数控机床的结构设计摘要数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。

关于其结构设计，主要从机械结构的要求、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展开研究。

关键词：结构、刚度、平稳性、精度AbstractNc machine tool is digital control machine tools (Computer numerical control machine tools) for short, is a kind of a program control system of automatic machine tools. On its structural design, mainly from the requirements of the mechanical structure, institutional rigidity, machine tool movement, machine tool at low speed vibration resistance movement stability and precision of the several aspects to study.Keywords: structure, stiffness, stability and accuracy一、数控机床机械结构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)由于采用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结构大为简化，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，数控机床机械结构具有较高的静、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、消除传动间隙和获得更高的加工精度，更多地采用了高效传动部件，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、减少辅助时间、改善操作性、提高劳动生产率，采用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辅助装置。

根据数控机床的适用场合和机构特点，对数控机床结构因提出以下要求：1.较高的机床静、动刚度数控机床是按照数控编程或手动输入数据方式提供的指令自动进行加工的。

由于机械结构(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，必须把各处机械结构部件产生的弹性变形控制在最小限度内，以保证所要求的加工精度与表面质量。

为了提高数控机床主轴的刚度，不但经常采用三支撑结构，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相信忒力轴承，以减小主轴的径向和轴向变形。

为了提高机床大件的刚度，采用封闭界面的床身，并采用液力平衡减少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，增加机床的承载能力，采用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能力，并能进行稳定切削，在保证静态刚度的前提下，还必须提高动态刚度。

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。

试验表明，提高阻尼系数是改善抗振性的有效方法。

钢板的焊接结构既可以增加静刚度、减轻结构重量，又可以增加构件本身的阻尼。

因此，近年来在数控机床上采用了钢板焊接结构的床身、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.减少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，因为全部加工过程是计算的指令控制的，热变形的影响就更为严重。

为了减少热变形，在数控机床结构中通常采用以下措施。

1) 减少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离出去。

2) 控制温升在采取了一系列减少热源的措施后，热变形的情况将有所改善。

但要完全消除机床的内外热源通常是十分困难的，甚至是不可能的。

所以必须通过良好的散热和冷却来控制温升，以减少热源的影响。

其中部较有效的方法是在机床的发热部位强制冷却，也可以在机床低温部分通过加热的方法，使机床各点的温度趋于一致，这样可以减少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。

如数控机床过去采用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方便地用一个坐标的修正量进行补偿。

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。

在结构上还应尽可能减小主轴中心与主轴向地面的距离，以减少热变形的总量，同时应使主轴箱的前后温升一致，避免主轴变形后出现倾斜。

数控机床中的滚珠丝杠常在预计载荷大、转速高以及散热差的条件下工作，因此丝杠容易发热。

滚珠丝杠热生产造成的后果是严重的，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减少丝杠的热变形。

对于采取了上述措施仍不能消除的热变形，可以根据测量结果由数控系统发出补偿脉冲加以修正。

3.减少运动间的摩擦和消除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，就必须采取相应的措施。

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面存在着明显的差别。

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采用滚珠丝杠传动。

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。

除了减少传动齿轮和滚珠丝杠的加工误差之外，另一个重要措施是采用无间隙传动副。

对于滚珠丝杠螺距的累积误差，通常采用脉冲补偿装置进行螺距补偿。

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.减少辅助时间和改善操作性能数控机床的单件加工中，辅助时间(非切屑时间)占有较大的比重。

要进一步提高机床的生产率，就必须采取促使最大限度地压缩辅助时间。

目前已经有很多数控机床采用了多主轴、多刀架、以及带刀库的自动换刀装置等，以减少换刀时间。

对于切屑用量加大的数控机床，床身机构必须有利于排屑。

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结构在受力时抵抗弹性变形的能力。

是材料或结构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结构形式，改变结构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度。

2.对于数控机床机构刚度设计的相关问题数控机床比普通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普通机床高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。

机床的结构部件在这些力作用下，将产生变形，如固定连接表面或运动啮合表面的接触变形；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情况复杂，通常很难对结构刚度进行精确的理论计算。

只能对部分构件(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，只能将其简化后进行近似计算，其计算结果往往与实际相差很大。

所以在机床结构设计中采用有限元法进行分析计算，但是在设计时仍需要对模型、实物或类似的样机进行试验、分析和对比以确定合理的结构方案。

3.提高数控机床机构刚度的措施a.合理选择构件的结构形式(1)正确选择截面的形状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。

形状相同的断面，当保持相同的截面积时，应减小壁厚、加大截面的轮廓尺寸，圆形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，避免产生形变，可以采用加强筋，不仅可以提高刚度，还可以减少铸造时的收缩应力。

(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部分，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)选用焊接结构的部件机床的床身、立柱等支承件，采用钢板和型钢焊接而成，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结构，从而有利于提高构件的刚度。

b.合理的结构布局可以提高刚度以卧式镗床的主轴结构为例，图1和图2分别为卧式镗床常用的两种结构形式。

图1为三层主轴结构，图2为二层主轴结构。

图1中，对于主轴部件刚度十分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，主轴部件结构简单，刚度较好。

此外，数控机床的拖板和工作台，由于结构尺寸的限制，厚度尺寸不能设计得太大，但是宽度或跨度又不能减小，因而刚度不足，为弥补这个缺陷，除主导轨外，在悬伸部位增设辅助导轨，可大大提高拖板和工作台的刚度。

c.采取补偿构件变形的结构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除其影响，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原因产品切削加工过程中数控机床所发生的振动是非常复杂的，引起振动的原因是多方面的，经分析，主要有以下几个方面：（1）工件的外形复杂而装夹部位选择不合适：工件外形结构不规则，没有好的基准面，不方便装夹，工件夹不紧，容易在加工时产生松动，随着切削力的变化而发生相应振动。