第二章 铣床机械结构的改造设计
2.1 介绍
根据我国国情，八十年代在普通机床的改造方面，出现了以经济型数控系统改造普通机床，尤其是普车、普铣数控化改造的热潮，并逐步形成了经济型数控产业。“八五”后期和“九五”，国家把旧设备的改造列入企业技术进步，工艺更新的一个重要途径，很多工厂把普通机床的数控化改造列入企业的发展计划，作为企业适应市场经济、提高产品市场占有率的一项措施。普通铣床的经济型数控化改造，除了选择可靠性高、性能稳定的数控系统外，对铣床自身的改造也是一个很重要的环节。普通铣床经济型数控化改造包括两个方面，即机床电气的数控化改造和机床本体的数控化改造。
2.1.1 数控铣床机械结构的主要特点
数控铣床作为一种高速、高效和高精度的自动化加工设备，由于其控制系统功能强大，使机床的性能得到大大提高。部分机械日趋简化，新的结构，功能不仅不断涌现，使得其机械结构和传统的机床相比，有了明显的改进和变化，主要体现在以下几个方面：
1、结构简单、操作方便、自动化程度高
数控铣床需要根据数控系统的指令，自动完成对进给速度，主轴转速、刀具运动轨迹以及其它机床辅助机能（如：自动换刀、自动冷却等）的控制。它必须利用伺服进给系统代替普通机床的进给系统，并可以通过主轴调速系统实现主轴自动变速，因此在机械结构上，数控机床的主轴箱、进给变速箱结构一般都非常简单；齿轮、轴类零件、轴承的数量大为减少；电动机可以直接联接主轴和滚珠丝杠，不用齿轮。在使用直线电动机、电主轴的场合，甚至可以不用丝杠、主轴箱。在操作上，它不像普通机床那样，需要操作者通过手柄进行调整和变速，操作结构比普通机床要简单得多，许多机床甚至没有手动机械操作机构。此外，由于数控机床的大部分辅助动作都可以通过数控系统的辅助机能，因此，常用的操作按钮也较普通机床少，操作更方便、更简单。
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2、广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品
数控铣床进行的是高速、高精度加工，在简化机械结构的同时，对于机械结构传动装置和元件在数控铣床上得到广泛的应用。如滚珠丝杠副、塑料滑动导轨、静压导轨、直线滚动导轨等高效执行部件，不仅可以减少进给系统的摩擦阻力，提高传动效率，而且还可以使运动平稳并获得较高的定位精度。
近年来，随着新材料、新工艺的普及、应用、高速加工已经成为目前数控铣床的发展方向之一。快进速度达到了每分钟数十米，甚至上百米。主轴转速达到了每分钟上万转，甚至十几万转，采用电主轴、直线电动机、直线滚动导轨新产品，新技术势在必行。
3、具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件
“工艺复合化”和“功能集成化”是无人化，柔性化加工的基本要求，也是数控机床的最显著的特点和当前的发展方向。因此，自动换刀装置、动力刀架、自动排屑装置、自动润滑装置等特殊机械部件是必不可少的，有的机床还带有自动工作台交换装置（APC）。
“功能集成化”是当前数控铣床的另一重要发展方向，随着数控铣床向无人化、柔性化加工发展，功能集成化更多体现在工件的自动装卸、自动定位；刀具的自动对刀、破损检测、寿命管理；工件的自动测量与自动补偿等功能上。 4、对机械结构、零部件的要求高
高速、高效、高精度的加工要求，无人化的管理以及工艺复合化、功能集成化一方面可以大大提高生产率，同时，也必然会使机床的开机时间、工作负载随之增加，机床必须在高负载下，长时间可靠工作。因此，对组成机床的各种零部件和控制系统的可靠性要求很高。
2.1.2 数控铣床对机械结构的基本要求
1、具有较高的静、动刚度和良好的抗振性
铣床的刚度反映了机床结构抵抗变形的能力。铣床变形所产生的误差，通常很难通过调整和补偿的办法予以解决。为了满足数控铣床高效，高精度、高可靠性以及自动化的要求、与普通铣床相比，数控铣床应具有更高的静刚度。此外，为了充分发挥机床的效率，加大切削用量，还必须提高机床的抗振性，避免切削是
