機床機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求探究

王萌 李野 沈陽機床成套設(shè)備有限責(zé)任公司

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機床機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求探究

王萌 李野 沈陽機床成套設(shè)備有限責(zé)任公司

摘 要：機械結(jié)構(gòu)是機電一體化系統(tǒng)的最基本要素，主要包括執(zhí)行機構(gòu)、傳動機構(gòu)和支承部件。機械的主要功能是完成機械運動，一部機器必須完成相互協(xié)調(diào)的若干機械運動。每個機械運動可由單獨的控制電機、傳動件和執(zhí)行機構(gòu)組成的若干個子系統(tǒng)來完成，若干個機械運動由計算機來協(xié)調(diào)與控制。本文重點就機床機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計的要求進行了探究和分析。

關(guān)鍵詞：機械結(jié)構(gòu) 機床設(shè)計 傳動機構(gòu)

數(shù)控機床是高精度和高生產(chǎn)率的自動化機床，其加工過程中的動作順序、運動部件的坐標(biāo)位置及輔助功能，都是通過數(shù)字信息自動控制的，操作者在加工過程中無法干預(yù)，不能像在普通機床上加工零件那樣，對機床本身的結(jié)構(gòu)和裝配的薄弱環(huán)節(jié)進行人為補償，所以數(shù)控機床幾乎在任何方面均要求比普通機床設(shè)計得更為完善，制造得更為精密。為滿足高精度、高效率、高自動化程度的要求，數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計已形成自己的獨立體系，在這一結(jié)構(gòu)的完善過程中，數(shù)控機床出現(xiàn)了不少完全新穎的結(jié)構(gòu)及元件。與普通機床相比，數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)有許多要求：

一、數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代數(shù)控機床主要由實現(xiàn)主切削運動的主傳動系統(tǒng)、實現(xiàn)進給運動的進給系統(tǒng)、保證各傳動運動系統(tǒng)在運動或靜止時平穩(wěn)的床身基礎(chǔ)部件以及液壓、冷卻、排削等輔助系統(tǒng)、實現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)分度定位的工作臺、自動換刀裝置(ATC)、自動托盤交換裝置(APC) 等基礎(chǔ)裝置構(gòu)成。根據(jù)客戶和實際的需要還可以安裝自動上下料機械手，自動監(jiān)控系統(tǒng)，遠程操作系統(tǒng)，破損及精度檢測等特殊功能裝置。數(shù)控機床本體組成部件與傳統(tǒng)機床本體的組成部件十分相似，但由于在控制系統(tǒng)、總體布局、機械機構(gòu)、傳動結(jié)構(gòu)、加工能力上的特殊設(shè)計，使得數(shù)控機床功能對傳統(tǒng)機床有著巨大的優(yōu)勢。

二、數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的特點

數(shù)控機床要在高速和重負荷條件下工作，因此，機床的床身、立柱、主軸、工作臺、刀架等主要部件，均需具有很高的剛度，以減少工作中的變形和振動。例如，有的床身采用雙結(jié)構(gòu)，并配置有斜向肋板及加強肋，使其具有較高的抗彎剛度和抗扭剛度；為提高主軸部件的剛度，除主軸部件在結(jié)構(gòu)上采取必要的措施以外，加工中心還要采用高剛度的軸承，并適當(dāng)預(yù)緊；增加刀架底座尺寸，減少刀具的懸伸，以適應(yīng)穩(wěn)定的重切削等。數(shù)控機床的運動部件應(yīng)具有較高的靈敏度。導(dǎo)軌部件通常用滾動導(dǎo)軌、塑料導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌等，以減少摩擦力，使其在低速運動時無爬行現(xiàn)象。工作臺、刀架等部件的移動，由交流或直流伺服電動機驅(qū)動，經(jīng)滾珠絲杠傳動，減少了進給系統(tǒng)所需要的驅(qū)動扭矩，提高了定位精度和運動平穩(wěn)性。數(shù)控機床的一些運動部件，除應(yīng)具有高剛度、高靈敏度外，還應(yīng)具有高抗振性，即在高速重切削情況下減少振動，以保證加工零件的高精度和高的表面質(zhì)量。特別要注意的是避免切削時的諧振，因此對數(shù)控機床的動態(tài)特性提出了更高的要求。機床的主軸、工作臺、刀架等運動部件在運動中會產(chǎn)生熱量，加工中心從而產(chǎn)生相應(yīng)的熱變形。而工藝過程的自動化和精密加工的發(fā)展，對機床的加工精度和精度穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。為保證部件的運動精度，要求各運動部件的發(fā)熱量要少，以防產(chǎn)生過大的熱變形。為此，機床結(jié)構(gòu)根據(jù)熱對稱的原則設(shè)計，并改善主軸軸承、絲杠螺母副、高速運動導(dǎo)軌副的摩擦特性。如我廠生產(chǎn)的SUC8204數(shù)控車床主軸箱殼體按照熱對稱原則設(shè)計，并在殼體外緣上鑄有密集的散熱片結(jié)構(gòu)，主軸軸承采用高性能油脂潤滑，并嚴格控制注入量，使主軸溫升很低。加工中心對于產(chǎn)生大量切屑的數(shù)控機床，一般都帶有良好的自動排屑裝置等。為了加快數(shù)控機床投資的回收，必須使機床保持很高的開動比(比普通機床高2～3倍)，因此必須提高機床的壽命和精度保持性，在保證盡可能地減少電氣和機械故障的同時，要求數(shù)控機床在長期使用過程中不喪失精度。數(shù)控機床在自動或半自動條件下工作，尤其在柔性制造系統(tǒng)(FMS)中的數(shù)控機床，可在24小時運轉(zhuǎn)中實現(xiàn)無人管理，這就要求機床具有高的可靠性。為此，要提高數(shù)控裝置及機床結(jié)構(gòu)的可靠性，例如在工作過程中動作頻繁換刀機構(gòu)、托盤、工件交換裝置等部件，必須保證在長期工作中十分可靠。加工中心另外，引入機床機構(gòu)故障診斷系統(tǒng)和自適應(yīng)控制系統(tǒng)、優(yōu)化切削用量等，也都有助于機床可靠地工作。

