机床结构设计

数控机床的结构设计摘要数控机床是数字控制机床（Computernumericalcontrolmachinetools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。关于其结构设计，主要从机械结构的要求、机构刚度、机床运动的抗震性、机床低速运动的平稳性与精度几个方面来展开研究。关键词：结构、刚度、平稳性、精度AbstractNcmachinetoolisdigitalcontrolmachinetools（Computernumericalcontrolmachinetools）forshort,isakindofaprogramcontrolsystemofautomaticmachinetools.Onitsstructuraldesign,mainlyfromtherequirementsofthemechanicalstructure,institutionalrigidity,machinetoolmovement,machinetoolatlowspeedvibrationresistancemovementstabilityandprecisionoftheseveralaspectstostudy.Keywords:structure,stiffness,stabilityandaccuracy一、数控机床机械结构的要求数控机床在自动变速、刀架和工作台自动转位和手柄操作等方面与通用机床不同，随着生产力的增长，对数控机床的要求也逐步提高。对机床的生产率、加工精度和寿命提出了更高的要求：1）由于采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、消除传动间隙和获得更高的加工精度，更多地采用了高效传动部件，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、减少辅助时间、改善操作性、提高劳动生产率，采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和机构特点，对数控机床结构因提出以下要求：.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控制在最小限度内，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，不但经常采用三支撑结构，而且选用钢性很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，采用封闭界面的床身，并采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，采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，并能进行稳定切削，在保证静态刚度的前提下，还必须提高动态刚度。常用的措施主要有提高系统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率等。试验表明，提高阻尼系数是改善抗振性的有效方法。钢板的焊接结构既可以增加静刚度、减轻结构重量，又可以增加构件本身的阻尼。因此，近年来在数控机床上采用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效果。.减少机床的热变形在内外热源的影响下，机床各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破环，也是机床季度下降。对于数控机床来说，因为全部加工过程是计算的指令控制的，热变形的影响就更为严重。为了减少热变形，在数控机床结构中通常采用以下措施。1）减少发热机床内部发热时产生热变形的主要热源，应当尽可能地将热源从主机中分离出去。