数控机床结构与维修 PPT课件

授课人 李恪方 数控机床结构与维修 1 模块一数控机床的工作原理及结构模块二安装调试与检测数控机床模块三调试与维修数控机床的数控系统模块四维修数控机床 2 模块一数控机床的工作原理及结构 学习目标 熟悉数控机床的组成和特点熟悉数控车床的结构特点熟悉数控铣床和加工中心的结构特点掌握数控机床的装拆方法 3 课题一认识数控机床 4 什么是数控机床 用计算机以数字指令方式控制的机床 数字化代码 逻辑处理与运算 发出控制指令 机械动作 自动完成加工任 5 一 数控机床的种类 1 按工艺用途分类数控钻床 数控铣床 数控镗床 数控磨床 数控车床 数控此轮加工机床 数控雕刻机等 2 按运动方式分类a 点位控制 点到点的定位 b 二维轮廓控制 直线运动 c 三维轮廓控制 坐标联动 6 3 按控制方式分类 开环控制系统半闭环控制系统闭环控制系统 7 三种控制方式的区别 开环控制系统 无检测装置 精度取决于伺服系统的性能 半闭环控制系统 位置检测装置不控制最终运动部件 精度取决于机械传动部件的精度 闭环伺服系统 位置检测装置安装在最终运动部件 具有很高的位置控制精度 8 二 数控机床的组成和特点 数控机床的组成输入输出设备 数控装置 主轴和进给伺服单元及检测装置 伺服系统和反馈装置 辅助控制装置 机床本体等 9 数控机床各部分的组成和特点 信息输入或输出 数据的输入 输出数控装置 数据编译 运算和处理 输出各种信息和指令 核心 伺服驱动及检测装置 测量执行元件的位移速度和位移量 反馈信号并补偿误差 机床本体 机械结构件 辅助控制机构 进给传动机构 辅助机构的指令信号接收和执行 10 2 数控机床的特点 加工精度高具有复杂形状加工能力加工生产效率搞 具有良好的经济效益高柔性自动化程度高 减轻劳动强度便于生产管理现代化 11 小结 数控机床的种类数控机床的组成和特点 12 拓展训练 高速 高精度化高可靠性数控系统的智能化网络化柔性制造系统计算机集成制造系统开放性数控系统 13 课题二数控机床的工作原理和工作过程及主要技术指标 14 一 数控机床的工作原理和工作过程 数控机床的工作过程 图样分析 拟定工艺方案 确定工艺过程 工艺参数和道具位移数据 用规定代码和格式编程程序输入加工 15 数控机床的工作原理 译码 运算 发出信号 数控系统信号放大 发出运动指令 伺服系统执行运动 实现切削加工 执行元件 16 二 数控机床的主要技术参数 主要规格尺寸指标主轴系统指标进给系统指标刀具系统指标数控机床的精度指标数控机床的可靠性指标其他指标 17 小结 数控机床的工作过程数控机床的工作原理 18 课题三熟悉数控车床的结构 19 一 数控车床的分类 组成及布局形式 数控车床 即用计算机数字控制的车床 主要用于对各种形状不同的轴类或盘类回转表面进行车削加工 在数控车床上可以进行钻中心孔 车内外圆 车端面 钻孔 镗孔 铰孔 切槽 车螺纹 滚花 车锥面 车成形面 攻螺纹以及高精度的曲面及端面螺纹等的加工 数控车床上所使用的刀具有车刀 钻头 绞刀 镗刀 螺纹刀具等孔加工刀具 20 1 数控车床的分类 1 按数控系统的功能分类 经济型数控车床经济型数控车床采用开环伺服系统 结构简单 价格低廉 无刀尖圆弧半径自动补偿和恒线速切削等功能 如图1 7所示 21 全功能型数控车床 全功能型数控车床 采用闭环或半闭环控制系统 可以进行多个坐标轴的控制 具有高刚度 高精度和高效率等特点 如图1 8所示 22 车削中心 车削中心的主体是全功能型数控车床 并配置刀库 换刀装置 分度装置 铣削动力头 机械手等 可实现多工序的车 铣复合加工 在工件一次装夹后 它可完成对回转体类零件的车 铣 钻 铰 攻螺纹等多种加工工序 其功能全面 加工质量和速度都很高 但价格也较贵 如图1 9所示 23 24 FMC车床 FMC FlexibleManufacturingCell 车床实际上是一个由数控车床 机器人等构成的柔性加工单元 它能实现工件搬运 装卸的自动化和加工调整准备的自动化 如图1 10所示 25 26 2 