1、第八章數控機床的總體布局和結構設計8.1 數控機床的總體布局數控機床由各類部件組成，進行機床總體布局時，一方面要從機床的加工 原理（即機床各部件的相對運動關系）結合工件的形狀、尺寸和重量等因素， 來確定各主要部件之間的相對位置關系和配置；另一方面還應考慮機床的操作 維修、外觀形狀、生產管理和人機關系等因素。總體布局是設計中帶全局性的 問題。對機床的制造和使用關系很大。機床總體布局應考慮工件形狀、尺寸和重量。P177圖6-13中有四種類型的銃床，分別為：a）升降臺銃床；b）床身式銃床；c）龍門銃床；d）落地銃床。)(d)a) 升降臺銑床：加工工件尺寸較小，重量較輕的工件，加工時刀具相對不動，由工

2、件運動來完成三個方向的進給運動。分別由工作臺、升降臺和滑板來完成。b) 床身式銑床：剛性比升降臺銑床高。它可以加工重量較重的工件，工件放在工作臺上，由工作臺帶動作水平二方向運動，垂直上下運動改由銑頭帶動銑刀來完成。相應地它可以加工比升降臺銑床尺寸大、重量大的工件。c) 龍門式數控銑床。工作臺帶動工件作一個方向的進給運動，其他兩個方向進給由多個銑頭在橫梁與立柱上移動來實現。這種結構布局使機床適用于大重量工件的加工，由于多刀加工，提高了效率。d) 落地式數控銑床。這種銑適宜加工體積大、重量大的工件，體積大、重量大的工件由機床工作臺承受壓力太大，由它作進給運動也不太方便。因此此總機床設計工件放在地上

3、，三個方向的進給運動全由銑刀頭運動來完成。2 機床部件的布局要考慮運動的分配。運動的分配與部件布局是機床總布局的中心問題，以鏜銑數控機床為例：如需加工工件頂面，則機床主軸應設計成立式。如需對工件的多個側面加工，則主軸應布局成臥式。兩種機床均配以相應的旋轉工作臺。注意：數控臥式鏜銑床與普通的臥式鏜床不同，它沒有鏜桿，也沒有后立柱，對跨距較大的多層壁孔采用調頭鏜削來解決。對于五軸聯動的鏜銑床布局時應遵循：a) 獲得較好的加工精度，表面粗糙度，較高的生產率。b) 保證機床各部件或總體上有較好的熱穩定性、剛度和抗振性。c) 轉動坐標的擺動中心刀具端面的距離不要過大(這樣可使坐標軸擺動引起的刀具切削點在

4、角坐標的改變量小)最好是布局成擺動時只改變刀具軸線向量的方位，而不改變切削點的坐標位置。工件較重、尺寸較大時，擺角進給由刀具來完成；反之由工件來實現。3 機床的布局要有利于機床的結構性能總體布局應能兼顧機床有良好的精度、剛度、熱穩定性和抗振性等性能。P180,圖6-16所示的四種鑲銃床，它們的加工功能和運動要求是一樣的。但結構性能的差異卻較大。a)、b)兩方案采用 T型床身，優點：工作臺沿前床身方向作X 坐標進給運動，在全部行程上工作臺均可支承床身，剛性好，提高了承重能力。易于保證加工精度，床身工作臺及數控轉臺為三層結構，在同臺面高度下此圖 c）、d）的十字工作臺的四層結構的剛性好。c）和d）

5、采用十字形工作臺。Z向床身的一條導軌承受很大的偏載荷；又如圖a） d）中的主軸箱設計成對稱形結構，裝在框式立柱中間，比起b） c）主軸箱懸掛在單立柱一側受力變形和熱穩定性等性能均優。對稱框式立柱少承受一個扭力矩和少一個 彎曲力矩。熱變形對加工精度的影響也小些。四.自動換刀數控臥式鍵銃床的總體布局。臥式加工中心是由臥式數控鍵銃床配以刀庫識刀器和機械手組成的。總布 局與普通數控機床原則是相同的，但是將自動換刀系統與數控主機有機地結合在一起是要特別考慮的。圖6-17中a）、b）、c）和圖6-16的d圖四種都是臥式加工中心機床。但它 們的布局不同，性能也差異較大。布局時應注意：選擇合適的機械手，刀庫和

6、識刀器，力求結構簡單，動作可靠，刀具換刀時不與工件發生干涉，機床總體結構緊湊。圖6-17中a）采用四排鏈式刀庫，放在機床的左后方，容量為 60把刀, 與主機沒有固聯在一起，雙爪式機械手在立柱上移動，在四排刀庫的固定位置 取刀，并在固定位置換刀，刀庫容量大，放在主機外，不影響主機，但結構復 雜、調試費高、占地面積大、結構松散。b圖鏈式刀庫放在主機的右前方，有礙主機操作，換刀機械手裝在主軸箱 上，可以在任意位置換刀，換刀動作少。c圖采用圓盤式刀庫，安裝在立柱后側，與主軸箱較遠，采用兩個機械手， 后機械手由刀庫取刀，裝入一個運刀裝置，隨運刀裝置移動到固定位置，再由 前換刀機械手在主軸與運刀裝置之間進

