数控_2(结构1)

1、第一节第一节 数控机床总体结构设计数控机床总体结构设计 一、数控机床总体设计要求一、数控机床总体设计要求 （一）机床性能要求（一）机床性能要求 （1）机床工艺范围）机床工艺范围 指机床适应不同生产要求的能力。包括：机床可完成工序种指机床适应不同生产要求的能力。包括：机床可完成工序种 类；加工零件类型、材料和尺寸范围；毛坯种类等。类；加工零件类型、材料和尺寸范围；毛坯种类等。 数控机床可在一次装卡下完成大量程序，重调又方便，故适用于中小批生产。近数控机床可在一次装卡下完成大量程序，重调又方便，故适用于中小批生产。近 年来，已开始用于汽车制造等行业的大批大量生产。从单件到大批量都可充分发年来，已开

2、始用于汽车制造等行业的大批大量生产。从单件到大批量都可充分发 挥数控机床高生产率，低废品率，减少半成品储备，缩短生产周期，便于调整等挥数控机床高生产率，低废品率，减少半成品储备，缩短生产周期，便于调整等 优点。优点。 数控机床已经从简单的数控车床，数控铣床等向工序更广泛、更为集中的数控车数控机床已经从简单的数控车床，数控铣床等向工序更广泛、更为集中的数控车 削加工中心、数控镗铣加工中心等进一步发展。在很多情况下工序内容包括铣、削加工中心、数控镗铣加工中心等进一步发展。在很多情况下工序内容包括铣、 钻、镗、攻螺纹、铰、挤压、装配、检查。随着生产的发展，机床品种会越来越钻、镗、攻螺纹、铰、挤压、装

3、配、检查。随着生产的发展，机床品种会越来越 多，工艺范围会更广。多，工艺范围会更广。 第七章数控机床的结构设计 (2)加工精度加工精度 机床加工精度是指尺寸、形状和位置精度。数控机床本身的精度机床加工精度是指尺寸、形状和位置精度。数控机床本身的精度 主要是几何精度、运动精度和定位精度。主要是几何精度、运动精度和定位精度。几何精度几何精度是指机床在不运动是指机床在不运动 或运动速度较低时的精度，它是由机床各主要部件的几何精度和它们或运动速度较低时的精度，它是由机床各主要部件的几何精度和它们 之间的相对位置与相对运动轨迹的精度决定的；之间的相对位置与相对运动轨迹的精度决定的；运动精度运动精度是指机

4、床的是指机床的 主要部件以工作状态的速度运动时的精度；主要部件以工作状态的速度运动时的精度；定位精度定位精度是指机床主要部是指机床主要部 件在运动终点所达到的实际位置的精度。数控机床各坐标轴的进给运件在运动终点所达到的实际位置的精度。数控机床各坐标轴的进给运 动精度主要是运动精度和定位精度，开环系统的进给精度主要取决于动精度主要是运动精度和定位精度，开环系统的进给精度主要取决于 传动件的精度，伺服系统的分辨率，导轨的导向精度等。在闭环和半传动件的精度，伺服系统的分辨率，导轨的导向精度等。在闭环和半 闭环系统中由于检测元件的反馈作用，使进给运动的定位精度和运动闭环系统中由于检测元件的反馈作用，使

5、进给运动的定位精度和运动 精度大幅度提高。低档数控系统的分辨率为精度大幅度提高。低档数控系统的分辨率为10 10 m m ，中档为，中档为1 1 m m ， 高档为高档为0.1 0.1 m m ，所谓分辨率是最小输入单元，在理想的情况下定位，所谓分辨率是最小输入单元，在理想的情况下定位 精度应等于分辨率。但由于存在进给传动误差加减速惯性、热变形、精度应等于分辨率。但由于存在进给传动误差加减速惯性、热变形、 刚度、振动、摩擦等因素的影响，使定位精度低于分辨率。刚度、振动、摩擦等因素的影响，使定位精度低于分辨率。 低速运动的平稳性也是影响精度的重要因素，由于数低速运动的平稳性也是影响精度的重要因素

6、，由于数 控机床的定位精度要求高，有时需要单步微量运动，控机床的定位精度要求高，有时需要单步微量运动， 因而坐标轴运动部件不能产生爬行现象。爬行是指由因而坐标轴运动部件不能产生爬行现象。爬行是指由 于润滑不好，而使机床工作台移动时摩擦阻力增大。于润滑不好，而使机床工作台移动时摩擦阻力增大。 当电机驱动时，工作台不向前运动，使滚珠丝杠产生当电机驱动时，工作台不向前运动，使滚珠丝杠产生 弹性变形，把电机的能量贮存在变形上。电动机继续弹性变形，把电机的能量贮存在变形上。电动机继续 驱动，贮存的能量所产的弹性力大于静摩擦力时，机驱动，贮存的能量所产的弹性力大于静摩擦力时，机 床工作台向前蠕动，周而复始

