數控機床的結構要求

機床本體是數控機床的主體部分。來自于數控裝置的各種運動和動作指令，都必須由機床本體轉換成真實的、準確的機械運動和動作，才能實現數控機床的功能，并保證數控機床的性能要求。
?? 數控機床的機床本體由下列各部分組成：

??? (1) 主傳動系統，其功用是實現主運動。

??? (2) 進給系統，其功用是實現進給運動。

??? (3)機床基礎件，通常指床身、底座、立柱、滑座、工作臺等。其功用是支承機床本體的零、部件，并保證這些零、部件在切削加工過程中占有的準確位置。

??? (4) 實現某些部件動作和某些輔助功能的裝置，如液壓、氣動、潤滑、冷卻以及防護、排屑等裝置。

??? (5) 實現工件回轉、分度定位的裝置和附件，如回轉工作臺。

??? (6) 刀庫、刀架和自動換刀裝置 (ATC) 。

??? (7) 自動托盤交換裝置 (APC) 。

??? (8) 特殊功能裝置，如刀具破損檢測、精度檢測和監控裝置等。

??? 其中，機床基礎件、主傳動系統、進給系統以及液壓、潤滑、冷卻等輔助裝置是構成數控機床的機床本體的基本部件，其他部件則按數控機床的功能和需要選用。盡管數控機床的機床本體的基本構成與傳統的機床十分相似，但由于數控機床在功能和性能上的要求與傳統機床存在著巨大的差距，所以數控機床的機床本體在總體布局、結構、性能上與傳統機床有許多明顯的差異，出現了許多適應數控機床功能特點的完全新穎的機械結構和部件。

?? 數控機床是一種高精度、高效率的自動化加工設備。盡管數控機床價格昂貴，一次性投資巨大，但仍然為機械制造廠家所普遍采用并取得很好的經濟效益，其原因在于數控機床能自動化地，高精度、高質量、高效率地解決中、小批量的加工問題。數控技術、伺服驅動技術的發展及在機床上的應用，為數控機床的自動化、高精度、高效率提供了可能性，但要將可能性變成現實，則必須要求數控機床的機械結構具有優良的特性才能保證。這些特性包括結構的靜剛度、抗振性、熱穩定性、低速運動的平穩性及運動時的摩擦特性、幾何精度、傳動精度等。

一、提高機床結構的靜剛度

?? 機床結構的靜剛度是指在切削力和其他力的作用下，機床抵抗變形的能力。機床在加工過程中，受多種外力的作用，包括運動部件和工件的自重、切削力、驅動力、加減速時的慣性力、摩擦阻力等。機床的各部件在這些力的作用下將產生變形，如各基礎 件的彎曲和扭轉變形，支承構件的局部變形，固定 連接面和運動嚙合面的接觸變形等。這些變形都會直接或間接地引起刀具與工件之間產生相對位移，破壞刀具和工件原來所占有的正確位置，從而影響機床的加工精度和切削過程的特性，所以，提高機床的靜剛度是機床結構設計的普遍要求。數控機床為獲得高效率而具有的大功率和高速度，使它所承受的各種外力負載更加惡劣，而且加工過程的自動化也使得加工誤差無法由人工干預來修正和補償，所以，數控機床的變形對加工精度的影響會更為嚴重。為了保證數控機床在自動化、高效率的切削條件下獲得穩定的高精度，其機械結構應具有更高的靜剛度，有標準規定數控機床的剛度系數應比類似的普通機床高 50 ％。

??? 1 ．合理設計基礎件的截面形狀和尺寸，采用合理的筋板結構

? 機床在外力的作用下， 各基礎件將 承受彎曲和扭轉載荷，其彎曲和扭轉變形的大小則取決于基礎件的截面抗彎 和抗扭慣性矩 ，抗彎、 抗扭慣性矩大，變形則小，剛度就高。表 5-1 列出了在截面 積相同 ( 即重量相同 ) 時，不同截面形狀和尺寸的慣性矩。由表中數據可知：在形狀和截面積相同時，減小壁厚，加大截面輪廓尺寸，可大大增加剛度；封閉截面的剛度遠遠高于不封閉截面的剛度；圓形截面的抗扭剛度高于方形截面，抗彎剛度則低于方形截面；矩形截面在尺寸大的方向具有很高的抗彎剛度。因此，通過合理設計截面形狀和尺寸，可大大提高基礎件的結構靜剛度。

