金属切削数控机床的结构特点

1 数控机床的特点

数控在GB中的定义是“用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”。现代数控机床是集高新技术于一体的典型机电一体化加工设备。数控加工设备主要分切削加工、压力加工和特种加工(如数控电火花加工机床等)3类。切削加工类数控机床的加工过程能按预定的程序自动进行,消除了人为的操作误差和实现了手工操作难以达到的控制精度,加工精度还可以用软件来校正和补偿。因此,可以获得比机床精度还要高的加工精度及重复定位精度；工件在一次装夹后,能先后进行粗、精加工,配置自动换刀装置后,还能缩短辅助加工时间、提高生产率；由于机床的运动轨迹受可编程的数字信号控制,因而可以加工单件和小批量且形式复杂的零件,生产准备周期大为缩短。综上所述,数控机床具有精度高、效率高、自动化程度高和柔性好的特点。

从数控机床的生产现状和发展趋势看,由于微电子技术、信息处理技术等新技术、新工艺在机床行业的渗透和应用,它与普通机床相比不仅在机械结构性能方面发生了“质”和“形”的变化,且其外观造型也形成了自身独特的风格和特点。

2 数控机床机械结构设计的特点

数控机床虽然也有普通机床所具有的床身和立柱、导轨、工作台、刀架等部件。但为了与控制系统的高精度、高速度控制相匹配,对机床主机部分的结构设计还提出了高精度、高刚度、低惯量、低摩擦、无间隙、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。由于机械结构形式是体现其性能的具体手段,是实现性能的核心因素(当然结构也受材料和工艺的影响),因此,数控机床的关键部件在结构设计中也有了重大变化。

2.1 基础部件的结构特点

数控机床的基础件主要包括床身、立柱、工作台等支承件,它们的基本功能是支承承载和保持各执行器官的相对位置。数控机床集粗精加工于一体,既要能够承受粗加工时大吃刀、大走刀的最大切削力、又要能够保证精加工时的高精度。因此,对基础件的结构设计在强度、刚度、抗振性、热变形和内应力等都提出了很高的要求。现行生产的数控机床采用的主要措施有:铸件采用全封闭截面,合理布置内部隔板和肋条,含砂造型或填充混凝土等材料,导轨面加宽,车床采用倾斜的床身和导轨还利于排屑,床身、立柱采用钢质焊接结构,可以明显提高其刚度,根据热对称原则布局还能增加散热隔热效果。

2.2 主传动系统的结构特点

主传动系统实现各种刀具和工件所需的切削功率,且在尽可能大的转速范围内保证恒功率输出,同时为使数控机床能获得最佳的切削速度,主传动须在较宽的范围内实现无级变速。现行数控机床采用高性能的直流或交流无级调速主轴电机,较普通机床的机械分级变速传动链大为简化。对加工精度有直接影响的主轴组件的精度、刚度、抗振性和热变形性能要求,可以通过主轴组件的结构设计和合理的轴承组合及选用高精度专用轴承加以保证。为提高生产率和自动化程度,主轴应有刀具或工件的自动夹紧、放松、切屑清理及主轴准停机构。最近日本又开发研制了新型的陶瓷主轴,重量轻,热膨胀率低,用在加工中心上,具有高的刚性和精度。

2.3 进给系统结构特点

数控机床的进给系统是由伺服电机驱动,通过滚珠丝杠带动刀具或工件完成各坐标方向的进给运动。为确定进给系统的传动精度和工作稳定性,在设计机械装置时,以“无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度”为原则,具体措施有:①采用低摩擦、轻拖动、高效率的滚珠丝杠和直线滚动导轨；②采用大扭矩、宽调速的伺服电机直接与丝杠相联接,缩短和简化进给传动链；③通过消隙装置消除齿轮、丝杠、联轴器的传动间隙；④对滚动导轨和丝杠预加载荷,预拉伸。

2.4 数控回转工作台和自动交换工作台

数控镗、数控铣和加工中心,采用内部结构具有数控进给驱动机构特点的回转工作台,实现圆周任意角度的分度和进给运动。对多工序数控机床,配置自动交换工作台,进一步缩短辅助加工时间。

2.5 刀架系统

回转刀架,更换主轴换刀和带刀库的自动换刀系统及多刀架、多主轴布局对提高生产效率和自动化水平发挥了重要作用。为使刀具在机床上迅速定位、夹紧,普遍采用标准刀具系统和机夹刀。

2.6 数控附件

机床附件的作用是配合机床实现自动化加工。数控机床专用的附件有:①对刀仪,②自动编程机,③自动排屑器,④物料储运及上下料装置,⑤自动冷却、润滑及各种新型配套件如导轨防护罩等。

3 数控机床的外观造型特点

数控机床的外观大都采用线型简洁的板块组合式全封闭安全防护罩,配备有现代特征的集操作、显示、控制于一体的操作面板,淘汰了普通机床各种操作手柄、手轮和线型复杂零散的多面型表面形态。安全防护罩可防止高压、大流量冷却液及铁屑飞溅,减少粉尘入侵,隔声降噪,有利于机床的精度保持和环境保护,真正体现了机、电、液一体化的特点。

依人机工程学宜人性原则设计的桌面式或悬挂式数控操作面版,是机床与操作者联系和信息交流的唯一界面,指示灯、按钮、按键的数量与排列及CRT的设计,既适合人的操作特性,又利于人机间的协调与交流,通过视觉良好的键面色彩,标准化的象形符号意象抽取,能准确反映和传递两者间的信息。

4 结论

数控机床结构设计反映产品内在功能的深层特性,外观表达的是产品表层特性,对用户而言,深层次的与产品使用密切相关的结构性能要通过表层的外观形态来传递和表达。全封闭防护罩虽然掩盖了机床的主体结构,却至少传达了数控机床这样几个方面的深层内含:①先进的数控数显装置；②对机床的精度和刚度使用的可靠性、安全防护性及环保等有严格要求；③采用先进标准的刀具系统及安装位置合理的自动换刀装置；④采用整套商品化、标准化的新型配套件、自动排屑、润滑和冷却装置等。概括为高精度、高效率、高自动化和机电液一体化。

参考文献:

〔1〕 《实用数控加工技术》编委会.实用数控加工技术［M］.北京:兵器工业出版社,1995.

〔2〕 高敏编著.机械产品艺术造型基础［M］.北京:学术书刊出版社,1989.

〔3〕 毕毓杰主编.机床数控技术［M］.北京:机械工业出版社,1991.

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