第七章 数控机床机械结构.ppt

2019 12 20 1 第七章数控机床机械结构的维修与调整 天津工程师范学院 教学提示 数控机床由于采用了电气自动控制 其机械结构大为简化 数控机床加工高精度合格产品 不仅取决于电气控制的可靠性 还取决于机械结构的平稳性和可靠性 机械零件与装配的精度 机械故障不仅影响加工零件的误差和表面质量 还可能引起停机和电气元件的损坏 经验表明 数控机床30 以上的故障与机械结构有关 因此 数控机床机械结构的维护 保养 维修和调整应给以足够的重视 教学要求 了解数控机床主轴的变速方式 主轴部件 常用进给机械结构工作原理 常用自动换刀机构 回转工作台的结构 掌握数控机床主轴部件的调整和主传动系统的常见故障及排除方法 常用进给传动机械的调整和故障维修方法 自动换刀机构的调整和故障维修方法 液压与气动传动系统的维护和故障排除方法 回转工作台的调整和维修 2019 12 20 2 2019 12 20 3 第一章绪论 7 1数控机床主传动系统的维修与调整7 2数控机床进给系统维修与调整7 3自动换刀装置的维修与调整7 4数控机床辅助机构的维修与调整7 4数控机床辅助机构的维修与调整 2019 12 20 4 一 主轴变速方式1 无级变速 数控机床一般采用直流或交流主轴伺服电动机实现主轴无级变速 2 分段无级变速 1 带有变速齿轮的主传动 见图7 1a 2 通过带传动的主传动 见图7 1b 3 用两个电动机分别驱动主轴 见图7 1c 4 内装电动机主轴变速 如图7 1d所示 7 1数控机床主传动系统的维修与调整 2019 12 20 5 二 主轴部件主轴部件是机床的一个关键部件 它包括主轴的支承 安装在主轴上的传动零件等 主轴部件质量的好坏直接影响加工质量 无论哪种机床的主轴部件都应满足下述几个方面的要求 主轴的回转精度 部件的结构刚度和抗振性 运转温度和热稳定性以及部件的耐磨性和精度保持能力等 对于数控机床尤其是自动换刀数控机床 为了实现刀具在主轴上的自动装卸与夹持 还必须有刀具的自动夹紧装置 主轴准停装置和主轴孔的清理装置等结构 一 主轴端部的结构形状图7 2a为车床主轴端部 卡盘靠前端的短圆锥面和凸缘端面定位 用拨销传递转矩 卡盘装有双头螺栓 卡盘装于主轴端部时 螺栓从凸缘上的孔中穿过 转动快卸卡板将数个螺栓同时栓住 再拧紧螺母将卡盘固牢在主轴端部 主轴为空心 前端有莫氏锥度孔 用以安装顶尖或心轴 图7 2b为铣 镗类机床的主轴端部 铣刀或刀杆在前端7 24的锥孔内定位 由于不能自锁要用拉杆从主轴后端拉紧 而且由前端的端面键传递转矩 2019 12 20 6 2019 12 20 7 图7 2c为外圆磨床砂轮主轴的端部 图d为内圆磨床砂轮主轴端部 图e为钻床与普通镗杆端部 刀杆或刀具由莫氏锥孔定位 用锥孔后端第一扁孔传递转矩 第二个扁孔用以拆卸刀具 但在数控镗床上要使用b图的形式 图为7 24的锥孔没有自锁作用 便于自动换刀时拔出刀具 图7 2 f 为快换钻套 2019 12 20 8 二 主轴部件的支承1 主轴部件常用滚动轴承的类型图7 3a为锥孔双列圆柱滚子轴承 内圈为1 12的锥孔 当内圈沿锥形轴颈轴向移动时 内圈胀大以调整滚道的间隙 滚子数目多 两列滚子交错排列 因而承载能力大 刚性好 允许转速高 它的内 外圈均较薄 因此 要求主轴轴颈与箱体孔均有较高的制造精度 以免轴颈与箱体孔的形状误差使轴承滚道发生畸变而影响主轴的旋转精度 该轴承只能承受径向载荷 图7 3b是双列推力角接触球轴承 接触角为60 球径小 数目多 能承受双向轴向载荷 磨薄中间隔套 可以调整间隙或预紧 轴向刚度较高 允许转速高 该轴承一般与双列圆柱滚子轴承配套用作主轴的前支承 并将其外圈外径做成负偏差 保证只承受轴向载荷 2019 12 20 9 2019 12 20 10 图7 3c是双列圆锥滚子轴承 它有一个公用外圈和两个内圈 由外圈的凸肩在箱体上轴向定位 箱体孔可以镗成通孔 磨薄中间隔套可以调整间隙或预紧 两列滚子的数目相差一个 能使振动频率不一致 明显改善了轴承的动态性 这种轴承能同时承受径向和轴向载荷 通常用作主轴的前支承 2019 12 20 11 图7 3d为带凸肩的双列圆柱滚子轴承 结构上与图c相似 可用作主轴前支承 滚子作成空心的 保持架为整体结构 充满滚子之间的间隙 润滑油由空心滚子端面流向挡边摩擦处 可有效地进行润滑和冷却 空心滚子承受冲击载荷时可产生微小变形 能增大接触面积并有吸振和缓冲作用 2019 12 20 12 图7 3e为带预紧弹簧的圆锥滚子轴承 弹簧数目为16 20根 均匀增减弹簧可以改变预加载荷的大小 2 滚动轴承的精度图主轴部件所用滚动轴承的精度有高级6 E 精密级5 D 特精级4 C 和超精级2 B 前支承的精度一般比后支承的精度高一级 也可以用相同的精度等级 普通精度的机床通常前支承取4 C 5 D 级 后支承用5 D 6 E 级 特高精度的机床前后支承均用级2 B 级精度 2019 12 20 13 3 主轴滚动轴承的配置在实际应用中 数控机床主轴轴承常见的配置有下列三种形式 图a所示的配置形式能使主轴获得较大的径向和轴向刚度 可以满足机床强力切削的要求 普遍应用于各类数控机床的主轴 如数控车床 数控铣床 加工中心等 这种配置的后支承也可用圆柱滚子轴承 进一步提高后支承径向刚度 图b所示的配置没有图a所示的主轴刚度大 但这种配置提高了主轴的转速 