数控机床讲义 PPT课件

1 1数控机床的历史 1 2国外数控机床的发展情况 1 3我国数控机床的发展状况 1 4数控机床的组成 1 5数控装置的分类 1 6数控机床的基本原理 插补原理 1数控机床概述 1 1 1数控机床的历史 1946年世界上诞生了第一台电子管计算机 在计算机诞生2 3年后 美国人开始研究把它用于机床的控制 美国为了争夺世界霸权极力扩充军备 加速发展航空工业 原有的加工方法及机床难以满足飞机上复杂零件的精度要求 更难适应航空工业产品更新快 品种多 批量小的要求 美国空军当局委托美国麻省理工学院伺服机构研究室与Gidding公司合作研制 1952年制成了世界上第一台三坐标数控铣床 之后bendix等公司先后开始生产数控机床及数控装置 1 2国外数控机床的发展情况 继美国1952年制造出数控机床后 英国和日本在1958年 德国在1959相继制造出数控机床 1948 1956年数控机床处于研究试制阶段1956 1960年数控机床处于工业应用阶段1960年以后数控机床进入高速发展阶段 在工业应用中 数控机床日益显示出具有技术上的先进性 经济上的合理性 适应了现代工业技术发展的需要 数控机床已从航空等军工工业转移到几乎所有的民用工业 如机械制造 金属加工等其他行业 成为工业发达国家一种不可缺少的重要设备 美国1958年 日本1960年分别试制出了能够自动更换刀具的数控机床 进一步缩短了机床换刀等辅助时间 提高了零件加工的自动化程度 并扩大了其工艺范围 极大的改善了劳动条件和生产率 数控机床取得了重大发展 根据英文 Machiningcenter 一般将该机床直译为 加工中心 以后这种技术在卧式镗铣床 车床 磨床及自动测量机上都有广泛的应用 数控机床在实际加工过程中有30多种因素直接或间接影响到零件的加工效果 在一般条件下 机床工作不会随着这些因素的变化而变化 因而未能充分发挥数控机床的能力 1964年美国Bendix公司试制了一台采用 自适应控制技术 的数控铣床 在加工过程中机床自动测量零件尺寸 表面粗糙度 调整 确定切削用量 改变切削速度和进给量 使切削过程处于最佳状态 保证获得较高的生产率 较好的加工质量 较长的刀具寿命 也就是最大的经济效益 继美国之后 英 日 德也相继制造出了 适应控制 的数控机床 适应控制技术也是数控机床的一个重要发展 随着数控机床控制技术的发展 过去一台计算机只能控制一台数控机床 逐步发展到一台或几台计算机可以控制几台 几十台 甚至二百多台数控机床 叫做计算机对数控机床进行 群控 群控控制系统使机械零件的生产方式 生产管理发生了革命性的变革 产生了后来的无人化车间 1 3我国数控机床的发展状况 我国数控机床是从1958年开始研制的 1958 1965年我国数控机床处于研制 开发时期 与世界相比起步晚了十年 1968年清华大学制成第一台小型数控立铣 1980年前我国数控机床的86 为线切割机床 低端数控机床 1980年后引进日 美等国的数控装置及伺服系统的技术 开始合资批量生产了一些数控机床 数控装置的稳定性 可靠性有了明显的改善 国产数控机床开始为用户所接受 1985年后我国已能生产45种各类数控机床满足工业发展的需要 同时数控机床功能部件的专业厂也逐渐形成规模 进入90年代中期国产数控装置开始崭露头角 进入21世纪 国产数控系统开始形成生产规模 拥有自主版权的五轴联动数控系统 打破了西方对高端数控系统的垄断 据机床协会提供的资料 我国近几年数控机床的年产量分别为 2001年1万多台 年2002年2万台 年2003年3 68万台 年2004年5万台 年年产量以40 50 速度直线上升 但是国产数控机床在国内数控机床市场的占有率仍不能乐观 2003年国产数控机床的占有率仅为28 以加工中心为例 2003年全国共购买了6500台加工中心 而国产加工中心只占1500台 可见任重而道远 国产中低端数控系统在技术路线上 采用了开放体系的平台 随着计算机技术的进步 其稳定性 可靠性都有了长足的进步 特别是中国驻南斯拉夫大使馆被轰炸后 中国高层领导逐步认清了数控技术对提高国家综合实力的重要性 从政策到资金对数控技术的开发 研究给予了极大地倾斜 极大地加快了数控技术在我国的发展 相信在不久的将来 国产数控系统一定能赶上或达到世界先进水平 1 4数控机床的组成 根据数控机床的工作原理 数控机床主要有控制介质 数控装置 伺服驱动装置 机床本体和测量装置等五部分组成 如图所示 1 控制介质它是用于记载各种加工信息的载体 从而控制机床的运动 实现零件的加工 如主运动的启动 变速停止 进给运动的方向 速度和位移量 刀具的选择交换 冷却润滑的开关等 目前数控机床加工零件时 通常是编程人员 工程师或操作工人 按照图纸 零件的尺寸和工艺要求用手工编写零件加工程序 也就是用G代码编写零件加工程序 