2 ．采用合理的結構布局，改善機床的受力狀態，提高機床的靜剛度

??? 在切削力、自重等外力相同的情況下，如果能改善機床的受力狀態，減小變形，則能達到提高剛度的目的。以機床主軸為例，在其他條件不變的情況下，縮短主軸前端的懸伸長度，可以減小主軸承受的彎矩，從而減小主軸前端的撓度，提高主軸的剛度。采用合理的機床結構布局，可以顯著地改善機床的受力狀況，提高機床的剛度。

3 ．補償有關零、部件的靜力變形

??? 在外力的作用下，機床的變形是不可避免的，如果能采取措施使變形對加工精度的影響減小，其結果相當于提高了機床的剛度。依照這一思路，產生了許多補償有關零、部件的靜力變形的方法，這種方法普遍用于補償因自重而引起的靜力變形。

4 ．提高機床各部件的接觸剛度

??? 在機床各部件的固定連接面和運動副的結合面之間，總會存在宏觀和微觀不平，兩個面之間真正接觸的只是一些高點，實際接觸面積小于兩接觸表面的面積 ( 名義接觸面積 ) ，因此，在承載時，作用于這些接觸點的壓強要比平均壓強大得多，從而產生接觸變形。平均壓強 p 與變形 δ 之比稱為接觸剛度 ，即 。

由于機床總有為數較多的靜、動連接面，如果不注意提高接觸剛度，各連接面的接觸變形就會大大降低機床的整體剛度，對加工精度產生非常不利的影響。影響接觸剛度的根本因素是實際接觸面積的大小，任何增大實際接觸面積的方法都能有效地提高接觸剛度。如機床的導軌常采用人工鏟刮工藝作為最終的精加工工序，通過刮研 ，可以增加單位面積上的接觸點，并使接觸點分布均勻，從而增加 導軌副結合面的實際接觸面積，提高接觸剛度。又如采用滾動軸承作為支承的主軸部件，都要設計預緊結構調整軸承間隙，使軸承在有預加載荷的條件下運轉，以提高主軸的支承剛度。預加載荷增大了實際接觸點的面積，從而達到提高接觸剛度的目的。采用螺紋緊固的固定連接面，合理布置一定數量的螺栓，并對螺栓的擰緊力矩提出嚴格要求以保證適當的預緊力，也是為提高接觸剛度而常采用的措施。

??? 5 ．采用鋼板焊接結構

長期以來，機床基礎件主要采用鑄鐵件。近年來，以鋼板焊接結構代替鑄鐵件的趨勢不斷擴大，從開始在單件和小批量的重型和超重型機床上的應用，逐步發展到有一定批量的中型機床。?
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二、提高機床結構的抗振性
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機床的振動會在被加工工件表面留下振紋，影響工件的表面質量，嚴重時則使加工過程難以進行下去。機床加工時可能產生兩種形式的振動：強迫振動和自激振動。機床的抗振性指的是抵抗這兩種振動的能力。
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強迫振動是在各種動態力 ( 如高速回轉零件的不平衡力、往復運動件的換向沖擊力、周期變化的切削力等 ) 作用下被迫產生的振動。如果動態力的頻率與機床某部件的固有頻率重合，則將發生共振。機床結構抵抗強迫振動的能力可以用動剛度大小來表示。
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自激振動是在投有外加動態力的情況下，由切削過程自身所激發的振動。自激振動的頻率接近或略高于機床主振型的低階固有頻率，振幅較大，對加工過程產生極為不利的影響。當機床的剛度、刀具切削角度、工件與刀具材料、切削速度和進給量都一定時，影響自激振動的主要因素就是切削寬度 b ，因此，可以把不產生自激振動的最大切削寬度，稱為臨界切削寬度? ，作為判斷機床切削穩定性 ( 抵抗自激振動的能力 ) 的指標。
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高速切削是產生動態力的直接因素，強力切削也意味著切削寬度大。數控機床在追求高速度、高切削效率的同時，也埋下了容易產生受迫振動和自激振動的根源。切削過程的自動化又使得振動難以由人工來控制和消除，數控機床只有靠自身機床結構的高抗振性來減小和克服振動對加工精度、加工過程的影響。
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提高機床的抗振性，可以從提高靜剛度、固有頻率和增加阻尼幾個方面著手。提高靜剛度的措施已在前面有詳細的介紹。因為固有頻率? ( 其中， K 為靜剛度， m 為結構質量 ) ，所以在提高靜剛度時，能相對減小結構件的重量，即提高單位重量的剛度，則能提高固有頻率。前面介紹的合理布置筋板，采用鋼板焊接結構等提高靜剛度的措施，同樣能達到提高固有頻率的目的。

