数控机床的机械结构

2.1.1　数控机床机械结构概述

　　数控机床发展至今，由于进给伺服驱动、主轴驱动和计算机数控系统的不断改进提高，加之为适应高生产率的需要，数控机床的机械结构已从初期对普通机床局部结构的改进，逐步发展成为具有数控机床自身特色的机械结构。

　　它带有自动换刀装置（ATC）、刀库和一个旋转工作台，主轴上可安装水平方向的各种刀具，并且可以一次装夹对被加工工件进行五个工作面加工。

　　归纳起来，通常数控机床组成如下。

　　数控机床组成主机：床身、主轴箱、进给机构、机床底座等。

　　数控装置：CPU、PLC、ROM、RAM、接口、总线等。

　　驱动装置：滚珠丝杠螺母副、伺服电动机（包括步进电动机、交流或直流伺服电动机）等。

　　辅助装置：排屑装置、冷却系统、润滑系统、自动对刀装置等。

　　与具有同样加工功能的普通机床相比，数控机床的机械结构还有如下主要特点：

　　1.高刚度和高抗振性

　　机床刚度反映了机床抵抗变形的能力。根据机床所受载荷的不同，机床在静态力作用下所表现出来的刚度称为机床的静刚度；机床在动态力作用下所表现出来的刚度称为机床的动刚度。

　　提高数控机床刚度有以下措施：

　　（1）提高数控机床的静刚度和固有频率

　　通过改善薄弱环节的结构或布局，减少弯曲负载和转矩负载。

　　（2）改善数控机床结构的阻尼特性

　　在大件内腔填充阻尼材料以吸收和耗散振动能量。

　　（3）用新材料和钢板焊接结构

　　现在可代替铸铁作机床基础大件的新材料有丙烯酸树脂混凝土等刚度高、抗振性好、耐腐蚀、耐热的材料。还可以采用型钢焊接成大型基础件，既省时、省材料，又可以减少废品率。

　　2.减少机床热变形的影响

　　机床热变形是影响机床加工精度的重要因素之一。因为数控机床主轴转速和加工进给速度远高于普通机床，而大切削量产生的热量对工件和机床部件的热传导影响远比普通机床严重。热变形对于加工精度的影响使操作员往往难以修正。

　　减少数控机床热变形的措施有：

　　（1）改进机床布局和结构

　 　采用热对称结构减少热应力。例如，卧式加工中心使用框式双立柱结构，主轴箱嵌入立柱内，使热变形时主轴中心只产生垂直方向的变化，而垂直方向的微小变形 较容易进行修正补偿。另外，靠近热源处的筋板厚度不要厚薄悬殊，减少各部分温度变化率。倾斜导轨也有利于热切屑尽快进入排屑口，减少堆积。

　　（2）温度控制

　　对机床易产生热量的部位采用散热、风冷和液冷等控制温升的方法来吸收热源产生的热量，这也是各类数控机床目前普遍采用的一种减少热变形影响的对策。

　　（3）热位移补偿

　　采用热敏传感器和存有相应数学模型的计算机组成的反馈系统，实时监控，并及时给予补偿修正，减少热变形。

　　3.驱动系统机械结构简化

　　主轴驱动系统和进给驱动系统可分别采用交流或直流轴电动机和伺服电动机。这两类电动机调速范围大，结合变频器可实现主轴无级变速，主轴箱结构和进给传动系统也比普通机床大为简化。

　　4.高传动效率和无间隙传动装置

　　数控机床常在进给传动系统中采用滚珠丝杠螺母副、静压蜗杆蜗轮副等装置。这些装置可使数控机床在高速进给状态下工作平稳，且保持较高的定位精度。这些进给传动装置还有寿命长、刚度高、无间隙、高灵敏度和低摩擦阻力的特点。

　　5.性能可靠的导轨

　 　机床导轨是机床基本结构之一。机床加工精度和使用寿命在很大程度上决定于导轨的质量，数控机床的导轨则有更高要求。数控机床要求其导轨在高速进给时不振 动，在低速进给时不爬行，具有很高的灵敏度，还能在重载下长期连续工作，耐磨性好，精度保持性好。目前的数控机床上使用的导轨从类型上仍是滑动导轨、滚动 导轨和静压导轨三种，但在材料和结构上已与普通机床大不相同。

　　2.1.2　主轴部件

　　数控机床的主轴部件是一个关键部件，它包括主轴的支撑、安装在主轴上的传动零件等。主轴部件的结构及工作性能，直接影响到被加工零件的精度、加工质量、生产率和刀具寿命。无论是数控车床还是数控铣床等，主轴部件都应满足下列指标：