按主轴的配置形式分类 卧式数控车床 即主轴轴线处于水平位置的数控车床 如图1 7和图1 8所示 立式数控车床 即主轴轴线处于垂直位置的数控车床 如图1 11所示 此外 还有双轴卧式数控车床或双轴立式数控车床 如图1 12所示 27 图1 11立式数控车床 28 图1 12双主轴车床 29 3 按数控系统控制的轴数分类 两轴控制的数控车床 机床上只有一个回转刀架 可实现两坐标轴控制 四轴控制的数控车床 机床上有两个独立的回转刀架 可实现四轴控制 30 4 其他分类方法 按加工零件的基本类型分为卡盘式数控车床 顶尖式数控车床 按数控系统的不同控制方式分为直线控制数控车床 轮廓控制数控车床等 按性能可分为多主轴车床 双主轴车床 纵切式车床 刀塔式车床 排刀式车床等 31 2 数控车床的组成 1 主机主机是数控车床的机械部件 主要包括床身 主轴箱 刀架 尾座 进给传动机构等 2 数控系统数控系统是数控车床的控制核心 其主体是一台计算机 包括CPU 存储器 CRT等 32 3 伺服驱动系统伺服驱动系统是数控车床切削工作的动力部分 主要实现主运动和进给运动 由伺服驱动电路和伺服驱动装置两大部分组成 驱动装置主要有主轴电动机 进给系统的步进电动机或交 直流伺服电动机等 4 辅助装置 辅助装置是数控车床中一些为加工服务的配套部分 如液压 气动装置 冷却 照明 润滑 防护 排屑装置等 33 总体看数控车床其结构由床身 主轴箱 刀架 进给传动系统 液压 冷却 润滑系统等部分组成 数控车床采用伺服电动机 步进电动机 经滚珠丝杠传到滑板和刀架 以连续控制刀具实现纵向 Z向 和横向 X向 进给运动 数控车床主轴安装有脉冲编码器 主轴的运动通过同步齿形带1 1的传到脉冲编码器 34 3 数控车床的布局形式 1 床身和导轨的布局 数控车床的床身导轨与水平面的相对位置有多种形式 如图1 13所示 它有4种布局形式 图1 13 a 所示为水平床身 图1 13 b 所示为斜床身 图1 13 c 所示为平床身斜滑板 图1 13 d 所示为立床身 35 图1 13数控车床布局 36 水平床身配置水平滑板 其工艺性能好 便于导轨面的加工 斜床身配置斜滑板 这种结构的导轨倾斜角度多采用30 45 60 75 和90 倾斜角度小 排屑不便 倾斜角度大 导轨的导向性及受力情况差 平床身斜滑板配置倾斜放置的滑板 通常配置有倾斜式的导轨防护罩 一方面具有水平床身工艺性好的特点 另一方面机床宽度方向的尺寸较水平配置滑板的要小 且排屑方便 一般被中小型数控车床所普遍采用 立床身配置90 的滑板 即导轨倾斜角度为90 的滑板结构称为立床身 37 2 刀架的布局刀架作为数控车床的重要部件 安装各种切削加工工具 其结构和布局形式对机床整体布局及工作性能影响很大 图1 14转塔式刀架 数控车床的刀架分为转塔式和排刀式刀架两大类 转塔式刀架是普遍采用的刀架形式 它通过转塔头的旋转 分度 定位来实现机床的自动换刀工作 两种形式 一种主要用于加工盘类零件 其回转轴线垂直于主轴 另一种主要用于加工轴类零件 其回转轴与主轴平行 两坐标连续控制的数控车床 一般采用6 12工位转塔式刀架 如图1 14所示 排刀式刀架主要用于小型数控车床 适用于短轴或套类零件加工 如图1 15所示 38 图1 14转塔式刀架图 39 图1 15排刀式刀架 40 四坐标轴控制的数控车床 床身上安装有两个独立的滑板和回转刀架 称为双刀架四坐标数控车床 其上每个刀架的切削进给量是分别控制的 因此 两刀架可以同时切削同一工件的不同部位 既扩大了加工范围 又提高了加工效率 适合于加工曲轴 飞机零件等形状复杂 批量较大的零件 41 二 数控车床的结构 一 数控车床的主传动系统具备性能 主传动系统应具有较大的调速范围 较高的精度与刚度 并尽可能降低噪声与热变形 从而获得最佳的生产率 加工精度和表面质量 组成 数控车床的主运动是主轴带动工件的旋转运动 是通过主轴电动机拖动的 数控车床的主传动系统包括主轴电动机 传动系统 主轴组件等 42 1 数控车床对主传动系统的要求 1 调速范围宽 并实现无级调速 