适合主轴要求在较高转速下工作的数控机床 目前 这种配置形式在立式 卧式加工中心机床上得到广泛应用 满足了这类机床转速范围大 最高转速高的要求 为提高这种形式配置的主轴刚度 前支承可以用四个或更多个的轴承相组配 后支承用两个轴承相组配 2019 12 20 14 2019 12 20 15 图c所示的配置形式能使主轴承受较重载荷 尤其是承受较强的动载荷 径向和轴向刚度高 安装和调整性好 但这种配置相对限制了主轴最高转速和精度 适用于中等精度 低速与重载的数控机床主轴 2019 12 20 16 为提高主轴组件刚度 数控机床还常采用三支承主轴组件 尤其是前后轴承间跨距较大的数控机床 采用辅助支承可以有效地减少主轴弯曲变形 三支承主轴结构中 一个支承为辅助支承 辅助支承可以选为中间支承 也可以选为后支承 辅助支承在径向要保留必要的游隙 避免由于主轴安装轴承处轴径和箱体安装轴承处孔的制造误差 主要是同轴度误差 造成的干涉 辅助支承常采用深沟球轴承 2019 12 20 17 4 主轴滚动轴承的预紧所谓轴承预紧 就是使轴承滚道预先承受一定的载荷 不仅能消除间隙而且还使滚动体与滚道之间发生一定的变形 从而使接触面积增大 轴承受力时变形减少 抵抗变形的能力增大 1 轴承内圈移动如图7 5所示 这种方法适用于锥孔双列圆柱滚子轴承 图a的结构简单 但预紧量不易控制 常用于轻载机床主轴部件 图b用右端螺母限制内圈的移动量 易于控制预紧量 图c在主轴凸缘上均布数个螺钉以调整内圈的移动量 调整方便 但是用几个螺钉调整 易使垫圈歪斜 图d将紧靠轴承右端的垫圈做成两个半环 可以径向取出 修磨其厚度可控制预紧量的大小 调整精度较高 调整螺母一般采用细牙螺纹 便于微量调整 而且在调好后要能锁紧防松 2019 12 20 18 2 修磨座圈或隔套图7 6a为轴承外圈宽边相对 背对背 安装 这时修磨轴承内圈的内侧 图7 6b为外圈窄边相对 面对面 安装 这时修磨轴承外圈的窄边 在安装时按图示的相对关系装配 并用螺母或法兰盖将两个轴承轴向压拢 使两个修磨过的端面贴紧 这样在两个轴承的滚道之间产生预紧 另一种方法是将两个厚度不同的隔套放在两轴承内 外圈之间 同样将两个轴承轴向相对压紧 使滚道之间产生预紧 如图7 7a b所示 2019 12 20 19 三 主轴的材料和热处理主轴材料可根据强度 刚度 耐磨性 载荷特点和热处理变形大小等因素来选择 主轴刚度与材质的弹性模量E有关 无论是普通钢还是合金钢其E值基本相同 因此 对于一般要求的机床其主轴可用价格便宜的中碳钢 45钢 进行调质处理后硬度为22 28HRC 当载荷较大或存在较大的冲击时 或者精密机床的主轴为减少热处理后的变形 或者需要作轴向移动的主轴为了减少它的磨损时 则可选用合金钢 常用的合金钢有 40Cr进行淬硬硬度达到40 50HRC 或者用20Cr进行渗碳淬硬使硬度达到56 62HRC 某些高精度机床的主轴材料则选用38CrMoAl进行氮化处理 使硬度达到850 1000HV 2019 12 20 20 四 主轴的润滑与冷却主轴轴承润滑和冷却是保证主轴正常工作的必要手段 为了尽可能减少主轴部件温升引起的热变形对机床工作精度的影响 通常利用润滑油循环系统把主轴部件的热量带走 使主轴部件与箱体保持恒定的温度 在某些数控机床上 采用专用的冷却装置 控制主轴箱温升 有些主轴轴承用高级油脂润滑 每加一次油脂可以使用7 10年 对于某些主轴要采用油气润滑 喷注润滑和突入滚道润滑等措施 以保证在高速时正常冷却润滑效果 2019 12 20 21 三 主轴准停主轴准停功能又称主轴定位功能 SpindleSpecifiedPositionStop 即当主轴停止时 控制其停于固定的位置 这是自动换刀所必须的功能 主轴准停可分为机械准停与电气准停 它们的控制过程是一样的 机械准停控制过程如图7 8所示 常用的电气准停有 磁传感器主轴准停 编码器型主轴准停 数控系统控制准停 图7 8主轴准停控制图 四 数控车床主轴部件的结构与调整 1 主轴部件结构图7 9是CK7815型数控车床主轴部件结构图 该主轴工作转速范围为15 5000r min 主轴9前端采用三个角接触轴承12 通过前支承套14支承 由螺母11预紧 后端采用圆柱滚子轴承15支承 径向间隙由螺母3和螺母7调整 螺母8和螺母10分别用来锁紧螺母7和螺母11 防止螺母7和11的回松 带轮2直接安装在主轴9上 不卸荷 同步带轮1安装在主轴9后端支承与带轮之间 通过同步带和安装在主轴脉冲发生器4轴上的另一同步带轮相连 带动主轴脉冲发生器4和主轴同步运动 在主轴前端 安装有液压卡盘或其他夹具 2019 12 20 22 2 主轴部件的拆卸与调整 1 主轴部件的拆卸主轴部件在维修时需要进行拆卸 拆卸前应做好工作场地清理 清洁工作和拆卸工具及资料的准备工作 然后进行拆卸操作 拆卸操作顺序大致如下 1 切断总电源及主轴脉冲发生器等电气线路 总电源切断后 应拆下保险装置 防止他人误合闸而引起事故 2 切断液压卡盘 图7 9中未画出 油路 排放掉主轴部件及相关各部分的润滑油 油路切断后 应放尽管内余油 避免油溢出污染工作环境 管口应包扎 防止灰尘及杂物侵入 2019 12 20 23 3 拆下液压卡盘 图7 9中未画出 及主轴后端液压缸等部件 排尽油管中余油并包扎管口 4 拆下电动机传动带及主轴后端带轮和键 5 拆下主轴后端螺母3 6 松开螺钉5 拆下支架6上的螺钉 拆去主轴脉冲发生器 