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1、数控机床的构造设计摘要数控机床是数字把握机床Computer numerical control machine tools的简称，是一种装有程序把握系统的自动化机床。关于其构造设计，主要从机械构造的要求、机构刚度、机床运动的抗震性、机床低速运动的平稳性与精度几个方面来开放争论。关键词：构造、刚度、平稳性、精度AbstractNc machine tool is digital control machine tools (Computer numerical control machinetools) for short, is a kind of a program control sys
2、tem of automatic machine tools. On itsstructural design, mainly from the requirements of the mechanical structure, institutionalrigidity, machinetoolmovement,machinetoolatlowspeedvibrationresistancemovement stability and precision of the several aspects to study.Keywords: structure, stiffness, stabi
3、lity and accuracy一、数控机床机械构造的要求数控机床在自动变速、刀架和工作台自动转位和手柄操作等方面与通用机床不 同，随着生产力的增长，对数控机床的要求也逐步提高。对机床的生产率、加工精度和寿命提出了更高的要求：1)由于承受了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，数控机床的极限传动构造大为简化，传动链也大大缩短；2)为适应连续的自动化加工和提高加工生产率，数控机床机械构造具有较高的静、动态刚度和阻尼精度，以及较高的耐磨性，而且热变形小；3)为减小摩擦、消退传动间隙和获得更高的加工精度，更多地承受了高效传动部件，如滚珠丝杠副和滚动导轨、消隙齿轮传动副等；4)为了改善劳动条件、削减关
4、心时间、改善操作性、提高劳动生产率，承受了刀具自动夹紧装置、刀库与自动换刀装置及自动排屑装置等关心装置。依据数控机床的适用场合和机构特点，对数控机床构造因提出以下要求：1. 较高的机床静、动刚度数控机床是依据数控编程或手动输入数据方式供给的指令自动进展加工的。由于机械构造(如机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴箱等)的几何精度与变形产生的定位误差在加工过程中不能为地调整与补偿，因此，必需把各处机械构造部件产生的弹性变形把握在最小限度内，以保证所要求的加工精度与外表质量。为了提高数控机床主轴的刚度，不但常常承受三支撑构造，而且选用钢性很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承铰接出信任忒力轴承
5、，以减小主轴的径向和轴向变形。为了提高机床大件的刚度，承受封闭界面的床身，并承受液力平衡削减移动部件因位置变动造成的机床变形。为了提高机床各部件的接触刚度，增加机床的承载力气，承受刮研的方法增加单位面积上的接触点，并在结合面之间施加足够大的预加载荷，以增加接触面积。这些措施都能有效地提高接触刚度。为了充分发挥数控机床的高效加工力气，并能进展稳定切削，在保证静态刚度的前提下，还必需提高动态刚度。常用的措施主要有提高系统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率等。试验说明，提高阻尼系数是改善抗振性的有效方法。钢板的焊接构造既可以增加静刚度、减轻构造重量，又可以增加构件本身的阻尼。因此，近年来在数控机
