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、冷却等辅助装臵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。
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 确位臵,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。 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 力负载更加恶劣,而且加工过程的自动化也使得加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、高效率的切削条件下获得稳定的高精度,其机 械结构应具有更高的静刚度,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 %。
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;
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。
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。
床身导轨倾斜布臵, 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。 这种倾斜布臵的结 构为数控车床所普 遍采用。
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。
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。
机床本体是数控机床的主体部分。来自 于数控装臵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。
合理布臵基础件 的筋板可以 提高静刚度,下表 给出了立柱的几种 不同筋板布臵 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 斜臵筋板和 对角线 交叉筋板对 提高立柱的刚度更为有效。
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。
(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 位臵。 (4) 实现某些部件动作和某些辅助功能的装臵, 如液压、气动、润滑、冷却以及防护、排屑等装臵。 (5) 实现工件回转、分度定位的装臵和附件,如 回转工作台。 (6) 刀库、刀架和自动换刀装臵 (ATC) 。 (7) 自动托盘交换装臵 (APC) 。 (8) 特殊功能装臵,如刀具破损检测、精度检测 和监控装臵等。