含支架 同步带 7 拆下同步带轮1和后端油封件 8 拆下主轴后支承处轴向定位盘螺钉 9 拆下主轴前支承套螺钉 10 拆下 向前端方向 主轴部件 2019 12 20 24 11 拆下圆柱滚子轴承15和轴向定位盘及油封 12 拆下螺母7和螺母8 13 拆下螺母10和螺母11以及前油封 14 拆下主轴9和前端盖13 主轴拆下后要轻放 不得碰伤各部螺纹及圆柱表面 15 拆下角接触球轴承12和前支承套14 以上各部件 零件拆卸后 应清洗及防锈处理 并妥善存放保管 2019 12 20 25 2 主轴部件装配及调整装配前 各零件 部件应严格清洗 需要预先涂油的部件应涂油 装配设备 装配工具以及装配方法 应根据装配要求及配合部位的性质选取 操作者必须注意 不正确或不规范的装配方法 将影响装配精度和装配质量 甚至损坏被装配件 对CK7815数控车床主轴部件的装配过程 可大体依据拆卸顺序逆向操作 主轴部件装配时的调整 应注意以下几个部位的操作 2019 12 20 26 1 前端三个角接触球轴承 应注意前面两个大口向外 朝向主轴前端 后一个大口向里 与前面两个相反方向 预紧螺母11的预紧量应适当 查阅制造厂家说明书 预紧后一定要注意用螺母10锁紧 防止回松 2 后端圆柱滚子轴承的径向间隙由螺母3和螺母7调整 调整后通过螺母8锁紧 防止回松 3 为保证主轴脉冲发生器与主轴转动的同步精度 同步带的张紧力应合理 调整时先略略松开支架6上的螺钉 然后调整螺钉5 使之张紧同步带 同步带张紧后 再旋紧支架6上的紧固螺钉 2019 12 20 27 4 液压卡盘装配调整时 应充分清洗卡盘内锥面和主轴前端外短锥面 保证卡盘与主轴短锥面的良好接触 卡盘与主轴联接螺钉旋紧时应对角均匀施力 以保证卡盘的工作定心精度 5 液压卡盘驱动液压缸 图7 9中未画出 安装时 应调好卡盘拉杆长度 保证驱动液压缸有足够的 合理的夹紧紧行程储备量 2019 12 20 28 五 数控铣床主轴部件的结构与调整1 主轴部件结构图7 10是NT J320A型数控铣床主轴部件结构图 该机床主轴可作轴向运动 主轴的轴向运动坐标为数控装置中的Z轴 轴向运动由直流伺服电动机16 经同步齿形带轮13 15 同步带14 带动丝杠17转动 通过丝杠螺母7和螺母支承10使主轴套筒6带动主轴5作轴向运动 同时也带动脉冲编码器12 发出反馈脉冲信号进行控制 2019 12 20 29 主轴为实心轴 上端为花键 通过花键套11与变速箱联接 带动主轴旋转 主轴前端采用两个特轻系列角接触球轴承1支承 两个轴承背靠背安装 通过轴承内圈隔套2 外圈隔套3和主轴台阶与主轴轴向定位 用圆螺母4预紧 消除轴承轴向间隙和径向间隙 后端采用深沟球轴承 与前端组成一个相对于套筒的双支点单固式支承 主轴前端锥孔为7 24锥度 用于刀柄定位 主轴前端端面键 用于传递铣削转矩 快换夹头18用于快速松 夹紧刀具 2019 12 20 30 2 主轴部件的拆卸与调整 1 主轴部件的拆卸主轴部件维修拆卸前的准备工作与前述数控车床主轴部件拆卸准备工作相同 在准备就绪后 即可进行如下顺序的拆卸工作 1 切断总电源及脉冲编码器12以及主轴电动机等电器的线路 2 拆下电动机法兰盘联接螺钉 2019 12 20 31 3 拆下主轴电动机及花键套11等部件 根据具体情况 也可不拆此部分 4 拆下罩壳螺钉 卸掉上罩壳 5 拆下丝杠座螺钉 6 拆下螺母支承10与主轴套筒6的联接螺钉 7 向左移动丝杠7和螺母支承10等部件 卸下同步带14和螺母支承10处与主轴套筒联接的定位锁 2019 12 20 32 8 卸下主轴部件 9 拆下主轴部件前端法兰和油封 10 拆下主轴套筒 11 拆下圆螺母4和9 12 拆下前后轴承1和8以及轴承隔套2和3 13 卸下快换夹头18 拆卸后的零件 部件应进行清洗和防锈处理 并妥善保管存放 2019 12 20 33 2 主轴部件的装配及调整装配前的准备工作与前述车床相同 装配设备 工具及装配方法根据装配要求和装配部位配合性质选取 装配顺序可大体按拆卸顺序逆向操作 机床主轴部件装配调整时应注意以下几点 2019 12 20 34 1 为保证主轴工作精度 调整时应注意调整好预紧螺母4的预紧量 2 前后轴承应保证有足够的润滑油 3 螺母支承10与主轴套筒的联接螺钉要充分旋紧 4 为保证脉冲编码器与主轴的同步精度 调整时同步带14应保证合理的张紧量 2019 12 20 35 六 主轴部件的维护数控机床主轴部件是影响机床加工精度的主要部件 它的回转精度影响工件的加工精度 它的功率大小和回转速度影响加工效率 它的自动变速 准停和换刀等影响机床的自动化程度 因此 要求主轴部件具有与本机床工作性能相适应的高回转精度 刚度 抗振性 耐磨性和低的温升 在结构上 必须很好地解决刀具和工件的装夹 轴承的配置 轴承间隙调整和润滑密封等问题 2019 12 20 36 主轴的结构根据数控机床的规格 精度采用不同的主轴轴承 一般中 小规格的数控机床的主轴部件多采用成组高精度滚动轴承 重型数控机床采用液体静压轴承 高精度数控机床采用气体静压轴承 转速达20000r min的主轴采用磁力轴承或氮化硅材料的陶瓷滚珠轴承 2019 12 20 37 1 防泄漏在密封件中 被密封的介质往往是以穿漏 渗透或扩散的形式越界泄漏到密封连接处的彼侧 造成泄漏的基本原因是流体从密封面上的间隙中溢出 或是由于密封部件内外两侧密封介质的压力差或浓度差 