数控机床与编程教案(机械结构) PPT课件

数控机床与编程电子教案 集美大学工程技术学院主讲教师 郑新建 1 第5章数控机床的机械结构主机结构 数控机床的本体 包括床身 主柱 横梁 滑座 工作台 主轴 进给机构等机械部件 CNC装置 详见第三章 数控机床的核心部件 包括计算机 存储器 显示器 键盘 程序输入输出装置及相应的软件 驱动装置数控机床执行机构的驱动部件 包括主轴驱动单元 进给驱动单元 主轴电机及进给电机等 辅助装置数控机床的配套部件 包括液压和气动装置 位置检测装置 自动换刀装置 排屑装置 交换工作台 数控回转台和数控分度头 刀具及监控检测装置 编程机及辅助设备 如打印机等 2 数控机床结构示意图 3 数控机床机械机构的要求 一 机床的性能要求 1 机床的工艺范围 机床可完成加工工序种类 加工零件类型 材料和尺寸范围 毛坯种类 2 加工精度 尺寸 形状和位置精度 机床精度 几何精度 运动精度和定位精度 注意低速运动的平稳性 导轨的材料和结构 4 数控机床机械机构的要求 二 满足机床刚度和抗振性的要求 具有抵抗外载荷的能力 抵抗受迫和自激振动的能力 改善机床机构 三 减少热变形要求 减少发热 控制温升 改善机床机构四 机床可靠性要求五 人机要求 5 数控机床对主传动的要求 1 数控机床要有宽的调速范围 静刚度 2 尽可能实现无级变速 3 车削中心要求主轴具有C轴的控制功能 4 加工中心要求主轴具有高精度的准停控制 5 旋转精度和运动精度 耐磨性 热变形等 6 主轴驱动 主轴驱动由主轴及主轴箱 主传动机构 速度计 还可能有一个齿轮传动机构组成 对于车床 主轴通常具有一个螺纹控制 主轴通常是皮带传动 能减小振动 7 主轴 车床主轴装有装卡装置和工件 铣床和钻床主轴装有刀具 主轴刚性尽可能的好 这样承受沉重的负载时不会发生变形 对于主轴的外形和功能 具有一系列的标准 主轴驱动 8 主轴箱 主轴箱通常由铸铁制成 承受主轴的负荷 它必须非常坚固以承受应力 必须消除摩擦热 如果缺少冷却液而使头架内的温度过高 头架将扩张 这将影响加工的精度 这种现象叫作热膨胀 主轴驱动 9 主轴 主轴驱动 10 主传动机构 机床的主传动机构通常是直流电机 DC 或交流电机 AC 主传动机构的功率能到达160HP 120KW 如果主传动机构的速率 r min 不够 则加入齿轮传动机构 通常是从2个齿轮到4个齿轮的传动 主轴驱动 11 速度计 速度计是一个测量装置 显示CNC系统当前主轴的r min值 主轴驱动 12 螺纹控制 车床的螺纹切削 主轴和丝杆必须同步 因为要同步 螺纹控制需要提供CNC系统所需的数据 主轴驱动 13 数控机床对进给运动的要求 减少运动件的磨擦阻力 丝杠和导轨结构的滚动化是减少摩擦的重要措施之一 提高传动精度和刚度 油的压缩刚度很低 必须限制油缸的最大行程 减少运动惯量 稳定性好 寿命长 低速下不产生爬行 适应外加载荷的变化而不发生共振 使用维修方便 14 传动机构 伺服传动机构通常用于机床的进给传动 辅助传动装置包括一台伺服电机和一个电子控制模块 直流和交流电机均被用于进给传动 通过一条齿形带 功率完成从进给驱动装置到滚珠丝杆的传输 进给机构 15 常见的数控机床重要部件 CNC数控系统伺服电机 16 滚珠丝杆副直线导轨副 17 滑动离合器 滑动离合器与滚珠丝杆有关 在碰撞时 减小进给驱动的损害 在任何时候滑鞍碰撞到障碍时 可以使进给驱动停止 比如 