数控机床的结构 PPT课件

第六章数控机床的结构 1 目录 6 1数控机床结构概述一 数控机床机械结构的主要组成二 数控机床对机械结构的基本要求三 数控机床的布局特点6 2数控机床的主传动系统一 主传动装置二 主轴结构6 3数控机床的进给传动系统一 进给传动系统的特点及基本型式二 丝杠螺母副三 回转工作台四 机床导轨五 数控机床进给系统的间隙消除 2 6 4其他装置一 自动换刀装置二 排屑装置三 液压和气动装置 3 引言普通机床的弱点 1 结构刚性不足 2 抗震性能差 3 滑动面的摩擦阻力较大 4 传动件中的间隙较大 5 电动机不能伺服驱动 6 加工精度和效率远远不能满足要求 所以 不能简单地认为 在普通机床上增加一套数控装置 就变成了数控机床 4 6 1数控机床结构概述 一 数控机床机械结构的主要组成 数控机床的机械结构主要由下列几部分组成 1 机床的基础部件 包括床身 底座 立柱 横梁 滑座和工作台等 2 主传动系统 包括主轴部件 3 进给传动系统 4 辅助功能系统和装置 如液压 气动 润滑 冷却 排屑 防护等 5 刀架或自动换刀装置 ATC 6 自动交换工作台 APC 7 特殊功能装置 如刀具破损监控 精度检查和监控装置 应该不属于纯粹的机械结构 属于机电结构 8 各种检测反馈装置 应该不属于机械结构 5 二 数控机床对机械结构的基本要求 1 数控机床及其加工过程的特点 1 结构简单 操作方便 自动化程度高 2 高的加工精度和切削效率 3 多工序和多功能集成 4 高的可靠性和精度保持性 2 数控机床对机械结构的基本要求 1 高的动 静刚度和良好的抗振性能 2 良好的热稳定性 3 高的运动精度与良好的低速稳定性 4 良好的操作性能和安全防护性能 6 三 数控机床的布局特点 数控机床总体方案设计由下列三部分组成 1 数控车床的布局特点 数控车床常见的布局型式 7 水平床身数控车床常用于经济型 普及型数控车床以及数控改造的车床 其结构特点是 制造水平床身的加工工艺性较好 部件精度较容易保证 其刀架水平布置 不受刀架 滑板自重的影响 有利于提高刀架的运动精度 但该结构床身下部空间小 排屑困难 且受热变形影响较大 性能要求较高的中 小型数控车床多采用倾斜床身或水平床身斜滑板结构 其结构特点是 占地面积小 易于排屑 便于操作与观察 易于安装上 下料机械手 还有一个优点是可采用封闭截面整体结构 提高床身的刚度 床身导轨倾斜角度有45 60 和75 但倾斜角度太大会影响导轨的导向性及受力情况 大型数控车床常采用立式床身布局 立式床身的排屑性能最好 但受自重的影响最大 有时需要加平衡机构来消除 8 2 数控铣床 加工中心的布局特点 1 卧式数控镗铣床 加工中心 的常用布局型式 卧式数控镗铣床 加工中心 常见的布局型式 卧式加工中心双交换工作台布局 9 2 立式数控镗铣床 加工中心 的常用布局型式 立式数控镗铣床 加工中心 常见的布局型式 立式加工中心双交换工作台布局 10 3 高速加工中心的布局特点 a 固定门式立柱布局 b 箱中箱 结构布局两种高速加工中心的布局型式 高速切削概念始于1931年德国所罗门 CarlSalomon 博士的研究成果 21世纪初 高速切削技术在工业发达国家得到普遍应用 正成为切削加工的主流技术 高速加工 集高速度 高精度 高刚度于一身 11 机床本体 12 高速加工机床总体结构特点 1 将三轴进给系统的结构全部 或大部分 移出工作台外 以最大限度减轻移动部件的质量和运动惯量 这也是高速加工中心结构布局设计的总原则 2 改进基础件结构和材料机床的基本结构有床身 底座和立柱等 高速切削会产生很大的附加惯性力 因而机床床身 立柱等必须具有足够的强度 刚度和高水平的阻尼特性 很多高速机床的床身和立柱材料采用聚合物混凝土 或人造花岗岩 这种材料阻尼特性为铸铁的7 10倍 比重只有铸铁的1 3 提高机床刚性的另一个措施是改革床体结构 如将立柱和底座合为一个整体 使得机床可以依靠自身的刚性来保持机床精度 13 4 虚拟轴机床 虚拟轴机床结构原理虚拟轴机床的布局型式 虚拟轴机床是最近出现的一种全新概念的机床 它和传统的机床相比 在机床的机构 本质上有了巨大的飞跃 它的出现被认为是机床发展史上的一次重大变革 14 主要内容 虚拟轴机床 设计巧妙的5杆并联机构 电滚珠丝杠 电主轴 数控回转工作台 15 6 2数控机床的主传动系统 一 主传动装置 1 数控机床主传动系统的特点 1 转速高 功率大 2 调速范围宽 3 主轴能自动实现无级变速 转速变换迅速可靠 4 数控机床的主轴组件具有较大的刚度 较高的精度和耐磨性能 5 在加工中心上 还具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹紧装置 以及主轴定向准停装置 以保证刀具和主轴 刀库 机械手的准确动作 6 为了扩大机床功能 一些数控机床的主轴能实现C轴功能 主轴回转角度的控制 16 2 数控机床主传动装置 1 带有二级齿轮的变速装置确保低速时输出大扭矩 