2）控制温升在采取了一系列减少热源的措施后，热变形的情况将有所改善。但要完全消除机床的内外热源通常是十分困难的，甚至是不可能的。所以必须通过良好的散热和冷却来控制温升，以减少热源的影响。其中部较有效的方法是在机床的发热部位强制冷却，也可以在机床低温部分通过加热的方法，使机床各点的温度趋于一致，这样可以减少由于温差造成的翘曲变形。3）改善机床机构在同样发热条件下，机床机构对热变形也有很大影响。如数控机床过去采用的单立柱机构有可能被双柱机构所代替。由于左右对称，双立柱机构受热后的主轴线除产生垂直方向的平移外，其它方向的变形很小，而垂直方向的轴线移动可以方便地用一个坐标的修正量进行补偿。轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上。这就可以使主轴热变形对加工直径的影响降低到最小限度。在结构上还应尽可能减小主轴中心与主轴向地面的距离，以减少热变形的总量，同时应使主轴箱的前后温升一致，避免主轴变形后出现倾斜。数控机床中的滚珠丝杠常在预计载荷大、转速高以及散热差的条件下工作，因此丝杠容易发热。滚珠丝杠热生产造成的后果是严重的，尤其是在开环系统中，它会使进给系统丧失定位精度。目前某些机床用预拉的方法减少丝杠的热变形。对于采取了上述措施仍不能消除的热变形，可以根据测量结果由数控系统发出补偿脉冲加以修正。.减少运动间的摩擦和消除传动间隙数控机床工作台（或拖板）的位移量十一脉中当量为最小单位的，通常又要求能以基地的速度运动。为了使工作台能对数控装置的指令作出准确响应，就必须采取相应的措施。目前常用的滑动导轨、滚动导轨和静压导轨在摩擦阻尼特性方面存在着明显的差别。在进给系统中用滚珠丝杠代替滑动丝杠也可以收到同样的效果。目前，数控机床几乎无一例外地采用滚珠丝杠传动。数控机床（尤其是开环系统的数控机床）的加工精度在很大程度上取决于进给传动链的精度。除了减少传动齿轮和滚珠丝杠的加工误差之外，另一个重要措施是采用无间隙传动副。对于滚珠丝杠螺距的累积误差，通常采用脉冲补偿装置进行螺距补偿。.提高机床的寿命和精度保持性为了提高机床的寿命和精度保持性，在设计时应充分考虑数控机场零部件的耐磨性，尤其是机床导轨、进给伺港机主轴部件等影响进度的主要零件的耐磨性。在使用过程中，应保证数控机床各部件润滑良好。.减少辅助时间和改善操作性能数控机床的单件加工中，辅助时间（非切屑时间）占有较大的比重。要进一步提高机床的生产率，就必须采取促使最大限度地压缩辅助时间。目前已经有很多数控机床采用了多主轴、多刀架、以及带刀库的自动换刀装置等，以减少换刀时间。对于切屑用量加大的数控机床，床身机构必须有利于排屑。二、提高数控机床的机构刚度.问题的产生刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力。是材料或结构弹性变形难易程度的表征。机床构件的变形常影响构件的工作，例如齿轮轴的过度变形会影响齿轮啮合状况，机床变形过大会降低加工精度等。影响刚度的因素是材料的弹性模量和结构形式，改变结构形式对刚度有显著影响。因此在对数控机床设计的过程中，要提高数控机床的机构刚度。.对于数控机床机构刚度设计的相关问题数控机床比普通机床要求具有更高的静刚度和动刚度，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%。机床在切削加工过程中，要承受各种外力的作用，承受的静态力有运动部件和被加工零件的自重，承受的动态力有：切削力、驱动力、加减速时引起的惯性力、摩擦阻力等。机床的结构部件在这些力作用下，将产生变形，如固定连接表面或运动啮合表面的接触变形；各支承零件部的弯曲和扭转变形，以及某些支承件的局部变形等，这些变形都会直接或间接地引起刀具和工件之间的相对位移，从而导致工件的加工误差，或者影响机床切削过程的特性。