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数控机床的结构由哪几部分构成?
来源:嘉台数控机床 | 作者:jiataishukong | 发布时间: 2023-03-24 | 3407 次浏览 | 分享到:
机床本体是数控机床​的主要部分。为了实现数控机床的功能,保证数控机床的性能要求,来自数控装置的各种运动和动作指令必须从机床本体转换为真实准确的机械运动和动作。

机床本体是数控机床的主要部分。为了实现数控机床的功能,保证数控机床的性能要求,来自数控装置的各种运动和动作指令必须从机床本体转换为真实准确的机械运动和动作。

(数控机床结构)

CNC机床本体由以下几个部分组成:

(1)主传动系统,其作用是实现主运动。

(2)进给系统,其作用是实现进给运动。

(3)机床基础零件通常指床体、底座、立柱、滑座、工作台等。它的作用是支撑机床本体的零件和零件,并确保这些零件和零件在切削过程中占据准确的位置。

(4)液压、气动、润滑、冷却、防护、排屑等装置,可实现某些部件动作和某些辅助功能。

(5)实现工件旋转、分度定位的装置和附件,如旋转工作台。

(6)刀库、刀架和自动换刀装置(6)(ATC)。

(7)自动托盘交换装置(APC)。

(8)刀具损坏检测、精度检测和监控装置等特殊功能装置。

其中,机床基本部件、主传动系统、进给系统、液压、润滑、冷却等辅助装置是构成数控机床的机床本体的基本部件,其他部件根据数控机床的功能和需求进行选择。虽然数控机床的机床本体的基本构成与传统机床非常相似,但数控机床的机床本体在整体布局、结构和性能上与传统机床有很大不同,出现了许多完全新颖的机械结构和部件,以适应数控机床的功能特点。

数控机床是一种高精度、高效率的自动化加工设备。虽然数控机床价格昂贵,一次性投资巨大,但由于数控机床能够自动化、高精度、高质量、高效率地解决中小批量的加工问题,仍然被机械制造商广泛使用,并取得了良好的经济效益。数控技术、伺服驱动技术的发展和在机床上的应用为数控机床的自动化、高精度和高效率提供了可能性,但要将可能性转化为现实,就必须要求数控机床的机械结构具有优异的稳定性、稳定性和刚性。这些特性包括

提高机床结构的静刚度。

在切削力和其它力的作用下,机床结构的静刚度是指机床抵抗变形的能力。在加工过程中,机床受到各种外力的影响,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。在这些力的作用下,机床的各个部件都会发生变形,如各个基本部件的弯曲和扭转变形、支撑部件的局部变形、固定连接面与运动啮合面的接触变形等。这些变形会直接或间接导致刀具与工件之间的相对位移,破坏刀具和工件原有的正确位置,从而影响机床的加工精度和切割过程的特性。因此,提高机床的静态刚度是机床结构设计的普遍要求。为了获得高效率,数控机床具有大功率、高速度,使其承受的各种外力负荷更加恶劣。而且加工过程的自动化也使得加工误差无法通过人工干预进行修正和补偿,因此数控机床的变形会对加工精度产生更严重的影响。为了保证数控机床在自动化、高效切削条件下的稳定性和高精度,其机械结构应具有较高的静态刚度,数控机床的刚度系数应比普通机床高50%。

1.采用合理的筋板结构,合理设计基础件的截面形状和尺寸。

在机床外力的作用下,每个基础零件都会承受弯曲和扭转的载荷,其弯曲和扭转变形的大小取决于基础零件的截面抗弯和抗扭惯性矩。抗弯和抗扭惯性矩大,变形小,刚度高。表5-1列出了不同截面形状和尺寸的惯性矩,当截面面积相同(即重量相同)时。从表中的数据可以看出,在形状和截面面积相同的情况下,减小壁厚,增加截面的轮廓尺寸,可以大大增加刚度;封闭截面的刚度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,抗弯曲刚度低于方形截面。

2.采用合理的结构布局,改善机床的受力状态,提高机床的静刚度

如果切削力、自重等外力相同,可以改善机床的受力状态,减少变形,从而达到提高刚度的目的。例如,在其它条件不变的情况下,缩短主轴前端的悬伸长度,可以减小主轴承受的弯矩,从而减小主轴前端的挠度,提高主轴的刚度。采用合理的机床结构布局,可显著改善机床的受力状态,提高机床的刚度。

3.补偿相关零件,零件的静态变形

在外力的作用下,机床的变形是不可避免的。如果能采取措施减少变形对加工精度的影响,结果就相当于提高了机床的刚度。按照这个思路,有很多方法可以补偿零件和零件的静态变形。这种方法广泛用于补偿自重引起的静态变形。

4.提高机床各部件的接触刚度

在机床各部件的固定连接面和运动副的连接面之间,总会有宏观和微观的不平整。两个面之间真正接触的只是一些高点,实际接触面积小于两个接触面的面积(名义接触面积)。因此,在承载过程中,作用于这些接触点的压力远强于平均压力,导致接触变形。平均压力p和变形δ这个比例叫做接触刚度,即。