并将这些代码存储在控制介质上 控制介质可以是穿孔纸带 磁带 软磁盘或其他可以存储信息的载体 目前通常是直接用存储器 如软磁盘 U盘 作为载体 用计算机键盘和操作面板 工程面板 上的按键将加工程序键入数控装置 零件加工程序在液晶显示器或CRT显示器上显示出来 2 数控装置数控装置是数控机床的核心 它由输入装置 存储器 控制器 运算器和输出装置组成 它的功能是接收输入装置输入的加工信息 经过数控装置的系统软件对代码进行处理后 输出相应的指令脉冲 这些控制信号中最基本的信号 是经过插补运算后的各坐标 即作进给运动的各执行部件 的进给速度 进给方向和位移量指令 另外 为了保证零件的正常加工 还必需对机床的一些辅助运动实现自动控制 因此 在数控装置与机床之间还有强电控制装置 其主要作用是接受数控装置输出的主运动变速 刀具选择 交换 各辅助装置等动作的指令信号经过必要的编译 逻辑判断 功率放大后直接驱动相应的电器 液压及机械部件 以完成指令规定的动作 执行这些动作的开关信号也要经由强电控制装置送数控装置进行处理 为了满足不同机床的多种控制要求 数控系统的配置和组成有很大的区别 数控系统的配置体现了数控机床控制系统的水平 3 伺服驱动装置伺服驱动装置由伺服发大器 俗称伺服单元或驱动器 和执行机构两个部分组成 如功率步进电机 交流伺服电机等 将伺服驱动装置与机床上的机械传动部件相联接就构成了数控机床的进给系统 伺服驱动装置接受数控装置发出的进给速度 方向 位移量的指令脉冲 经伺服驱动电路的放大 驱动伺服电机 伺服电机把运动传递给机械传动装置 每个作进给运动的执行部件 都配有一套伺服驱动系统 伺服驱动系统有开环 半闭环和闭环之分 半闭环和闭环伺服驱动系统中还使用了位置检测装置 间接或直接测量执行部件的实际位移量 并将指令位移量与实际位移量进行比较 其误差经过转换放大后再对执行部件的位移量进行补偿 4 机床数控机床的主要机械部件有 主运动部件 车床主轴箱 铣床主轴箱 及支撑它们的床身及立柱等 进给运动执行部件 如工作台 拖板等 此外还有冷却 润滑及铁屑收集器等部件 对于加工中心还应有刀库及用于刀具交换的机械手等 与普通机床相比数控机床在设计上的特点是 有更高的机床精度 更大的刚性和抗振性 导轨副的动 静磨擦系数差值要小 在低速移动时不能爬行 传动间隙及反向传动间隙要小 否则指令脉冲位移量将被间隙吞噬掉了 5 测量装置测量装置的作用是将机床工作台的实际位置 工作台的速度 方向和位移量 等参数转化成电信号反馈回数控装置 以校核执行部件的实际速度 方向 位移量 最后数控装置发出补偿指令 最终做到执行部件的位移量与指令位移量相一致 开环系统没有测量装置 常用的测量装置 有光栅尺 和 光电编码器 等 1 5数控装置的分类 一 按机床加工方法分类 1 金属切削类数控机床 如数控车床 数控磨床 数控钻床 数控镗铣床等 2 金属成形数控机床 如数控折弯机 数控弯管机3 特种数控机床 如数控线切割机 数控电火花机 数控激光加工机床 4 其它数控机床 如数控三座标测量机 二按进给伺服系统的不同分类 1 开环进给伺服系统开环进给伺服系统中没有测量装置 数控装置根据程序所要求的进给速度 方向和位移量输出一定频率和数量的进给指令脉冲 经驱动电路放大后 每一个进给指令脉冲驱动功率步进电机旋转一个步距角 经减速齿轮 丝杆螺母付转化成工作台的当量直线位移 如果工作台的实际位移增多或减少数控装置将不予理会 不会补发指令脉冲加以补偿 2 闭环进给伺服系统 数控装置将位移指令与位置检测装置 如光栅尺 直线感应同步器等 测得的实际位置反馈信号 随时进行比较 根据其差值与指令进给位移的要求 按照一定的规律转换后 随时对驱动电机的转速进行校正 使得工作台的实际位移量与指令位移量相一致 闭环进给伺服系统进给速度快 精度高是数控机床的发展方向 3 半闭环控系统机床 将位置检测装置安装在驱动电机的端部或是丝杆的端部 虽然没有直接测量出工作台的实际位移 但通过间接测量高精度丝杆的角速度 或驱动电机的角速度从而得到工作台的实际位置 最后对工作台的实际位移量进行补偿 半闭环的数控的进给速度低于闭环数控机床 高于开环数控机床 由于机械制造水平的提高及速度检测元件和丝杆螺距精度的提高 半闭环数控机床已能达到相当高的进给精度 大多数的机床厂家广泛采用了半闭环数控系统 三 按功能水平的不同分类 高 中 低 经济型 数控 1 分辨率和进给速度分辨率 高0 5 m中1 m低10 m进给速度 高大于30M min中15 30M min低8 15M min 2 伺服系统 高 闭环半闭环 交流伺服电机 中 闭环半闭环 交流伺服电机 低开环 步进电机 3 联动轴数 高 3 5轴以上 中 3 5轴以上 低2 3轴 4 通讯功能 高RS232串口 DNC通讯 网络接口中RS232串口 DNC通讯 网络接口低无通信功能 