7、地这样运动，而产生了床工作台向前蠕动，周而复始地这样运动，而产生了 爬行的现象。为减少爬行，数控机床常采用动静摩擦爬行的现象。为减少爬行，数控机床常采用动静摩擦 系数近乎相等的贴塑导轨、滚动导轨、液体静压导轨、系数近乎相等的贴塑导轨、滚动导轨、液体静压导轨、 气浮导轨和气压卸荷导轨。气浮导轨和气压卸荷导轨。 ( (二二) )满足机床刚度和抗振性的要求满足机床刚度和抗振性的要求 机床在切削加工中，其零、部件应具有一定的抵抗外 载荷的能力，以保证在受力条件下，各主要零、部件 之间保持正确的相对位置。这就要求机床具有一定的 刚度。机床的抗振性包括两个方面：抵抗受迫振动的 能力和抵抗自激振动的能力。如

8、果振源的频率与机床 某主要部件(例如主轴组件、床身)的某一振型(如弯曲 振动、扭转振动)的固有频率重合时，将发生共振。振 幅大增，加工表面祖极度将会大大增加。切削自激振 动，产生于切削过程之中。如果切削不稳定，则切过 的表面，其波纹度将越来越大，振动越来越剧烈，将 严重影响加工表面的质量。 (三三)减少热变形要求减少热变形要求 机床由于受到内、外热源的影响，以及各部件间的热量不均衡， 会产生热变形，破坏机床的原始精度，造成工件与刀具之间的相 对运动关系失常，从而影响零件的加工精度，为此应采取如下措 施。 (1)减少热源的发热 尽可能将热源从主机中分离出去。目前 多数数控机床的电动机、主轴箱、液

9、压系统、油箱等都已外置。 此外为减少发热，应减少摩擦损耗，提高运动件的精度。 (2)采取必要的散热措施 对高速、快进给的机床采用强制的 冷却措施；对刀具切削热采用大流量冷却液冲洗切削部位进行冷 却；对高速主轴及轴承发热，采用主轴带有冷却套筒结构进行循 环冷却；对轴承进行油气润滑、喷注润滑以及突入滚道润滑等， 使之减少发热；对进给系统中的滚珠丝杠采用中空的丝杠通入恒 温油使之不产生温升。 (3)采取均热措施 使有关部件间热量均衡，以抵消变形、设 计对称式结构使两部分所产生的变形相抵消，例如双立柱加工中 心就是其中一例。 (四四)机床可靠性要求机床可靠性要求 机床工作的可靠性是一项重要的技术经济指

10、标。数控机床是机电 一体化设备。包含计算机、电子器件、液压元件、机械构件。在 自动加工中不允许出现任何差错。尤其是在加工系统中，例如柔 性制造系统、无人的自动化工厂等，对机床可靠性要求相当高， 因为一台机床的故障会造成全线停产，其损失是巨大的、不允许 的。 (五五)速度要求速度要求 机床的速度包括主轴转速、进给速度、换刀时间等，速度是效率 指标。为缩短制造周期提高效率，适应高速切削的要求，数控机 床的速度越来越高，有些机床主轴转速的Dmn值(前轴承中径和转 速的乘积)已达到1xl061.5xl06m/min。进给速度达100m/min以 上。换刀时间缩短为0.5s。高速要求促进了新技术的发展，

11、高性 能主轴组件、大导程高速滚珠丝杠，直线导轨等都是适应高速要 求而发展起来的。 ( (六六) )经济效益经济效益 在保证实现机床性能要求的同时，还必须使机床具有很高的经济 效益。不仅要考虑机床设计和生产的经济效益更主要的是从用 户出发，提高机床使用厂的经济效益。机床成本要低，生产效率 要高，用于大批量生产的数控机床，由于工序集中，不要求很高 的万能性，因而刀库可小些，坐标轴数也可小些。由于刀具数量 少，可采用不用机械手直接换刀方式，这样不但能大幅度降低成 本，并可提高生产率。当要求万能性较大时，可在一台设备上完 成不同类型零件的加工，可把镗、铣、钻、车甚至更多工序在同 一台机床上实现，虽然单

12、台机床价格高，但因其生产效益高，总 的经济效益还是高的。有些零件，普通机床无法完成设计要求(例 如螺旋桨)而数控机床则能很好地满足要求，促使这方面的技术有 明显的进步，能够带来明显的效益。 ( (七七) )人机关系要求人机关系要求 机床应操纵方便、省力、容易掌握、不易发生操作错误和故障。 这样不仅能减少工人的疲劳、保证工人和机床的安全，还能提高 机床的生产率。防止机床对周围环境的污染，是对机床设计和制 造提出的一项主要要求。噪声要低，不仅噪声声级要达到规定值 以下，而且不能对人耳有强烈的不适感。渗、漏油必须避免。如 果采用油雾润滑，必须保证油雾不得逸散到周围环境中去，以防 对人体的危害。 一、