2 高精度与刚度 低噪声 3 动态响应性好 4 功率大 5 旋转轴联动功能 6 恒线速度切削功能 43 2 数控车床主传动系统的特点 1 较高的主轴转速和较宽的调速范围并实现无级调速 2 较高的精度和较大的刚度 3 良好的抗振性和热稳定性 44 3 数控车床主传动系统类型 1 经过一级变速的主传动 图1 16 a 所示原理 一级变速目前多用V带或同步带来完成 电动机与主轴通过同步齿带传动 不用齿轮传动 可以避免齿轮传动引起的振动和噪声 适用范围 适用于高速 低转矩特性要求的主轴 45 如图1 16 b 所示原理 通过少数几对齿轮降速 使之成为分段无级变速 增大输出转矩 以满足主轴低速时对输出转矩特性的要求 滑移齿轮的移动大都采用液压缸加拨叉 或直接由液压缸带动齿轮来实现 带有变速齿轮的主传动一般在大 中型数控车床中应用较多 适用范围 大 中型数控车床 2 带有变速齿轮的主传动 46 如图1 16 b 所示原理 通过少数几对齿轮降速 使之成为分段无级变速 增大输出转矩 以满足主轴低速时对输出转矩特性的要求 滑移齿轮的移动大都采用液压缸加拨叉 或直接由液压缸带动齿轮来实现 带有变速齿轮的主传动一般在大 中型数控车床中应用较多 适用范围 大 中型数控车床 2 带有变速齿轮的主传动 47 如图1 16 b 所示原理 通过少数几对齿轮降速 使之成为分段无级变速 增大输出转矩 以满足主轴低速时对输出转矩特性的要求 滑移齿轮的移动大都采用液压缸加拨叉 或直接由液压缸带动齿轮来实现 带有变速齿轮的主传动一般在大 中型数控车床中应用较多 适用范围 大 中型数控车床 2 带有变速齿轮的主传动 48 3 电动机与主轴直联的主传动 如图1 16 c 所示原理 电动机与主轴直联传动 适用范围 不常用 这种传动方式的优点是结构紧凑 但主轴转速的变化及转矩的输出和电动机的输出特性不一致 因而使用上受到一定限制 49 4 电主轴 如图1 17所示原理 数控车床电主轴就是主轴箱和电动机融为一体 电动机转子就是主轴 适用范围 作为现代机电一体化的功能部件 安装在高速数控车床上特点 制造维护困难 承载小 发热大 主轴容易变形 50 图1 17电主轴结构原理图 51 4 主传动的机械结构 主传动的机械结构主要是主轴部件 主轴部件作为数控机床的一个关键部件 它包括主轴 主轴的支承 安装在主轴上的传动件和密封件等 52 1 主轴端部的结构形状 要求 主轴端部用于安装夹持工件的夹具 在设计要求上 应能保证定位准确 安装可靠 连接牢固 装卸方便 并能传递足够的转矩 主轴端部已经标准化 如图1 18所示为数控车床上通用的结构形式 结构 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卡住 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 53 图1 18主轴部件的通用结构形式 54 2 主轴部件的支承 目前数控车床的主轴轴承配置有3种形式 如图1 19所示 a 如图1 19 a 所示 前支承采用双列圆柱滚子轴承和60 角接触双列向心推力球轴承 后支承采用成对向心推力球轴承 此种结构普遍应用于各种数控车床 其综合刚度高 可以满足强力切削的要求 55 b 如图1 19 b 所示 前支承采用双列 或三列 高精度角接触球轴承 后支承采用单列 或双列 角接触球轴承 这种配置具有良好的高速性能 但它的承载能力较小 适用于高速轻载和精密的车床主轴部件 c 如图1 19 c 所示 前支承为双列圆锥滚子轴承 后支承为单列圆锥滚子轴承 其径向和轴向刚度高 能承受重载荷 安装与调整性能好 但限制了主轴的转速和精度的提高 适用于中等精度 低速与重载荷的数控车床主轴 56 图1 19主轴支承方式 57 装配主轴轴承 采用选配定向法进行装配可提高主轴部件的精度 并且尽可能使主轴支承孔与主轴轴颈的偏心量和轴承内圈与滚道的偏心量接近 并使其方向相反 在维修机床拆装主轴轴承时 因原生产厂家已调整好轴承的偏心位置 所以要在拆卸前做好轴向位置记号 