第02章 机床结构要求

数控机床的机床本体由下列各部分组成：
(1) 主传动系统，其功用是实现主运动。
(2) 进给系统，其功用是实现进给运动。
(3) 机床基础件，通常指床身、底座、立柱、滑
座、工作台等。其功用是支承机床本体的零、部件，
并保证这些零、部件在切削加工过程中占有的准确
位置。
(4) 实现某些部件动作和某些辅助功能的装置，
下图 所示为两种立式加工中心立柱的横截面图。由于该立柱 承受弯扭组合载荷，故截面采用接近正方形的封闭外形，为了 进一步提高抗弯、抗扭刚度，内部采用了斜方双层壁 ( 相当于 斜 纵向筋板 ) 和对角线交叉筋板。所以，这两种立柱都有很 高的抗弯、抗扭刚度。
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a XK-716 型立式加工中
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a 传统车床车身
b 数控车床车身
设床身截面积和惯性矩及其所受切削力 P 相等
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数控机床结构要求
对传统车床，床身水平布局，床身所受扭矩为 ：
对数控车床，床身倾斜布局，设倾角为 β ，床身所受扭 矩为 ：
结论：采用倾斜布局的数控车床床身所承受的扭矩要比采用 水平布局的传统车床床身的要小，因而机床的刚度得到了提 高。
状况，减小了20立20/柱9/2的0 弯曲、扭转变形，提高了刚度 。
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数控机床结构要求
1.1.3 补偿有关零、部件的静力变形
在外力的作用下，机床的变形是不可避免的，如果能采取 措施使变形对加工精度的影响减小，其结果相当于提高了 机床的刚度。依照这一思路，产生了许多补偿有关零、部 件的静力变形的方法，这种方法普遍用于补偿因自重而引 起的静力变形。
平均压强 p 与变形 δ 之比称为接触刚度
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数控机床结构要求
由于机床总有为数较多的静、动连接面，如果不注意提 高接触刚度，各连接面的接触变形就会大大降低机床的整体 刚度，对加工精度产生非常不利的影响。
由于影响接触刚度的根本因素是实际接触面积的大小， 所以任何增大实际接触面积的方法都能有效地提高接触刚度。
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数控机床结构要求
合理布置基础件 的筋板可以 提高静刚度，下表 给出了 立柱的几种 不同筋板布置 时的相对静刚度。从表中可知： 纵 向筋板能 提高立柱的抗弯和抗扭刚度，提高抗扭刚度效果更 为显著；对角线 斜置筋板和 对角线 交叉筋板对 提高立柱的 刚度更为有效。
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数控机床结构要求
床身导轨倾斜布置， 改善了排屑条件， 同时截面形状采用 封闭式箱体结构， 从而加大了床身截 面的外轮廓尺寸， 使该床身具有很高 的抗弯、抗扭刚度。 这种倾斜布置的结 构为数控车床所普 遍采用。
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数控机床结构要求
卧式加工中心普遍采用 的框式立柱结构。从正 面看，立柱截面成封闭 框形，轮廓尺寸大，从 而保证以高扭转刚度承 受切削扭矩产生的扭转 载荷。从俯视截面看， 两个立柱截面形状为矩 形，矩形尺寸大的方向 正是因切削力作用产生 大的弯曲载荷的方向。 因而这种结构具有很高 的刚度。
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数控机床结构要求
1. 数控机床的结构要求
数控机床是一种高精度、高效率的自动化加工设备。尽管 数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，但仍然为机械制造 厂家所普遍采用并取得很好的经济效益，其原因在于数控 机床能自动化地，高精度、高质量、高效率地解决中、小 批量的加工问题。数控技术、伺服驱动技术的发展及在机 床上的应用，为数控机床的自动化、高精度、高效率提供 了可能性，但要将可能性变成现实，则必须要求数控机床 的机械结构具有优良的特性才能保证。这些特性包括结构 的静刚度、抗振性、热稳定性、低速运动的平稳性及运动 时的摩擦特性、几何精度、传动精度等。
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数控机床结构要求