1、基礎件內腔充填泥芯、混凝土等阻尼材料

在基礎件內腔充填泥芯、混凝土，振動時可利用相對摩擦來耗散振動能量，從而提高結構的阻尼特性。

2、表面采用阻尼涂層
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對于彎曲振動結構件，在其表面噴涂一層具有較高內阻尼和較高彈性的粘滯材料 ( 如瀝青基制成的膠泥減振劑、高分子聚合物和油漆膩子等 ) ，涂層厚度愈大，阻尼愈大。采用阻尼涂層，既可不改變原設計的結構和剛度，又能獲得較高的阻尼比，其阻尼比 ξ 值可達 0.05~0.1 。這種措施常用于鋼板焊接的結構。

3、采用新材料制造基礎件
最近 10 年來，德國和瑞士在應用聚合物混凝土制造基礎件的研究中取得了進展。德國布格哈特—韋貝爾 (BURKHARUT&WEBER) 公司為 HYOP80 NC W 型加工中心制成了丙烯酸樹脂混凝土床身，其動剛度比鑄鐵件的高 6 倍。瑞士的精密磨床生產 廠家斯 圖德 (STUDER) 公司制成了 S40 和 S50 系列數控外圓磨床的樹脂混凝土床身，具有剛度高、 抗振性好 、耐化學腐蝕和耐熱的特點。

4、充分利用接合面間的阻尼
在焊接結構上，壁板和 筋板 之間采用間斷焊接 ( 即焊一段，空一段，再焊一段 ) ，空的那一段振動時互相摩擦，可消耗振動能量，從而獲得良好的阻尼特性。

三、減小機床的熱變形

熱膨脹是各種金屬和非金屬材料的固有特性。機床在工作時，有許多部件和部位會產生大量熱量，如電機、滾動軸承、切屑及刀具與工件的切削部位、液壓系統等。這些產生熱量的部件和部位稱為熱源。熱源產生的熱量通過傳導、對流、輻射傳遞給機床的各個部件，引起溫升，產生熱膨脹。由于熱源分布不均勻，各熱源產生的熱量不等，零部件各處質量不均勻，形成機床各部位溫升不一致，從而產生不均勻的溫度場和不均勻的熱膨脹變形，以致破壞刀具與工件的正確相對位置，影響加工精度。
?? 數控機床的主軸轉速、進 給速度 遠高于傳統機床，并且大切削用量產生的熾熱切屑也多，故發熱遠較傳統機床嚴重，而熱變形對加工精度的影響往往難以由操作者修正，因此對如何減小機床的熱變形應予以特別重視。

1、改進機床布局和結構設計
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(1) 采用熱對稱結構
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這種結構相對熱源是對稱的。這樣在產生熱變形時，可保證工件或刀具回轉中心對稱線的位置不變，從而減小熱變形對加工精度的影響。最典型的實例是許多臥式加工中心所采用的框式雙立柱結構，主軸箱嵌入框式立柱內 ，且以立柱左、右導軌兩內側定位，在熱變形時，主軸中心在水平方向的位置保持不變，從而減小了熱變形的影響。
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(2) 采用預拉伸的滾珠絲杠結構
?? 數控機床中的滾珠絲杠是在預加載荷大、轉速高、散熱差的條件下工作的，容易發熱，滾珠絲杠的熱伸長直接影響進給系統的定位精度。采用預拉伸的方法可以減小絲杠的熱變形。這種方法是在加工滾珠絲杠時，使螺距略小于名義值，裝配時對絲杠進行預拉伸，即使其螺距值達到名義值，當絲杠工作受熱，絲杠中的拉應力補償了熱應力，從而 減小熱 伸長。
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(3) 在機床布局時，盡量減少內部熱源
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內部熱源的發熱是造成熱變形的主要原因，因此，在機床布局設計中應盡量考慮將熱源從主機中分離出去，如將電動機、變速箱、液壓泵站等置于機床主機以外。
加工過程所產生的熾熱切屑是一個不可忽視的熱源。在機床布局時，應考慮使排屑通暢，應設置自動排屑裝置以隨時將切屑排到機床外，同時應在工作臺或導軌上設置隔熱防護罩，使 數控技術切屑的熱量隔離在機床外。