由于一个程序错误造成的障碍 2个极限开关被安装在每个滑鞍上 使CNC系统确认移动的终端 进给机构 18 滚珠丝杆 通过此装置驱动滑鞍 运动高度精确并且运动平稳 进给机构 19 滚珠丝杆原理 在丝杆和螺母上加工有弧形螺旋槽 当把它们套装在一起时形成螺旋通道 并且在滚道内填满滚珠 当丝杆相对于螺母旋转时 丝杆的旋转面经滚珠推动螺母轴向移动 同时滚珠沿螺旋滚道滚动 使丝杆和螺母的滑动摩擦转变为滚珠与丝杆 螺母之间的滚动摩擦 滚珠丝杆具有传动效率高 运动平稳 寿命高 反向时无空程死区 防止爬行以及可以预紧以消除间隙并提高系统刚度等特点 除了大型数控机床因移动距离大而采用齿条或涡轮外 各类中 小型数控机床的直线运动进给系统普遍采用滚珠丝杆 进给机构 20 滚珠丝杆的结构示意图 1 丝杆2 螺母3 滚珠4 回珠管5 反向器 外循环式 内循环式 常用的滚珠循环方式有2种 滚珠在循环过程中有时与丝杆脱离接触的称为外循环 始终与丝杆保持接触的称为内循环 进给机构 21 进给传动机构 22 进给传动机构 联轴器 减速机构 a 齿轮传动机构b 同步齿形带 23 24 25 制动装置 26 27 键连接间隙补偿机构 28 29 导轨 导轨是机床的组件 比如工作台 以直线移动 它们必须高度精确能承受小的磨损和摩擦 并且容易润滑和维修 运动通过调整导轨条的方法被调整 进给机构 30 31 数控机床的定位 数控机床根据CNC系统的命令完成相关的轴运动 控制系统因此需要感应滑板实际位置的信息 此信息通过一个位置测量系统提供 32 NC机床的定位 模拟式测量是以模拟量表示被测量 得到的测量信号是电压或电流 电压或电流的大小反映位移量的大小 它对信号处理的方法相对来说比较复杂 并且需增加滤波器等 来提高抗干扰性 数字式测量是以量化后的数字形式表示被测量 得到的测量信号通常是电脉冲形式 它将脉冲个数计数后以数字形式表示位移 具有信号处理简单 抗干扰性强等优点 33 NC机床的定位 绝对测量测量值总是参考于特定的零点 相对测量测量值总是参考于最后被测量的点 此点相当于零点 34 常用的检测元件 35 位置测量方法 相对位置测量绝对位置测量 根据刀架上测量系统的位置直接位置测量间接位置测量 36 相对位置测量 使用一个透镜量杆 它被分成非常小的距离 1 1000mm 当一个光源和一个光电元件的传感器沿着此量杆移动 脉冲被送入到光电元件 这些脉冲被计数并且提供信息作为走过距离的值 位置测量方法 37 绝对位置测量 使用一个代码量杆 能在任何时候从量杆上读取绝对位置 与机床零点有关 量杆被分成几个通道 此通道被传感器扫描 一个绝对测量系统不需要参考点的初始数值 位置测量方法 38 直接位置测量 位置测量方法 将检测装置直接安放在机床拖板上 直接测量机床坐标的直线位移量 来保证得到高的准确度 作为全闭环伺服系统的位置反馈用 缺点测量装置要和工作台行程等长 所以在大型数控机床上受到一定限制 39 间接位置测量 将检测装置 透镜盘 光源 光电元件 直接安装在驱动电动机轴上或滚珠丝杆 通过检测转动件的角位移来间接测量机床坐标的直线位移 作为半闭环伺服系统的位置反馈用 优点是测量方便可靠 无长度限制 缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差 从而影响其测量精度 位置测量方法 40 自动换刀装置 在数控加工中 一些操作是不改变工件的位置而进行的 