数控机床的机械结构特点

现代数控机床的高速度、高精度、高效率和全自动加工等特点，要求改造机床的机械系统结构设计满足以下要求：

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人为地调整与补偿，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，不但经常采用三支承结构，而且选用刚度较好的双列短圆柱滚子轴承和推力角接触轴承，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，减轻结构质量，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。翻砂铸造件也有利于振动衰减，对提高抗振性也有较好的效果。

2.热变形小

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位置发生变化，也会引起机床精度的下降。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 机床内部发热是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。其中比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 在同样的发热条件下，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。由于左右双柱对称，虽然双立柱机构受热后主的轴线产生的垂直方向的平移变形较大，但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。

（4）采用内冷式滚珠丝杠 由于走刀产生大量的热量，通过滚珠丝杠内冷装置将热量带走，减小了丝杠的热变形，保证了运动定位的精度和稳定性。

（5）改善刀具切削方向 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。(www.xing528.com)

（6）改善机床的主轴位置 在机械结构改造设计上还应尽可能减小主轴中心与主轴到地面的距离（工件落在地面上），减小变形长度，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。

3.传动系统间隙小

机械间隙是造成进给系统反向死区的另一主要原因，因此对传动链的各个环节，包括：齿轮副、丝杠螺母副、联轴器及其支承部件，齿轮箱末级传动采用双齿轮加反向预紧力以消除齿轮传动间隙。

4.导轨摩擦系数小

为减少导轨的摩擦，对原有的滑动导轨进行粘贴塑料处理，也可以更换为滚动导轨或改造成为静压导轨。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T形丝杠。

5.机械传动结构简化

取消齿轮箱，采用双电动机加反向预紧力的方法消除间隙，主从跟随直接传动；采用大转矩伺服电动机连接滚珠丝杠直接驱动。

6.机电复合集成功能化

（1）直线电动机取代滚珠丝杠 特点：直线电动机结构简单，控制精度高。传统的滚珠丝杠传动链结构需要丝杠轴承座、滚珠丝杠、联轴器，其结构复杂，传动链中精度损失多（如轴承游隙、丝杠螺距误差、丝杠反向间隙等）。而采用直线电动机可以克服由机械传动链丢失的精度，另外从电气角度看，参数设置更直接、简便、精确。

（2）转矩电动机取代蜗轮蜗杆 特点：机构简单、成本低、便于维修保养。由于蜗轮蜗杆隶属于齿轮类加工，精度/成本成正比，高精度齿轮成本高，并且长期使用后，精度损失很难恢复。而力矩电动机克服了上述问题。由于蜗轮蜗杆需要速比换算，在数控系统应用中被称为“柔性齿轮比”计算，力矩电动机直接驱动负载末端，传动比为1∶1，电气参数设置简单，电动机控制精确。

（3）内装式高速主轴取代主轴变速箱 特点：结构简单，由于传统的主轴变速需要通过机械齿轮的切换，而机械齿轮箱结构复杂、机械变换档位需要的控制信号多，制造、维修成本高。随着变频调速技术以及电动机制造技术的发展，现在制造技术可以使变频调速范围宽。另外采用陶瓷轴承、油雾润滑等新技术，高速主轴电动机轴承可达2万～5万r/min，同时低速大转矩特性也在进一步提高。