第八章--数控机床的机械结构

第八章数控机床的机械机构 知识点 1 数控机床的机械结构及其特点2 机床主传动系统的结构3 齿轮传动副的消隙4 机床进给传动系统及滚珠丝杠螺母副及其消隙5 常见的机床导轨的结构特点6 自动换刀装置7 数控机床的辅助装置 8 1概述 现代数控机床为了适应高速 高精度加工 已经形成了自己独特的结构 尤其电主轴 直线电动机等新技术新产品在数控机床上的应用 数控机床机械结构的组成 1 主传动系统 传统的主传动系统有驱动装置 机械传动装置和运动执行件 如主轴 等组成 2 进给传动系统 传统的进给传动系统由动力源 机械传动件及主运动执行件 如工作台 刀架 等组成 3 基础支撑件 包括床身 立柱 导轨 工作台等 4 辅助装置 包括自动换刀装置 液压气动系统 润滑冷却装置等 数控机床机械结构设计应满足一下要求 1 提高机床的静刚度和动刚度 静刚度 是机床在承受诸如主轴箱托板自重 工件质量等稳定载荷的作用下 抵抗结构变形的能力 它与机床构建的几何参数及材料的弹性模量有关 动刚度 是机床在承受周期变化的切削力 旋转运动的不平衡力以及间歇进给不稳定力等交变载荷作用下阻止振动的能力 它与机床构件的阻尼系数有关 静刚度的提高是动刚度提高的前提 1 为提高机床大件的刚度 宜采用合理的截面形状 封闭结构的床身 采用液力平衡以减少移动部件因位置变化造成机床变形 2 为提高部件接触刚度 采用刮研方法增加单位面积上的接触点 并预加载荷 增大接触面积 3 为提高主轴刚度 不但经常采用三支撑结构 而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轴承 以减小主轴的景象和轴向变形 提高动态刚度的措施 1 提高系统刚度 增加阻尼以及调整构件的自振频率 例如 钢板采用焊接结构 可以增加静刚度 减小质量增加阻尼 封砂铸件也有利于振动衰减 2 减少机床的热变形 1 机床运动部件本身的发热量要少2 机床结构应当根据热对称的原则设计3 改善主轴轴承 丝杠螺母副 高速运动导轨副等的摩擦特性 3 减少运动间的摩擦和消除传动间隙 1 采用塑料导轨 滚动导轨 静压导轨等减少摩擦副之间的摩擦力 2 进给系统采用滚珠丝杠代替滑动丝杠减少摩擦力 避免低速爬行 3 减小传动齿轮和滚珠丝杠的加工误差 4 采用无间隙滚珠丝杠和无间隙齿轮传动 4 延长机床的使用寿命 提高精度保持性设计时应充分考虑数控机床零部件的耐磨性 尤其导轨进给传动丝杠 主轴部件等 5 减少辅助时间和改善操作性能采用多主轴 多刀架以及带刀库的自动换刀装置减少换刀时间 6 安全防护和宜人的造型 采用封闭结构 其内部布局要合理 紧凑 便于维修 外观造型要美观宜人 8 2数控机床的主传动系统 8 2 1主传动系统的特点及要求 特点 1 电机类型 大多采用新型的交流伺服电动机和直流伺服电动机 2 变速范围宽 主传动系统应有较大的调速范围保证加工时能选用合理的切削用量 3 转速高 功率大 数控机床能够进行大功率切削和高速切削 实现高效率强力切削加工 4 主轴速度的变换迅速可靠 直流和交流电动机不仅能方便实现宽范围的无级变速 而且减少了传递环节 传动链变短 变速控制的可靠性提高 数控机床对主传动系统的要求 1 机床主轴系统具有足够的转速和功率以适应高速 高效的加工需求 2 主轴能实现无级变速以达到最佳的切削效果 3 简化结构 减少传动件以降低噪声 减轻发热 减少震动 4 加工中心应配备刀具的自动夹紧装置 自动换刀装置和主轴定向准停装置 5 主轴准停应安装位置检测装置 8 2 2主轴的调速 数控机床的主传动系统的调速主要有 有级变速 无级变速 分段的无级变速 内置电动机主轴变速 1 有级变速 图8 1所示 有级变速系统2 无级变速 图8 2无级变速传动结构3 分段无级变速图8 3所示 3 内置电动机主轴变速图8 6电主轴 电动机转子和主轴一体 电主轴可以使主轴转速达到每分钟数万甚至几十万转 主轴传动的结构简单 刚性高 电主轴传动方式有如下特点 1 机械结构最为简单 传动惯量小 快速响应性好 能实现极高的速度 加 减 速度和定角速度的快速准停 2 