7、行換刀，這種設計結構部件較多，換刀 動作也多，過程長，換刀位置固定，但結構較緊湊。圖6-16中a圖，采用鏈式刀庫裝在左側面，換刀機械手裝在主軸箱上，可 實現任意位置換刀，換刀動作少，結構緊湊，外觀美觀，占地少，是較為優秀 的方案。（C）五.總布局要考慮方便使用1）要便于同時操作和觀察；2）要便于刀具和工件的裝卸，易于接近裝卸區域，裝夾要有力;3）便于冷卻和排削；P182,圖6-183(b)(c)六.總布局的其他趨勢1）機電一體化結構；2）全封閉結構；8.2數控機床的結構設計1 .結構設計的要求。（一） 有利于自動保證穩定的加工精度。設計數控機床時，對影響機床加工精度的各種因素必須予以足夠的重視

8、（如機床的抗振性、剛度、溫升熱變形、磨損、定位精度等）（二）結構設計應有利于提高機床的加工能力切削效率。機床應最大限 度地發揮使用效率。切削功率大、切削力大、速度高。因此結構上應保證機床 具有良好的剛性、抗震性和承載能力及使用壽命。（三）提高使用效率。實現輔助操作自動化縮短輔助工時。2 .提高機床的結構剛度。標準規定數控機床的剛度系數應比類似的普通機床高50% ,以在外力作用下使產生的變形較小。（1） 合理選擇構件的結構形式。1. .正確選擇截面的形狀和尺寸；構件抵抗彎曲或扭轉變形的能力主要是抗彎和抗扭慣性矩。P169表6-1列出了斷面積相等各種斷面形狀的慣矩。表中可見：1） 形狀相同，斷面積

9、相同，應減小壁厚，加大截面的輪廓尺寸；2） 截面積相同，圓形截面的抗扭剛度比方形的大；3） 截面積相同，圓形截面的抗彎剛度比方形的小；4） 封閉式截面的剛度比開口的大很多；5） 壁上開孔使剛度下降，孔上加凸緣抗彎剛度增大。2. 合理選擇和布置肋板和隔板表6-2給出幾種立柱在其內加肋板的剛度試驗值。加上肋板抗彎抗扭的靜、動剛度都有不同程度的提高，其中又以交叉肋板（序號5）的效果最好。對于薄壁件增設肋板可以減少其變力畸變，有利于剛度的提高。3. 提高局部剛度。a）使導軌與壁板基本對稱；（a圖）b）適當加厚過度壁，并加肋；（b圖）c） 設置加強肋；（c圖）d）采用雙壁聯結形式。（d圖）(e)表M靜剛

10、鹿動剛度抗彎剛度抗扭剛度抗彎剛度 相對值抗扭剛度相對值序 號模型荷圖相對值單位重量剛 度相對值相對值單位重居剛 度相對值源型I振型I口11i17. B |I7. 9I2. 3L27.7442：B11.13940.90L4-9L16.51.2 .="-13n田一0. 76-2.3 工9一-155. 718"8 1一6-541.21L 190, 901012*2工5九35.8-10. 5一-一5因1.320.810.838】9.410.812. £3.5 -616旦1 0.910. 8515141 3,0j-_12.211427目0.85。.7317114. 62.R

11、3. 0| 1L7| 一._隊126,注:攤一序號中.第一行為無頂板的,亨 振堂T指斷面形狀有嚴雙畸變的田W二行為有頂板的.4. 采用焊接結構剛的彈性模量約為鑄鐵的二倍。采用剛板焊接有利于采用完全封閉形式，有利于提高構件的剛度。（2） 合理布局可提高剛度。1）采用對稱結構。圖6-5 d）對稱結構，而a）、b）、c）單面懸掛主軸箱。 主軸箱產生彎曲、扭轉。加工時增大彎曲扭轉力矩。2）增輔助導軌。（圖6-6）（3） 采用補償構件變形的結構措施。（4） 構制成反變形。（先設負誤差，做成拱橫梁）（5） 加附加橫梁。（轉移變形）.機床結構有利于機床抗振。由外來力引起的切削過程產生的。L強迫振動機床振動v

12、一自激振動1 .減小機床的內部振源。平衡（減小高速旋轉件的慣性力） 消隙（減小往復運動的慣性力）隔振（對系統外傳來的力）2提高靜剛度。提高（構件或系統）的固有頻率；提高單位質量的剛度；提高靜剛度。3增加構件或結構的阻尼。增大阻尼可提高抵抗自激振動的能力。也能提高動剛度。Kd=CKdj=CKj （ C 為阻尼；Kj 為靜剛度）1） 以滑動軸承代滾動軸承2） 對軸承適當予緊；3） 將混泥土、型砂等阻尼材料填入支承構件夾層中；4） 在承變彎曲振動的支承件的表面涂上一層高粘彈材料；5） 設計可調阻尼，調節構件（或系統）的固有頻率，如電流變阻尼器。四提高機床進給運動低速時的平穩性。（1） 爬行的現象及其影響。產生原因：a） 摩擦系數變