数控机床的机械结构

数控机床机械结构

结构要求与总体布局

在数控机床进展的最初时期，其机械结构与通用机床相比没有多大的变化，只是在自动变速、刀架和工作台自动转位和手柄操作等方面作些改变。随着数控技术的进展，考虑到它的操纵方式和使用特点，才对机床的生产率、加工精度和寿命提出了更高的要求。数控机床的主体机构有以下特点：1）由于采纳了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，数控机床的极限传动结构大为简化，传动链也大大缩短；2）为适应连续的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，以及较高的耐磨性，而且热变形小；3）为减小摩擦、排除传动间隙和获得更高的加工精度，更多地采纳了高效传动部件，如滚珠丝杠副和滚动导轨、消隙齿轮传动副等；4）为了改善劳动条件、减少辅助时刻、改善操作性、提高劳动生产率，采纳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。依照数控机床的适用场合和机构特点，对数控机床结构因提出以下要求：

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自动进行加工的。由于机械结构（如机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴箱等）的几何精度与变形产生的定位误差在加工过程中不能人为地调整与补偿，因此，必须把各处机械结构部件产生的弹性变形操纵在最小限度内，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，不但经常采纳三支撑结构，而且选用钢性专门好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承铰接出相信忒力轴承 ，以减小主轴的径向和轴向变形。为了提高机床大件的刚度，采纳封闭界面的床身，并采纳液力平稳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，采纳刮研的方法增加单位面积上的接触点，并在结合面之间施加足够大的预加载荷，以增加接触面积。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加工能力，并能进行稳固切削，在保证静态刚度的前提下，还必须提高动态刚度。常用的措施要紧有提高系统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率等。试验说明，提高阻尼系数是改善抗振性的有效方法。钢板的焊接结构既能够增加静刚度、减轻结构重量，又能够增加构件本身的阻尼。因此，近年来在数控机床上采纳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，对提高抗振性也有较好的成效。

数控机床机械结构

第一节 概 述

数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，其加工过程中的动作顺序、运动部件的坐标位置及辅助功能，都是通过数字信息自动控制的，操作者在加工过程中无法干预，不能像在普通机床上加工零件那样，对机床本身的结构和装配的薄弱环节进行人为补偿，所以数控机床几乎在任何方面均要求比普通机床设计得更为完善，制造得更为精密。为满足高精度、高效率、高自动化程度的要求，数控机床的结构设计已形成自己的独立体系，在这一结构的完善过程中，数控机床出现了不少完全新颖的结构及元件。与普通机床相比，数控机床机械结构有许多特点。

在主传动系统方面，具有下列特点：

(1)目前数控机床的主传动电机已不再采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调速电机和直流调速电机所代替。

(2)转速高，功率大。它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。

(3)变速范围大。数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，一般Rn＞100，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。

(4)主轴速度的变换迅速可靠。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，不仅能够方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。

在进给传动系统方面，具有下列特点：

（1）尽量采用低摩擦的传动副。如采用静压导轨、滚动导滚和滚珠丝杠等，以减小摩擦力。

（2）选用最佳的降速比，以达到提高机床分辨率，使工作台尽可能大地加速以达到跟踪指令、系统折算到驱动轴上的惯量尽量小的要求。

（3）缩短传动链以及用预紧的方法提高传动系统的刚度。如采用大扭矩宽调速的直流电机与丝杠直接相连应用预加负载的滚动导轨和滚动丝杠副，丝杠支承设计成两端轴向固定的、并可预拉伸的结构等办法来提高传动系统的刚度。

数控机床的机械结构

第一节机械结构的主要特点与基本要求

一、数控机床对机械结构的基本要求

从数控技术的特点看，由于数控机床采用了伺服电动机，应用数字技术实现了对机床执行部件动作顺序和运动位移的直接控制，传统机床的变速箱结构被取消了，因而机械结构也大大简化了。数字控制还要求机械系统有较高的传动刚度且没有传动间隙，以确保控制指令的执行和控制品质的实现。同时由于计算机水平和控制能力的不断提高，同一台机床上允许更多功能部件同时执行所需要的各种辅助功能已成为可能，因而数控机床的机械结构比传统机床具有更高的集成化功能要求。