致使流体向压力或浓度低的一侧流动 图7 11为卧式加工中心主轴前支承的密封结构 2019 12 20 38 主轴的密封有接触式和非接触式密封 图7 12是几种非接触密封的形式 图中a是利用轴承盖与轴的间隙密封 轴承盖的孔内开槽是为了提高密封效果 这种密封用在工作环境比较清洁的油脂润滑处 图中b是在螺母的外圆上开锯齿形环槽 当油向外流时 靠主轴转动的离心力把油沿斜面甩到端盖1的空腔内 油液流回箱内 2019 12 20 39 图中c是迷宫式密封结构 在切屑多 灰尘大的工作环境下可获得可靠的密封效果 这种结构适用油脂或油液润滑的密封 非接触式的油液密封时 为了防漏 重要的是保证回油能尽快排掉 要保证回油孔的畅通 接触式密封主要有油毡圈和耐油橡胶密封圈密封 如图7 13所示 2019 12 20 40 2 刀具夹紧在自动换刀机床的刀具自动夹紧装置中 刀具自动夹紧装置的刀杆常用7 24的大锥度锥柄 既利于定心 也为松刀带来方便 用碟形弹簧通过拉杆及夹头拉住刀柄的尾部 使刀具锥柄和主轴锥孔紧密配合 夹紧力达10000N以上 2019 12 20 41 松刀时 通过液压缸活塞推动拉杆来压缩碟形弹簧 使夹头张开 夹头与刀柄上的拉钉脱离 刀具即可拔出 进行新 旧刀具的交换 新刀装入后 液压缸活塞后移 新刀具又被碟形弹簧拉紧 在活塞推动拉杆松开刀柄的过程中 压缩空气由喷气头经过活塞中心孔和拉杆中的孔吹出 将锥孔清理干净 防止主轴锥孔中掉入切屑和灰尘 把主轴锥孔表面和刀杆的锥柄划伤 同时保证刀具的正确位置 主轴锥孔的清洁十分重要 2019 12 20 42 七 主传动链的维护1 熟悉数控机床主传动链的结构 性能参数 严禁超性能使用 2 主传动链出现不正常现象时 应立即停机排除故障 3 操作者应注意观察主轴油箱温度 检查主轴润滑恒温油箱 调节温度范围 使油量充足 4 使用带传动的主轴系统 需定期观察调整主轴驱动皮带的松紧程度 防止因皮带打滑造成的丢转现象 2019 12 20 43 5 由液压系统平衡主轴箱重量的平衡系统 需定期观察液压系统的压力表 当油压低于要求值时 要进行补油 6 使用液压拨叉变速的主传动系统 必须在主轴停车后变速 7 使用啮合式电磁离合器变速的主传动系统 离合器必须在低于1 2r min的转速下变速 8 注意保持主轴与刀柄连接部位及刀柄的清洁 防止对主轴的机械碰击 2019 12 20 44 9 每年对主轴润滑恒温油箱中的润滑油更换一次 并清洗过滤器 10 每年清理润滑油池底一次 并更换液压泵滤油器 11 每天检查主轴润滑恒温油箱 使其油量充足 工作正常12 防止各种杂质进入润滑油箱 保持油液清洁 13 经常检查轴端及各处密封 防止润滑油液的泄漏 2019 12 20 45 14 刀具夹紧装置长时间使用后 会使活塞杆和拉杆间的间隙加大 造成拉杆位移量减少 碟形弹簧张闭伸缩量不够 影响刀具的夹紧 故需及时调整液压缸活塞的位移量 15 经常检查压缩空气气压 并调整到标准要求值 足够的气压才能使主轴锥孔中的切屑和灰尘清理彻底 2019 12 20 46 八 主传动链故障及诊断方法 主传动链常见故障及排除方法如表7 1所示 2019 12 20 47 表7 1主传动链常见故障诊断及排除方法 2019 12 20 48 2019 12 20 49 2019 12 20 50 2019 12 20 51 例7 1 加工中心主轴定位不良 引发换刀过程发生中断 例7 2 主轴噪声较大 主轴无载情况下 负载表指示超过40 例7 3 机床在工作过程中 主轴箱内机械变档滑移齿轮自动脱离啮合 主轴停转 例7 4 主轴高速旋转时发热严重 2019 12 20 52 7 2数控机床进给系统维修与调整 数控机床的进给传动系统是伺服系统的重要组成部分 它将伺服电机的旋转运动或直线伺服电机的直线运动通过机械传动结构转化为执行部件的直线或回转运动 目前 数控机床进给系统中的机械传动装置常用的有如下几种 滚珠丝杠螺母副 导轨滑块副 静压蜗杆 蜗轮条 预加载荷双齿轮齿条及直线电动机 数控机床进给系统中的机械传动装置和器件具有高寿命 高刚度 无间隙 高灵敏度和低摩擦阻力等特点 2019 12 20 53 一 滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件 滚珠丝杠副有多种结构形式 按滚珠循环方式分为外循环和内循环 外循环回珠器用插管式的较多 内循环回珠器用腰型槽嵌块式的较多 按螺纹轨道的截面形状分为单圆弧和双圆弧两种截形 由于双圆弧截形轴向刚度大于单圆弧截形 因此目前丝杠普遍采用双圆弧截形 2019 12 20 54 按预加负载形式分 可分为单螺母无预紧 单螺母变位导程预紧 单螺母加大钢球径向预紧 双螺母垫片预紧 双螺母差齿预紧 双螺母螺纹预紧 数控机床上常用双螺母垫片式预紧 其预紧力一般为轴向载荷的1 3 滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点 传动效率高 灵敏度高 传动平稳 磨损小 寿命长 可消除轴向间隙 提高轴向刚度等 滚珠丝杠螺母传动广泛应用于中小型数控机床的进给传动系统 在重型数控机床的短行程 6m以下 进给系统中也常被采用 2019 12 20 55 一 滚珠丝杠副的安装安装方式对滚珠丝杠副承载能力 刚性及最高转速有很大影响 滚珠丝杠螺母副在安装时应满足以下要求 1 滚珠丝杠螺母副相对工作台不能有轴向窜动 