由于加工状态的瞬时多变情况复杂，通常很难对结构刚度进行精确的理论计算。只能对部分构件（如轴、丝杠等）用计算方法计算其刚度，而对床身、立柱、工作台和箱体等零件的弯曲和扭转变形，接合面的接触变形等，只能将其简化后进行近似计算，其计算结果往往与实际相差很大。所以在机床结构设计中采用有限元法进行分析计算，但是在设计时仍需要对模型、实物或类似的样机进行试验、分析和对比以确定合理的结构方案。.提高数控机床机构刚度的措施a.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在承受弯曲和扭转载荷后，其变形大小取决于断面的抗弯和扭转惯性矩，抗弯和扭转惯性矩大的其刚度就高。形状相同的断面，当保持相同的截面积时，应减小壁厚、加大截面的轮廓尺寸，圆形截面的抗扭刚度比方形截面的大，抗弯刚度则比方形截面的小；封闭式截面的刚度比不封闭式截面的刚度大很多；壁上开孔将使刚度下降，在孔周加上凸缘可使抗弯刚度得到恢复。⑵合理选择及布置隔板和筋条合理布置支承件的隔板和筋条，可提高构件的静、动刚度。对于薄壁截面，避免产生形变，可以采用加强筋，不仅可以提高刚度，还可以减少铸造时的收缩应力。⑶提高构件的局部刚度机床的导轨和支承件的联接部件，往往是局部刚度最弱的部分，但是联接方式对局部刚度的影响很大。当导轨较窄时，可用单壁或加厚的单壁联接，或者在单壁上增加垂直筋条以提高局部刚度。(4)选用焊接结构的部件机床的床身、立柱等支承件，采用钢板和型钢焊接而成，具有减小质量提高刚度的显著优点。用钢板焊接有可能将构件做成全封闭的箱形结构，从而有利于提高构件的刚度。b.合理的结构布局可以提高刚度以卧式镗床的主轴结构为例，图1和图2分别为卧式镗床常用的两种结构形式。图1为三层主轴结构，图2为二层主轴结构。主轴*一密心主轴问一平旋盘主轴M一主妫箱"一轴承滑』平淀盘图1三是主轮箔栉1-主轴途一空心主铺陷一主轴箱K一轴驶图2:星主岫躇梅图1中，对于主轴部件刚度十分重要的空心主轴前轴承安装在平旋盘主轴内，而不是直接装在主轴箱上，减小了空心主轴支撑的刚性，弹性形变增加，因此主轴部件的刚度较低。图2中，空心主轴前轴承安装在主轴箱上，主轴部件结构简单，刚度较好。此外，数控机床的拖板和工作台，由于结构尺寸的限制，厚度尺寸不能设计得太大，但是宽度或跨度又不能减小，因而刚度不足，为弥补这个缺陷，除主导轨外，在悬伸部位增设辅助导轨，可大大提高拖板和工作台的刚度。c.采取补偿构件变形的结构措施当能够测出着力点的相对变形的大小和方向，或者预知构件的变形规律时，便可以采，取相应的措施来补偿变形以消除其影响，补偿的结果相当于提高了机床的刚度。三、机床的抗震性1、数控机床振动产生的原因产品切削加工过程中数控机床所发生的振动是非常复杂的，引起振动的原因是多方面的，经分析，主要有以下几个方面：(1)工件的外形复杂而装夹部位选择不合适：工件外形结构不规则，没有好的基准面，不方便装夹，工件夹不紧，容易在加工时产生松动，随着切削力的变化而发生相应振动。(2)工件内部组织不均匀：铸造毛坯件局部有气孔、砂眼、疏松等缺陷，晶粒粗大或者夹有杂质等情况。切削时铸件软硬不均匀，刀具受力不均匀，使得切削力不稳定，易使数控机床产生震动，有时还会造成打刀，工件的加工质量也很难控制。(3)刀具选择不合理：刀体材料不合适，刚性差，是引起振动的主要原因之一。若选错了刀具，有时会使刀具磨损加剧或引起切屑瘤、拉毛工件表面或出现打刀引起振动而影响产品质量。(4)切削用量和数控机床转速的选择不合适：①切削速度1000。切削速度与工件待加工表面直径、工件转速成正比，当d一定时，转速越快，切削速度越快，引起振动的可能性越大；②进给量f越大，刀尖受力越大，越容易引起振动：③切削深度pa切削深度越大，受到的剪应力越大越引起对刀尖的阻力增大而引起振动。(5)数控机床自身状况的影响数控机床本身的精度不够也是振动产生的一个方面。