数控机床的机械传动结构 PPT课件

第五章数控机床的机械传动结构 内容提要本章将讨论数控机床的主运动系统 进给系统机械结构 运动传动机构以及典型部件等的功能 实现方法和安装调试方法 第五章数控机床的机械传动结构 2020 4 5 1 一 概述1 定义 功用 组成定义主运动系统 指驱动主轴运动的系统 主轴 指带动刀具和工件旋转 产生切削运动且消耗功率最大的运动轴 功用 传递动力 传递切削加工所需要的动力传递运动 传递切削加工所需要的运动运动控制 控制主运动的大小方向开停 第一节数控机床的主运动结构 第五章数控机床的机械传动结构 2020 4 5 2 组成 1 动力源 电机 2 传动系统 定比传动机构 变速装置 3 运动控制装置 离合器 制动器等 4 执行件 主轴 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 3 动力功率高由于日益增长的对高效率要求 加之刀具材料和技术的进步 大多数NC机床均要求有足够高的功率来满足高速强力切削 一般NC机床的主轴驱动功率在3 7kw 250kw之间 第一节数控机床的主运动结构 1 对主传动系统要求 2020 4 5 4 第一节数控机床的主运动结构 调速范围宽调速范围 有恒扭矩 恒功率调速范围之分 现在 数控机床的主轴的调速范围一般在 100 10000 且能无级调速 要求恒功率调速范围尽可能大 以便在尽可能低的速度下 利用其全功率 变速范围负载波动时 速度应稳定 2020 4 5 5 控制功能的多样化同步控制功能 NC车床车螺纹用 主轴准停功能 加工中心自动换刀 NC车床车螺纹用 恒线速切削功能 NC车床和NC磨床在进行端面加工时 为了保证端面加工的粗糙度要求 要求接触点处的线速度为恒值 C轴控制功能 车削中心 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 6 性能要求高电机过载能力强 要求有较长时间 1 30min 和较大倍数的过载能力在断续负载下 电机转速波动要小 速度响应要快 升降速时间要短 电机温升低 振动和噪音小 可靠性高 寿命长 维护容易 体积小 重量轻 与机床联接容易 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 7 2 主运动变速系统的参数运动参数 主运动速度有关的参数 变速范围 转速等 动力参数 电机功率 扭矩 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 8 动力参数主运动的功率N Nc kw 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 9 主运动的调速范围主轴的调速范围是指主轴变速能力 通常数控机床的都较普通机床要高 Rn 100 10000 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 10 二 主运动的配置形式和驱动电机 根据数控机床的要求 主运动系统的配置有以下四类 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 11 1 普通电机 机械变速系统 主轴部件 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 12 第一节数控机床的主运动结构 优点 能够满足各种切削运动转矩输出的要求 但变速范围不大 由于是有级变速使切削速度的选择受到限制 而且该配置的结构较复杂 所以现在仅有少数经济型数控机床采用该配置 其它已很少采用 2020 4 5 13 2 变频器 交流电机 1 2机械变速 主轴部件 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 14 第一节数控机床的主运动结构 这种配置的结构简单 安装调试方便 且在传动上能满足转速与转矩的输出要求 但其调速范围及特性相对于交 直流主轴电机系统而言要差一些 主要用于经济型或中低档数控机床上 2020 4 5 15 3 交 直主轴电机 主轴部件这种配置形式同上面一样 但电机是性能更好交直流主轴电机 其变速范围宽 最高转速可达8000r min 且控制功能丰富 可满足中高档数控机床的控制要求 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 16 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 17 4 电主轴电主轴又称内装式主轴电机 即主轴与电机转子合为一体 其优点是主轴部件结构紧凑 重量轻 惯量小 可提高启动 停止的响应特性 利于控制振动和噪声 转速高 目前最高可达200000r min 其缺点是电机运转产生的振动和热量将直接影响到主轴 因此 主轴组件的整机平衡 温度控制和冷却是内装式电机主轴的关键问题 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 18 车床用电主轴 第一节数控机床的主运动结构 铣床用电主轴 2020 4 5 19 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 20 三 主轴部件 1 概述功用 夹持工件或刀具实现切削运动 传递运动及切削加工所需要的动力 组成 主轴 支承 传动零件 装夹刀具或工件的附件及辅助零部件 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 21 要求 主轴的精度要高 包括运动精度 回转精度 轴向串动 和安装刀具或夹持工件的夹具的定位精度 轴向 径向 部件的结构刚度和抗振性好 较低的运转温升以及较好的热稳定性 部件的耐磨性和精度保持性好 自动可靠的装夹刀具或工件 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 22 对数控机床除上述要求外 还应有 在机械结构方面 刀具的自动夹紧装置主轴的准停装置主轴孔的清理装置等 三 主轴部件 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 23 主轴部件的结构主轴端部的结构形式端部用于安装刀具或夹持工件的夹具 因此 要保证刀具或夹具定位 轴向 定心 准确 装夹可靠 牢固 而且装卸方便 目前 主轴的端部形状已标准化 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 24 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 25 主轴部件的支承作用 支承主轴 承受作用在主轴上的各种作用力 传动力 切削抗力等 要求 转速 精度和相应的承载能力 即有足够的轴向和径向刚度 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 26 