2 螺母座孔中心应与丝杠安装轴线同心 3 滚珠丝杠螺母副中心线应平行于相应的导轨 4 能方便地进行间隙调整 预紧和预拉伸 2019 12 20 56 常见安装方式有以下四种情况 1 固定 自由 G Z方式 如图7 14的 a 所示 仅在一端装可以承受双向载荷与径向载荷的推力角接触球轴承或滚针 推力圆柱滚子轴承 并进行轴向预紧 另一端完全自由 不做支承 这种支承方式结构简单 但承载能力较小 适用于低转速 中精度 丝杠长度 行程不长的短轴向丝杠 2019 12 20 57 2 固定 支承方式 G J方式 如图7 14 b 所示 丝杆一端固定 另一端支承 固定端同时承受轴向力和径向力 支承端只承受径向力 而且能作微量的轴向浮动 可以减少或避免因丝杆自重而出现的弯曲 同时丝杆热变形可以自由地向一端伸长 适用于中等转速 高精度 2019 12 20 58 3 固定 固定双推方式 G G方式 如图7 14 c 所示 丝杆两端均固定 在两端都安装承受双向载荷与径向载荷的推力角接触球轴承或滚针 推力圆柱滚子轴承 并进行预紧 提高丝杆支承刚度 可以部分补偿丝杆的热变形 适用于高转速 高精度 4 两端支承方式 J J方式 如图7 14 d 所示 丝杆两端均为支承 这种支承方式简单 但由于支承端只承受径向力 丝杆热变形后伸长 将影响加工精度 只适用于中等转速 中精度的场合 2019 12 20 59 滚珠丝杠副作为精密 高效 灵敏的传动元件 除了应采用高精度的丝杠 螺母和滚珠外 还应注意选用轴向刚度高 摩擦力矩小 运转精度高的轴承 滚珠丝杠支承常用双向推力角接触球轴承 圆锥滚子轴承 滚针和推力滚子组合轴承 深沟球轴承和推力球轴承等 2019 12 20 60 目前 滚珠丝杠支承采用最多的是60 接触角的单列推力角接触球轴承 与一般角接触球轴承相比轴向刚度提高两倍以上 而且产品在出厂时已选配好内外环的厚度 装配调试时只要用螺母和端盖将内外环压紧 就能获得出厂时已调整好的预紧力 使用方便 购买时 滚珠丝杠副的端部需按设计要求向厂家预定 可以加工出轴肩或螺纹 2019 12 20 61 二 滚珠丝杠副的预紧 滚珠丝杠副预紧的目的是为了消除丝杠与螺母之间的间隙和施加预紧力 以保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度 在数控机床进给系统中使用的滚珠丝杠螺母副的预紧方法有修磨垫片厚度 锁紧双螺母消隙 齿差式调整方法等 广泛采用的是双螺母结构消隙 2019 12 20 62 1 修磨垫片消隙式如图7 15所示 通过调整垫片厚度使左右两螺母产生轴向位移 即可消除丝杠螺母间的间隙并产生预紧力 这种方法结构简单 但调整不方便 当滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧 2019 12 20 63 2 锁紧双螺母消隙式如图7 16所示 用两个锁紧螺母调整丝杠螺母的预紧量 这种方式简便易行 但不易精确调整预紧量 2019 12 20 64 3 齿差消隙式如图7 17所示 在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮 分别与紧固在螺母座两端的内齿圈相啮合 其齿数分别为和 并相差一个齿 调整时 先取下内齿圈 让两个螺母相对于螺母座同方向转动一个齿 则螺母1沿轴向移动 螺母2移动 然后插上内齿轮 再将内齿轮紧固 则两个螺母便产生相对轴向位移 位移量为 为丝杠导程 这种方式结构比较复杂 尺寸较大 但调整精确可靠 宜用于高精度的传动机构 2019 12 20 65 三 滚珠丝杠副的润滑及防护装置 滚珠丝杠副在工作状态下 必须润滑 以保证其充分发挥机能 润滑方式主要有以下两种 润滑脂 润滑油 润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的1 3 某些生产厂家在装配时螺母内部已加注润滑脂 而润滑油的给油量随行程 润滑油的种类 使用条件等的不同而不同 2019 12 20 66 滚珠丝杠副与滚动轴承一样 如果污物及异物进入就很快使它磨损 因此考虑油污物异物 切削 进入时 必须采用防尘装置 将丝杠轴完全保护起来 防尘装置可采用可随移动部件移动而收展的钢制盖板或柔性卷帘 2019 12 20 67 二 导轨滑块副 导轨主要用来支承和引导运动部件沿一定的轨道运动 从而保证各部件的相对位置和相对位置精度 导轨在很大程度上决定了数控机床的刚度 精度和精度保持性 所以数控机床要求导轨的导向精度要高 耐磨性要好 刚度要大和良好的磨擦特性 导轨副按接触面的摩擦性质可以分为滑动导轨 静压导轨和滚动导轨 2019 12 20 68 1 滑动导轨滑动导轨分为金属对金属的一般类型的导轨和金属对塑料的塑料导轨两类 金属对金属型式 静摩擦系数大 动摩擦系数随速度变化而变化 在低速时易产生爬行现象 塑料导轨有聚四氟乙烯导轨软带和环氧性耐磨导轨涂层两种 塑料导轨的缺点是耐热性差 导热率低 热膨胀系数比金属大 在外力作用下易产生变形 刚性差 吸湿性大 影响尺寸稳定性 2019 12 20 69 2 静压导轨液体静压导轨指压力油通过节流器进入两相对运动的导轨面 所形成的油膜使两导轨面分开 保证导轨面在液体摩擦状态下工作 有很强的吸振性 导轨运动平稳 无爬行 应用在高精度 高效率的大型 重型数控机床上 液体静压导轨的结构型式可分为开式和闭式两种 