数控机床机械设计说明-结构篇

CNC数控机床为民生工业、国防工业与航太工业等重要发展的设备，也是机电整合的重要设备，一般数控机床设计在硬体方面需要结构设计与关键元件进行搭配与整合，在软体方面需要控制器与感测器进行应用，近代CNC数控机床搭配感测器进行IOT与智能化的开发设计，其重要发展目标与方向为少人化、高精度与高效率，因此在数控机床硬体方面的结构设计是非常重要的项目，在结构设计方面主要先行合理化设计，于第二阶段应用软体工具进行分析与修改结构。本单元将针对合理化设计进行探讨与配合经济部数控机床人才认证进行探讨。而一般数控机床主要分为数控车床与数控铣床两大类，而相同的机构包含进给系统、主轴等，而不同的机构包含机械结构、控制器、拉刀机构、ATC、夹头系统与动力刀塔等，其中机械与电控相关技术则对应学校之相关课程包含应用力学、材料力学、动力学、电机原理与控制原理等等，因此如何将学校所学与数控机床相关原理进行对应，可透过CNC数控机床机械人才鉴定进行盘点与分析。本文章主要分为四次进行说明，包含进给系统、主轴系统、结构与控制单元等进行说明。

                                             
一、数控机床结构分类：
一般CNC数控机床有不同种类与应用，主要由加工工件来决定，当工件大量生产固定形式则应用专用机，不同形式大量生产则应用标准型数控机床，在工件几何形状不同时有车床与铣床之分类，如图一所示，在数控车床与铣床其主要机械结构与控制器有明显差异，其中结构设计与关键元件必须相互搭配，图二为数控车床与立式加工中心主要系统与架构图，由架构图中可以发现数控车床与立式加工中心的床台结构差异最大，因此结构设计时需依循力学之设计原理。

二、数控机床机械设计原理
在数控机床设计原理中其功能组件之进给系统与主轴系统的结构大量简化，但对于刚性的要求日益严格，主要在高速高精度的切削过程中高刚性与轻量化则需同步考量，因此在数控机床结构设计上必须考量力流线之关系，虽力流线的概念较为简化，但在数控机床结构设计方面则可以应用于概念设计之阶段。何谓力流线，力流线为结构之作用力与反作用力间力量的传递路线，当结构设计时其结构之力流线越短越好，力流线越小变形越小刚性越高，特别是与施力方向垂直的力流线，此状态最容易造成结构刚性的降低，表一与表二为数控机床设计原则与导轨与铸件本体连接型式与比较：

在数控机床结构设计时如何应用力学学理进行合理化设计，将合理化设计之结构进行有限元素分析，让结构可获得最佳化之设计与刚性值。静态力会使结构系统产生静态变形，造成定位上的误差，进而影响加工件的尺寸精度，动态力作用于结构系统上，则易激发结构的自然频率，造成振动现象的放大，而使加工件的表面产生异纹，影响表面粗糙度。而结构系统的自然频率和结构质量分布、移动件的惯量及结构静刚性有关，通常质量越小、刚性越大，其系统自然频率也会越高，这也是为何高速机台要讲求高刚性低惯量设计的原因。因此在合理化设计时皆需要力学之相关原理进行参考，在数控机床机械设计概论评鉴主题中主要有机械元件、材料力学/应力、机械材料/机械加工与电机原理的学科，上列表三为评鉴内容名称，这些单元在数控机床结构皆为重要主题与项目。

三、数控机床结构加工与材料：
在CNC数控机床的结构大量应用铸铁，主要原因铸铁可大量复制、抗震阻尼与自润效果，因此许多数控机床皆应用铸件于机械结构上，然而从机械设计图面转换至机械铸件结构有许多流程，图三为铸造流程图，因此从模型制作到浇注等，则需要考虑拆模与后处理，完成制造后则需要热处理与加工，热处理主要目的则消除内部应力与增加表面硬度。在铸造时如何控制形状与尺寸精确则为重点，主要与造模与脱模息息相关，接着在浇注时金属液体流动如何均匀化，浇注均匀化可以避免局部热点及铸造缺陷产生，最终在凝固及冷却时避免内应力。

文章作者：山东万汇数控机床有限公司  www.sdwhjc.com