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的共振和颤振，而提高结构的动刚度是提高机床抗振性的基本途径。 2、 具有良好的热稳定性
铣床的热变形是影响铣床加工精度的主要因素之一。由于数控铣床的主轴转速、快进速度都远远高于普通铣床，机床又长时间处于连续工作状态，电动机、丝杠、轴承和导轨的发热都比较严重，加上高速切削产生的切屑影响，使得数控机床的热变形影响比普通铣床要严重的多，虽然在先进的数控系统中具有热变形补偿功能，但是它并不能完成消除热变形对于加工精度的影响。因此，在数控铣床上还应采取必要的措施，尽可能减少机床的热变形。 3、 具有较高的运动精度与良好的低速稳定性
利用伺服系统代替普通铣床的进给系统是数控铣床的主要特点。伺服系统的最小移动量（脉冲当量），一般只有0.001mm，甚至更小，最低进给速度，一般只有1mm/min，甚至更低，这就要求进给系统具有较高的运动精度，良好的跟踪性能低速稳定性，才能对数控系统的位置指令作出准确的响应，从而得到要求的定位精度。
传动装置的间隙直接影响铣床的定位精度，虽然在数控中可以通过采取间隙补偿、单向定位等措施减小这一影响，但不能完全消除，特别是对于非均匀间隙，必须采用机械消除间隙措施，问题才能得到较好地解决。 4、 具有良好的操作、安全防护性能
方便、舒适的操作性能，是操作者普遍关心的问题。在大部分数控铣床上，刀具和工件的装卸、刀具和夹具的调整等还需要操作者完成；机床的维修更不可能离开人。而且由于加工效率的提高，数控机床的工件装卸可能比普通机床更加频繁。因此，良好的操作性能是数控机床设计时必须考虑的问题。
数控铣床是一种高度自动化的加工设备，动作复杂，高速运动部件较多，对机床动作互锁、安全防护性能等要求比普通铣床要高的多。同时，数控铣床一般都有高压、大流量的冷却系统，为了防止切屑，冷却液的飞溅，数控铣床通常都应采用封闭或半封闭的防护形式，增加防护性能。
2.2 铣床进给传动系统的数控化改造
数控铣床的进给传动系统常用伺服进给系统来工作，伺服进给系统的作用是根
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据数控系统传来的指令信息，进行放大以后控制执行部件的运动，不仅控制进给运动的速度，同时还要精确控制刀具相对于工作的移动位置和轨迹，因此，数控铣床进给系统，尤其是轮廓控制系统，必须对经运动的位置和运动的速度两方面实现自动控制。
一个典型的数控铣床闭环控制的进给系统，通常有位置比较、放大元件、驱动单元、机械传动装置和检测反馈元件等几部分组成，而其中的机械传动装置是位置控制环中的一个重要环节。这里所说的机械传动装置，是指将驱动源旋动运动变为工作台直线运动的整个机械传动链，包括减速装置、丝杠螺母副等中间传动机构。
2.2.1数控铣床对进给传动系统的基本要求
传动系统的刚度和惯量主要决定于机械结构设计，而传动系统的间隙、摩擦死区则是造成传动系统非线性的主要原因。因此，数控铣床对机械传动系统的要求可以概况如下：
1、 提高传动部件的刚度
一般来说，数控铣床直线运动的定位精度和分辨率都要达到微米级，回转运动的定位精度和分辨率都要达到角秒级，伺服电动机的驱动力矩（特别是起动、制动是的力矩）也很大。如果传动部件的刚度不足，必然会使出阿杜部件产生弹性变形，影响系统的定位精度、动态稳定性和响应快速性。加打滚珠丝杠的直径，对滚珠丝杠螺母副、支承部件进行预紧，对滚珠丝杠进行预拉伸等，都是提高传动系统刚度的有效措施。 2、减小传动部件的惯量
在驱动电动机一定是，传动部件的惯量直接决定了进给系统的加速度，它是影响进给系统快速性的主要因素。特别是在高速加工的数控机床上，由于对进给系统的加速度要求高，因此，在满足系统强度和刚度的前提下，应尽可能减小零部件的质量、直径，以降低惯量，提高快速性。 3、减小系统的摩擦阻力
进给系统的的摩擦阻力一方面会降低传动效率，产生发热，另一方面，它还直接影响系统的快速性；此外，由于摩擦力的存在，动、静摩擦系数的编号，将导
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