2019 12 20 70 图7 18为开式静压导轨工作原理图 对于闭式液体静压导轨 其导轨的各个方向导轨面上均开有油腔 所以闭式导轨具有承受各方向载荷的能力 且其导轨保持平衡性较好 除液体静压导轨外还有气体静压导轨 又称气垫导轨 其摩擦因数比液体静压导轨还小 2019 12 20 71 3 滚动导轨滚动导轨是在导轨面间放置滚珠 滚柱 滚针等滚动体 使导轨面间的摩擦为滚动摩擦 滚动导轨具有运动灵敏度高 定位精度高 精度保持性好和维修方便的优点 图7 19为直线滚动导轨外形图 2019 12 20 72 滚动导轨副按结构形式可分为滚动导轨和滚柱导轨块两种 其中滚动导轨多用于中 小型数控机床中 滚动导轨副按形状可分为滚动直线导轨副 滚动圆弧导轨副 滚动直线导轨副按导轨与滑块的关系分为整体型和分离型导轨副 按导轨副中是否就有带球保持器分为普通型和低噪音型滚动直线导轨 2019 12 20 73 4 滚动导轨的安装 预紧直线滚动导轨副的安装固定方式主要有螺钉固定 压板固定 定位销固定和斜楔块固定 如图7 20所示 直线滚动导轨的安装形式可以水平 竖直或倾斜 可以两根或多根平行安装 也可以把两根或多根短导轨接长 以适应各种行程和用途的需要 2019 12 20 74 图7 20a为用紧定螺钉顶紧然后再用螺钉固定 图7 20b为用压板顶紧 也可在压板上再加紧固螺钉 图7 20c中导轨的侧基面是装配式 工艺性较好 图7 20d为用楔块顶紧 图7 20e为在同一平面内平行安装两副导轨 该方法适用于有冲击和振动 精度要求较高的场合 数控机床滚动导轨的安装 多数采用此办法 2019 12 20 75 导轨安装步骤如下 1 将导轨基准面紧靠机床装配表面的侧基面 对准螺孔 将导轨轻轻地用螺栓予以固定 2 上紧导轨侧面的顶紧装置 使导轨基准侧面紧靠贴床身的侧面 3 按表7 2的参考值 用力矩扳手拧紧导轨的安装螺钉 从中间开始按交叉顺序向两端拧紧 2019 12 20 76 滑块座安装步骤如下 1 将工作台置于滑块座的平面上 并对准安装螺钉孔 轻轻地压紧 2 拧紧基准侧滑块座侧面的压紧装置 使滑块座基准侧面紧紧靠贴工作台的侧基面 3 按对角线顺序拧紧基准侧和非基准侧滑块座上各个螺钉 安装完毕后 检查其全行程内运行是否轻便 灵活 有无打顿 阻滞现象 摩擦阻力在全行程内不应有明显的变化 达到上述要求后 检查工作台的运行直线度 平行度是否符合要求 2019 12 20 77 导轨预紧是为了提高滚动导轨的刚度 预紧可提高接触刚度和消除间隙 在立式导轨上 预紧可防止滚动体脱落和歪斜 常见的预紧方式有采用过盈配合和调整法两种 1 采用过盈配合 预加载荷大于外加载荷 预紧力产生过盈量2 3um 过大会使牵引力增加 若运动部件较重 其重力可起预加载荷的作用 若刚度满足要求 可不施预加载荷 2 调整法 利用螺钉 斜块或偏心轮调整来进行预紧 图7 21为滚动导轨的预紧方法 2019 12 20 78 三 静压蜗杆 蜗轮齿条传动 静压蜗杆 蜗轮齿条是一种精密传动副 用于将回转运动转变为直线位移 流体静压蜗杆蜗轮齿条的工作原理如图7 22所示 图中油腔开在蜗轮上 用毛细管节流的定压供油方式给该机构提供压力油 从液压泵输出的压力油 经过蜗杆螺纹内的毛细管节流器 分别进入蜗杆 蜗轮齿条的两侧面油腔内 然后经过啮合面之间的间隙 再进入齿顶与齿根的间隙 压力降为零 流回油箱 2019 12 20 79 四 预加载荷双齿轮齿条 工作行程很大的大型数控机床通常采用齿轮齿条来实现进给运动 图7 23是双厚齿轮的传动结构图 进给运动由轴2输入 通过两对斜齿轮将运动传给轴1和轴3 然后由两个直齿轮4和5去传动齿条 带动工作台移动 轴2上两个斜齿轮的螺旋线的方向相反 如果通过弹簧在轴2上作用一个轴向力F 使斜齿轮产生微量的轴向移动 这时轴1和轴3便以相反的方向转过微小的角度 使齿轮4和5分别与齿条的两齿面贴紧 消除了间隙 2019 12 20 80 五 直线电动机传动 直线电动机的工作原理与旋转电动机没有本质区别 可将其视为旋转电动机沿圆周方向拉伸展平的产物 如图7 24所示 对应于旋转电动机的定子部分 称为直线电动机的初级 对应于旋转电动机的转子部分 称为直线电动机的次级 当多相交变电流通过多相对称绕组时 就会在直线电动机初级和次级之间的气隙中产生一个行波磁场 从而使初级和次级之间相对移动 当然 二者之间也存在下一个垂直力 可以是吸引力 也可以是推斥力 2019 12 20 81 直线电动机可以分为步进直线电动机 直流直线电动机和交流直线电动机三大类 在机床上主要使用交流直线电动机 在结构上 可以有如图7 25所示的短次级和短初级两种形式 为了减小发热量和降低成本 高速机床用直线电动机一般采用图7 25b所示的短初级和动次级结构 2019 12 20 82 在励磁方式上 交流直线电动机可以分为永磁 同步 式和感应 异步 式两种 永磁式直线电动机的次级是一块一块铺设的永久磁钢 其初级是含铁心的三相绕组 感应式直线电动机的初级和永磁式直线电动机的初级相同 而次级是用自行短路的不馈电栅条来代替永磁式直线电动机的永久磁钢 永磁式直线电动机在单位面积推力 效率 可控性等方面均优于感应式直线电动机 但其成本高 工艺复杂 而且给机床的安装 使用和维护带来不便 感应式直线电动机在不通电时是没有磁性的 因此有利于机床的安装 使用和维护 2019 12 20 83 六 