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：
1） 形状相同，断面积相同，应减小壁厚，加大截面的轮廓尺寸；
2） 截面积相同，圆形截面的抗扭刚度比方形的大；
3） 截面积相同，圆形截面的抗弯刚度比方形的小；
4） 封闭式截面的刚度比开口的大很多；
5） 壁上开孔使刚度下降，孔上加凸缘抗弯刚度增大。

2． 合理选择和布置肋板和隔板
表6-2给出几种立柱在其内加肋板的刚度试验值。加上肋板抗弯抗扭的
静、动刚度都有不同程度的提高，其中又以交叉肋板（序号5）的效果最好。
对于薄壁件增设肋板可以减少其变力畸变，有利于刚度的提高。

3． 提高局部刚度。
a) 使导轨与壁板基本对称；（a图）
b) 适当加厚过度壁，并加肋；（b图）
c) 设置加强肋；（c图）
d) 采用双壁联结形式。（d图）
4． 采用焊接结构
刚的弹性模量约为铸铁的二倍。
采用刚板焊接有利于采用完全封闭形式，有利于提高构件的刚度。
（二） 合理布局可提高刚度。
1） 采用对称结构。图6-5 d）对称结构，而a）、b）、c）单面悬挂主轴箱。
主轴箱产生弯曲、扭转。加工时增大弯曲扭转力矩。
2） 增辅助导轨。（图6-6）

（三） 采用补偿构件变形的结构措施。
1） 结构制成反变形。（先设负误差，做成拱横梁）
2） 增加附加横梁。（转移变形）

三．机床结构有利于机床抗振。
强迫振动 由外来力引起的
机床振动
自激振动 切削过程产生的。

1． 减小机床的内部振源。
平衡（减小高速旋转件的惯性力）
消隙（减小往复运动的惯性力）
隔振（对系统外传来的力）
2．提高静刚度。
提高（构件或系统）的固有频率；
提高单位质量的刚度；
提高静刚度。
3．增加构件或结构的阻尼。
增大阻尼可提高抵抗自激振动的能力。也能提高动刚度。
Kd=CKdj=CKj（C为阻尼；Kj为静刚度）
1） 以滑动轴承代滚动轴承
2） 对轴承适当予紧；
3） 将混泥土、型砂等阻尼材料填入支承构件夹层中；
4） 在承变弯曲振动的支承件的表面涂上一层高粘弹材料；
5） 设计可调阻尼，调节构件（或系统）的固有频率，如电流变阻尼器。

四．提高机床进给运动低速时的平稳性。
（一） 爬行的现象及其影响。
产生原因：
a） 摩擦系数变化；
b） 传动机构的刚度不足。

（二） 提高低速运动精度的措施：
1. 减少静动摩擦系数之差；
滚动导轨、卸荷导轨、贴塑导轨、静压导轨。
2. 提高传动系统的刚度；
3. 减少传动件的质量。

五．减小机床热变形的措施
受热不均匀 → 产生不均匀热变形→刀具与工件间位置改变。
1．减少机床内部热源和发热量；
2．改善散热、隔热条件；
3．采用对称结构和注意引导热气流；
4．进行热补偿；
5．采用恒温车间和机器预热。