6、床上承受了钢板焊接构造的床身、立柱、横梁和工作台。封砂铸件也有利于振动衰减，对提高抗振性也有较好的效果。2. 削减机床的热变形在内外热源的影响下，机床各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破环，也是机床季度下降。对于数控机床来说，由于全部加工过程是计算的指令把握的，热变形的影响就更为严峻。为了削减热变形，在数控机床构造中通常承受以下措施。1) 削减发热机床内部发热时产生热变形的主要热源，应当尽可能地将热源从主机中分别出去。2) 把握温升在实行了一系列削减热源的措施后，热变形的状况将有所改善。但要完全消退机床的内外热源通常是格外困难的，甚至是不行能的。所以必需通过良好的
7、散热和冷却来把握温升，以削减热源的影响。其中部较有效的方法是在机床的发热部位强制冷却，也可以在机床低温局部通过加热的方法，使机床各点的温度趋于全都， 这样可以削减由于温差造成的翘曲变形。3) 改善机床机构在同样发热条件下，机床机构对热变形也有很大影响。如数控机床过去承受的单立柱机构有可能被双柱机构所代替。由于左右对称，双立柱机构受热后的主轴线除产生垂直方向的平移外，其它方向的变形很小，而垂直方向的轴线移动可以便利地用一个坐标的修正量进展补偿。轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上。这就可以使主轴热变形对加工直径的影响降低到最小限度。在构造上还应尽可能减小主轴中心与主轴向地面的距离， 以削减热变形
8、的总量，同时应使主轴箱的前后温升全都，避开主轴变形后消灭倾斜。数控机床中的滚珠丝杠常在估量载荷大、转速高以及散热差的条件下工作，因此丝杠简洁发热。滚珠丝杠热生产造成的后果是严峻的，尤其是在开环系统中，它会使进给系统丧失定位精度。目前某些机床用预拉的方法削减丝杠的热变形。对于实行了上述措施仍不能消退的热变形，可以依据测量结果由数控系统发出补偿脉冲加以修正。3. 削减运动间的摩擦和消退传动间隙数控机床工作台(或拖板)的位移量十一脉中当量为最小单位的，通常又要求能以基地的速度运动。为了使工作台能对数控装置的指令作出准确响应，就必需实行相应的措施。目前常用的滑动导轨、滚动导轨和静压导轨在摩擦阻尼特性方
9、面存在着明显的差异。在进给系统中用滚珠丝杠代替滑动丝杠也可以收到同样的效果。目前，数控机床几乎无一例外地承受滚珠丝杠传动。数控机床(尤其是开环系统的数控机床)的加工精度在很大程度上取决于进给传动链的精度。除了削减传动齿轮和滚珠丝杠的加工误差之外，另一个重要措施是承受无间隙传动副。对于滚珠丝杠螺距的累积误差，通常承受脉冲补偿装置进展螺距补偿。4. 提高机床的寿命和精度保持性为了提高机床的寿命和精度保持性，在设计时应充分考虑数控机场零部件的耐磨性，尤其是机床导轨、进给伺港机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。5.削减关心时间和改善操作性能数控机床的单件
10、加工中，关心时间(非切屑时间)占有较大的比重。要进一步提高机床的生产率，就必需实行促使最大限度地压缩关心时间。目前已经有很多数控机床承受了多主轴、多刀架、以及带刀库的自动换刀装置等，以削减换刀时间。对于切屑用量加大的数控机床，床身机构必需有利于排屑。二、提高数控机床的机构刚度1. 问题的产生刚度是指材料或构造在受力时抵抗弹性变形的力气。是材料或构造弹性变形难易程度的表征。机床构件的变形常影响构件的工作，例如齿轮轴的过度变形会影响齿轮啮合状况，机床变形过大会降低加工精度等。影响刚度的因素是材料的弹性模量和构造形式，转变构造形式对刚度有显著影响。因此在对数控机床设计的过程中，要提高数控机床的机构刚
11、度。2. 对于数控机床机构刚度设计的相关问题数控机床比一般机床要求具有更高的静刚度和动刚度，有标准规定数控机床的刚度系数应比类似的一般机床高 50%。机床在切削加工过程中，要承受各种外力的作用，承受的静态力有运动部件和被加工零件的自重，承受的动态力有：切削力、驱动力、加减速时引起的惯性力、摩擦阻力等。机床的构造部件在这些力作用下， 将产生变形，如固定连接外表或运动啮合外表的接触变形；各支承零件部的弯曲和扭转变形，以及某些支承件的局部变形等，这些变形都会直接或间接地引起刀具和工件之间的相对位移，从而导致工件的加工误差，或者影响机床切削过程的特性。由于加工状态的瞬时多变状况简洁，通常很难对构造刚度