5 显示功能 高LCD TFT液晶彩显中LCD TFT液晶彩显低CRT单显 四 按控制系统不同分类 1 点位控制系统数控机床只要求获得精确的座标点位置 即工件上点与点之间的位置 而刀具从某一点移动到另一点的轨迹不加限制 编制程序时可根据具体情况任意选择 如数控钻镗床 机床高速趋近目标位置 在即将到达终极位置前 改为低速缓进至目标位置 有很高的生产率和定位精度 最大趋近速度可达100M min 工件如图示 2 轮廓控制数控机床这类机床又称为连续控制多座标轴联动轴数控机床 数控装置可同时控制2 5个座标轴 刀具与工件之间可按直线 曲线 空间曲面 进行相对运动 加工出形状复杂的零件 该类机床一般都具有刀具长度和刀具半径的补偿功能 数控机床要按照加工工件的轮廓形状与尺寸控制机床工作台或刀架等执行部件的运动 以X Y两轴控制系统为例 如下图所示 具有两个垂直运动方向的工作台如何按照一定的要求进行运动 采用步进电机作为驱动元件时 数控装置发出进给脉冲 经功率放大驱动步进电机使工作台运动 1 6数控机床的基本原理 插补原理 所谓脉冲就是一个突然的电压 比如电压由0伏突跳到 6伏 经过一个很短的时间后 又突然降到0伏 此时就形成了一个正脉冲 如果电压反方向变化 由0伏突跳到 6伏 经过一个很短的时间后回到0伏 就形成了一个负脉冲 如果数控系统不向X轴发出进给脉冲 那么工作台在X方向上移动的速度Vx 0 如果只向Y轴发进给脉冲 使工作台在Y方向上移动 速度Vy a 那么在X Y平面内就得到一条垂直于X轴的刀具中心移动轨迹S 如图所示 相反可得到另一条水平线刀具中心轨迹S 如图所示 如果数控装置同时向X轴 Y轴发出相同数量的进给脉冲 则在X Y平面内的刀具中心的轨迹为一条45 的斜线如图所示 同上所述 用许多小圆弧线段来逼近曲线的方法称为圆弧插补 如果在同一时间内 数控装置向X轴和Y轴发出不同数量的脉冲 Vx与之Vy比不但变化 那么刀具中心轨迹S就由不同斜率的极短的斜线组成的一条折线 当短斜线极短时该折线就变成了一个近似曲线了 如图所示 用许多斜线来逼近曲线的方法称为直线插补 工作台移动的速度和距离是受数控装置发出的进给脉冲控制的 向不同轴发出进给脉冲就是由数控装置中的插补系统来完成的 所以插补系统也可以称为进给脉冲分配系统 直线插补的计算与圆弧插补的计算有好几种方法 插补系统也亦有几种形式 下面介绍一种直线插补器 预备知识 触发器 它是一种电路元件 有 导通 和 截止 两种状态 当它处于一种状态时 如果从外部给它加一个脉冲 即 触发 则触发器由现时状态变成相反的状态 二进制 用0和1两个数码表示数 逢2进1 十进制数与二进制数对应表 从上表可以看出 一个十进制数0 20 十位上要由0 1 2三个状态表示 个位要由0 1 2 9十个状态来表示 而二进制一共只需要五个状态元件就可以表示了 242322212011010 1 24 1 23 0 22 1 21 0 20 16 8 2 26 与门 它是一种电路元件 它的特点是在它的各输入端上同时加上高电位 正脉冲 时它的输出端就有一个高电位 正脉冲 输出 与 字就是同时的意思 同时作用 门才开 才有输出 或门 它是一种电路元件 它的特点是在它的各输入端之一加上高电位 正脉冲 时 它的输出端就有一个高电位 正脉冲 输出 或 字就是或者的意思 只要有一个作用 门就开 就有输出 直线插补器 数字脉冲乘法器 T1 T5是五个触发器 如果把T触发器接成计数状态 如图所示 向计数器输入端输入两个脉冲 它的状态将变化两次 即状态还原了 此时输出端输出一个脉冲 此时的触发器实际上起了一个除2的作用 F脉冲发生器发出n个脉冲 则触发器T1送出n 2个脉冲进入下一触发器T2 如果F发出32个脉冲 则T1送出32 2 16个脉冲 T2送出32 4 8个脉冲 T5送出32 32 1个脉冲 数控机床工作的时候 零件加工的数据代码经过读数装置送入X和Y寄存器中 用以打开相应的与门 寄存器一般也由触发器组成 下面举例说明由二进制计数器 与门 或门和输入寄存器组成的直线插补器的工作原理 假设每个进给脉冲工作台走0 01mm 若让工作台按Vx Vy 13 7的运动规律走一斜线 看一看直线插补器是如何工作的 在同一时间内 或一个循环周期 工作台的运动规律为Vx Vy 13 7 工作台在X方向走0 13mm 在Y方向走0 07mm 13和7用二进制数表示 13 0 24 1 23 1 22 0 21 1 20 0 8 4 0 17 0 24 0 23 1 22 1 21 1 20 0 0 4 2 1 高位低位01101Xa1Xa2Xa3Xa4Xa5 高位低位00111Ya1Ya2Ya3Ya4Ya5 此时X轴输入寄存器Xa2 Xa3 Xa5有开门电压 Xa2输出8个脉冲Xa3输出4个脉冲 Xa5输出1个脉冲 