浅谈对数控机床机械结构的要求
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【摘 要】数控机床与普通机床对机械结构的要求有些不同，数控机床机械结构本身具有很多特点，本文对数控机床对机械结构的要求进行了探讨。
【关键词】数控机床；机械结构；高精度
在数控机床发展的最初阶段，其机械结构与通用机床相比没有多大的变化，只是在自动变速、刀架和工作台自动转位和手柄操作等方面作些改变。随着数控技术的发展，考虑到它的控制方式和使用特点，才对机床的生产率、加工精度和寿命提出了更高的要求。
1 数控机床主体机构的特点
数控机床的主体机构有以下特点：（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。
2 对数控机床机械结构的要求
根据数控机床的适用场合和机构特点，对数控机床结构提出以下要求：
2.1 较高的机床静、动刚度
数控机床是用数字信息来控制机床进行自动加工的。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，为保证所要求的加工精度与表面质量，就必须提高数控机床的静、动刚度。
提高数控机床主轴的刚度，采用三支撑结构，且选用刚性很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力球轴承，以减小主轴的径向和轴向变形；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；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，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；采用钢板焊接结构的床身、立柱、横梁和工作台既可增加静刚度、减轻结构重量，又可以增加构件本身的阻尼；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。
2.2 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，也使机床精度下降。对于数控机床来说，因为全部加工过程是按照计算的指令控制的，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。
2.2.1 减少机内发热
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。如主运动采用直流或交流调速电动机，减少传动轴和传动齿轮；采用低摩擦系数的导轨和轴承，液压系统中采用变量泵等。
2.2.2 控制温升
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。常用方法是在机床的发热部位强制冷却），或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扭曲变形。
2.2.3 合理设计机床的结构与布局
在同样发热条件下，机床结构对热变形也有很大影响。如采用双立柱机构代替单立柱机构，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。对于数控车床的主轴箱，应尽量使主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。在结构上应使主轴箱的前后温升一致，避免主轴变形后出现倾斜。
2.3 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）的位移量是以脉冲当量为最小单位的，且要求能以极低的速度运动。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，主要是导轨和丝杠的使用。数控机床通常采用滚动导轨或静压导轨，减少摩擦副之间的静摩擦力，避免低速爬行。采用滑动- 滚动混和导轨，一方面可以减少摩擦阻力，另一方面改善了系统的阻尼特性，提高了执行部件的抗振性。采用滑动塑料导轨，既可减少摩擦阻力又可改善摩擦和阻尼特性，提高运动副的抗振性和平稳性。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。
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。
2.4 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床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨、进给丝杠及主轴部件等影响精度的主要零件的耐磨性。导轨是进给系统的重要环节，是机床基本结构的要素之一。机床加工精度和使用寿命很大程度上取决于机床导轨的质量。对导轨的要求是高的导向精度、良好的精度保持性、良好的摩擦特性、运动平稳、高灵敏度和寿命长。数控机床的导轨广泛采用滚动导轨。滚动导轨摩擦系数小、运动轻便、位移精度和定位精度高、耐磨性好。对于重型机床常采用静压导轨。它的运动不受速度和负载的限制，低速无爬行，承载能力大，刚度好，抗振性好，摩擦发热小。
2.5 减少辅助时间
在数控机床的单件加工中，辅助时间（非切削时间）占有较大的比重。要进一步提高机床的生产率，就必须采取最大限度地压缩辅助时间。目前常采用多主轴、多刀架、以及带刀库的自动换刀装置等，来减少换刀时间。对于多工序的自动换刀数控机床，还大幅度的压缩多次装卸工件的时间。
2.6 机电一体化
数控机床的机电一体化是对总体设计和结构设计提出的重要要求。它是指在整个数控机床功能的实现以及总体布局方面必须综合考虑机械和电气两方面的有机结合。新型数控机床的各系统已不再是各自不相关联的独立系统。最具典型的例子之一是数控机床的主轴系统已不再是单纯的齿轮和带传动的机械传动，而更多的是由交流伺服电动机为基础的电主轴。电气总成也已不再是单纯游离于机床之外的独立部件，加工中心而是在布局上和机床结构有机地融为一体。由于抗干扰技术的发展，目前已把电力的强电模块与微电子的计算机弱电模块组合成一体，既减小了体积，又提高了系统的可靠性。
3 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、和冷却装置等。概括为高精度、高效率、高自动化和机电一体化。