主轴部件常用轴承的类型和精度等级类型 滚动轴承 滑动轴承 动压 静压 空气静压轴承 陶瓷轴承 磁悬浮轴承精度等级E 高级 D 精密级 C 特精级 B 超精级 普通精度的机床 前支承用C D 后支承用D E级 前支承比后支承高一个精度等级 精度较高的机床 前后支承均用B级精度 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 27 第一节数控机床的主运动结构 滚动轴承 2020 4 5 28 第一节数控机床的主运动结构 动压轴承 2020 4 5 29 第一节数控机床的主运动结构 静压轴承 2020 4 5 30 第一节数控机床的主运动结构 空气轴承 2020 4 5 31 第一节数控机床的主运动结构 磁力 磁悬浮 轴承 2020 4 5 32 主轴轴承的配置对主轴支承的基本要求是 A 前后支承都应有承受径向载荷的轴承 支承方式 两支承 三支承等 B 要有承受双向轴向载荷式的推动轴承 定位方式 前端定位 后端定位 两端定位 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 33 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 34 主轴滚动轴承的预紧预紧 是对轴承轴向和径向间隙进行调整 并使轴承滚道预先承受一定的载荷 作用 a 消除间隙b 提高轴承的接触刚度 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 35 方法 径向间隙的消除方法 在锥面上轴向移动 薄壁胀大 径向间隙消除 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 36 内外圈相对移动 错位 消除径向和轴向间隙 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 37 防松 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 38 数控机床的典型主轴部件 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 39 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 40 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 41 第一节数控机床的主运动结构 2020 4 5 42 第二节进给系统的机械传动结构 第六章数控机床的机械传动结构 一 概述1 进给系统的功用协助完成加工表面的成形运动 传递所需的运动及动力 2 进给系统机械部分的组成传动机构 运动变换机构 导向机构 执行件 工作台 传动机构 齿轮传动 同步带传动运动变换 丝杠螺母副 蜗杆齿条副 齿轮齿条副等导向机构 导轨 滑动导轨 滚动导轨 静压导轨 2020 4 5 43 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 44 3 主要要求1 减小摩擦力采用摩擦力及动静摩擦力差值较小的传动件及导轨 2 提高传动精度和刚度消除传动间隙 增加传动系统刚度 3 减小运动惯量快速响应 减小运动部件质量 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 45 1 功用 扭矩匹配惯量匹配脉冲当量匹配降速 二 齿轮传动 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 46 2 消除传动间隙作用 消除反向间隙 提高传动精度方法 使啮合状态轮齿的两侧均处于接触状态 实现 偏心轴调整 轴向垫片调整 刚性 轴向压簧调整 周向压簧调整 柔性 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 47 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 48 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 49 由于伺服电机性能的提高 目前许多场合都采用伺服电机与丝杠直接相联 第二节进给系统的机械传动结构 三 联轴节 2020 4 5 50 弹性联轴节 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 51 四 丝杠螺母副功用 将旋转运动变换成直线运动分类 滑动丝杠螺母副 旧机床数控化改造 经济型 滚珠丝杠螺母副 广泛采用 普及型 高档型 静压丝杠螺母副 用于高精度数控机床 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 52 1 滚珠丝杠螺母副概述工作原理 丝杆 螺母 旋转 滚珠在封闭滚道内沿滚道滚动 迫使螺母 丝杆 轴向移动 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 53 滚珠循环方式外循环滚珠在循环过程中回珠时与丝杠脱离接触的结构 采用弧形铜管形成滚珠返回通道 由弯管的端部引导滚珠 其工作圈数是2 5圈或3 5圈 1 2列 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 54 内循环滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触的结构 采用圆柱凸键反向器实现滚珠循环 反向器嵌入螺母内工作圈数是3列 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 55 比较外循环方式制造工艺简单 应用广泛 但螺母径向尺寸较大 因用弯管端部作挡珠器 易磨损 噪音较大 内循环螺母结构紧凑 定位可靠 刚性好 不易磨损 反回滚道短 不易发生滚珠堵塞 摩擦损失小 缺点是结构复杂 制造较困难 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 56 特点 传动效率高 0 90到0 96传动精度高 可消除间隙摩擦阻力小 静摩擦阻力及动静摩擦阻力差值小不能自锁 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 57 滚珠丝杠螺母副的选用原则 机床精度 选用滚珠丝杠精度 机床载荷 选定丝杠尺寸参数 验算 扭转刚度 压曲刚度 临界转速与工作寿命 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 58 精度等级选择滚珠丝杠的精度对数控机床的定位精度有直接影响 主要精度指标 螺距 导程 误差 累积误差 300mm 普通数控机床选用D级 精密数控机床选用C级 滚珠丝杠的热变形对数控机床定位精度的影响也不容忽视 