X或门累计输出13个脉冲 也就是工作台沿X方向移动0 13mm 一个循环周期中Y轴输入寄存器 Ya3 Ya4 Ya5有开门电压 Ya3输出4个脉冲 Ya4输出2个脉冲 Ya5输出1个脉冲 Y或门累计输出7个脉冲 也就是工作台沿Y方向移动0 07mm 如果不停的向X输入寄存器和Y输入寄存器输入脉冲 X或门 Y或门就会不断有进给脉冲输出 获得我们希望的刀具中的轨迹曲线 实用的直线插补器将比这复杂得多 如果不停的向X输入寄存器和Y输入寄存器输入脉冲 X或Y就会不断有进给脉冲输出 获得我们希望的刀具中的轨迹曲线 实用的直线插补器将比这复杂得多 2数控机床的主要功能部件及设计计算 2 1数控机床的驱动装置 2 2数控机床的主轴部件及主传动系统 2 3主轴轴承的预紧 2 4主传动参数的确定 2 1数控机床的驱动装置 伺服单元略 数控机床的驱动装置是数控装置与机床联系的纽带 它接受数控装置发出的脉冲信号 经过转换和功率放大后 驱动电机旋转 使机床工作台或主轴头实现进给运动 它在很大程度上决定了数控机床的成本 加工精度及可靠性 对进给驱动装置的要求主要有 a 定位精度高 指令位移与实际位移之差要小 b 调速范围宽 为了加工不同尺寸和材料的零件的需要 c 电机负载特性要硬 当负载变化时 电机输出的速度基本不变 d 动态响应快 37 一 步进电机1 步进电机的结构原理步进电机是一种能将数控装置输入的进给脉冲转化成角位移的特殊电机 它每接受一个进给脉冲步进电机就走一步 转过一定的角度 这个角度称为步距角 用 表示 只要控制输入脉冲的数量 便可控制步进电机位移量大小 而控制输入脉冲的频率 便可控制步进电机的速度 下面以反应式功率步进电机为例讲解其动作原理所谓反应式就是电机转子上无绕组 步进运行靠定子绕组通入激磁电流产生反应力矩而实现的 在电机的定子上有三相绕组 故称三相步进电机 当定子A相绕组通以直流电时 A相产生磁场 吸引在A相附近的1 3齿 转子1 3齿与A相对齐 电机转子逆时针旋转30 后停止 然后A相断电 B相通电 则定子A相磁场消失 而B相产生磁场 此时 在B相磁场的作用下又吸引了最靠近B相的2 4齿 2 4齿与定子B相对齐 转子又逆时针方向旋转30 后停止 按A B C A B 的顺序连续通电 则步进电机一步一步地沿逆时针方向不停地旋转 这种通电方式称为三拍控制 即三相三拍反应式步进电机 若步进电机按A C B A C B A 的顺序通电 则电机反向旋转 此种通电方式在A相断电B相尚未接通时 转子齿不受磁场控制 转子转动不平稳 如果把通电方式改为A相通电后 再A B两相同时通电 则定子附近转子上的1 4齿 同时受到A B两相磁极的吸引 1 4齿将位于A B两相磁极之间 当以A AB B BC C CA A的顺序通电 步进电机每接受一个脉冲逆时针方向旋转15 这种通电方式称为六拍控制方式 当步进电机定转子齿数不变 控制方式改变时 步距角可以减小一半 这种通电方式的特点是它在整个通电过程中 始终有一相处于通电状态 转子齿始终有磁场吸引 2 步进电机进给系统传动比及脉冲当量的计算 已知条件如下 步距角 0 9 t 丝杠导程 或螺距 一般纵向丝杠导程取 6 8 10 mm 横向丝杠导程取 4 5 mmZ1 传动齿轮1Z2 传动齿轮2i 传动比i Z1 Z2 脉冲当量 步进电机每接受一个进给脉冲 工作台移动的距离 一般工作台纵向移动的脉冲当量在 0 005 0 01 通常选0 01便于计算 一般工作台横向移动的脉冲当量在 0 002 0 01 通常选0 005 举例1 列出运动方程式设 0 9 t 6mm代入数据若A 80mm 中心距 m 2A m Z1 Z2 2Z1 Z2 80Z1 Z2 4 6联立求解得Z1 32Z2 48 Z1 Z2 32 48 已知 步进电机步距角 0 90Zk蜗杆头数Zk 1Zw蜗轮齿数Zw 60Z1传动齿轮1Z2传动齿轮2转台脉冲当量 取0 010一般为 或0 0020 0 0050 求Z1 Z2 举例2 列出运动方程式 将已知条件带入 若A 60mm m 2 则 则z1 z2 60联立 z2 36 z1 24结论 步进电机的进给系统使用齿轮传动 一是为了求得所需要的脉冲当量 二是可以起增大转矩的作用 2 2数控机床的主轴部件及主传动系统一 主轴部件 典型车床及铣床主轴部件结构 略 1 主轴部件常用滚动轴承的类型双列推力向心球轴承 接触角为60 球径小 数目多 能承受双向轴向载荷 调整中间隔套能予紧轴承调整间隙 允许转速高 在数控机床中 轴承一般都要同时承受轴向载荷和径向载荷的联合载荷的作用 对数控机床主轴而言 主轴通径 精度 刚度及加速度 温升等参数是更为重要的要求 所以大接触角的角接触球轴承不论在主传动还是进给传动中均有广泛的使用 现在开发的专用数控主轴轴承及滚珠丝杠专用轴承均是角接触轴承 双列推力向心球轴承 