因此需要一些不同的刀具 操作者能完成刀具的更换 但是结果是增加了设置的时间 因此应该首选自动更换刀具 对于自动更换刀具 需结合一个换刀装置 使用转塔刀架或刀库 41 刀具固定件 铣床刀具固定件末端具有一个固位销或夹紧螺栓 夹紧刀具到主轴上 车床一个圆柱刀具固定件被固定到转塔刀架上 进行使用 42 选刀及刀具识别 刀库的选刀方式顺序选刀 任意选刀刀具的识别刀具编码 刀座编码刀具的识别方法记忆方式 条形码识别 存储器识别 43 顺序选刀 刀库中的刀具位置严格按所需加工零件的加工顺序排列 加工时按顺序调刀 优点 刀库的驱动和控制简单 无需刀具识别装置 维护简单 缺点 加工不同的工件时必须重新调整刀库中的刀具顺序 操作繁琐 降低系统的柔性 加工同一工件时各工序的刀具不能重复使用 增加了刀具数量和刀库存储量 而且由于刀具的尺寸误差也容易造成加工精度的不稳定 为避免加工事故 操作人员必须在加工前仔细检查刀具的排列顺序 这种方式适合加工批量较大 工件品种数量较少的中小型自动换刀数控机床 选刀 44 任意选刀 需预先将刀库中的每把刀具 或每个刀座 进行编码 使之具有可识别的代码 因此刀具在刀库中的位置不必按照零件的加工顺序排列 换刀时 通过刀具或刀座识别装置来识别和选择所需的刀具 优点 刀库中刀具的排列顺序与加工零件的加工顺序无关 增加了系统的柔性 同一工具可供不同工件 不同工步共同使用 减少刀具数量和刀库存储量 缺点 需设置刀具识别装置 使刀库的控制与驱动复杂 需对刀具或刀座编码 增加了辅助工作量 维护比顺序选刀方式要复杂 这种方式适合于多品种小批量的随机生产 并可加工较复杂的零件 选刀 45 刀具编码 此方式对每把组装刀具都进行二进制编码 并设法把此编码信息的载体以某种方式固定在刀具上 由于各种刀具的夹头相同而几何形状和尺寸不同 为便于识别 一般都把代码信息载体固定在组装刀具的夹头上 这样刀具可随机存放在任意刀座内 但刀具夹头必须专门设计和制造 由于每把刀具都带有专用的编码 使刀具的长度加长 制造困难 刀具刚度降低 同时使得刀库和机械手的结构也变得复杂 刀具识别 46 刀座编码 此方式对刀库的每个刀座进行编码 并将此编码信息的载体以某种方式固定在各相应的刀座上便于识别的地方 此方式只识别刀座不识别刀具 因此各刀具必须 对号入座 已使用过的刀具也需放回刀库原来的刀座中 否则将发生错误和混乱 刀具识别 47 刀具的识别方法 刀具编码的识别方法有接触式和非接触式两类 前者的编码信息载体和识别装置有磨损问题 因而当前主要采用非接触式 通常应用电磁感应或光电原理实现代码的识别 此外 图像识别技术也开始用于刀具识别中 48 记忆方式 把刀具号和刀库上存刀位置 地址 对应地记忆在数控系统的计算机存储器或可编程序控制器的存储器内 刀库上安装位置检测装置 刀库上每个存刀位置 地址 都可通过位置检测装置测出 每次换刀的同时改变存储器内容 始终跟踪记忆哪号刀具放于哪个存刀位置 地址 这样刀具可任意取出并送回 而且刀具本身不必设编码元件 省去编码识别装置 使控制大为简化 刀库上还设有机械原点 使每次选刀时就近选取 如对于盘式来说 每次选刀运动或正转或反转都不会超过180 刀具识别方法 49 条形码识别 刀具编码与刀具预调工作相结合 预调时 即对刀具进行编码 并通过与预调装置相连的打印机打印出条形码表 由操作者贴到刀具上 然后将刀具投入系统 选刀时 用条形码阅读器进行精确的刀具识别 编码作业简单 