完成。

b）床身式铣床：刚性比升降台铣床高。它可以加工重量较重的工件，工件放在工作台上，由工作台带动作水平二方向运动，垂直上下运

动改由铣头带动铣刀来完成。相应地它可以加工比升降台铣床尺寸

大、重量大的工件。

c）龙门式数控铣床。

工作台带动工件作一个方向的进给运动，其他两个方向进给由多个

铣头在横梁与立柱上移动来实现。这种结构布局使机床适用于大重

量工件的加工，由于多刀加工，提高了效率。

d）落地式数控铣床。

这种铣适宜加工体积大、重量大的工件，体积大、重量大的工件由

机床工作台承受压力太大，由它作进给运动也不太方便。因此此总

机床设计工件放在地上，三个方向的进给运动全由铣刀头运动来完

成。

二．机床部件的布局要考虑运动的分配。

运动的分配与部件布局是机床总布局的中心问题，以镗铣数控机床为例：如需加工工件顶面，则机床主轴应设计成立式。

如需对工件的多个侧面加工，则主轴应布局成卧式。

两种机床均配以相应的旋转工作台。

注意：数控卧式镗铣床与普通的卧式镗床不同，它没有镗杆，也没有后立柱，对跨距较大的多层壁孔采用调头镗削来解决。

对于五轴联动的镗铣床布局时应遵循：

a）获得较好的加工精度，表面粗糙度，较高的生产率。

b）保证机床各部件或总体上有较好的热稳定性、刚度和抗振性。

c）转动坐标的摆动中心刀具端面的距离不要过大（这样可使坐标轴摆动引起的刀具切削点在角坐标的改变量小）最好是布局成摆动时只改变

刀具轴线向量的方位，而不改变切削点的坐标位置。工件较重、尺寸

较大时，摆角进给由刀具来完成；反之由工件来实现。

三．机床的布局要有利于机床的结构性能

总体布局应能兼顾机床有良好的精度、刚度、热稳定性和抗振性等性能。

P180，图6-16所示的四种镗铣床，它们的加工功能和运动要求是一样的。但结构性能的差异却较大。a）、b）两方案采用T型床身，优点：工作台沿前床身方向作X坐标进给运动，在全部行程上工作台均可支承床身，刚性好，提高了承重能力。易于保证加工精度，床身工作台及数控转台为三层结构，在同

台面高度下此图c）、d）的十字工作台的四层结构的刚性好。c）和d）采用十字形工作台。Z向床身的一条导轨承受很大的偏载荷；又如图a）d）中的主轴箱设计成对称形结构，装在框式立柱中间，比起b）c）主轴箱悬挂在单立柱一侧受力变形和热稳定性等性能均优。对称框式立柱少承受一个扭力矩和少一个弯曲力矩。热变形对加工精度的影响也小些。

四．自动换刀数控卧式镗铣床的总体布局。

卧式加工中心是由卧式数控镗铣床配以刀库识刀器和机械手组成的。总布局与普通数控机床原则是相同的，但是将自动换刀系统与数控主机有机地结合在一起是要特别考虑的。

图6-17中a）、b）、c）和图6-16的d图四种都是卧式加工中心机床。但它们的布局不同，性能也差异较大。

布局时应注意：选择合适的机械手，刀库和识刀器，力求结构简单，动作

可靠，刀具换刀时不与工件发生干涉，机床总体结构紧凑。

图6-17中a）采用四排链式刀库，放在机床的左后方，容量为60把刀，与主机没有固联在一起，双爪式机械手在立柱上移动，在四排刀库的固定位置取刀，并在固定位置换刀，刀库容量大，放在主机外，不影响主机，但结构复杂、调试费高、占地面积大、结构松散。

b图链式刀库放在主机的右前方，有碍主机操作，换刀机械手装在主轴箱上，可以在任意位置换刀，换刀动作少。

c图采用圆盘式刀库，安装在立柱后侧，与主轴箱较远，采用两个机械手，后机械手由刀库取刀，装入一个运刀装置，随运刀装置移动到固定位置，再由前换刀机械手在主轴与运刀装置之间进行换刀，这种设计结构部件较多，换刀动作也多，过程长，换刀位置固定，但结构较紧凑。

图6-16中a图，采用链式刀库装在左侧面，换刀机械手装在主轴箱上，可实现任意位置换刀，换刀动作少，结构紧凑，外观美观，占地少，是较为优秀的方案。

五．总布局要考虑方便使用

1）要便于同时操作和观察；

2）要便于刀具和工件的装卸，易于接近装卸区域，装夹要有力；

3）便于冷却和排削；P182，图6-18

六．总布局的其他趋势

1）机电一体化结构；

2）全封闭结构；

8.2 数控机床的结构设计

一．结构设计的要求。

（一）有利于自动保证稳定的加工精度。

设计数控机床时，对影响机床加工精度的各种因素必须予以足够的重视（如机床的抗振性、刚度、温升热变形、磨损、定位精度等）

（二）结构设计应有利于提高机床的加工能力切削效率。机床应最大限度地发挥使用效率。切削功率大、切削力大、速度高。因此结构上应保证机床具有良好的刚性、抗震性和承载能力及使用寿命。

（三）提高使用效率。

实现辅助操作自动化缩短辅助工时。

二．提高机床的结构刚度。

标准规定数控机床的刚度系数应比类似的普通机床高50%，以在外力作用下使产生的变形较小。

（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；

构件抵抗弯曲或扭转变形的能力主要是抗弯和抗扭惯性矩。

P169表6-1列出了断面积相等各种断面形状的惯矩。

表中可见：