通常与双列圆柱滚子轴承配套一起用作主轴的前支承 带凸肩双列园柱滚子轴承也常作主轴的前支承 其滚子是空心的 有吸振 缓冲 起有效冷却的作用 轴承精度级B级 超精级 C级 特精级 D级 精密级 E级 高级 普通精度机床前轴承常用C D级 后轴承常用D E级 2 主轴滚动轴承的配置合理配置轴承对提高主轴部件的刚度 精度 降低支承温升有很大的作用 图a后端定位 推力轴承在后支承的两侧 主轴热变形向前伸 细长主轴受轴向力容易弯曲变形 但前支座简单 图b两端定位 推力轴承分别布置到两支承的外侧 优点是轴承轴向间隙可以在后端方便地进调整 对主轴热变形敏感 适合于短主轴 图c d都是前支承固定 前支承刚度较高 主轴热伸长后另一端为自由端 不影响主轴精度 图c推力轴承在前支承两侧 使主轴的悬伸长度增加 影响主轴刚度 图d两个推力轴承安排在前支承的内侧 克服了图c的缺点 一般高速精密机床的主轴多采用该方案 3 主轴轴承的预紧采用予紧方法 合理选择予紧量可以提高主轴部件的刚度和抗振性 对滚动轴承间隙的调整 通常是使轴承内 外圈作相对的轴向位移实现的常用的方法有 a 轴承内圈移动法 结构简单 予紧量不易控制 带锁紧的园螺母 右端的园螺母限制了轴承内圈的移动 b 修后座圈或隔套 二 主传动的变速系统数控机床的主传动变速系统可以是有级的 也可以是无级的 通常的主轴电机的恒功率的最高速与额定转速之比为1 3或1 4 为了机床切削的需要 在主轴与电机之间还要串联一个变速箱其作用一是扩大调速比 二是提升恒扭矩段的力矩 变速箱内齿轮换挡 采用液压拔叉或电磁离合器来实现自动化 近年来为了减化机械结构 逐渐趋向采用大功率的交流主轴电机来提高低速时的恒扭矩来满足切削的要求 近年来由于技术的进步也有一些恒功率范围很宽的主轴电机问世 特别是内装式电主轴的出现更加强化了这种趋势 1 交流主轴伺服电机的结构交流伺服电动机的结构有鼠笼式感应电动机和永磁式同步电动机二种 而通常主轴电机采用鼠笼式感应电动机的结构 而进给伺服电动机 常用永磁式同步电机的结构形式 51 交流主轴电机与普通三相异步电动机的结构有很多地方都很相似 交流主轴电机的定子虽然也是三相绕组 但是它的磁路设计与普通异步电动机有很大的不一样 因为交流主轴电机要求在不同转速下工作 而此时的磁损都要尽可能小 另外为了方便定子在空气中散热 定子的外面一般都没有机壳 另外 为了加强冷却效果 定子在轴向也设计了通风口 定子的外形一般都设计成四方形或六方形 便于电机在机床中的布置 在电机的尾端装有检测用的与转子轴同轴的脉冲编码器 交流主轴电机有三种线 一种是电源线 一种是指令线 一种是码盘线 电源线向电机供应交流电 指令线控制电机的转速和位移量 码盘线将电机的实际运行状态反馈到数控装置 52 2 交流主轴电机的的控制方法 脉宽调制控制法 三相交流电通过整流器后 获得一个恒压的直流电输入逆变器 通过脉宽调制输出不同频率 电压的交流电通到电动机 实现电机调速 53 3 交流主轴电机的转矩 转速 功率特性电机性能交流主轴电机转速 力矩 功率特性曲线反映它的性能 其特性曲线如图所示 切削机床要求电机在计算转速以下的恒扭矩工作区具有粗加工的能力 54 4 主传动参数的确定a 主传动的功率主传动的功率根据切割功率N切和主传动运动链的机械效率按下式确定 其中 PZ切削力的切向分力 N 牛顿 V切切削速度 m min米 分 M切切削扭矩 N cm牛顿 厘米 n主主轴转速 r min转 分 N机械机械效率一般取0 7 0 85主传动中的零件尺寸是根据N主 功率 确定的 如果主传动功率定得过大 则主传动的零件 则尺寸粗大造成强度富裕和浪费 而定得过小 则达不到规定的生产效率 甚至造成零件的损坏 由于影响切削加工的因素非常多 目前仅依靠理论计算确定功率还很困难 所以常用的方法是类比法 实验 测 法和理论计算法几种方法相结合的方法来确定 b 主传动调速范围对于主传动为旋转运动的车床为例 主轴转速n r min 由切削速度V m min 工件加工直径d mm 来确定 而调速范围一般情况下调速范围也沿用类比法和计算法相结合的方法确定 C 交流主轴电机 作主传动电机 主传动方案分析举例 已知条件N主max 1600r minN主min 11 5r minM主max 705 6N m 主轴输出转矩 Nmax 5KW 输出最大功率 一 粗选电机额定功率Nmax 7 5KW额定转速nn 1500r minnmax 2400r min二 确定计算转速n计 确定机电调速范围n计传递满功率时的主轴最低转速n 9552N M将已知条件代入n计 9552 7 5 705 6 102r min就是说主轴在102r min 1600r min之间必须传递满功率 R主恒功率 15 7 主轴在11 5r min 102r min之间是恒扭矩输出电动机的恒功率转速段为1500r