三、數(shù)控機床對機械結(jié)構(gòu)的要求

數(shù)控機床在加工精度上較傳統(tǒng)機床有更高的要求，在加工零件的過程中若機床部件由于剛度較低產(chǎn)生變形而導(dǎo)致加工的誤差，很難通過調(diào)整和補償?shù)姆椒ㄓ枰詮氐椎慕鉀Q。因此通過對部件的結(jié)構(gòu)特殊設(shè)計提高剛度使具有較高的抵抗變形的能力，進而保證了數(shù)控機床加工的精度。如π型截面隔板，其在水平和垂直方向的剛度均比較好，在大中型機床中得到廣泛的應(yīng)用。機床的振動主要由于內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部件動態(tài)不平衡以及切削的單邊力所導(dǎo)致。提高數(shù)控機床抗振性的主要措施有院對機床高旋轉(zhuǎn)部件進行動平衡，減小或去除傳動部件的間隙，提高部件的固有頻率避免共振。除以上措施外，目前通常的做法是在機床較大部件空隙中充填阻尼材料，在表面噴涂阻尼涂層抑制振動。如封沙床身、混凝土支撐件以及天然大理石床身等。機床熱變形的主要原因有機床內(nèi)部熱源發(fā)熱如電機、變頻器等電力器件、摩擦和切削發(fā)熱。通過采用高效伺服電動機甚至電主軸，高效電機控制系統(tǒng)使得電控部分整體發(fā)熱量降低；減少齒輪等傳動部件，采用較低摩擦系數(shù)的導(dǎo)軌和軸承、改善部件的散熱條件等方式來降低機床熱源。在結(jié)構(gòu)上采用對稱結(jié)構(gòu)使得受熱均勻降低對熱變形對加工精度的影響。在布局上使熱源部件置于易散熱的位置，使機床主軸的熱變形發(fā)生在刀具切入的垂直方向上。提高了機床的壽命和精度保持性，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮數(shù)控機床零部件的耐磨性，尤其是機床導(dǎo)軌、主軸部件等影響進度的主要零件的耐磨性。在使用過程中，應(yīng)保證數(shù)控機床各部件潤滑良好。

四、結(jié)束語

機床整體結(jié)構(gòu)由各個子系統(tǒng)組成，各個子系統(tǒng)都是為了共同實現(xiàn)整體系統(tǒng)的整體目標(biāo)，若各個子系統(tǒng)設(shè)計合理、能協(xié)調(diào)工作，若各個子系統(tǒng)設(shè)計不合理，導(dǎo)致各部分間存在矛盾，組成的系統(tǒng)運行后會出現(xiàn)內(nèi)耗，從而造成整體功能小于各部分的功能之和。因此，性能不匹配或標(biāo)的設(shè)計，無論其局部的功能和性能設(shè)計的多么好，都是失敗的設(shè)計。

參考文獻：

[1]關(guān)鍵，趙書禮，機床機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求[J]，科技視界，2014

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