主轴滚动轴承的预紧 所谓轴承的预紧 是使轴承滚道预先承受一定的载荷 消除间隙并使得滚动体与滚道之间发生一定的变形 增大接触面积 轴承受力时变形减小 抵抗变形的能力增大 58 将滚动轴承进行适当预紧 使滚动体与内外圈滚道在接触处产生预变形 使受载后承载的滚动体数量增多 受力趋向均匀 从而提高承载能力及刚度和抗振性 有利于减少主轴回转轴线的漂移 提高主轴部件的回转精度 若过盈量太大 轴承磨损加剧 承载能力将显著下降 主轴组件必须具备轴承间隙的调整结构 机床主轴部件在装配时对轴承进行预紧 使用一段时间以后 间隙或过盈有了变化 还得重新调整 所以要求预紧结构应便于调整 滚动轴承间隙的调整或预紧 通常是使轴承内 外圈相对轴向移动来实现 常用的方法有以下几种 59 a 轴承内圈移动 如图1 20所示 这种方法适用于锥孔双列圆柱滚子轴承 用螺母通过套筒推动内圈在锥形轴颈上做轴向移动 使内圈变形涨大 在滚道上产生过盈 从而达到预紧的目的 如图1 14 a 所示 结构简单 但预紧量不易控制 常用于轻载机床主轴部件 如图1 20 b 所示 用右端螺母限制内圈的移动量 易于控制预紧量 如图1 20 c 所示 在主轴凸缘上均匀分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 60 图1 20滚动轴承的预紧 61 如图1 20 d 所示 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 b 修磨座圈或隔套 如图1 21 a 所示为轴承外围宽边相对 背对背 安装 这时修磨轴承内圈的内侧 图1 21 b 所示为外围窄边相对 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 62 图1 21修磨轴承座圈 63 使两个修磨过的端面贴紧 这样使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1 22 a b 所示 3 主轴部件结构 机床主轴部件的结构根据不同的机床有较大的差别 图1 23和图1 24所示为两种卧式车床的主轴部件结构示意图 在图1 23中 主轴和电动机间采用的是皮带联结的定传动比传动方式 图1 24所示为采用了电主轴 64 图1 22隔套的应用 65 图1 23车床主轴部件图 66 图1 23所示的主轴部件的最大特点是 传动件 轴承 挡圈等均采用先进的热套工艺进行安装和调整 因而主轴上无键槽和螺纹 既增强了主轴的刚度 又最大限度地降低了主轴的不平衡量 主轴采用双支承方式 前支承采用了成组角接触球轴承 后支承为双列圆柱滚子轴承 前端的3个角接触轴承中 前两个轴承的大端向主轴前端 另一个轴承的大端向主轴后端 前支承可以同时承受径向和轴向力 向左的轴向力由主轴前端 通过轴承17 轴承13 挡圈11 轴承10的外圈传到箱体上 67 向右的轴向力由热调整套8 挡圈9 轴承10的内圈 球 外圈 挡圈1l 轴承13和轴承17的外圈 联接盘14 螺钉15传到箱体上 当轴承间隙过大时 需卸下主轴部件 通过修磨2个挡圈11和12 调整热调整套的轴向位置进行 热调整套的内孔与主轴外圆以一很小锥度配合 以便调整 后支承为双列圆柱滚子轴承 其调整可通过热套工艺 调整带轮联接盘2的轴向位置和修磨挡圈7来实现 68 图1 24所示为内装电主轴的主轴部件结构 电主轴主要由空心转子1 带绕组的定子2和位置检测器 图中未示出 三部分组成 由于主轴4与电动机合为一体 电动机的转子轴就是主轴本身 电动机定子与主轴箱体连接 所以 主轴传动不仅结构简单 而且降低了噪声和共振 主轴部件经过严格的动平衡 故可以在高速下运行 为了防止主轴高速运转时的发热 主轴轴承 电主轴均通入冷却水进行强制冷却 主轴前端结构与图1 23相同 69 图1 24内装电主轴的主轴部件结构 70 4 主轴的同步运行功能 脉冲编码器与同步运转的功能 数控车床的进给系统是直接用伺服电动机通过滚珠丝杠来驱动溜板和刀架实现进给运动 数控车床上能加工各种螺纹 