min 2400r min电动机的转速小于1500r min以下时 为恒扭矩段 主轴102r min时 对应的电机转速为1500r min 电动机传递恒扭矩时的最低转速为 电机恒功率段2400 1500 1 6电机恒扭矩段1500 169 8 87电机总调速范围R电总 R电机恒功率 R电机恒扭矩 1 6 8 87 14 1 主轴要求的 也就是说主轴电机必须串联一个调速范围达到9 9的变速箱才能满足已知条件的要求 主轴转速 11 5r min 102r min 1600r min电机对应转速 169r min 1500r min 2400r min R电总小 3滚珠丝杠副的结构 一 工作原理及特点a 原理 滚珠丝杠是由梯形丝杠演变过来的 它将原来的滑动摩擦副转换成滚动摩擦副 滑动摩擦系数为0 1 而滚动摩擦系数为0 01 梯形丝杠的材料一般都选用40Cr 热处理调质 滚珠丝杠的材料为GCr15 滚珠轴承材料 中频淬火 表面硬度HRc60 硬化层达到2mm以上 为了防止淬火后生成的晶相组织马氏体在常温下慢速膨胀 影响尺寸的稳定性 一般还需要对丝杠作 80 下的深冷处理 b 特点 1 由于是滚动摩擦副 传动效率很高 大于98 由滚珠丝杠组成的进给伺服系统的最高进给速度已达100m min 2 摩损小 精度保持好 寿命长 3 摩擦阻力小 动 静摩擦力相差极小 可以在极低转速下而不产生爬行 4 丝杠经过予紧后 可以完全消除传动间隙 提高传动刚度 5 丝杠不能自锁 运动具有可逆性 可将旋转运动变成直线运动 也可将直线运动转成旋转运动 因此滚珠丝杠立式使用时必须增加制动装置 二 滚珠丝杠的予紧方法滚珠丝杠副的最大特点是可以采用予紧结构来消除传动间隙 又能将丝杠副的弹性变形控制在最小限度内 有资料表明适当施加予紧力可以提高丝杠螺母副的刚度20 40 但是过大的予紧力会加大驱动力矩 缩短丝杠的使用寿命 通常在中 小型数控铣床的丝杠副予紧力取其轴向负荷的1 3 目前国内W型和N型滚珠丝杠常用三种结构形式消除轴向间隙 目前广泛使用的是修磨垫片调隙法 Z1 Z2 1 若t 10 Z1 100 Z2 99 三 滚珠丝杠副的支承型式滚珠丝杠副的支承结构的好坏 选择得恰当不恰当 直接影响丝杠传动系统的刚度 1 一端装止推轴承 另一端悬伸结构简单 承载能力小 轴向刚度低 升降台式铣床的垂直坐标常用这种结构 还常用于机床的调整环节 2 一端装止推轴承 另一端装向心球轴承 滚珠丝杠较长时 一端固定 一端自由可以减小丝杠热变形的影响 固定端布置到远离热源的一端 3 两端装止推轴承 止推轴承装在两端并施加予拉力提高传动刚度 在热变形较大的场合慎用 4 两端装止推轴承及向心球轴承丝杠两端采用双重支承 提高了支承刚度 丝杠热伸长会转化成轴承的予紧力 5 采用滚珠丝杠专用轴承 大接触角径向推力球轴承 接触角为60 专为滚珠丝杠支座轴承设计 滚珠直径小 球数多能承受的轴向载荷是普通轴承的两倍以上 四 滚珠丝杠副的选用1 精度等级滚珠丝杠副分为定位滚珠丝杠副 P 传动滚珠丝杠副 T 机床进给运动采用P级丝杠副 精度分为7个级1 2 3 4 5 7 10 1级最高机床中常用P3 P4 2 滚珠丝杠副的选用 先定性 后定量 定性分析 a 滚珠直径d0 d0大丝杠的承载能力大 d0过大则两相邻滚道间的凸起部分宽度不够 滚珠容易翻过齿顶一般取d0 0 6t b 螺距t和滚珠中心所在名义直径D0 t要根据工作台的最高移动速度来确定 D0愈大丝杠的承载能力和刚度愈大 为了保证丝杠有足够的刚度一般都要控制丝杠的长径比 定量分析 滚珠丝杠副的选用1 确定滚珠丝杠副的导程Ph mm 已知 电机与丝杠直联Vmax 15m min n电max 1500r min 代入2 当量转速nm 当量载荷Fm N 查手册 一般数控机床 强力切削时间为10 t1 10丝杠转速n1 60r min轴向载荷F1 2920N一般切削时间为30 t2 30丝杠转速n2 80r min轴向载荷F2 1850N精切削时间为50 t3 50丝杠转速n3 100r min轴向载荷F3 1320N快速进给时间为10 t4 10丝杠转速n4 1500r min轴向载荷F4 800N 代入代入 3 予期额定动负荷Cam N 其中Lh予期工作时间 寿命 数控机床取20000 250 8 小时 10年 2万fw负荷性质系数轻微冲击取fw 1 3fa精度系数P1 P3级丝杠取fa 1fc可靠性系数按可靠性97 取fc 0 44代入4 确定允许的最小螺纹底径丝杠允许的最大轴向变形量 估算值 m m1 1 3 1 4 重复定位精度 m2 1 4 1 5 定位精度 已知 重复定位精度10 m定位精度25 m 代入 m1 10 3 3 3 m1 3 m m2 25 4 6 25 m2 6 m取 m 3 