上表列出了某型号数控车床焊接床身和铸造床身的刚度 的对比结果。从结果看，焊接床身的刚度高于铸造床身。 这是因为两种床身的筋板布置不同，钢板焊接结构容易 采用数控机床的结构与传动用最有利于提高刚度的筋板 布置形式，能充分发挥壁板和筋板的承载及抵抗变形的 作用；焊接结构还无需铸造结构所需的出砂口，有可能 将基础件做成完全封闭的箱形结构。另外，钢板的弹性 摸量 E 为2× 105MPa ，而铸铁的弹性模量 E 仅1.2× 10 5MPa ，两者几乎相差一倍， E= σ / ε ，在应力 σ 相 同时， E 大则产生的应变 ε 小， E 的大小反映了材料 抵抗弹性变形的能力。因此，在结构相同时， E 值大的 材料刚度则高。
机床在外力的作用下， 各基础件将 承受弯曲和扭转载 荷，其弯曲和扭转变形的大小则取决于基础件的截面抗弯 和抗扭惯性矩，抗弯/抗扭惯性矩大，变形则小，刚度就
高。
在形状和截面 积相同 时，减小壁厚，加大截面轮廓尺 寸，可大大增加刚度；封闭截面的刚度远远高于不封闭截 面的刚度；圆形截面的抗扭刚度高于方形截面，抗弯刚度 则低于方形截面；矩形截面在尺寸大的方向具有很高的抗 弯刚度。因此，通过合理设计截面形状和尺寸，可大大提 高基础件的结构静刚度。
主振型的低阶固有频率，振幅较大，对加工过程产生极为
不利的影响。当机床的刚度、刀具切削角度、工件与刀具
材料、切削速度和进给量都一定时，影响自激振动的主要
因素就是切削宽度 b ，因此，可以把不产生自激振动的最
大切削宽度，称为临界切削宽度，作为判断机床切削稳定
性(抵抗自激振动的能力)的指标。
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如图是一大型龙门铣床，当主轴部件移到横梁中部时，
横梁的弯曲变形 ( 下凹 )的抛物线形，或者通过在横梁内部安装辅助梁和预校
正螺钉将主导轨预调校正为中凸抛物线形，这样可以补偿主
20轴20/9箱/20移动到横梁中部时引起的弯曲变形
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传统的卧式镗铣床和卧式加工中心的结构布局的比较
传统的卧式镗铣床由于主轴箱单面悬挂在立柱侧面，主轴箱自重将
使立柱承受弯矩 ，切削力将使立柱承受扭矩 ，而加工中心的布局
使主轴箱的主轴中心位于立柱的对称面内，立柱则不再承受由主轴
箱自重产生的弯矩和由切削力产生的扭矩，从而改善了立柱的受力
如液压、气动、润滑、冷却以及防护、排屑等装置。
(5) 实现工件回转、分度定位的装置和附件，如
回转工作台。
(6) 刀库、刀架和自动换刀装置 (ATC) 。
(7) 自动托盘交换装置 (APC) 。
(8) 特殊功能装置，如刀具破损检测、精度检测
和监控装20置20/等9/20。
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需要说明的是：
其中，机床基础件、主传动系统、进给系统以及液压、 润滑、冷却等辅助装置是构成数控机床的机床本体的基 本部件，是必须的；其他部件则按数控机床的功能和需 要选用。尽管数控机床的机床本体的基本构成与传统的 机床十分相似，但由于数控机床在功能和性能上的要求 与传统机床存在着巨大的差距，所以数控机床的机床本 体在总体布局、结构、性能上与传统机床有许多明显的 差异，出现了许多适应数控机床功能特点的完全新颖的 机械结构和部件。
数控机床为获得高效率而具有的大功率和高速度，使它所承 受的各种外力2负020/载9/2更0 加恶劣，而且加工过程的自动化也使得加8 工误差无法由人工干预来修正和补偿，所以，数控机床的变形 对加工精度的影响会更为严重。为了保证数控机床在自动化、
数控机床结构要求
1.1.1 合理设计基础件的截面形状和尺寸，采用合理的筋板结构
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1.1.2 采用合理的结构布局，改善机床的受力数控状机床态结，构要求 提高机床的静刚度
改善受力状态
在切削力、自重等外力相同的情况下，如果能 改善机床的受力状态，减小变形，则能达到提高刚
度的目的。
以机床主轴为例，在其他条件不变的情况下， 缩短主轴前端的悬伸长度，可以减小主轴承受的弯 矩，从而减小主轴前端的挠度，提高主轴的刚度。 采用合理的机床结构布局，可以显著地改善机 床的受力状况，提高机床的刚度。
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数控机床结构要求
为补偿主轴箱自重的影响，也可以用加平衡重块或 其他平衡力的方法，抵消部分直接作用于横梁上的 自重，从而减小横梁因主轴箱自重引起的弯曲变形
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1.1.4 提高机床各部件的接触刚度
数控机床结构要求