这是因为安装了与主轴同步运转的脉冲编码器 以便发出检测脉冲信号 使主轴电动机的旋转与切削进给同步 从而实现螺纹的切削 71 主轴脉冲编码器的安装方式与作用 a 主轴脉冲编码器的安装方式 一种是主轴脉冲编码器可通过一对齿轮或同步齿形带与主轴联系起来 由于主轴要求与编码器同步旋转 所以此连接必须做到无间隙 图1 25所示MJ 50型数控车床主轴箱结构简图中 与主轴同轴的同步带16 通过同步带2和同步带轮3把主轴的旋转与脉冲编码器4联系起来 另一种方法是通过中间轴上的齿轮1 1地同步传动 72 b 主轴脉冲编码器的作用 在主轴与进给轴关联控制中都要使用脉冲编码器 它是精密数字控制与伺服控制设备中常用的角位移数字化检测器件 具有精度高 结构简单 工作可靠等优点 增量式编码器一般可输出两个相位相差90 的A B信号和一个零位C信号 如图1 26所示 其中A B信号既可以用来计算角位移的大小 同时利用它们相位超前 73 或滞后的相对关系还可以辨别旋转方向 例如A信号超前B信号表示正转的话 那么 B信号超前A信号就表示反转 脉冲编码器中的透光盘内圈的一条刻线与光挡上条纹C重合时输出的脉冲数为同步 起步 又称零位 脉冲 C信号是每转一周发出一个脉冲 可以当作一周的零位信号 为A信号或B信号提供了计数的基准 例如 加工螺纹时可利用这个零位脉冲作为同步信号 74 图1 25MJ 50型数控车床主轴箱结构简图 75 图1 26增量式编码器输出的A B信号和零位C信号 主轴转动与进给运动联系的同步运行 数控机床主轴的转动与进给运动之间 没有机械方面的直接联系 在数控车床上加工圆柱螺纹时 要求主轴的转速与刀具的轴向进给保持一定的协调关系 无论该螺纹是等距螺纹还是变距螺纹都是如此 为此 通常在主轴上安装脉冲编码器来检测主轴的转角 相位 零位等信号 76 在主轴旋转过程中 与其相连的脉冲编码器不断发出脉冲 由A B相检测到的脉冲 送给数控装置 控制插补速度 根据插补计算结果 控制进给坐标轴伺服系统 使进给量与主轴转速保持所需的比例关系 实现主轴转动与进给运动相联系的同步运行 从而车出所需的螺纹 通过改变主轴的旋转方向可以加工出左螺纹或右螺纹 而主轴方向是通过脉冲编码器发出正交的A相和B相脉冲信号相位的先后顺序判别出来的 77 图1 26增量式编码器输出的A B信号和零位C信号 78 二 数控车床的进给系统 数控机床的进给传动系统常用伺服进给系统来工作 伺服进给系统的作用是根据数控系统传来的指令信息 进给放大以后控制执行部件的运动 不仅控制进给运动的速度 同时还要精确控制刀具相对于工件的移动位置和轨迹 因此 数控机床进给系统 尤其是轮廓控制系统 必须对进给运动的位置和运动的速度两个方面同时实现自动控制 一个典型的数控机床闭环控制的进给系统 通常由位置比较 放大元件 驱动单元 79 机械传动装置和检测反馈元件等部分组成 而其中的机械传动装置是控制环中的一个重要环节 机械传动装置 是指将驱动源 即电动机 的旋转运动变为工作台或刀架直线运动的整个机械传动链 包括齿轮传动副 滚珠丝杠螺母副 减速装置和蜗杆蜗轮等中间传动机构 如图1 27所示 由于滚珠丝杠 伺服电机及其控制单元性能的提高 很多数控机床的进给系统中已去掉减速机构而直接用伺服电机与滚珠丝杠联结 因而整个系统结构简单 减少了产生误差的环节 80 图1 27数控机床进给系统机械部分的基本组成 81 1 对数控车床进给传动系统的要求 数控机床进给传动系统承担了数控机床各直线坐标轴 回转坐标轴的定位和切削进给 进给系统的传动精度 灵敏度和稳定性直接影响被加工件的最后轮廓精度和加工精度 为了保证数控机床进给传动系统的定位精度和动态性能 对数控机床进给传动系统的要求主要有如下几个方面 1 低惯量 2 低摩擦阻力 3 高刚度 4 高谐振 5 无传动间隙 82 2 熟悉数控车床进给传动系统的基本型式 数控车床进给驱动机构 目前有下述几种常见连接形式 电动机与滚珠丝杠直连 目前广泛用于各类数控机床 如图1 28所示 电动机与同步带轮相连接 同步带轮连接滚珠丝杠 应用在早期数控机床上 