12、进展准确的理论计算。只能对局部构件(如轴、丝杠等)用计算方法计算其刚度，而对床身、立柱、工作台和箱体等零件的弯曲和扭转变形，接合面的接触变形等，只能将其简化后进展近似计算，其计算结果往往与实际相差很大。所以在机床构造设计中承受有限元法进展分析计算，但是在设计时仍需要对模型、实物或类似的样机进展试验、分析和比照以确定合理的构造方案。3. 提高数控机床机构刚度的措施a.合理选择构件的构造形式(1) 正确选择截面的外形和尺寸构件在承受弯曲和扭转载荷后，其变形大小取决于断面的抗弯和扭转惯性矩， 抗弯和扭转惯性矩大的其刚度就高。外形一样的断面，当保持一样的截面积时， 应减小壁厚、加大截面的轮廓尺寸，圆形
13、截面的抗扭刚度比方形截面的大，抗弯刚度则比方形截面的小；封闭式截面的刚度比不封闭式截面的刚度大很多；壁上开孔将使刚度下降，在孔周加上凸缘可使抗弯刚度得到恢复。(2) 合理选择及布置隔板和筋条合理布置支承件的隔板和筋条，可提高构件的静、动刚度。对于薄壁截面，避开产生形变，可以承受加强筋，不仅可以提高刚度，还可以削减铸造时的收缩应力。(3) 提高构件的局部刚度机床的导轨和支承件的联接部件，往往是局部刚度最弱的局部，但是联接方式对局部刚度的影响很大。当导轨较窄时，可用单壁或加厚的单壁联接，或者在单壁上增加垂直筋条以提高局部刚度。(4)选用焊接构造的部件机床的床身、立柱等支承件，承受钢板和型钢焊接而成
14、，具有减小质量提高刚度的显著优点。用钢板焊接有可能将构件做成全封闭的箱形构造，从而有利于提高构件的刚度。b.合理的构造布局可以提高刚度以卧式镗床的主轴构造为例，图 1 和图 2 分别为卧式镗床常用的两种构造形式。图 1 为三层主轴构造，图 2 为二层主轴构造。图 1 中，对于主轴部件刚度格外重要的空心主轴前轴承安装在平旋盘主轴内，而不是直接装在主轴箱上，减小了空心主轴支撑的刚性，弹性形变增加，因此主轴部件的刚度较低。图 2 中，空心主轴前轴承安装在主轴箱上，主轴部件构造简洁， 刚度较好。此外，数控机床的拖板和工作台，由于构造尺寸的限制，厚度尺寸不能设计得太大，但是宽度或跨度又不能减小，因而刚度
15、缺乏，为弥补这个缺陷，除主导轨外，在悬伸部位增设关心导轨，可大大提高拖板和工作台的刚度。c.实行补偿构件变形的构造措施当能够测出着力点的相对变形的大小和方向，或者预知构件的变形规律时， 便可以采，取相应的措施来补偿变形以消退其影响，补偿的结果相当于提高了机床的刚度。三、机床的抗震性1、数控机床振动产生的缘由产品切削加工过程中数控机床所发生的振动是格外简洁的，引起振动的缘由是多方面的，经分析，主要有以下几个方面：（1） 工件的外形简洁而装夹部位选择不适宜：工件外形构造不规章，没有好的基准面，不便利装夹，工件夹不紧，简洁在加工时产生松动，随着切削力的变化而发生相应振动。（2） 工件内部组织不均匀：
16、铸造毛坯件局部有气孔、砂眼、疏松等缺陷，晶粒粗大或者夹有杂质等状况。切削时铸件软硬不均匀，刀具受力不均匀，使得切削力不稳定，易使数控机床产生震惊，有时还会造成打刀，工件的加工质量也很难把握。（3） 刀具选择不合理：刀体材料不适宜，刚性差，是引起振动的主要缘由之一。假设选错了刀具，有时会使刀具磨损加剧或引起切屑瘤、拉毛工件外表或消灭打刀引起振动而影响产品质量。（4） 切削用量和数控机床转速的选择不适宜： 切削速度 1000。切削速度与工件待加工外表直径、工件转速成正比，当d确定时，转速越快，切削速度越快，引起振动的可能性越大；进给量 f 越大，刀尖受力越大，越简洁引起振动：切削深度 pa 切削深
17、度越大，受到的剪应力越大越引起对刀尖的阻力增大而引起振动。（5） 数控机床自身状况的影响数控机床本身的精度不够也是振动产生的一个方面。数控机床主轴箱内各啮合齿轮、轴承等协作精度低，导轨的磨损，各夹紧装置的不行靠等，在切削中都可能产生振动。2、防止和减小振动的措施由于振动产生的缘由是多方面的，应依据具体状况具体分析，推断振动产生的缘由和性质，实行有效措施，避开和削减振动的产生。（1） 提高数控机床自身的抗振性：可以从改善数控机床刚性，提高数控机床零件加工和装配质量方面合理保养数控机床，减轻造成振动的部份的工作重量，惯性越小越好。针对振动最大的地方予以固定或夹持，如中心架、工作保持器等.（2） 合