m估算滚珠丝杠最小螺纹底径d2m其中 E 材料的弹性模量2 1 105N mm2F0 导轨的静摩擦力 N F0 0w 0 静摩擦系数 W 工作台重量如 0取0 2 W 5000N F0 0 2 5000 1000NL 两固定端支座间的丝杠长度L 1 2行程 10 14 Ph 已知丝杠行程为1000代入L 1 2 1000 12 10 1320mm按Ph Cam d2m按样本粗定滚珠丝杠型号FFZD4010 3按样本取d2 32 7mm d2m 25 9mmPh 10 查样本Cam 31100N 24815N 5 确定丝杠副予紧力FP N FP N FmaxFmax F1 2920N代入FP 2920 1000N6 计算丝杠予拉伸力Ft N 及行程补偿值C m Ft 1 95 t d22 t 2 5 d2 32 7代入Ft 1 95 2 5 32 72 5213NC 11 8 t Lu 103其中Lu滚珠丝杠副有效行程 mm Lu 工作台行程 螺母长度 两个安全行程 空程 一般取Lu L行程 8 14 Ph L螺母 1000 13 10 80 1210代入C 11 8 2 5 1210 10 3 36 m 7 传动系统的刚度计算传动系统刚度K按下式计算式中Ks滚珠丝杠付的拉压刚度Kb滚珠丝杠支承轴承的轴向刚度可查样本Kc滚珠丝杠付滚珠与滚道的接触刚度可查样本Kr折合到滚珠死杠付上的伺服刚度一般情况下忽略不计Kd滚珠丝杠付中螺母体扭刚度一般可忽略不计Kt折合到滚珠丝杠付上的联轴节刚度一般可忽略不计Kh螺母座 轴承座刚度一般情况下可忽略不计K 滚珠丝杠付的扭转刚度可忽略不计 Ks的计算 支承座一端固定一端自由时其中d2丝杠底径 mm E材料弹性模量2 1 105 N mm2 当螺母远离固定支承端时a L1刚度最小当螺母靠近固定支承时a L0刚度最大 支承座两端固定时时刚度最小 L0时刚度最大 KB轴承未预紧 KB0N m一对预紧的轴承组合球轴承预紧力滚子轴承预紧力 Kb的计算 符号含义 轴承接触角 deg dQ滚动体直径 mm Lr滚子有效长度Z滚动体个数 Fa轴向工作载荷 N Famax最大轴向工作载荷 Kc的计算不予紧的滚珠丝杠付F轴向工作载荷Kc 查样本Ca额定动载荷予紧的滚珠丝杠付 Fp丝杠予紧力Fp轴向予紧载荷 L0行程起点离固定支承距离L0 30 d2丝杠底径32 7 L1两固定支承距离L1 1320 选定轴承7602030 查样本 Q 7 144z 17 60 Kb 2KB0 两端固定 Kb 2KB0 2 964 4 1928 8 N m 查手册FFZD4010 3Ca 31100Kc 973 N um Fp 1000N代入 F0静摩擦力 N 已知工作台的重量W1 5000N 0 0 2F0 W 0 5000 0 2 1000N 验算 传动系统刚度已知重复定位精度10 254 5 160满足要求系统刚度变化引起的定位误差 k m 确定丝杠精度V300 0 8 定位精度 K 0 8 25 1 73 18 27 mP3丝杠V300 12 mV300 18 27 m k m 临界压缩载荷Fc 一般不用验算 临界转速ncDn值 Dn Dpw nmax 70000 Dpw D0 40 40 1500 60000 70000 Lc2临界转速计算长度Lc2 L1 L0 1320 30 1290mm 21 9 查样本 与支座形式有关的系数 nc nmax 1500r min 8 电机选择V电压 一般电机V 220v 高压电机V 380v nmax电机最高转速Tm电机额定转距Jm电机转子惯量Nm电机额定功率 1 电机额定功率的确定计算法 其中Q是进给力或牵引力 N S进给速度m min 传动总效率 a 三角形与矩形组成的组合导轨 车床 Q KPx f Pz G N f 取0 15 0 18 K取1 1 1 5 b 矩形导轨 车床或铣床工作台 Q KPx f Pz Py G N f 取0 15 0 18 K取1 1 1 5 c 燕尾导轨 铣床 Q KPx f Pz 2Py G N K取1 4 f 取0 2 d 钻床主轴Q 1 0 5f Px f其中Px Py Pz为切削力沿x轴 y轴 z轴的切削分力 N G为移动部件的重量 N dv为主轴直径 cm Mn为钻削扭矩 N cm f 为导轨上的当量摩擦系数 f为主轴套筒与导向孔的摩擦系数 K考虑颠覆力矩的影响系数 类比法确定电机额定功率类比法确定进给系统功率时 考虑到进给运动空载功率及快速运动时的空载功率损耗 一般取进给功率为主运动功率的1 3 1 4 C6320 C6140纵向伺服电机一般选6Nm 11Nm横向伺服电机一般选4Nm 8NmC630 旧型号 纵向伺服电机一般选16Nm 18NmC650 旧型号 纵向伺服电机一般选16Nm 27Nm 2 电机最高转速nmax一般工作台的最大进给速度为已知条件 