如图1 29所示 83 图1 28电动机与滚珠丝杠直连图1 29电动机与同步带轮相连接 同步带轮连接滚珠丝杠 84 3 数控车床进给传动系统的组成构件 1 联轴器所谓联轴器就是用来连接不同机构中的两根轴 主动轴和被动轴 使之共同旋转以传递扭矩的机械零件 联轴器又可分为刚性的和弹性的 刚性的联轴器又可分为固定式 套筒联轴器 凸缘联轴器等 和可移式 齿轮联轴器 十字滑块联轴器 万向联轴器等 85 刚性联轴器的特点 刚性联轴器不具有补偿被联两轴线相对偏移的能力 也不具有缓冲减振性能 但结构简单 价格便宜 只有在载荷平稳 转速稳定 能保证被联轴线相对偏移极小的情况下 才可选用刚性联轴器 弹性联轴器的特点 有很好的缓冲性 减振性 承载力适中 更重要的是弹性联轴器能够允许主动轴和被动轴之间存在一定的安装误差 86 弹性联轴器根据结构不同分为以下几种 波纹管式联轴器 如图1 30 a 所示 其特点 具有超强纠偏性 顺 逆时针回转特性完全相同 可耐高温 免维护 适用于小扭矩传动时 零回转间隙 梅花连轴器 如图1 30 b 所示 其特点 工作稳定可靠 具有良好的减振 缓冲性能 具有较大的轴向 径向和角向补偿能力 高强度聚氨酯弹性元件耐磨耐油 承载能力大 使用寿命长 适用于中等扭矩传动时的连接 87 膜片连轴器 如图1 30 c 所示 其特点 承载能力大 适用范围广 传递扭矩范围可达30 8100000N m 使用寿命长 工作温度范围大 最高可达 280 可在腐蚀介质中工作 结构简单 易于加工制造 没有磨损件 不需润滑 易于维修 振动小 无噪声 靠膜片的弹性变形来补偿所联两轴的相对位移 其适用于中等以上扭矩传动时 传动精度高 可靠性高 可高温下运转 齿形联轴器 如图1 30 d 所示 内齿和外齿啮合 其适用于大扭矩传动时 88 a 波纹管式联轴器 b 梅花连轴器 c 膜片连轴器 d 齿形联轴器图1 30弹性联轴器结构形式 89 2 滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠作为数控机床进给传动链中的重要组成部分 在整个传动链中起着将旋转运动转化为直线运动的重要作用 数控机床常用滚珠丝杠螺母副如图1 31所示 90 a b 图1 31数控机床用滚珠丝杠螺母副 91 滚珠丝杠副的特点 图1 32滚珠丝杠螺母副的结构原理示意图a 传动效率高 一般为0 92 0 98 传动灵敏 摩擦力小 动静摩擦力之差极小 能保证运动平稳 不易产生低速爬行现象 b 具有可逆性 不仅可以将旋转运动转变为直线运动 也可将直线运动变成旋转运动 c 轴向运动精度高 施加预紧力后 可消除轴向间隙 反向时无空行程 d 滚珠丝杠副的缺点是 制造工艺复杂 成本高 不能自锁 垂直安装时需有平衡装置 92 图1 32滚珠丝杠螺母副的结构原理示意图 93 滚珠丝杠螺母副工作原理 在数控车床进给系统中 采用滚珠丝杠螺母副将旋转运动与直线运动相互转换 滚珠丝杠螺母副是一种在丝杠和螺母间装有滚珠作为中间元件的丝杠副 其结构原理如图1 32所示 在丝杠3和螺母1上都有半圆弧形的螺旋槽 当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道 螺母上有滚珠回路管道b 将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道 并在滚道内装满滚珠2 当丝杠3旋转时 滚珠2在滚道内沿滚道循环转动即自转 迫使螺母轴向移动 滚珠丝杠副的循环方式 滚珠丝杠从循 94 环形式上可分为 内循环式和外循环式 滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触称为外循环 如图1 33所示 始终与丝杠保持接触称为内循环 如图1 34所示 外循环式由丝杠1 滚珠2 回珠管3和螺母4组成 如图1 33 b 所示 在丝杠1和螺母4上各加工有圆弧形螺旋槽 将它们套装起来便形成螺旋形滚道 在滚道内装满滚珠2 当丝杠相对于螺母旋转时 