18、理提高系统刚度：车削瘦长轴(L/D12)承受弹性顶尖及关心支承(中心架或跟刀架)来提高工件抗振性能的同时，用冷却液冷却以减小工件的热膨胀变形， 减小刀具悬伸长度；刀具高速自振时，宜提高转速和切削速度，以提高切削温度， 消退刀具后刀面摩擦力下降特性和由此引起的自振，但切削速度不宜高于1.33m/s80m/min；对数控机床主轴系统，要适当减小轴承间隙，滚动轴承应施加适当的预应力以增加接触刚度，提高数控机床的抗振性能；合理安捧刀具和工件的相对位景。（3） 合理选择刀具的材料加工脆性材料可选用钨钴类硬质合金刀具，加工塑性材料可选用钨钴钛类硬质合金刀具。如钨钴类YG8 和钨钴钛类 YT5，抗振性强，分
19、别适用于铸铁、有色金属和钢件的粗加工；而 YG3 和 YT15 则适用于精加工。（4） 合理选择刀具的几何角度刀具在切削过程中，对产生振动影响最大的几何角度是主偏角和前角。选择刀具的几何角度时，一般留意以下几个方面：工件系统刚性较弱时，应承受较大的主偏角，在 75 90 时，可有效减小径向切削分力。 适当增大前角，使切削刃光滑锐利，降低外表粗糙度值，减小切削和刀具前面的摩擦力，可同时抑制和排解切削瘤产生，降低径向切削分力。尽量不承受负前角，尽量选用较小的刀尖圆弧半径。5合理选用切削用量在车削速度 v=506Om/min 时稳定性最低。最简洁产生自振。因此，要尽量选择适宜的切削速度，在周密加工时
20、宜承受高速切削，一般加工宜承受低速切削。同时，进给量越大，振幅越小；背吃刀量越小振幅越小。在工件外表粗糙度值允许的前提下，应选择较大的进给最和较小的背吃刀量。四、提凹凸速运动平稳性1 名词理解机床上有些运动部件，需要做低速或微小位移。当部件低速运动时，主动件均匀运动，被动件往往消灭明显的速度不均匀的跳动式运动，即时走时停或者时快时慢的现象，这种低速运动时产生的运动不平稳性称为爬行，为提凹凸速运动平稳性，应当避开爬行现象。2 爬行原理爬行现象的力学模型描述爬行运动是一种格外简洁的自激振现象，产生这一现象的主要缘由在于摩擦系数的变化 和传动机构的刚度缺乏，可用直线运动传动系统的力学模型1来描述。图
21、 1 为爬行机理力学模型。在这个弹性机械系统中，传动机构简化为一个弹性件(刚度为志)和一个等效阻尼(阻尼系数为 )。主动件 1 作等速运动，速度为,从动件 2 与弹性件和阻尼器相连。开头时动件 2 相对于固定面 4 静止不动 ，主动件1 向右移动使弹性件压缩，其弹性力渐渐增大。当弹性力超过从动件2 与静导轨面 4 之间的最大静摩擦力时，从动件 2 向右快速滑动，此时从动件 2 所受的摩擦力由静摩擦力 F 转化为动摩擦力。由于导轨副间存在动、静摩擦系数之间的差异， 而且静摩擦系数和动摩擦系数本身也是变化的，所以会产生速度的振动。3 爬行现象的危害爬行现象是机床低速运行时较易消灭的机械故障，其危害
22、主要包括：影响机床的加工精度：机械加工时，可使加工外表消灭明显刀痕，并影响外表粗糙度； 影响机床的定位精度：在定位精度要求较高的数控系统中很难实现准确定位，不能保证位置度；损坏工具：运动的不稳定会造成加工负载的突变，并损坏刀具， 降低机床的使用寿命4 设计预防爬行的措施依据前面的分析可知，要提高运动精度，应设法提高进给运动的低速运动平稳性， 可以实行的措施有：、削减静动摩擦系数之差。滚动摩擦，滚动摩擦代替滑动摩擦。摩擦系数小，从根本上转变了导轨面间的摩擦特性，以消退爬行；承受导轨油， 油中参与极性添加剂，可大大削减静动摩擦系数之差；承受减磨材料，减少摩擦系数。 、提高传动系统刚度。缩短传动链，
23、削减传动件数目；合理安排传动比，应尽量承受降速传动，以利提高传动系统刚度；提高各个传动件或组件刚度，缩少各传动轴的跨距，合理布置轴上传动件的位置； 、减小作用在导轨上的正应力。 例如承受卸荷导轨，移动件的局部重量由卸荷装置担当，从而减小作用在导轨上的正应力，以降低机床的临界爬行速度， 到达防爬的目的。随着测试技术和把握技术的进展，近几年国外已着手争论闭环伺服系统实现爬行量的在线测试及在下补偿的防爬措施。这种方法主要适宜于数控机床的驱动系统。这是防止爬行争论的一个方向，值得为此努力。五、提高机床精度机床的精度主要包括机床的几何精度、机床的定位精度和机床的切削精度。笔者分析大量中外文献，结合当前国