通过采用交流变频调速和磁场适量控制的交流主轴驱动装置 输出功率大 调速范围宽 并有理想的转矩 功率特性 3 可以实现主轴部件的单元化 电主轴可以独立做成标准功能部件 专门厂生产 8 2 3数控机床的主轴部件 数控机床的主轴部件包括主轴的支撑和安装在主轴上的传动零件等 主轴部件应具有良好的回转精度 结构刚度 抗振性 热稳定性 部件的耐磨性和精度保持性等 主轴上还要设计自动装卸 主轴准停装置 和切屑清除装置 1 主轴部件的支承与润滑 1 前支撑采用双列圆柱滚子轴承和60角接触双列向心推力轴承组合 后支撑采用成对的角接触球轴承 这种配置主轴的综合刚度大 2 前轴承采用高精度的双列角接触球轴承 后轴承采用单列 双列 角接触球轴承 这种具有良好的高速性能 3 前后轴承采用双列和单列圆锥轴承 能承受重载荷 2 卡盘结构采用三爪自定心卡盘 四爪单动卡盘 弹簧夹头等 实现液压和气压驱动动力自定心卡盘来减少数控机床装夹工件的辅助时间 3 主轴准停装置采用机械式和电气式两种 4 主轴内刀具自动装卸及吹屑装置 图8 11 8 3数控机床的进给传动系统 进给系统机械结构是伺服进给系统的主要组成部分 主要有传动机构 运动变换机构 导向机构 执行件 数控机床的进给系统的机械传动机构是指将电动机的旋转运动转变为工作台或刀架的运动的整个机械传动链 包括齿轮传动副 或蜗杆蜗轮副 丝杠螺母副等及其支撑部件 轴承座等 8 3 1数控机床进给传动系统的特点和要求 特点 数控机床的进给运动是数字控制的直接对象 每一个进给运动坐标都是由自己的伺服电动机驱动 不论点位控制还是多轴联动的轮廓连续控制 被加工工件的最终位置精度和轮廓精度与进给运动的传动精度 灵敏度和稳定性有关 数控机床要注意 1 减少摩擦阻力 2 提高传动精度和刚度 3 消除传动间隙以及减少运动件的惯性 机床对进给传动系统的要求 1 减少各运动零件的惯性在强度刚度满足的情况下 要尽量减小传动件的质量 减小旋转件的直径和质量 以减少运动部件的惯性 2 提高传动精度和刚度首先要保证工件的制造精度尤其是提高滚珠丝杠螺母副 蜗杆副的传动精度 在进给传动链中加入减速齿轮以减小脉冲当量 通过预紧传动滚珠丝杠 消除齿轮 涡轮等传动件的间隙等办法来提高传动精度和刚度 3 减少运动件的摩擦阻力 采用滚珠丝杠和滚动导轨以及塑料导轨和静压导轨等 4 响应速度快快速响应是伺服进给系统的动态特性 是指进给传动系统对输入指令信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度 设计时应使机床工作台及传动机构的刚度 间隙 摩擦 以及转动惯量尽可能达到最佳值 5 较强的过载能力由于电动机频繁换向 且加减速度很快 电动机可能在过载条件下工作 要求电动机有较强的过载能力 一般要求在数分钟内过载4 6倍不损坏 6 稳定性好 寿命长 低速运动不爬行 并能适应外加负载的变化而不发生共振 稳定性与系统的惯性 刚度 阻尼 及增益等有关系 适当选择各参数达到最佳的工作性能 合理选择各传动部件的材料 热处理方法 和加工工艺 并采用适当润滑和防护措施 延长使用寿命 7 使用维护方便最大限度的减少维修工作量提高机床利用率 图8 14两种进给机械传动组成方案 8 3 2滚珠丝杠螺母副 机床上最常用的运动变换机构是丝杠螺母副 它将电动机的旋转运动转换为工作台的直线运动 按照丝杠与螺母的摩擦性质不同 丝杠螺母分为以下几类 1 滑动丝杠螺母副 主要用于旧机床的数控改造 经济型数控机床等 2 滚珠丝杠螺母副 广泛用于中 高档数控机床 3 静压丝杠螺母副 主要用于高精度数控机床 重型机床 滚珠丝杠螺母副 1 结构 滚珠丝杠由丝杠 螺母 滚珠和滚珠返回装置4部分组成 在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽 当它们套装在一起时便形成了螺旋滚道 滚道内装满滚珠 丝杠回转时 为保持丝杠螺母的连续工作 滚珠通过螺母上的返回装置完成循环 按照滚珠的循环方式 滚珠丝杠螺母副分成内循环方式和外循环方式两大类 内循环方式 是指循环过程中滚珠始终保持和丝杠接触的方式 