王萌 李野 沈陽(yáng)機(jī)床成套設(shè)備有限責(zé)任公司

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機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求探究

王萌 李野 沈陽(yáng)機(jī)床成套設(shè)備有限責(zé)任公司

摘 要：機(jī)械結(jié)構(gòu)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的最基本要素，主要包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和支承部件。機(jī)械的主要功能是完成機(jī)械運(yùn)動(dòng)，一部機(jī)器必須完成相互協(xié)調(diào)的若干機(jī)械運(yùn)動(dòng)。每個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)可由單獨(dú)的控制電機(jī)、傳動(dòng)件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的若干個(gè)子系統(tǒng)來(lái)完成，若干個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)由計(jì)算機(jī)來(lái)協(xié)調(diào)與控制。本文重點(diǎn)就機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行了探究和分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)械結(jié)構(gòu) 機(jī)床設(shè)計(jì) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

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

一、數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床主要由實(shí)現(xiàn)主切削運(yùn)動(dòng)的主傳動(dòng)系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給系統(tǒng)、保證各傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)或靜止時(shí)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(shí)現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)分度定位的工作臺(tái)、自動(dòng)換刀裝置(ATC)、自動(dòng)托盤(pán)交換裝置(APC) 等基礎(chǔ)裝置構(gòu)成。根據(jù)客戶和實(shí)際的需要還可以安裝自動(dòng)上下料機(jī)械手，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，破損及精度檢測(cè)等特殊功能裝置。數(shù)控機(jī)床本體組成部件與傳統(tǒng)機(jī)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(jī)械機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、加工能力上的特殊設(shè)計(jì)，使得數(shù)控機(jī)床功能對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床有著巨大的優(yōu)勢(shì)。

二、數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

數(shù)控機(jī)床要在高速和重負(fù)荷條件下工作，因此，機(jī)床的床身、立柱、主軸、工作臺(tái)、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(dòng)。例如，有的床身采用雙結(jié)構(gòu)，并配置有斜向肋板及加強(qiáng)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(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件應(yīng)具有較高的靈敏度。導(dǎo)軌部件通常用滾動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象。工作臺(tái)、刀架等部件的移動(dòng)，由交流或直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)滾珠絲杠傳動(dòng)，減少了進(jìn)給系統(tǒng)所需要的驅(qū)動(dòng)扭矩，提高了定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。數(shù)控機(jī)床的一些運(yùn)動(dòng)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(dòng)，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(shí)的諧振，因此對(duì)數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性提出了更高的要求。機(jī)床的主軸、工作臺(tái)、刀架等運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)中會(huì)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(guò)程的自動(dòng)化和精密加工的發(fā)展，對(duì)機(jī)床的加工精度和精度穩(wěn)定性提出了越來(lái)越高的要求。為保證部件的運(yùn)動(dòng)精度，要求各運(yùn)動(dòng)部件的發(fā)熱量要少，以防產(chǎn)生過(guò)大的熱變形。為此，機(jī)床結(jié)構(gòu)根據(jù)熱對(duì)稱的原則設(shè)計(jì)，并改善主軸軸承、絲杠螺母副、高速運(yùn)動(dòng)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(duì)稱原則設(shè)計(jì)，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(rùn)滑，并嚴(yán)格控制注入量，使主軸溫升很低。加工中心對(duì)于產(chǎn)生大量切屑的數(shù)控機(jī)床，一般都帶有良好的自動(dòng)排屑裝置等。為了加快數(shù)控機(jī)床投資的回收，必須使機(jī)床保持很高的開(kāi)動(dòng)比(比普通機(jī)床高2～3倍)，因此必須提高機(jī)床的壽命和精度保持性，在保證盡可能地減少電氣和機(jī)械故障的同時(shí)，要求數(shù)控機(jī)床在長(zhǎng)期使用過(guò)程中不喪失精度。數(shù)控機(jī)床在自動(dòng)或半自動(dòng)條件下工作，尤其在柔性制造系統(tǒng)(FMS)中的數(shù)控機(jī)床，可在24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)中實(shí)現(xiàn)無(wú)人管理，這就要求機(jī)床具有高的可靠性。為此，要提高數(shù)控裝置及機(jī)床結(jié)構(gòu)的可靠性，例如在工作過(guò)程中動(dòng)作頻繁換刀機(jī)構(gòu)、托盤(pán)、工件交換裝置等部件，必須保證在長(zhǎng)期工作中十分可靠。加工中心另外，引入機(jī)床機(jī)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(jī)床可靠地工作。

三、數(shù)控機(jī)床對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求

數(shù)控機(jī)床在加工精度上較傳統(tǒng)機(jī)床有更高的要求，在加工零件的過(guò)程中若機(jī)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(guò)調(diào)整和補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ枰詮氐椎慕鉀Q。因此通過(guò)對(duì)部件的結(jié)構(gòu)特殊設(shè)計(jì)提高剛度使具有較高的抵抗變形的能力，進(jìn)而保證了數(shù)控機(jī)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(jī)床中得到廣泛的應(yīng)用。機(jī)床的振動(dòng)主要由于內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部件動(dòng)態(tài)不平衡以及切削的單邊力所導(dǎo)致。提高數(shù)控機(jī)床抗振性的主要措施有院對(duì)機(jī)床高旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行動(dòng)平衡，減小或去除傳動(dòng)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(jī)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(dòng)。如封沙床身、混凝土支撐件以及天然大理石床身等。機(jī)床熱變形的主要原因有機(jī)床內(nèi)部熱源發(fā)熱如電機(jī)、變頻器等電力器件、摩擦和切削發(fā)熱。通過(guò)采用高效伺服電動(dòng)機(jī)甚至電主軸，高效電機(jī)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(dòng)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(lái)降低機(jī)床熱源。在結(jié)構(gòu)上采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)使得受熱均勻降低對(duì)熱變形對(duì)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(jī)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(jī)床的壽命和精度保持性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮數(shù)控機(jī)床零部件的耐磨性，尤其是機(jī)床導(dǎo)軌、主軸部件等影響進(jìn)度的主要零件的耐磨性。在使用過(guò)程中，應(yīng)保證數(shù)控機(jī)床各部件潤(rùn)滑良好。

四、結(jié)束語(yǔ)

機(jī)床整體結(jié)構(gòu)由各個(gè)子系統(tǒng)組成，各個(gè)子系統(tǒng)都是為了共同實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的整體目標(biāo)，若各個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、能協(xié)調(diào)工作，若各個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致各部分間存在矛盾，組成的系統(tǒng)運(yùn)行后會(huì)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(jì)，無(wú)論其局部的功能和性能設(shè)計(jì)的多么好，都是失敗的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]楊光，機(jī)械工廠理化試驗(yàn)室建筑設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)述[J]，企業(yè)文化，2015