24、际热点，从以下几方面提出提高机床精度的几点措施1. 反向偏差补偿在数控机床上，由于各坐标轴进给传动链上驱动部件如伺服电动机、伺服液压马达和步进电动机等的反向死区、各机械运动传动副的反向间隙等误差的存在， 造成各坐标轴在由正向运动转为反向运动时形成反向偏差，通常也称反向间隙或失动量。对于承受半闭环伺服系统的数 渐渐增大而增加，因此需要定期对机床各坐标轴的反向偏差进展测定和补偿。需要留意的是，在工作台不同的运行速度下所测出的结果会有所不同。一般状况下，低速的测出值要比高速的大，特别是在机床轴负荷和运动阻力较大时。低速运动时工作台运动速度较低，不易发生过冲超程相对“反向间隙”，因此测出值较大；在高速
25、时，由于工作台速度较高，简洁发生过冲超程，测得值偏小。回转运动轴反向偏差量的测量方法与直线轴一样，只是用于检测的仪器不同而已。 在数控机床上，由于各坐标轴进给传动链上驱动部件如伺服电动机、伺服液压马达和步进电动机等的反向死区、各机械运动传动副的反向间隙等误差的存在，造成各坐标轴在由正向运动转为反向运动时形成反向偏差，通常也称反向间隙或失动量。对于承受半闭环伺服系统的数控机床，反向偏差的存在就会影响到机床的定位精度和重复定位精度，从而影响产品的加工精度。2. 提高定位精度数控机床的定位精度是指所测量的机床运动部件在数控系统把握下运动所能到达的位置精度，是数控机床有别于一般机床的一项重要精度，它与
26、机床的几何精度共同对机床切削精度产生重要的影响，尤其对孔隙加工中的孔距误差具有打算性的影响。一台数控机床可以从它所能到达的定位精度判出它的加工精度，所以对数控机床的定位精度进展检测和补偿是保证加工质量的必要途径。依据数控机床各轴的精度状况，利用螺距误差自动补偿功能和反向间隙补偿功能，合理地选择安排各轴补偿点，使数控机床到达最正确精度状态，并大大提高了检测机床定位精度的效率定位精度是数控机床的一个重要指标。尽管在用户购选时可以尽量选择精度高误差小的机床，但是随着设备投入使用时间越长，设备磨损越厉害，造成数控机床的定位误差越来越大，这对加工和生产的零件有着致命的影响。承受以上方法对机床各坐标轴的反
27、向偏差、定位精度进展准确测量和补偿，可以很好地减小或消退反向偏差对机床精度的不利影响，提高机床的定位精度，使机床处于最正确精度状态，从而保证零件的加工质量。小结随着科技的进步与生产力的增长，对机床的设计要求也越来越高，机床的工作力气如何与设计要求是否合理密不行分，无论是构造要求还是安全性要求或者是精度要求，都需要大量争论和论证。机床也会随着需求而进展并且产生变化。参考文献1 焦瑶,孙立剑,洪海波,殷跃红,超周密光学磨床减小热误差的构造优化J.机械工程学报,2023,(1).2 马军旭,赵万华,张根保,国产数控机床精度保持性分析及争论现状J. 中国机械工程,2023,(22).3 徐长鑫,机械加
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29、出版社10 数控机床与机械构造晏初宏机械工业出版社11 吴祖育，秦鹏飞.数控机床第三版.上海科学技术出版社，202308.12 现代有用机床设计手册 .现代有用机床设计手册编委会编. 北京：机械工业出版社13 关慧贞，冯辛安. 机械制造装备设计 M. 3 版 北京： 机械工业出版社， 2023. 14戴曙. 机床设计分析： 第一、二集 R. 北京：北京机床争论所，1985-1987 15杜国臣 ，王士军机床数控技术第 2 版出版社：北京大学出版社 出版日期：2023 年 01 月16现代数控机床设计典例 龚中华 出版社：机械工业出版社 出版日期：2023 年 4 月17Introduction
30、 to Computer Numerical Control writer：Leatham-Jones，Bally 2023 .1118Computer Numerical Control writer：Jon Stenerson 2023 -09-06张 虎,周云飞等.基于激光干预仪的数控机床运动误差识别与补偿. 6数控机床构造与使用维护1 版 1 次王兵 主编21超群，王栋，谷金生.关于机床加工技术现状的应用分析J.2023，1519刘永久. 数控机床故障诊断与修理技术. 北京：机械工业出版社，2023 20肖庆和，吴军主编. 数控技术.北京：北京航空航天大学出版社，202322张福荣 数控机床进给运动对加工精度的影响2023 23田林红，王兴举数控机床爬行与振动故障分析 202324臧照良基于振动理论的数控机床爬行现象分析与对策2023 25关慧贞. 机械制造装备技术 202326阿切尔康教授 金属切削机床设计2023