这种方式螺母结构紧凑 定位可靠 刚性好 不易磨损 返回滚道短 不易产生滚珠堵塞 摩擦损失小 缺点是结构复杂 制造困难 外循环方式 是指循环过程中滚珠与丝杠脱离接触方式 外循环方式制造工艺简单 应用广泛 螺母径向尺寸较大 由于采用弯管端部作为挡珠器 故刚性差 易磨损 且噪声较大 2 滚珠丝杠螺母副的特点 1 传动效率高 摩擦损失小 滚珠丝杠螺母副的传动效率高达85 98 是普通滑动丝杠的2 4倍 因此 功率消耗只相当于常规丝杠的1 4 1 2 2 运动灵敏 低速无爬行 由于是滚动摩擦 运动件的摩擦阻力及动 静摩擦阻力之差很小 3 传动精度高 刚性好 通过适当的预紧 可消除传动间隙 实现无间隙传动 4 滚珠丝杠螺母副的磨损很小 使用寿命长 5 无自锁能力 具有传动的可逆行 故对于垂直使用的丝杠 由于重力的作用 当传动切断时不能立即停止运动 应增加自锁装置 6 滚珠丝杠螺母副制造工艺复杂 滚珠丝杠和螺母的材料 热处理和加工要求与滚动轴承相同 且螺旋滚道必须磨削加工 所以制造成本高 3 滚珠丝杠螺母副的选择 1 精度等级的选择表8 2 2 结构尺寸的选择4 常用的滚珠丝杠支承的形式 1 一端装推力轴承 2 一端装推力轴承 另一端装深沟球轴承 3 两端装推力轴承 4 两端装推力轴承及深沟球轴承 8 3 4进给传动常用的消隙结构 1 滚珠丝杠螺母副的消隙 1 螺纹式消隙图8 20滚珠丝杠左右两螺母以平键与外套相联 其中右边一个螺母的外伸端没有凸缘并制有螺纹 用两个圆螺母 一个是锁紧螺母 可使右端螺母相对于丝杠作轴向移动 在消除间隙后将其锁紧 这种调整法具有结构紧凑 调整方便等优点 故广泛使用 但调整位移量不易精确控制 2 垫片式消隙图8 21 通过修磨调整垫片的厚度 使滚珠丝杠的左右螺母产生轴向位移 实现消隙 这种方式结构简单 刚性好 调整间隙时需卸下调整垫片修磨 为了装卸方便 最好将调整垫片做成半环形 3 齿差式消隙图8 22 左右螺母的端部做成外齿轮 齿数差分别为Z1 Z2 而且Z1和Z2相差一个齿 两个齿轮分别与两端相应的内齿圈相啮合 内齿圈通过螺栓紧固在螺母座上 消隙时首先脱开两个内齿圈 然后使两个螺母的外齿轮同时向同一方向转动相同齿数 最后重新装上内齿圈 此时两螺母的轴向相对位置发生了变化 实现了间隙的调整和预施加预紧力 调整后两螺母的位移可以精确控制 当两齿轮沿同一方向转过一个齿时其轴向位移量为 1 1 1 2 这种方法可以使两螺母相对轴向位移最小可达1 m 其调整精度高 调整准确可靠 但结构复杂 2 齿轮副的消隙按照调整好后侧向间隙能否自动补偿分为刚性调整法和柔性调整法 1 刚性调整法 1 偏心套调整法图8 23 2 轴向垫片调整法图8 24 2 柔性调整法 1 周向弹簧调整法图8 25 2 轴向压簧调整法图8 26 3 键连接的消隙图8 27 a 双键连接消隙结构图8 27 b 楔形销连接消隙结构图8 28无键连接消隙结构 8 3 5直线电动机进给系统 特点 1 速度快 加减速过程短 2 精度高 3 传动刚度高 推力平稳 4 高速响应性 5 行程长度不受限制 6 运行时效率高 噪声小 7 宽的速度范围 8 3 6数控机床的导轨 1 对导轨的基本要求 1 导向精度高 2 足够的刚度 3 良好的摩擦特性 4 低速运动的平稳性 5 阻尼特性好 高速时不振动 6 结构工艺性好 2 导轨的分类 1 滑动导轨特点 滑动导轨结构简单 制造方便 刚度好 抗振性强等优点 结构分类 三角形 矩形 燕尾形 圆柱形四种 图8 31材料 铸铁 铸铁 铸铁 淬火钢 铸铁 塑料 镶钢 塑料2 塑料滑动导轨聚四氟乙烯导轨软带环氧型耐磨涂料 2 滚动导轨特点 摩擦系数小 动 静摩擦因数差别小 启动阻力小 能微量准确移动 低速运动平稳 无爬行 因而运动灵活 定位精度高 通过预紧可以提高刚度和抗振性 承受较大的冲击和振动 寿命长 分类 滚珠导轨 滚柱导轨 滚针导轨常用的滚动导轨有滚动导轨块和直线滚动导轨两种 3 液体静压导轨特点 静压导轨是纯液体摩擦状态 同时由于油膜的吸振作用 因而抗振型号 运动平稳 导轨摩擦因数小 机械效率高 寿命长 低速是不以