由于机床总是有大量的静动连接面,如果不注意提高接触刚度,每个连接面的接触变形都会大大降低机床的整体刚度,对加工精度产生非常不利的影响。实际接触面积的大小是影响接触刚度的根本因素,任何增加实际接触面积的方法都可以有效地提高接触刚度。例如,机床的导轨通常采用人工刮刀技术作为最终的精加工过程。通过刮刀研究,可以增加单位面积上的接触点,使接触点分布均匀,从而增加导轨副结合面的实际接触面积,提高接触刚度。例如,采用滚动轴承作为支撑的主轴部件,需要设计预紧结构来调节轴承间隙,使轴承在预加载的情况下运行,从而提高主轴的支撑刚度。预加载增加了实际接触点的面积,从而达到提高接触刚度的目的。采用螺纹紧固的固定连接面,合理布置一定数量的螺栓,对螺栓的拧紧扭矩提出严格要求,以保证适当的预紧力,也是提高接触刚度的常用措施。

5.采用钢板焊接结构

长期以来,铸铁主要用于机床基础零件。近年来,钢板焊接结构取代铸铁零件的趋势不断扩大,从单件和小批量重型和超重型机床的应用逐渐发展到一定批量的中型机床。

提高机床结构的抗振性能

机床的振动会在加工工件的表面留下振动,影响工件的表面质量。在严重的情况下,加工过程很难进行。机床加工时可能会产生两种振动:强制振动和自激振动。机床的抗振能力是指抵抗这两种振动的能力。

强制振动是在各种动态力的作用下被迫产生的振动(如高速旋转部件的不平衡力、往复运动部件的换向冲击力、周期变化的切削力等)。).如果动态力的频率与机床某个部件的固有频率重合,就会产生共振。机床结构抵抗强制振动的能力可以用动刚度来表示。

自激振动是在具有额外动力的情况下,由切削过程本身激发的振动。自激振动的频率接近或略高于机床主振动的低阶固有频率,振幅较大,对加工过程产生极其不利影响。当机床的刚度、刀具的切削角度、工件和刀具材料、切削速度和进给量都是一定的时候,影响自激振动的主要因素是切削宽度B。因此,作为判断机床切削稳定性(抵抗自激振动的能力)的指标,可以将不产生自激振动的最大切削宽度称为临界切削宽度。

高速切削是产生动力的直接因素,强力切削也意味着切削宽度大。在追求高速高切削效率的同时,数控机床也为容易产生强制振动和自激振动奠定了基础。切削过程的自动化使得振动难以手动控制和消除。数控机床只能通过自身机床结构的高抗振性来降低和克服振动对加工精度和加工过程的影响。

提高机床的抗振性,可以从提高静态刚度、固有频率和阻尼性几个方面入手。前面已经详细介绍了提高静态刚度的措施。由于固有频率(其中k为静态刚度,m为结构质量),在提高静态刚度时,结构件的重量可以相对减小,即单位重量的刚度可以提高固有频率。前面介绍的合理布置钢筋板,采用钢板焊接结构等措施提高静态刚度,也可以达到提高固有频率的目的。

1、基础内腔填充泥芯、混凝土等阻尼材料

泥芯、混凝土填充在基础件的内腔内,振动时可以利用相对摩擦来消耗振动能量,从而提高结构的阻尼性能。

2、表面采用阻尼涂料

对于弯曲振动结构件,涂层厚度越大,阻尼越大,在其表面喷涂一层内阻尼性高、弹性高的粘性材料(如沥青基制成的水泥减振剂、聚合物和油漆腻子等)。).阻尼涂层不仅可以改变原设计的结构和刚度,还可以获得更高的阻尼比,其阻尼比ξ价值可以达到0.05~0.1。钢板焊接结构中经常采用这种措施。

3、采用新材料制造基础件

近10年来,德国和瑞士在应用聚合物混凝土制造基础件方面取得了进展。德国布格哈特-韦贝尔(BURKHARUT&WEBER)该公司为HYOP80NCW加工中心制作了丙烯酸树脂混凝土床体,其动态刚度是铸铁件的6倍。斯图德,瑞士精密磨床制造商(STUDER)该公司制作了S40和S50系列数控外圆磨床的树脂混凝土床体,具有刚度高、抗振性能好、耐化学腐蚀、耐热等特点。

4、在接合面之间充分利用阻尼

在焊接结构上,壁板和筋板之间采用间歇焊接(即焊接一段,空一段,再焊接一段),空振动时相互摩擦,可以消耗振动能量,从而获得良好的阻尼特性。

减少机床的热变形

热膨胀是各种金属和非金属材料的固有特性。当机床工作时,许多零件和零件会产生大量的热量,如电机、滚动轴承、切屑、刀具和工件的切割零件、液压系统等。这些产生热量的零件和零件称为热源。热源产生的热量通过传导、对流和辐射传递给机床的各个零件,导致温度升高和热膨胀。由于热源分布不均匀,各热源产生的热量不均匀,零件质量不均匀,导致机床各部位温度升高不一致,从而产生不均匀的温度场和不均匀的热膨胀变形。