数控机床主轴箱内各啮合齿轮、轴承等配合精度低，导轨的磨损，各夹紧装置的不可靠等，在切削中都可能产生振动。2、防止和减小振动的措施由于振动产生的原因是多方面的，应依据具体情况具体分析，判断振动产生的原因和性质，采取有效措施，避免和减少振动的产生。(1)提高数控机床自身的抗振性：可以从改善数控机床刚性，提高数控机床零件加工和装配质量方面合理保养数控机床，减轻造成振动的部份的工作重量，惯性越小越好。针对振动最大的地方予以固定或夹持，如中心架、工作保持器等.(2)合理提高系统刚度：车削细长轴(L/D>12)采用弹性顶尖及辅助支承(中心架或跟刀架)来提高工件抗振性能的同时，用冷却液冷却以减小工件的热膨胀变形，减小刀具悬伸长度；刀具高速自振时，宜提高转速和切削速度，以提高切削温度，消除刀具后刀面摩擦力下降特性和由此引起的自振，但切削速度不宜高于1.33m/s(80m/min);对数控机床主轴系统，要适当减小轴承间隙，滚动轴承应施加适当的预应力以增加接触刚度，提高数控机床的抗振性能；合理安捧刀具和工件的相对位景。(3)合理选择刀具的材料加工脆性材料可选用钨钻类硬质合金刀具，加工塑性材料可选用钨钻钛类硬质合金刀具。如钨钻类YG8和钨钻钛类YT5,抗振性强，分别适用于铸铁、有色金属和钢件的粗加工；而YG3和YT15则适用于精加工。(4)合理选择刀具的几何角度刀具在切削过程中，对产生振动影响最大的几何角度是主偏角和前角。选择刀具的几何角度时，一般注意以下几个方面：①工件系统刚性较弱时，应采用较大的主偏角，在75〜90时，可有效减小径向切削分力。②适当增大前角，使切削刃光滑锐利，降低表面粗糙度值，减小切削和刀具前面的摩擦力，可同时抑制和排除切削瘤产生，降低径向切削分力。③尽量不采用负前角，尽量选用较小的刀尖圆弧半径。（5）合理选用切削用量在车削速度v=50〜6Om/min时稳定性最低。最容易产生自振。因此，要尽量选择合适的切削速度，在精密加工时宜采用高速切削，一般加工宜采用低速切削。同时，进给量越大，振幅越小；背吃刀量越小振幅越小。在工件表面粗糙度值允许的前提下，应选择较大的进给最和较小的背吃刀量。四、提高低速运动平稳性1名词理解机床上有些运动部件，需要做低速或微小位移。当部件低速运动时，主动件均匀运动，被动件往往出现明显的速度不均匀的跳跃式运动，即时走时停或者时快时慢的现象，这种低速运动时产生的运动不平稳性称为爬行，为提高低速运动平稳性，应该避免爬行现象。2爬行原理爬行现象的力学模型描述爬行运动是一种非常复杂的自激振现象，产生这一现象的主要原因在于摩擦系数的变化和传动机构的刚度不足，可用直线运动传动系统的力学模型［1］来描述。图1为爬行机理力学模型。在这个弹性机械系统中，传动机构简化为一个弹性件（刚度为志）和一个等效阻尼（阻尼系数为）。主动件1作等速运动，速度为,从动件2与弹性件和阻尼器相连。开始时动件2相对于固定面4静止不动，主动件1向右移动使弹性件压缩，其弹性力逐渐增大。当弹性力超过从动件2与静导轨面4之间的最大静摩擦力时，从动件2向右快速滑动，此时从动件2所受的摩擦力由静摩擦力F转化为动摩擦力。由于导轨副间存在动、静摩擦系数之间的差异，3爬行现象的危害爬行现象是机床低速运行时较易出现的机械故障，其危害主要包括：①影响机床的加工精度：机械加工时，可使加工表面出现明显刀痕，并影响表面粗糙度；②影响机床的定位精度：在定位精度要求较高的数控系统中很难实现精确定位，不能保证位置度；③损坏工具：运动的不稳定会造成加工负载的突变，并损坏刀具，降低机床的使用寿命4设计预防爬行的措施根据前面的分析可知，要提高运动精度，应设法提高进给运动的低速运动平稳性，可以采取的措施有：1、减少静动摩擦系数之差。（1）滚动摩擦，滚动摩擦代替滑动摩擦。摩擦系数小，从根本上改变了导轨面间的摩擦特性，以消除爬行；（2）采用导轨油，油中加入极性添加剂，可大大减少静动摩擦系数之差；（3）采用减磨材料，减少摩擦系数。