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 59 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 60 长度L L 工作行程 螺母长度 5 10 名义直径D0 D0 丝杠承载能力和刚度越大 通常大于L 30 L 35 螺距t t小 螺旋升角小 摩擦力矩小 分辨率高 但传动效率低 承载能力低 应折中考虑 滚珠直径d0 d0越大 承载能力越高 尽量取大值 一般取d0 0 6t 滚珠的工作圈数 列数和工作滚珠总数对丝杠工作特性影响较大 第二节进给系统的机械传动结构 确定尺寸参数 2020 4 5 61 验算刚度验算 在额定轴向 扭转 载荷作用下 进给轴的失动量 丝杠属细长杆 受扭矩会引起的扭转变形 产生 吃掉 输入的现象 失动量 失动量的计算 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 62 临界转速nc滚珠丝杠的最高转速是指数控机床快移时的转速nmax 该转速不能超过临界转速nc 从自振频率角度校核的临界转速ncnc 要求 nmax 0 8nc 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 63 图5 16 a 1 875 图5 16 b 3 972 图5 16 c 4 730 1 875 3 972 4 730 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 64 寿命验算 允许回转圈数 计算寿命 滚珠丝杠副的寿命 主要是指疲劳寿命 考核 不发生疲劳剥落情况下运转的最长时间 长度 允许转数L r 额定寿命 时间寿命Lt h 长度寿命Ls km 要求 Lt 20000 h 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 65 滚珠丝杠螺母副的支承形式一端装止推轴承 另一端自由 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 66 一端装止推轴承 另一端装向心球轴承 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 67 两端装双止推轴承 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 68 两端装单止推轴承 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 69 滚珠丝杠螺母副的制动为何要制动 传动效率高但不能自锁 用在垂直传动或高速大惯量场合时需要制动装置 制动方法 制动丝杆 制动伺服电机轴 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 70 工作时 高压油进入油缸17上腔 17下移压缩弹簧18 16下移 15和16之间分开间隙达到0 1 0 3mm 滚珠丝杠便能自由转动 在停机或断电时 17的上腔无高压油 在18作用下 15 16接触 滚珠丝杠5即被制动而不能自由旋转 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 71 工作时 在线圈7作用下 使齿轮8与内齿轮9脱开 弹簧受压缩 当停机或停电时 7失电 在弹簧恢复力作用下 齿轮8 9啮合 齿轮9与电机端盖为一体 故与电机轴联接的丝杠得到制动 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 72 第二节进给系统的机械传动结构 滚珠丝杠螺母副的安装一般要求 滚珠丝杠螺母副相对工作台不能有轴向窜动 螺母座孔中心应与丝杠安装轴线同心 滚珠丝杠螺母副中心线应平行于相应的导轨能方便地进行间隙调整或预紧 2020 4 5 74 滚珠丝杠螺母副的预紧目的 消除运动间隙 提高运动精度及传动刚度 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 75 方式垫片法 结构简单 刚性好 调整较麻烦 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 76 螺纹法 结构较复杂 刚性较好 调整方便 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 77 齿差法 结构复杂 刚性好 能精确控制预紧量 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 78 丝杠的预拉伸 作用 提高传动刚度 补偿热膨胀变形 方法 制造时 目标行程 公称行程 预拉伸量 安装后 拉伸使其恢复公称行程值 传动刚度提高 工作时 发热膨胀量抵消部分预拉伸量 丝杠拉应力下降 长度没有变化 精度可得到保证 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 79 第二节进给系统的机械传动结构 2020 4 5 80 第三节回转工作台和导轨 定义 实现周向进给和分度运动工作台分类 分度工作台 实现工作台的定角度回转运动 即分度 转位和定位工作 数控回转工作台 除了分度和转位的功能之外 还能实现数控圆周进给运动 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 81 一 分度工作台 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 82 第三节回转工作台和导轨 工作原理 按照控制系统的指令自动地进行 每次转位回转一定的角度 如 1 5 10 15 30 45 90 180 分类 按定位元件分插销定位 反靠定位 齿盘定位 钢球定位 2020 4 5 83 齿盘定位分度工作台特点分度定位精度高 一般为 3 最高可达 0 4 能承受能力强定位刚度高 精度保持性好 由于齿盘啮合 脱开相当于两齿盘对研过程 因此 随着齿盘使用时间的延续 其定位精度还有不断提高的趋势 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 84 结构定位机构导向与支承传动机构消除间隙 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 85 工作过程定位夹紧机构松开 工作台抬起 完成分度准备工作 工作台进行分度回转运动 接近目标位置时电机减速 停机实现粗定位 工作台下降 上 下齿盘重新啮合 实现精定位 完成定位夹紧 2020 4 5 86 第三节回转工作台和导轨 准停时位置偏差补偿装置 2020 4 5 87 二 数控回转工作台 1 概述工作原理 实现圆周进给运动的工作台 数控回转工作台 数控转台 功能 除了可以实现圆周进给运动之外 还可以完成分度运动 分类 开环 闭环 