机床机械结构的设计要求探究

王萌 李野 沈阳机床成套设备有限责任公司



机床机械结构的设计要求探究

王萌 李野 沈阳机床成套设备有限责任公司

摘 要：机械结构是机电一体化系统的最基本要素，主要包括执行机构、传动机构和支承部件。机械的主要功能是完成机械运动，一部机器必须完成相互协调的若干机械运动。每个机械运动可由单独的控制电机、传动件和执行机构组成的若干个子系统来完成，若干个机械运动由计算机来协调与控制。本文重点就机床机械结构的设计的要求进行了探究和分析。

关键词：机械结构 机床设计 传动机构

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要求：

一、数控机床的机械结构

现代数控机床主要由实现主切削运动的主传动系统、实现进给运动的进给系统、保证各传动运动系统在运动或静止时平稳的床身基础部件以及液压、冷却、排削等辅助系统、实现工件回转分度定位的工作台、自动换刀装置(ATC)、自动托盘交换装置(APC) 等基础装置构成。根据客户和实际的需要还可以安装自动上下料机械手，自动监控系统，远程操作系统，破损及精度检测等特殊功能装置。数控机床本体组成部件与传统机床本体的组成部件十分相似，但由于在控制系统、总体布局、机械机构、传动结构、加工能力上的特殊设计，使得数控机床功能对传统机床有着巨大的优势。

二、数控机床机械结构的特点

数控机床要在高速和重负荷条件下工作，因此，机床的床身、立柱、主轴、工作台、刀架等主要部件，均需具有很高的刚度，以减少工作中的变形和振动。例如，有的床身采用双结构，并配置有斜向肋板及加强肋，使其具有较高的抗弯刚度和抗扭刚度；为提高主轴部件的刚度，除主轴部件在结构上采取必要的措施以外，加工中心还要采用高刚度的轴承，并适当预紧；增加刀架底座尺寸，减少刀具的悬伸，以适应稳定的重切削等。数控机床的运动部件应具有较高的灵敏度。导轨部件通常用滚动导轨、塑料导轨、静压导轨等，以减少摩擦力，使其在低速运动时无爬行现象。工作台、刀架等部件的移动，由交流或直流伺服电动机驱动，经滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驱动扭矩，提高了定位精度和运动平稳性。数控机床的一些运动部件，除应具有高刚度、高灵敏度外，还应具有高抗振性，即在高速重切削情况下减少振动，以保证加工零件的高精度和高的表面质量。特别要注意的是避免切削时的谐振，因此对数控机床的动态特性提出了更高的要求。机床的主轴、工作台、刀架等运动部件在运动中会产生热量，加工中心从而产生相应的热变形。而工艺过程的自动化和精密加工的发展，对机床的加工精度和精度稳定性提出了越来越高的要求。为保证部件的运动精度，要求各运动部件的发热量要少，以防产生过大的热变形。为此，机床结构根据热对称的原则设计，并改善主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动导轨副的摩擦特性。如我厂生产的SUC8204数控车床主轴箱壳体按照热对称原则设计，并在壳体外缘上铸有密集的散热片结构，主轴轴承采用高性能油脂润滑，并严格控制注入量，使主轴温升很低。加工中心对于产生大量切屑的数控机床，一般都带有良好的自动排屑装置等。为了加快数控机床投资的回收，必须使机床保持很高的开动比(比普通机床高2～3倍)，因此必须提高机床的寿命和精度保持性，在保证尽可能地减少电气和机械故障的同时，要求数控机床在长期使用过程中不丧失精度。数控机床在自动或半自动条件下工作，尤其在柔性制造系统(FMS)中的数控机床，可在24小时运转中实现无人管理，这就要求机床具有高的可靠性。为此，要提高数控装置及机床结构的可靠性，例如在工作过程中动作频繁换刀机构、托盘、工件交换装置等部件，必须保证在长期工作中十分可靠。加工中心另外，引入机床机构故障诊断系统和自适应控制系统、优化切削用量等，也都有助于机床可靠地工作。

三、数控机床对机械结构的要求

数控机床在加工精度上较传统机床有更高的要求，在加工零件的过程中若机床部件由于刚度较低产生变形而导致加工的误差，很难通过调整和补偿的方法予以彻底的解决。因此通过对部件的结构特殊设计提高刚度使具有较高的抵抗变形的能力，进而保证了数控机床加工的精度。如π型截面隔板，其在水平和垂直方向的刚度均比较好，在大中型机床中得到广泛的应用。机床的振动主要由于内部旋转部件动态不平衡以及切削的单边力所导致。提高数控机床抗振性的主要措施有院对机床高旋转部件进行动平衡，减小或去除传动部件的间隙，提高部件的固有频率避免共振。除以上措施外，目前通常的做法是在机床较大部件空隙中充填阻尼材料，在表面喷涂阻尼涂层抑制振动。如封沙床身、混凝土支撑件以及天然大理石床身等。机床热变形的主要原因有机床内部热源发热如电机、变频器等电力器件、摩擦和切削发热。通过采用高效伺服电动机甚至电主轴，高效电机控制系统使得电控部分整体发热量降低；减少齿轮等传动部件，采用较低摩擦系数的导轨和轴承、改善部件的散热条件等方式来降低机床热源。在结构上采用对称结构使得受热均匀降低对热变形对加工精度的影响。在布局上使热源部件置于易散热的位置，使机床主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上。提高了机床的寿命和精度保持性，在设计时应充分考虑数控机床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨、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。

四、结束语

机床整体结构由各个子系统组成，各个子系统都是为了共同实现整体系统的整体目标，若各个子系统设计合理、能协调工作，若各个子系统设计不合理，导致各部分间存在矛盾，组成的系统运行后会出现内耗，从而造成整体功能小于各部分的功能之和。因此，性能不匹配或标的设计，无论其局部的功能和性能设计的多么好，都是失败的设计。

参考文献：

[1]关键，赵书礼，机床机械结构的设计要求[J]，科技视界，2014

[2]杨光，机械工厂理化试验室建筑设计要求简述[J]，企业文化，2015