2、提高传动系统刚度K0（l）缩短传动链，减少传动件数目；（2）合理分配传动比，应尽量采用降速传动，以利提高传动系统刚度；（3）提高各个传动件或组件刚度，缩少各传动轴的跨距，合理布置轴上传动件的位置；3、减小作用在导轨上的正应力N。例如采用卸荷导轨，移动件的部分重量由卸荷装置承担，从而减小作用在导轨上的正应力，以降低机床的临界爬行速度，达到防爬的目的。随着测试技术和控制技术的发展，近几年国外已着手研究闭环伺服系统实现爬行量的在线测试及在下补偿的防爬措施。这种方法主要适宜于数控机床的驱动系统。这是防止爬行研究的一个新方向，值得为此努力。五、提高机床精度机床的精度主要包括机床的几何精度、机床的定位精度和机床的切削精度。笔者分析大量中外文献，结合当前国际热点，从以下几方面提出提高机床精度的几点措施.反向偏差补偿在数控机床上，由于各坐标轴进给传动链上驱动部件（如伺服电动机、伺服液压马达和步进电动机等）的反向死区、各机械运动传动副的反向间隙等误差的存在，造成各坐标轴在由正向运动转为反向运动时形成反向偏差，通常也称反向间隙或失动量。对于采用半闭环伺服系统的数逐渐增大而增加，因此需要定期对机床各坐标轴的反向偏差进行测定和补偿。需要注意的是，在工作台不同的运行速度下所测出的结果会有所不同。一般情况下，低速的测出值要比高速的大，特别是在机床轴负荷和运动阻力较大时。低速运动时工作台运动速度较低，不易发生过冲超程（相对“反向间隙”），因此测出值较大；在高速时，由于工作台速度较高，容易发生过冲超程，测得值偏小。回转运动轴反向偏差量的测量方法与直线轴相同，只是用于检测的仪器不同而已。在数控机床上，由于各坐标轴进给传动链上驱动部件（如伺服电动机、伺服液压马达和步进电动机等）的反向死区、各机械运动传动副的反向间隙等误差的存在，造成各坐标轴在由正向运动转为反向运动时形成反向偏差，通常也称反向间隙或失动量。对于采用半闭环伺服系统的数控机床，反向偏差的存在就会影响到机床的定位精度和重复定位精度，从而影响产品的加工精度。.提高定位精度数控机床的定位精度是指所测量的机床运动部件在数控系统控制下运动所能达到的位置精度，是数控机床有别于普通机床的一项重要精度，它与机床的几何精度共同对机床切削精度产生重要的影响，尤其对孔隙加工中的孔距误差具有决定性的影响。一台数控机床可以从它所能达到的定位精度判出它的加工精度，所以对数控机床的定位精度进行检测和补偿是保证加工质量的必要途径。根据数控机床各轴的精度状况，利用螺距误差自动补偿功能和反向间隙补偿功能，合理地选择分配各轴补偿点，使数控机床达到最佳精度状态，并大大提高了检测机床定位精度的效率定位精度是数控机床的一个重要指标。尽管在用户购选时可以尽量挑选精度高误差小的机床，但是随着设备投入使用时间越长，设备磨损越厉害，造成数控机床的定位误差越来越大，这对加工和生产的零件有着致命的影响。采用以上方法对机床各坐标轴的反向偏差、定位精度进行准确测量和补偿，可以很好地减小或消除反向偏差对机床精度的不利影响，提高机床的定位精度，使机床处于最佳精度状态，从而保证零件的加工质量。小结随着科技的进步与生产力的增长，对机床的设计要求也越来越高，机床的工作能力如何与设计要求是否合理密不可分，无论是结构要求还是安全性要求或者是精度要求，都需要大量研究和论证。机床也会随着需求而发展并且产生变化。参考文献[1]焦瑶，孙立剑,洪海波，殷跃红，《超精密光学磨床减小热误差的结构优化》J].机械工程学报,2015,(1).[2]马军旭,赵万华,张根保，《国产数控机床精度保持性分析及研究现状》J].中国机械工程,2015,(22).[3]徐长鑫，《机械加工中应用空间误差补偿技术创新研究》J].价值工程,2015,(32)[4]NIJun..CNCmachineaccuracyenhancementthroughreal-timeerrorcompensation.ASMEJournalofManufacturingSci