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 88 第三节回转工作台和导轨 开环数控转台导向与支承传动机构分辨率 消除间隙夹紧机构 2020 4 5 89 第三节回转工作台和导轨 闭环数控转台 2020 4 5 90 三 双导程蜗杆传动 为什么要用双导程蜗杆消除蜗杆传动间隙 提高传动精度在数控机床中分度工作台 数控转台都广泛采用蜗杆 蜗轮传动 蜗轮副的啮合侧隙对其分度定位精度影响最大避免切削过程中的振动避免传动机构因承受脉动载荷 如断续铣削 而引起扭转振动 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 91 结构特点左 右侧齿距 t左 t右 模数 m左 m右 不同 同侧齿距 模数相等 中间齿距t中相等蜗杆齿厚连续变化 即从左到右齿厚渐厚 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 92 消除传动间隙原理任意两相邻齿 沿同一轴向截面上 从左到右齿厚渐厚 当蜗杆向左移动时 啮合侧隙将会逐渐减小 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 93 调整实例实例一 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 94 实例二 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 95 四 导轨 概述导轨的作用导向 直线运动 直线导轨 圆运动 轴承支承 承载数控机床常用导轨形式塑料导轨 滑动摩擦滚动导轨 滚动摩擦静压导轨 液体摩擦 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 96 对导轨的基本要求一定的导向精度 良好的摩擦特性 摩擦系数小 较高的灵敏度 动静摩擦系数之差小 低速平稳性好 阻尼特性好 高速时不振动 足够的刚度和强度 良好的精度保持性 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 97 塑料导轨什么是塑料导轨金属对塑料型式的滑动导轨 在短导轨面上附有一层塑料 长导轨面仍为淬火磨削面 分类 贴塑导轨 聚四氟乙烯软带 涂塑导轨 环氧树脂 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 98 塑料导轨的特点摩擦系数较小 0 04 0 06动静摩擦系数之差小 且摩擦系数曲线具有上扬特性刚度高 承载能力强加工工艺简单价格低应用数控化改造机床 重型数控机床 最高速度 Fmax 30m min 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 99 3 滚动导轨工作原理 在导轨工作面之间安排滚动体 将滑动摩擦替换为滚动摩擦 结构形式及组成 滚动导轨块直线滚动导轨 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 100 特点 摩擦系数小 动静摩擦系数差值小 灵敏度高移动精度和定位精度高精度保持性好已成为标准件抗振性较差 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 101 滚动导轨块 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 102 滚动导轨组件结构 形式 直线滚动导轨 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 103 弧形滚动导轨 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 104 圆柱滚动导轨 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 105 两维直线滚动导轨 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 106 直线滚动导轨单元 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 107 组成结构 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 108 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 109 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 110 安装组合形式标准组合 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 111 倒装组合 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 112 侧装组合之一 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 113 侧装组合之二 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 114 混装组合 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 115 安装步骤 清洁 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 116 贴紧基准 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 117 装入螺钉 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 118 安装工作台 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 119 预紧调整螺钉 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 120 塞块 用于高精度 高刚度的场合 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 121 偏心插销 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 122 导轨防护 第三节回转工作台和导轨 2020 4 5 123 一 概述概念 数控机床的布局是指机床机械结构部件相对安装位置的总体方案 第四节数控机床的布局 第五章数控机床的机械传动结构 2020 4 5 124 数控机床机械结构机床基础件 床身 底座 立柱 横梁 工作台主运动系统 主轴 进给传动系统辅助功能部件 气动 润滑 冷却 排屑 防护等刀架或自动换刀装置 ATC 自动托盘交换装置 A