i为电机与丝杠之间传动比 直联时i 1 Ph丝杠导程 即丝杠转一转工作台的移动量 根据电机功率 电机转速可粗定电机 通过查电机样本可知电机惯量及转矩 9 惯量匹配惯量匹配的要求是工作时全部运动部件的惯量值折算到电机轴上的值JL与电机的转动惯量Jm应满足下列关系式0 25 1从理论力学可知 刚体对某轴Z的转动惯量就是刚体内各质点的质量与该点到Z轴距离平方的乘积总和 Jz 在直线运动中质量m是物体惯性的度量 在旋转运动中转动惯量则是转动刚体惯性的度量 换句话说转动惯量大的物体要使它从静止状态开始转动达到某一转速就很困难 折算到电机轴上的惯量包括工作台 丝杠 联轴节 锁紧螺母 其中工作台是直线运动 其余都是旋转运动 折算到电机轴上的工作台的惯量按下式计算 其中J1 折算到电机轴上的工作台惯量 Kg cm2 W 工作台重量 kg t 丝杠导程 cm 旋转体的惯量用下式计算 实心 丝杠 其中 材料比重 钢 7 8 10 3 kg cm3 D旋转体直径 cm L旋转体的长度 cm 联轴器 锁紧螺母 最后比较的值代入 本例D 4L 132 代入 若工作台W 510 2Kgt 1cm 代入代入选用松下交流伺服电机MHMAJm 62Kgcm2 额定扭矩T 9 54Nm 最大转矩Tmax 28 5Nm 额定转速n 1000 nmax 2000 JL J1 J2 J3 J4 12 9 25 86 1 2 41 76Kgcm2核算惯量匹配满足要求 10 空载加速转矩电动机无论在线性加速时还是按阶跃指令加速时的最大转矩均应小于电机的最大转矩 线性加速时按下式计算 其中nmax电机最高转速 Ks系统增益 本例取Ks 20 s ta 0 15s ta加速时间 J系统总惯量 J JL Jm电机最大转矩 T电机 2800kgcm 140 39kgcm电机最大转矩满足设计要求 指数加速 阶跃指令 时按下式计算 代入T电机 2800kgcm 443 27kgcm电机最大转矩满足阶跃指令时设计需求 4自动转位刀架的结构原理及选用 图4 1端子盘定位的电动转位刀架结构1 蜗轮2 刀座3 4 鼠齿盘5 粗定位销6 四方刀架体7 刀架螺母8 转动销9 芯轴10 轴套 电动机得到转位指令开始旋转 电机通过联轴器带动蜗杆转动 蜗杆带动蜗轮逆时针旋转 芯轴9与蜗轮固定联结 所以随同蜗轮逆时针旋转刀架螺母7与四方刀架体固定联结 此时上 下端齿盘联结在一起制约了刀架体的转动迫使螺母上升 直至鼠齿盘3 与鼠齿盘4分离 此时蜗轮同芯轴9带动轴套10转动 轴套10通过转动销8带动刀架体6旋转 完成寻刀运动 此时若某刀位的霍尔管得到信号 寻刀完毕 通知电机反转 此时蜗轮亦反转 刀架体反转粗定位销与被固定鼠齿盘上的爪齿挡住刀架体不能再旋转 转动销子8打滑刀架体向下运动直至端子盘3 4紧密接触 刀架电机电流增大发出信号电机停转 完成刀架整个转位过程 5数控机床中常用的齿轮消隙机构及电机轴与丝杠轴的联结方式 一 园柱直齿轮时1 双齿轮片结构 2 偏心套 1 齿轮2 偏心套3 齿轮 3 调节中心距 二 双齿轮条消除齿轮间隙机构1 2为正齿轮与齿条齿合 3 4为左右螺旋齿轮 5上有一对旋向相反的螺旋齿轮 当零件与向前移动是会迫使34齿轮分别向相反的方向旋转 令园柱齿轮1 2左右边贴紧齿条传动齿面固定零件与达到消除齿条间隙的目的 三电机轴与丝杠轴的联结方式1 无键联结2 应用 在数控机床中 在伺服电机轴上装齿轮 同步带轮 在滚珠丝杠轴端安装齿轮或同步带轮选择胀结套应满足 传递扭矩Mt M承受轴向力Ft Fx承受径向力式中M需要传递的扭矩KNmFx 需要承受的轴向力KNMt 胀紧套的额定扭矩KNmFt 胀紧套的额定轴向力KNd l 胀紧套内径和内环宽度mmPf 胀紧套与轴结合面上的压力N mm2B 采用n组胀紧套时的额定负荷MmMm m Mt 式中m负荷系数见表1 c 结合面的表面粗糙度及公差配合 见表2 d 拧紧胀紧套螺钉的方法第一步以1 3Mt的值对角拧紧所有螺钉以防偏斜 第二步以1 2Mt对角拧紧全部螺钉加力 第三步以Mt值全部拧紧螺钉 e 结构装配图 同步带传动是综合了带传动 链传动和齿轮传动优点的新型带传动 它的传动效率可进99 5 传动功率可从几瓦到数百千瓦 一级带传动速比可达到10 线速度可达到40m s同步带传动已在各种仪器轻工业以及通用机械中得到广泛的应用 同步带由带背 抗拉层及带齿三部分组成 抗拉层其位置在同步带的节线部位保证带的节矩不变 常用的抗拉元件有钢丝绳及由玻璃纤维组成的绳索 带齿带背有用聚氨脂和氯丁胶材料彻底 它应有良好柔韧性抗弯曲疲劳性能 耐磨损不易老化的性能 同步带按齿形分 梯形齿 周节制同步带 模数制同步带 园弧齿同步带 我国研制同步带的早期由于有齿轮滚刀可加工带轮用得较多 现在已很少应用 目前在机床用得较多的为HTD型园弧齿同步