从制造技术发展的要求看，随着新材料和新工艺的出现以及市场竞争对低成本的要求，金属切削加工正朝着切削精度和速度越来越高、生产效率越来越高和系统越来越可靠的方向发展。这就要求在传统机床基础上发展起来的数控机床精度更高、驱动功率更大，机械结构动、静、热态刚度更好，工作更可靠，能实现长时间连续运行和有尽可能少的停机时间。

综合上述原因，数控机床对其基本要求可归纳为要有更高的精度，更好动、静态刚度，以适应高速运动的耐用度和工作可靠性。

二、数控机床机械结构构成

典型数控机床的机械结构主要由基础件、主传动系统、进给传动系统、回转工作台、自动换刀装置及其他机械功能部件等几部分组成。

数控机床的基础件通常是指床身、立柱(或横梁)、工作台、底座等结构件，由于其尺寸较大，俗称“大件”，构成了机床的基本框架。其他部件附着在基础件上，有的部件还需要沿着基础件运动。由于基础件起着支承和导向的作用，因而对基础件的基本要求是刚度好。此外，由于基础件通常固有频率较低，在设计时，还希望它的固有频率能高一些，阻尼能大一些。

和传统机床一样，数控机床的主传动系统将动力传递给主轴，保证系统具有切削所需要的转矩和速度。但由于数控机床具有比传统机床更高的切削性能要求，因而要求数控机床的主轴部件具有更高的回转精度、更好的结构刚度和抗振性能。由于数控机床的主传动常采用大功率的变速电动机，因而主传动链较传统机床短，不需要复杂的变速机构。由于自动换刀的需要，具有自动换刀功能的数控机床主轴在内孔中需要有刀具自动送开和夹紧装置。

数控机床的机械结构

在数控机床进展的最初阶段，其机械结构与通用机床相比没有多大的变化，只是在自动变速、刀架与工作台自动转位与手柄操作等方面作些改变。随着数控技术的进展，考虑到它的操纵方式与使用特点，才对机床的生产率、加工精度与寿命提出了更高的要求。数控机床的主体机构有下列特点：1）由于使用了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，数控机床的极限传动结构大为简化，传动链也大大缩短；2）为习惯连续的自动化加工与提高加工生产率，数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度与阻尼精度，与较高的耐磨性，而且热变形小；3）为减小摩擦、消除传动间隙与获得更高的加工精度，更多地使用了高效传动部件，如滚珠丝杠副与滚动导轨、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，使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。根据数控机床的适用场合与机构特点，对数控机床结构因提出下列要求：

一、较高的机床静、动刚度

数控机床是按照数控编程或者手动输入数据方式提供的指令自动进行加工的。由于机械结构（如机床床身、导轨、工作台、刀架与主轴箱等）的几何精度与变形产生的定位误差在加工过程中不能人为地调整与补偿，因此，务必把各处机械结构部件产生的弹性变形操纵在最小限度内，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，不但经常使用三支撑结构，而且选用钢性很好的双列短圆柱滚子轴承与角接触向心推力轴承铰接出相信忒力轴承 ，以减小主轴的径向与轴向变形。为了提高机床大件的刚度，使用封闭界面的床身，并使用液力平衡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，使用刮研的方法增加单位面积上的接触点，并在结合面之间施加足够大的预加载荷，以增加接触面积。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加工能力，并能进行稳固切削，在保证静态刚度的前提下，还务必提高动态刚度。常用的措施要紧有提高系统的刚度、增加阻尼与调整构件的自振频率等。试验说明，提高阻尼系数是改善抗振性的有效方法。钢板的焊接结构既能够增加静刚度、减轻结构重量，又能够增加构件本身的阻尼。因此，近年来在数控机床上使用了钢板焊接结构的床身、立柱、横梁与工作台。封砂铸件也有利于振动衰减，对提高抗振性也有较好的效果。