所谓接触刚度：指在机床各部件的固定连接面和运动副的结合 面之间，总会存在宏观和微观不平，两个面之间真正接触的只 是一些高点，实际接触面积小于两接触表面的面积 ( 名义接触 面积 ) ，因此，在承载时，作用于这些接触点的压强要比平均 压强大得多，从而产生接触变形。
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1.2 提高机床结构的抗振性
提高机床结构抗振 性
机床的振动会在被加工工件表面留下振纹，影响工件的 表面质量，严重时则使加工过程难以进行下去。机床加 工时可能产生两种形式的振动：
强迫振动 自激振动
机床的抗振性指的是抵抗这两种振动的能力。
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提高机床结构抗震
性
如机床的导轨常采用人工铲刮工艺作为最终的精加工工 序，通过刮研 ，可以增加单位面积上的接触点，并使接触 点分布均匀，从而增加导轨副结合面的实际接触面积，提高 接触刚度。
又如采用滚动轴承作为支承的主轴部件，都要设计预 紧 结构 调整轴承间隙，使轴承在有预加载荷的条件下运转， 以提高主轴的支承刚度。预加载荷增大了实际接触点的面积， 从而达到提高接触刚度的目的。
采用螺纹202紧0/9固/20的固定连接面，合理布置一定数量的螺栓23， 并对螺栓的拧紧力矩提出严格要求以保证适当的预紧力，也
1.1.5 采用钢板焊接结构
数控机床结构要求
长期以来，机床基础件主要采用铸铁件。近年来，以钢板 焊接结构代替铸铁件的趋势不断扩大，从开始在单件和小 批量的重型和超重型机床上的应用，逐步发展到有一定批 量的中型机床。
强迫振动: 是在各种动态力 ( 如高速回转零件的不平
衡力、往复运动件的换向冲击力、周期变化的切削力等 ) 作用下被迫产生的振动。如果动态力的频率与机床某部件 的固有频率重合，则将发生共振。机床结构抵抗强迫振动 的能力可以用动刚度大小来表示。
自激振动: 是在没有外加动态力的情况下，由切削过
程自身所激发的振动。自激振动的频率接近或略高于机床
数控机床的结构
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结构变迁的原因
传统机床+数控装置的模式不再适用：
1. 生产率、加工精度、寿命； 2. 结构刚性不足、抗振性、摩擦、传动间隙等制约数控机 床性能进一步提高；
针对数控机床特性的机床结构设计成为一个新的研究课题
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数控机床的模块化与机电一体化
模块化：灵活配置，合理要求，降低成本，提高效率，提 高柔性。 机电一体化：总体设计与结构设计的重要要求，核心就是 要考虑总体布局上机械与电气的有机结合。
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1.1 提高机床结构的静刚度
数控机床结构要求
机床结构的静刚度是指在切削力和其他力的作用下， 机床抵抗变形的能力。
机床在加工过程中，受多种外力的作用，包括运动部件和工 件的自重、切削力、驱动力、加减速时的惯性力、摩擦阻力等。 机床的各部件在这些力的作用下将产生变形，如 各基础 件的 弯曲和扭转变形，支承构件的局部变形，固定连接面和运动啮 合面的接触变形等。这些变形都会直接或间接地引起刀具与工 件之间产生相对位移，破坏刀具和工件原来所占有的正确位置， 从而影响机床的加工精度和切削过程的特性，所以，提高机床 的静刚度是机床结构设计的普遍要求。
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b STAMA MCll8 型立式加工
合理布置 筋板还 可提高基础件的局 部刚度，所示为某 款超精密重切削卧 式加工中心采用的 床身结构。该床身 为整体式结构，截 面为封闭箱形结构， 整体结构刚度很高。 为了加强导轨连接 的局部刚度，采用 两条成 Y 形的斜筋 支撑导轨。
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数控机床结构要求
加 工 程 序
输 入 装 置
数 置控
装
辅助控制装置 伺服驱动装置
机 床 本 体
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检测反馈装置
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机床本体是数控机床的主体部分。来自于数控装置的各种运动和动作指令，都必
须由机床本体转换成真实的、准确的机械运动和动作，才能实现数控机床的功能，并
保证数控机床的性能要求。
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