但由于目前大部分机床安装刀具的操作仍然由人工完成 装错的可能性仍然存在 另外 在较脏的环境下 条形码容易从工具上脱落 刀具识别方法 50 存储器识别 在刀具上埋入一种以硅片为基本元件的刀具数据载体 用以存储刀具编码及其他特征数据 一般每个载体能够存储64个刀具特征 这种装置的优点是一旦刀具准备好 就可以用于系统中任意一台机床的任何刀位上 而不需要 对号入座 缺点是存储次数太多会降低刀具数据载体的寿命 一般在刀具数据载体的寿命期限内 可以进行一万多次存储循环 此方法可存储信息量多 使用也较方便可靠 刀具识别方法 51 自动换刀装置类型 52 回转刀架 回转刀架是一种最简单的自动换刀装置 常用于数控车床 根据不同的加工对象 它可以设计成四方刀架 六角刀架等多种形式 回转刀架可在回转轴径向和轴向安装或夹持各种不同用途的刀具 通过回转刀架的转位实现换刀 回转刀架的工位数最多可达20余个 但最常用的是8 10 12和16工位4种 自动换刀装置 53 转塔头 使用旋转刀具的数控机床采用转塔头转位更换主轴头 这种机床的主轴头就是转塔头 在转塔的各主轴头上 根据加工的工序预先安装所用刀具 转塔依次转位 就可以实现自动换刀 主轴头有卧式和立式两种 工作时只有位于加工位置的主轴头才与主运动接通 而其他处于不加工位置的主轴都与主运动脱开 转塔主轴头换刀通常只适用于工序较少 精度要求不太高的零件在数控机床上加工 自动换刀装置 54 刀库式自动换刀装置 刀库式自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成 它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀方法 刀库是用来存储加工刀具及辅助工具的地方 加工时调用所需的刀具 一个加工操作完成后调回刀具 刀库的容量首先要考虑加工工艺的需要 刀库存储刀具量在20 40把范围的居多 少于10把刀或超过60把刀的不常采用 自动换刀装置 55 刀库类型 盘式刀库链式刀库鼓轮弹仓式刀库刀库格子箱式 刀库 56 盘式刀库 结构简单 应用较多 但由于刀具环形排列 空间利用率低 因此刀具在盘中多采用双环或多环排列 以增加空间利用率 但这样做会使刀库的外径过大 转动惯量过大 选刀时间过长 因此盘式刀库一般用于刀具较少的刀库 刀具的存储量一般为15 40把 刀库 57 盘式刀库 以下刀库结构简单紧凑 取刀方便 应用广泛 刀库 58 盘式刀库 刀库 59 链式刀库 结构紧凑 刀库容量较大 链环的形状可以根据机床的布局制成各种形状 也可将换刀位突出以便于换刀 当链式刀库需要增加刀具数量时 只需增加链条的长度即可 在一定范围内 不用改变线速度和惯量 一般当刀具数量在30 120把时 多采用链式刀库 刀库 60 链式刀库 刀库 61 鼓轮弹仓式刀库 此刀库结构十分紧凑 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 为刀具呈轴向布置的多层鼓轮式刀库 刀库容量大 需径向装 取刀 刀库 62 刀库格子箱式 密集形的鼓轮弹仓式或格子式刀库 虽然占地面积小 结构紧凑 在相同的空间内可容纳的刀具数目较多 但是由于它的选刀和取刀动作复杂 现在已很少用于单机加工中心 多用于柔性制造系统 FMS 的集中供刀系统 单面格子箱式刀库 多面格子箱式刀库 刀库 63 刀具交换装置 刀具交换装置 数控机床的自动换刀装置