进给传动系统常见故障诊断及维修 1 表7 3 7 4分别例举了丝杠 导轨在使用过程中常见的的故障 故障原因及维修方法 2 进给传动系统常见故障诊断及维修实例 2019 12 20 84 例7 5 一台数控车床 加工零件时 常出现径向尺寸忽大忽小的故障例7 6 TH6363卧式加工中心 Y轴导轨润滑不足例7 7 某加工中心运行时 工作台X轴方向位移接近行程终端过程中产生明显的机械振动故障 故障发生时系统不报警 例7 8 X轴电动机过热报警例7 9 某加工中心采用直线滚动导轨 安装后用扳手转动滚珠丝杠进行手感检查 发现工作台X轴方向移动过程中产生明显的机械干涉故障 运动阻力很大 2019 12 20 85 例7 10 其配套西门子公司生产的SINUMEDIK8MC的数控装置的数控镗铣床 机床Z轴运行 方滑枕为Z轴 抖动 瞬间即出现123号报警 机床停止运行 例7 11 某加工中心运行九个月后 发生Z轴方向加工尺寸不稳定 尺寸超差且无规律 CRT及伺服放大器无任何报警显示 例7 12 某卧式加工中心出现ALM421报警 即Y轴移动中的位置偏差量大于设定值而报警 例7 13 丝杠窜动引起的故障维修 2019 12 20 86 七 自动换刀装置故障诊断与维修实例 例7 14 一台配套FANUC0MC系统 型号为XH754的数控机床 刀库在换刀过程中不停转动 2019 12 20 87 例7 15 一台配套FANUC0MC系统 型号为XH754的数控机床 在换刀过程中 主轴上移至刀爪时 刀库刀爪有错动 拔插刀时 有明显声响 似乎卡滞 2019 12 20 88 例7 16 某数控机床的换刀系统在执行换刀指令时不动作 机械臂停在行程中间位置上 CRT显示报警号 查阅手册得知该报警号表示 换刀系统机械臂位置检测开关信号为 0 及 刀库换刀位置错误 2019 12 20 89 例7 17 换刀臂平移至C时 无拔刀动作 图7 33b为某立式加工中心自动换刀控制示意图 2019 12 20 90 7 3自动换刀装置的维修与调整 为进一步提高数控机床的加工效率 数控机床正向着工件在一台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展 因此出现了各种类型的加工中心机床 如车削中心 镗铣加工中心 钻削中心等 各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的类型 工艺范围 使用刀具的种类和数量 数控机床常用的自动换刀装置的类型 特点 适用范围见表7 5 2019 12 20 91 一 排刀式刀架 排刀式刀架一般用于小规格数控车床 以加工棒料为主的机床较为常见 刀具典型布置方式如图7 26所示 这种刀架的特点之一是在使用上刀具布置和机床调整都较方便 可以根据具体工件的车削工艺要求 任意组合各种不同用途的刀具 一把刀完成车削任务后 横向滑板只要按程序沿X轴向移动预先设定的距离后 第二把刀就到达加工位置 这样就完成了机床的换刀动作 这种换刀方式迅速省时 有利于提高机床的生产效率 2019 12 20 92 特点之二是使用如图7 27所示的快换台板 可以实现成组刀具的机外预调 即当机床在加工某 工件的同时 可以利用快换台板在机外组成加工同一种零件或不同零件的排刀组 利用对刀装置进行预调 当刀具磨损或需要更换加工零件品种时 可以通过更换台板来成组地更换刀具 从而使换刀的辅助时间大为缩短 2019 12 20 93 特点三是还可以安装各种不同用途的动力刀具 如图7 26所示中刀架两端的动力刀具 来完成一些简单的钻 铣 攻螺纹等二次加工工序 以使机床可在一次装夹中完成工件的全部或大部分加工工序 特点之四是排刀式刀架结构简单 可在一定程度上降低机床的制造成本 然而 采用排刀式刀架只适合加工旋转直径比较小的工件 只适合较小规格的机床配置 不适用于加工较大规格的工件或细长的轴类零件 一般说来旋转直径超过100mm的机床大都不用排刀式刀架 而采用转塔式刀架 2019 12 20 94 二 经济型数控车床方刀架 经济型数控车床方刀架是在普通车床四方刀架的基础上发展的一种自动换刀装置 功能和普通四方刀架一样 有四个刀位 能装夹4把不同功能的刀具 方刀架回转90 时 刀具交换一个刀位 但方刀架的回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制 换刀时方刀架的动作顺序是 刀架抬起 刀架转位 刀架定位和夹紧刀架 为完成上述动作要求 要有相应的机构来实现 下面就以WZD4型刀架为例说明其具体结构 如图7 28所示 2019 12 20 95 该刀架可以安装四把不同的刀具 转位信号由加工程序指定 当换刀指令发出后 小型电动机1起动正转 通过平键套简联轴器2使蜗杆轴3转动 从而带动蜗轮丝杆4转动 蜗轮的上部外圆柱加工有外螺纹 所以该零件称蜗轮丝杠 刀架体7内孔加工有内螺纹 与蜗轮丝杠旋合 蜗轮丝杠内孔与刀架中心轴外圆是滑动配合 在转位换刀时 中心轴固定不动 蜗轮丝杠环绕中心轴旋转 当蜗轮开始转动时 由于在刀架底座5和刀架体7上的端面齿处在啮合状态 且蜗轮丝杠轴向固定 这时刀架体7抬起 2019 12 20 96 刀架不定期位出现过位或不到位时 可松开螺母12调好发信体11与电刷14的相对位置 随夹紧力增加 转矩不断增大时 达到一定值时 在传感器的控制下 电动机1停止转动 译码装置由发信体11与电刷13 