丝杠的旋转面经滚珠推动螺母轴向移动 同时滚珠沿螺旋形滚道滚动 使丝杠和螺母之间的滑动摩擦转变为滚珠与丝杠 螺母之间的滚动摩擦 螺母螺旋槽的两端用回珠管3连接起来 使滚珠能够从一端重新回到另一端 构成一个闭合的循环回路 95 内循环均采用反向器实现滚珠循环 反向器有两种型式 图1 34 b 所示为凸键反向器 反向器的圆柱部分嵌入螺母内 端部开有反向槽2 反向槽圆柱外圆面由其上端的凸键1定位 以保证对准螺纹滚道方向 在螺母的侧孔中装有圆柱凸轮式反向器 反向器上铣有S形回珠槽 将相邻两螺纹滚道连接起来 滚珠从螺纹滚道进入反向器 借助反向器迫使滚珠越过丝杠牙顶进入相邻滚道 实现循环 图1 34 c 所示为扁圆镶块反向器 反向器为一半圆头平键形镶块 镶块嵌入螺母的切槽中 其端部开有反向槽 用镶块的外廓定位 96 图1 33外循环滚珠丝杠 97 图1 34内循环滚珠丝杠 98 滚珠丝杠螺母副的支承 常用的滚珠丝杠螺母副的支承形式有以下几种 如图1 35所示 99 图1 35滚珠丝杠螺母副的支承形式 100 a 一端固定 一端自由的支承方式 G Z方式 如图1 35 a 所示 这种安装方式仅在一端装可以承受双向轴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 不作支撑 这种支承方式结构简单 但承载能力较小 总刚度较低 且随着螺母位置的变化刚度变化较大 通常适用于丝杠长度 行程不长的情况 b 一端固定 一端游动的支承方式 G Y方式 如图1 35 b 所示 这种安装方式在一端装可以承受双向轴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 另一端装向心球轴承 仅作径向支撑 轴向游动 101 与G Z方式相比 提高了临界转速和抗弯强度 可以防止丝杠高速旋转时的弯曲变形 其他方面与G Z方式相似 但可以适用于丝杠长度 行程较长的情况 c 两端支承方式 J J方式 如图1 35 c 所示 这种安装方式是在滚珠丝杠的两端装推力轴承 并进行轴向预紧 有助于提高传动刚度 但这种安装方式在丝杠热变形伸长时 将使轴承去载 产生轴向间隙 102 d 两端固定的支承方式 G G方式 如图1 35 d 所示 这种安装方式在两端都装可以承受双向轴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 丝杠两端采用双重支承 并进行预紧 提高了刚度 这种结构方式可使丝杠的热变形转化为轴承的预紧力 但设计时要注意提高轴承的承载能力和支承刚度 3 导轨副 导轨主要用来支承和引导运动部件沿一定的轨道运动 在导轨副中 运动的一方叫做动导轨 不运动的一方叫做支承导轨 动导轨相对于支承导轨的运动 通常是直线运动或回转运动 比较常用的直线导轨如图1 36所示 103 a b 图1 36数控机床直线导轨 104 数控机床通常采用的导轨形式有 滑动导轨 滚动导轨 静压导轨 气浮导轨 滑动导轨 即运动导轨和支撑导轨之间是滑动摩擦形式 它们又细分为以下几种 a 镶钢贴塑导轨 贴塑导轨的工作原理是在动导轨和支撑导轨之间粘贴摩擦系数很小的有机材料 并加油膜润滑 使上 下导轨相对灵活移动 目前 广泛采用镶钢贴塑结构如图1 37和图1 38所示 目前 市场上采用的塑带材料大都为聚四氟乙烯 105 图1 37镶钢贴塑导轨结构 106 图1 38镶钢导轨与聚四氟乙烯贴塑带 107 b 铸铁 贴塑面导轨 这种导轨的工作原理与镶钢贴塑导轨工作原理完全相同 只是结构更加简单 成本低 一般用于普通数控车床或中小型数控铣床 而铸铁 贴塑面导轨的结构又广泛的采用 一平一V 的形式 因为这种 V 型槽有自动定位的功能 去掉了镶条压板等机构 c 其他形式的滑动导轨 除上述两种情况之外 一些中小型数控机床的导轨还采用铸铁 铸铁 铸铁 巴士合金 锡青铜 非金属涂层等多种滑动导轨 108 滚动导轨 即运动导轨和支撑导轨之间是滚动摩擦形式 它们又细分为以下几种 a 直线导轨 直线滚动导轨主要由导轨体 滑块 防尘刮板等组成 如图1 