2、控制溫升
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對機床發熱部位采取散熱、風冷、液冷等控制溫升的辦法來吸收熱源發出的熱量，是在各類數控機床上使用較多的一種減少熱變形影響的對策。其中，強制冷卻是比較有效的方法。所謂強制冷卻，就是利用冷卻裝置對潤滑油或冷卻液進行冷卻，然后將潤滑油送至摩擦副潤滑或將冷卻液送至切削部位冷卻。

3、熱變形補償
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預測熱變形規律，建立數學模型并存人計算機中進行實時補償。

四、改善運動導軌副的摩擦特性
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機床導軌是機床基本結構的要素之一。機床的加工精度和使用壽命很大程度上取決于機床導軌的質量，而對數控機床的導軌則有更高的要求，如：高速進給時不振動， 低速進 給時不爬行；有高的靈敏度，能在重載下長期連續工作；耐磨性要高，精度保持性要好等。這些都與 導軌副的摩擦特性有關，要求摩擦系數小，靜、動摩擦系數之差小。現代數控機床采用的導軌主要有塑料滑動導軌、滾動導軌和靜壓導軌。
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( 一 ) 塑料滑動導軌
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數控機床采用的塑料滑動導軌有鑄鐵 - 塑料滑動導軌 和鑲鋼 - 塑料滑動導軌。塑料滑動導軌常用在導軌副的運動導軌上，與之相配的金屬導軌為鑄鐵或鋼質。鑄鐵牌號為 HT300 ，表面淬硬至 HRC45~50 ，表面粗糙度磨削至? 0.20~0.10 ；鑲鋼導軌常用 50 號鋼或其他合金鋼，淬硬至 HRC58~62 。導軌上的塑料常用聚四氟乙烯導軌軟帶和環氧型耐磨導軌涂層兩類。

1、聚四氟乙烯導軌軟帶
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聚四氟乙烯導軌軟帶是以聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二硫化鉬和石墨等填充劑混合燒結，并做成軟帶狀。這種軟帶有以下特點：

(1) 摩擦特性好
(2) 耐磨性好
(3) 減振性好
(4) 工藝性好

2、環氧型耐磨導軌涂層
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環氧型耐磨導軌涂層是以環氧樹脂和二硫化鉬為基體，加入增塑劑，混合成液狀或膏狀為一組份，以固化劑為另一組份的雙組份塑料涂層。它有良好的可加工性，可經車、銑、刨、鉆、磨削和刮削加工；也有良好的摩擦特性和耐磨性，而且抗壓強度比聚四氟乙烯導軌軟帶要高，固化時體積不收縮，尺寸穩定。特別是可在調整好固定導軌和運動導軌間的相關位置精度后注入涂料，這樣可節省 許多加工工時，故它特別適用于重型機床和不能用導軌軟帶的復雜配合型面。

( 二 ) 滾動導軌
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滾動導軌具有摩擦系數小 ( 一般在 0.003 左右 ) ，動、靜摩擦系數相差小，且幾乎不受運動變化的影響，定位精度和靈敏度高，精度保持性好等優點。現代數控機床常采用的滾動導軌有滾動導軌塊和直線滾動導軌兩種。

1、滾動導軌塊
2、直線滾動導軌

單元式直線滾動導軌除有一般滾動導軌的共性優點外，還有以下特點：
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(1) 具有自調整能力，安裝基面許用誤差大。
(2) 制造精度高。
(3) 可高速運行，運行速度可大于 60m /min 。
(4) 能長時間保持高精度。
(5) 可預加負載，提高剛度。

( 三 ) 靜壓導軌

靜壓導軌是在兩個相對運動的導軌面間通以壓力油，將運動件浮起，使導軌面間處于純液體摩擦狀態。由于承載的要求不同，靜壓導軌分為開式和閉式兩種。