14组成 电刷13负责发信 电刷14负责位置判断 刀架不定期位出现过位或不到位时 可松开螺母12调好发信体11与电刷14的相对位置 这种刀架在经济型数控车床及普通车床的数控化改造中得到广泛的应用 2019 12 20 97 三 一般转塔回转刀架 图7 29为数控车床的转塔回转刀架 它适用于盘类零件的加工 在加工轴类零件时 可以换用四方回转刀架 由于两者底部安装尺寸相同 更换刀架十分方便 回转刀架动作根据数控指令进行 由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制 其动作过程分为如下四个步骤 2019 12 20 98 1 刀架抬起当数控装置发出换刀指令后 压力油从A孔进入压紧液压缸的下腔 使活塞1上升 刀架2抬起使定位用活动插销10与固定插销9脱开 同时 活塞杆下端的端齿离合器5与空套齿轮7结合 2 刀架转位当刀架抬起后 压力油从c孔进入转位液压缸左腔 活塞6向右移动 通过接板13带动齿条8移动 使空套齿轮7连同端齿离合器5逆时针旋转60 实现刀架转位 活塞行程应当等于齿轮7的节圆周长的1 6 并由限位开关控制 2019 12 20 99 3 刀架压紧刀架转位后 压力油从B孔进入压紧液压缸的上腔 活塞1带动刀架2下降 件3的底盘上精确地安装着6个带斜楔的圆柱固定插销9 利用活动销10消除定位销与孔之间的间隙 实现反靠定位 当刀架体2下降时 定位活动插销与另一个固定插销9卡紧 同时 件3与件4以锥面接触 刀架在新的位置上定位并压紧 此时 端面离合器与空套齿轮脱开 4 转位液压缸复位刀架压紧后 压力油从D孔进转位液压缸右腔 活塞6带动齿条复位 由于此时端齿离合器已脱开 齿条带动齿轮在轴上空转 如果定位 压紧动作正常 推杆11与相应的触头12接触 发出信号表示已完成换刀过程 可进行切削加工 2019 12 20 100 四 刀库的形式 刀库用于存放刀具 它是自动换刀装置中主要部件之一 其容量 布局和具体结构对数控机床的设计有很大影响 根据刀库存放刀具的数目和取刀方式 刀库可设计成多种形式 图7 30所示为常见的几种刀库形式 单盘式刀库图7 30 a d 存放的刀具数目 般为15 40把 为适应机床主轴的布局 刀库上刀具轴线可以按不同方向配置 如轴向 径向或斜向 2019 12 20 101 图7 30 d 是刀具可作90 翻转的圆盘刀库 采用这种结构可以简化取刀动作 单盘式的结构简单 取刀也很方便 因此应用广泛 当刀库存放刀具的数目要求较多时 若仍采用单圆盘刀库 则刀库直径增加太大而使结构庞大 为了既能增大刀库容量而结构又较紧凑 研制了各种形式的刀库 如7 30 e 为鼓轮弹仓式 又称刺猬式 刀库 其结构十分紧凑 在相同的空间内 它的刀库容量最大 但选刀和取刀的动作较复杂 2019 12 20 102 图7 31为链式刀库 其结构有较大的灵活性 图7 31 a 是某一自动换刀数控镗铣床所采用的单排链式刀库简图 刀库置于机床立柱侧面 可容纳45把刀具 如刀具储存量过大 将使刀库过高 为了增加链式刀库的储存量 可采用图7 31 b 所示的多排链式刀库 我国JCS 013型自动换刀数控镗铣床采用了四排刀链 每排储存15把刀具 整个刀库储存60把刀具 这种刀库常独立安装于机床之外 因此占地面积大 由于刀库远离主轴 必须有刀具中间搬运装置 使整个换刀系统结构复杂 2019 12 20 103 图7 31 c 为加长链条的链式刀库 采用增加支承链轮数目的方法 使链条折叠回绕 提高其空间利用率 从而增加了刀库的储存量 此外 还有多盘式和格子式刀库 如图7 30 g 图7 30 h 所示 这种刀库虽然储存量大 但结构复杂 选刀和取刀动作多 故较少采用 2019 12 20 104 刀库除了存储刀具之外 还要能根据要求将各工序所用的刀具运送到取刀位置 刀库常采用单独驱动装置 如图7 32 a 图7 32 b 所示为圆盘式刀库的结构图 可容纳40把刀具 图7 32 a 为刀库的驱动装置 由液压马达驱动 通过蜗杆4和蜗轮5 端齿离合器2和3带动与圆盘13相连的轴1转动 2019 12 20 105 如图7 32 b 所示 圆盘13上均布40个刀座9 其外侧边缘上有固定不动的刀座号读取装置7 当圆盘13转动时 刀座号码板8依次经过刀座号读取装置 并读出各刀座的编号 与输入指令相比较 当找到所要求的刀座号时 即发出信号 高压油进入油缸6右腔使端齿离合器2和3脱开 使圆盘13处于浮动状态 同时油缸12前腔的高压油通路被切断 并使其与回油箱连通 在弹簧10的作用下 油缸12的活塞杆带着定位V形块14使圆盘13定位 以便换刀装置换刀 这种装置比较简单 但圆盘直径较大 转动惯量大 一般这种刀库多安装在离主轴较远的位置 因此 要采用中间搬运装置来将刀具传送到换刀位置 2019 12 20 106 THK6370自动换刀数控卧式镗铣床采用链式刀库 其结构示意图如图7 33a所示 刀库由45个刀座组成 刀座就是链传动的链节 刀座的运动由ZM 40液压马达通过减速箱传到下链轮轴上 下链轮带动刀座运动 刀库运动的速度通过调节ZM 40的速度来实现 刀座的定位用正靠的办法将所要的刀具准确地定位在取刀 还刀 位置上 在刀具进入取刀位置之前 刀座首先减速 刀座上的燕尾进入刀库立柱的燕尾导轨 在选刀与定位区域内 刀座在燕尾导轨内移动 以保持刀具编码环与选刀器的位置关系的一致性 2019