13、数控车床的常用布局形式 图-数控车床的三种常用布局 a)平床身布局b)斜床身布局c)立式床身布局 第二节第二节 数控机床的总体布局数控机床的总体布局 常有布局形式有平床身、斜床身、立式床身。 特点：1、平床身一般应用于经济型、普及型数控车 床以及数控化改造 的车床。 2、斜床身应用于性能要求较高的中小规格数 控车床。 3、立式床身应用于大型数控车床或精密数控 车床。 斜床身布局的数控车床（导轨倾斜角度通常选择45、60或 75），不仅可以在同等条件下，改善受力情况，还可以通过整 体的封闭式界面设计，提高床身的刚度，特别是自动换刀装置的 布置较方便。因此，斜床身布局的数控车床应用较广泛。 （1）

14、热稳定性 当主轴发热时使主轴轴线产生变形时，斜床身的 影响最小，斜床身、立式因排屑性能好，受切屑产生的热量影响 也小。 （2）运动精度 平床身布局由于刀架水平放置，不受刀架、滑板 的自重影响，容易提高精度；立式床身受自重影响大，有时需要 加平衡机构消除。 （3）加工精度 平床身的加工工艺较好，部件精度较容易保证。 平床身的加工工件重量产生的变形方向竖直向下，它和刀具运动 方向垂直，对加工精度影响较小；立式产生的变形方向正好沿着 运动方向，对精度影响最大。 （4）操作、防护、排屑性能 斜床身的观察角度最好、工件的调 整比较方便，平床身有刀架的影响，观察调整较困难。但是，在 大型工件和刀具的装卸方

15、面，平床身因其敞开面宽，装卸方便。 二、卧式数控镗铣床(卧式加工中心)的常用布局形式 图-卧式数控镗铣床(卧式加工中心)常见的布局形式 卧式数控镗铣床的常用布局形式种类较多，其主要区别在于立柱 的机构形式和X、Z轴的移动方式上。常用的立柱有单立柱和框架 结构双立柱两种形式；Z轴的移动方式有工作台移动和立柱移动。 框架结构双立柱采用了对称结构，主轴箱在两立柱中间上、下运 动，与传统的主轴箱侧挂式相比大大提高了刚度。另外，主轴箱 是从左、右两导轨的内侧进行定位，热变形影响小。 T形床身布局是工作台只在X向移动，全程范围，工作台和工件完 全支承在长身上，因此机床刚性好，工作台承载能力强，加工精 度容

16、易保证。而这种结构可以方便的增加X轴的行程。 三、立式数控镗铣床（立式加工中心）常用布局 四、数控机床交换工作台的布局 为了提高数控机床的加工效率，在加工中心上经常采用双 交换工作台，进行工件的交换，以进一步缩短辅助时间， 提高机床效率。 五、高速加工数控机床的特殊布局 近年来，高速加工机床已成为机床制造业的主要发展方向，高 速加工机床的性能，已成为衡量制造厂家性能水平的主要标志 之一 图-6高速加工机床布局 1X轴导轨2内框3主轴箱4Y轴导轨 图2-6a中的立式数控机床采用了固定门式立柱的布局形式，她已 经脱离了传统的门式结构仅仅为了满足大行程或重型加工需要的 理念，目的是为了提高机床的整体

17、刚性和快速性以满足高速加工 的要求。它通过在上面架设X轴导轨，利用滑座实现X轴移动，从 而降低了运动部件的重量，而且，运动部件的质量和加工工件的 质量无关。机床的Y轴采用上置式结构，虽然滑座仍为两层，但 与传统的立柱移动式布局相比，移动部件中已经去除了立柱本身 的重量，从而达到了减重的目的。 图2-6b的卧式布局高速数控机床，采用了“内外双框架”即“箱 中箱”结构。外框架固定，上设X轴导轨，通过内框的移动实现X 轴的运动；Z轴的运动通过安装在主轴箱内的滑枕实现。与传统 的立柱移动式布局比较，这两轴在移动部件中都去除了立柱本身 的重量，重量不到原来的1/3。而且X轴上、下均有导轨支撑，彻 底改变了传统立柱受悬臂式弯曲的状况，提高了整体的刚度。 六、虚拟轴机床 虚拟轴机床是最近出现的一种全新 概念的机床，它和传统的机床相比， 在机床结构和本质上有了