数控铣床工作台与床身设计
2018-12-13 来源： 中捷机床有限公司 作者：王 岩 郝宝珠
摘 要：数控车床是对回转体进行加工的设备，它可以实现复杂的回转体加工，但是对于其他的复杂非回转体的零件，就不能用车床加工了，加工这种零件需要用到数控铣床，数控铣床具有智能化、加工多元化的特点，而近年来数控铣床的工作台发展也比较迅速，与以前相比加入了一些新的技术，提高了生产效率，使数控铣床的整体质量提高了很多，同时数控铣床的床身也得到了很大的提升，在床身的设计上注入了新的元素。
关键词：数控铣床；工作台；床身设计
1 、数控铣床
数控铣床大多数是立式铣床，和车床一样也是主轴作旋转运动，而铣床之所以能加工复杂的工件，是因为数控铣床是可以作 x，y，z 三轴运动，也就是升降台式数控铣床。而数控铣床的设计上一般是需要通过这几个部分进行研究分析，分两个主要部分，一个是数控装置部分，另一个部分是机械部分，数控装置部分是数控铣床的系统，也就相当于人体的大脑，而机械部分就是数控铣床的机构组成部分，包括动力系统、导向装置、传动元件、机械机构等。
在数控铣床的机械部分，对于铣床的主传动系统和齿轮设计，是最为重要的一部分，同时需要通过分析数控铣床的转速图和设计要求，最终绘制机械结构装配图，再将装配图拆分成零件图。
2 、工作台
工作台的设计上，需要从多方位进行设计，首先是对导轨的选择，对于工作台，它的要求需要工作台的定位精度高，不要有爬行现象，同时在传递效率上要高，所以工作台的导轨选择直线滚动导轨副。
数控铣床的伺服电机与工作台连接，使工作台运动，需要通过丝杠螺母副进行连接，本工作台选取滚珠丝杠副，这样可以使工作台寿命长，精度高。
为了使工作台的传动精度高，不应使工作台的移动速度过快，尽量减轻工作台轴上的扭转力，这样可以减轻工作台的颤动，减小工作台的惯量，所以选取联轴起到减速装置的作用，通过以下公式来对工作台或者工件折算到电机轴上的惯量：式中：Jw-惯量；S-丝杠的导程；M-工作台的质量。
为了能更好的对工作台进行检查，需要对数控铣床工作台增加检测装置，检测装置可以选用开环也可以选用闭环控制系统，本工作台的检测系统采用闭环控制系统，安装光栅尺来对整个工作台进行监测。通过以上的设计分析最终绘制出整体工作台的方案图，如图1。
图 1 工作台总体方案示意图
通过图中可以看出，人是主要控制者，电机通过接到控制信息，信号传给电机，伺服电动机启动，驱动电路控制步进电机，步进电机通过丝杠控制工作台作 x，y，z 方向直线运动。
3 、床身设计
床身作为数控铣床的一个支撑件，是最基础的部分，在对床身的要求上，要使床身的刚度比较大，能满足整个铣床的整体震动，能有太大的噪音，需要有一定的动态特性，同时数控铣床在工作时候排屑要顺畅，具有较好的工艺性。床身作为性能对整个数控铣床有着不小的影响，在床身的设计当中，数控铣床的床身强度是一个重要的指标，图 2 是数控铣床整体受力的模型，床身的重量又是占数控机床整体重量最大的部分，在数控铣床床身的设计上要将悬梁、机床整体、底座、升降台以及要加工零件的总质量相加起来，通过这个总质量来设计床身。
图 2 受力模型
但在数控铣床的受力上并不是床身的重量对机床影响最大，数控铣床外载荷和机床工作时候切削力影响最大。床身的设计是通过对床身的受力分析，然后初步拟定设计方案和总体外形，再对这个设计方案进行核算，或者进行 CAD、3D 建模，如图 3，如果设计方案不合理，再进行修改，而对床身的材料设计上，要选择合理的材料，满足机床和设计要求，不能使用高成本材料，也不能选用太重的材料，数控铣床床身的材料选择灰铸铁，因为该材料的抗拉强度高，对于抗震性能高，可以吸震。
图 3 三维建模示意图
数控铣床的床身制造上，采用铸造生产方法，因为铸造成本低，同时铸造的制造方法工艺性能好，对复杂的零件，异形零件都可以实现制造，但在铸造方法中也是分不同的方法，本次床身的设计上，采用砂型铸造方法。
4 、结束语
在机械设计专业，分析数据、查阅设计手册、参考期刊资料设计出新型设备，或者改善现有设备的性能，是设计环节最普遍也是最基础的能力，本数控铣床的设计中，就是采用对数控铣床的性能提升。伺服系统采用的步进电机，就是起到多元化驱动传动，像这样的性能改善，是对数控铣床精度以及自动化的提升，同时也会使设备及元件的寿命延长，但随之而来的也是有着成本上的提高，但可以设计出高品质的数控铣床。
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