39所示 b 滚动导轨 滚动导轨的另一种形式是在支撑导轨和动导轨之间通过滑块滚动体作为介质使支撑导轨和动导轨产生相对运动 滚动导轨块的结构如图1 40所示 109 图1 40滚动导轨块结构 110 静压导轨 液体静压导轨是将具有一定压力的油液经节流器输送到导轨面的油腔 形成承载油膜 将相互接触的金属表面隔开 实现液体摩擦 这种导轨的摩擦因数小 约0 0005 机械效率高 由于导轨面间有一层油膜 吸振性好 导轨面不相互接触 不会磨损 寿命长 而且在低速下运行也不易产生爬行 静压导轨按导轨形式可分为开式和闭式两种 图1 41和图1 42所示分别为它们的原理图 按供油方式分为恒压 即定压 供油和恒流 即定量 供油两种 111 图1 41开式液体静压导轨图1 42闭式液体静压导轨 112 另外 还有以空气为介质的空气静压导轨 也称气浮导轨 三 数控车床的自动换刀机构数控车床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置 根据加工对象不同 有四方刀架 六角刀架和八 或更多 工位的圆盘式轴向装刀刀架等多种形式 回转刀架上分别安装四把 六把或更多刀具 并按数控装置的指令换刀 113 回转刀架按其工作原理可分为机械螺母升降转位 十字槽轮转位 凸台棘爪式 电磁式 液压式等多种工作方式 其换刀的过程一般均为刀架抬起 刀架转位 刀架压紧并定位等几个步骤 1 四方回转刀架图1 43所示为一螺旋升降式四方刀架 其换刀过程如下 刀架抬起 当数控装置发出换刀指令后 电动机23正转 并经联轴器16 轴17 由滑键 或花键 带动蜗杆19 蜗轮2 轴1 轴套10转动 10的外圆上有两处凸起 可在套筒9内孔中的螺旋槽内滑动 从而举起与9相连的刀架8及上端齿盘6 使6与下端齿盘5分开 完成刀架抬起动作 114 图1 43螺旋升降式四方刀架 115 刀架转位 刀架抬起后 轴套10仍在继续转动 同时带动刀架8转过90 如不到位 刀架还可继续转位180 270 360 并由微动开关20发出信号给数控装置 刀架压紧 刀架转位后 由微动开关发出的信号使电动机23反转 销13使刀架8定位而不随轴套10回转 于是刀架8向下移动 上下端齿盘合拢压紧 蜗杆19继续转动则产生轴向位移 压缩弹簧22 套筒21的外圆曲面压缩开关20使电动机23停止旋转 从而完成一次转位 116 图1 44数控车床六角回转刀架结构 117 2 六角回转刀架图1 44所示为数控车床的六角回转刀架 适用于盘类零件的加工 在加工轴类零件时 可以换成四方刀架 由于两者底部的安装尺寸相同 更换刀架十分方便 六角回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制 它的动作分为4个步骤 刀架抬起 当数控装置发出换刀指令后 压力油由A进入压紧液压缸的下腔 活塞1上升 刀架体2抬起使定位活动插销10与固定插销9脱开 同时 活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮5结合 118 刀架转位 当刀架抬起之后 压力油从C孔转入液压缸左腔 活塞6向右移动 通过连接板带动齿条8移动 使空套齿轮5做逆时针方向转动 通过端齿离合器使刀架转过60 活塞的行程应等于齿轮5节圆周长的1 6 并由限位开关控制 刀架压紧 刀架转位之后 压力油从B孔进入压紧液压缸的上腔 活塞1带动刀架体2下降 零件3的底盘上精确地安装着6个带斜楔的圆柱固定插销9 利用活动插销10消除定位销与孔之间的间隙 实现可靠定位 刀架体2下降时 定位活动插销10与另一个固定插销9卡紧 同时零件3与零件4的锥面 119 接触 刀架在新的位置定位并压紧 这时 端齿离合器与空套齿轮5脱开 转位液压缸复位 刀架压紧之后 压力油从D孔进入转位液压缸右腔 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3在轴上空转 如果定位和压紧动作正常 推杆11与相应的触头12接触 发出信号表示换刀过程已经结束