CNC机床的主轴转速、进给速度远高于传统机床,而且大切削用量产生的炽热切屑也较多,因此发热远比传统机床严重,而热变形对加工精度的影响往往难以由操作人员来纠正,因此应特别注意如何减少机床的热变形。

1、改进机床布局和结构设计

(1)采用热对称结构

与热源相比,这种结构是对称的。这样,当发生热变形时,可以保证工件或刀具旋转中心对称线的位置不变,从而减少热变形对加工精度的影响。最典型的例子是许多卧式加工中心采用的框式双柱结构。主轴箱嵌入框式立柱,定位在立柱的左右导轨的两个内侧。热变形时,主轴中心在水平方向的位置保持不变,从而减少了热变形的影响。

(2)采用预拉伸滚珠丝杠结构。

数控机床中的滚珠丝杠在预加载荷大、转速高、散热差的情况下工作,容易发热。滚珠丝杠的热伸长直接影响进给系统的定位精度。预拉伸可以减少丝杠的热变形。这种方法是在加工滚珠丝杠时,使螺距略小于名义值,在组装时预拉伸丝杠。即使螺距值达到名义值,当丝杠工作加热时,丝杠中的拉伸应力补偿热应力,从而减少热伸长。

(3)机床布局时,尽量减少内部热源

内热源发热是导致热变形的主要原因。因此,在机床布局设计中,应尽量将热源从主机中分离出来,如电机、变速箱、液压泵站等。

加工过程中产生的热切屑是不可忽视的热源。在机床布局中,应考虑使排屑通畅。应设置自动排屑装置,以便随时将排屑排出机床。同时,应在工作台或导轨上设置隔热罩,以隔离数控技术中排屑的热量。

2、控制温升

采用散热、风冷、液体冷却等控制温升的方法,吸收热源产生的热量,是各种数控机床中减少热变形影响的常用对策。其中,强制冷却是一种有效的方法。所谓强制冷却,就是用冷却装置冷却润滑油或冷却液,然后将润滑油送到摩擦副润滑或将冷却液送到切割部位冷却。

3、热变形补偿

对热变形规律进行预测,在计算机中建立数学模型并存进行实时补偿。

第四,改善运动导轨副摩擦特性

机床导轨是机床基本结构的要素之一。机床的加工精度和使用寿命很大程度上取决于机床导轨的质量,而对数控机床导轨的要求更高,如:高速进给时不振动,低速进给时不爬行;灵敏度高,能在重载下长时间连续工作;耐磨性高,保持精度好。这些都与导轨副的摩擦特性有关,要求摩擦系数小,静动摩擦系数小。现代数控机床使用的导轨主要包括塑料滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。

(一)塑料滑动导轨

数控机床使用的塑料滑动导轨包括铸铁-塑料滑动导轨和镶嵌钢-塑料滑动导轨。塑料滑动导轨通常用于导轨副的运动导轨,与之匹配的金属导轨是铸铁或钢。铸铁品牌为HT300,表面淬硬至HRC45~50,表面粗糙度磨削至0.20~0.10;镶钢导轨常采用50号钢或其它合金钢,淬硬至HRC58~62。聚四氟乙烯导轨软带和环氧耐磨导轨涂层常用于导轨上的塑料。

1、聚四氟乙烯导轨软带

聚四氟乙烯导轨软带是以聚四氟乙烯为基体,加入青铜粉、二硫化钼、石墨等填充物,混合烧结,制成软带状。这种软带有以下特点:

(1)摩擦性能好

(2)是耐磨性好

(3)是具有良好的减振性能

(4)工艺性能好

2、环氧耐磨导轨涂层

环氧耐磨导轨涂层是一种双组分塑料涂层,以环氧树脂和二硫化钼为基体,加入增塑剂,混合成液体或糊状,以固化剂为另一组分。具有良好的加工性能,可经车、铣、刨、钻、磨、刮;它还具有良好的摩擦特性和耐磨性,抗压强度高于聚四氟乙烯导轨软带,固化时体积不收缩,尺寸稳定。特别是在调整固定导轨和运动导轨之间的相关位置精度后,可以注入涂料,可以节省大量的加工时间,因此特别适用于不能使用导轨软带的重型机床和复杂机床。

(二)滚动导轨

滚动导轨具有摩擦系数小(一般在0.003左右)、动静摩擦系数差异小、几乎不受运动变化影响、定位精度高、灵敏度高、保持精度好等优点。现代数控机床常用的滚动导轨有两种:滚动导轨块和直线滚动导轨。

1、滚动导轨块

2、线性滚动导轨

除了一般滚动导轨的共同优点外,单元式直线滚动导轨还具有以下特点:

(1)具有自调节能力,安装基面的许用误差较大。

(2)制造精度高。

(3)可以高速运行,运行速度可以大于60m//min。

(4)能够长时间保持高精度。

(5)可以预加载荷,提高刚度。

(三)静压导轨

静压导轨通过压力油在两个相对运动的导轨表面之间浮动,使导轨表面处于纯液体摩擦状态。由于承载要求不同,静压导轨分为开闭两种。