扩大恒功率调速范围 以满足机床重切削时对输出扭矩特性的要求 2 采用定比传动装置定比传动装置常用同步齿形带或三角带连接电机与主轴 避免了齿轮传动引起的振动与噪声 3 采用电主轴电主轴传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构 主轴部件的刚性更好 但主轴输出扭矩小 电机发热对主轴影响较大 需对主轴进行强制冷却 数控机床主传动装置 17 二 主轴结构 1 数控车床主轴部件结构 1 5 螺钉 2 带轮连接盘 3 15 16 螺钉 4 端盖 6 圆柱滚珠轴承 7 9 11 12 挡圈 8 热调整套 10 13 17 角接触球轴承 14 卡盘过渡盘 18 主轴 19 主轴箱箱体数控车床主轴部件结构示意图 1 驱动爪 2 卡爪 3 卡盘 4 活塞杆 5 液压缸 6 7 行程开关液压驱动动力的自定心夹盘 18 2 数控加工中心 镗 铣床 主轴部件结构 1 带刀具夹紧装置和切屑清除装置的主轴部件 1 刀架 2 拉钉 3 主轴 4 拉杆 5 碟形弹簧 6 活塞 7 液压缸 或气缸 8 10 行程开关 9 压缩空气管接头 11 弹簧 12 钢球 13 端面键数控立式加工中心主轴部件 19 2 主轴准停装置 1 多楔带轮 2 磁传感器 3 永久磁铁 4 垫片 5 主轴主轴准停装置的工作原理 20 3 内装电主轴的主轴部件结构 1 刀具系统 2 9 捕捉轴承 3 8 传感器 4 7 径向轴承 5 轴向推力轴承 6 高频电动机 10 冷却水管路 11 气 液压力放大器用磁悬浮轴承的高速加工中心电主轴部件 21 主要内容 电主轴 22 1 转子 2 定子 3 箱体 4 主轴数控车床电主轴部件 23 电主轴主要融合了以下技术 1 高速电机技术其关键技术是高速度下的动平衡 2 高速轴承技术电主轴通常采用复合陶瓷轴承 磁悬浮轴承和静压轴承 3 润滑电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑方式 也可以采用脂润滑 但相应的速度要打折扣 4 冷却装置冷却装置的作用是保持冷却剂的温度 5 内置脉冲编码器电主轴有内置的脉冲编码器 在自动换刀以及刚性攻螺纹时 可以实现准确的相角控制以及与进给的配合 6 自动换刀装置加工中心用电主轴 还须配备自动换刀装置 包括碟形簧 拉刀油缸等 7 高速刀具的装卡方式常用的BT ISO刀具 已被实践证明不适合于高速加工 从而出现了HSK SKI等高速刀具 8 高频变频装置要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速 必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机 变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹 24 4 主轴部件的支承 数控机床的主轴轴承及其性能 25 数控机床主轴支承根据主轴部件的转速 承载能力及回转精度等要求来选用轴承 1 一般要求的中小型数控机床 如车床 铣床 加工中心 磨床 多数采用滚动轴承 2 重型数控机床采用液体静压轴承 3 高精度数控机床 如坐标磨床 采用气体静压轴承 4 超高速 转速达 2 10 万转 分 主轴可采用磁悬浮轴承或陶瓷滚珠轴承 26 数控机床主轴常用的几种滚动轴承 图a为锥孔双列圆柱滚子轴承 内圈为1 12的锥孔 当内圈沿锥形轴轴向移动时 内圈胀大 可以调整滚道间隙 特点 滚子数量多 两列滚子交错排列 因此承载能力大 刚性好 允许转速较高 但它对箱体孔 主轴颈的加工精度要求高 且只能承受径向载荷 图b为双列推力向心球轴承 接触角为60 这种轴承的球径小 数量多 允许转速高 轴向刚度较高 能承受双向轴向载荷 该种轴承一般与双列圆柱滚子轴承配套用作主轴的前支承 图c为双列圆锥滚子轴承 这种轴承的特点是内 外列滚子数量相差一个 能使振动频率不一致 因此 可以改善轴承的动态性能 轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷 通常用作主轴的前支承 图d为带凸肩的双列圆锥滚子轴承 这种轴承的结构和图c相似 特点是滚子被做成空心 故能进行有效润滑和冷却 此外 还能在承受冲击载荷时产生微小变形 增加接触面积 起到有效吸振和缓冲作用 a b c d 常用的主轴轴承 27 2 主轴轴承的配置1 轴承类型的配置 滚动轴承性能比较 图a前支承采用双列圆柱滚子轴承和接触角为60 的双列推力向心球轴承组合 可承受径向载荷和轴向载荷 后支承为成对的推力角接触球轴承 此配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高 可以满足强力切削的要求 普遍应用于各类数控机床 28 图b前轴承采用成组推力角接触球轴承 承受径向载荷和轴向载荷 后支承采用双列圆柱滚子 图8 9为其应用实例 这种配置具有良好的高速性能 主轴最高转速可达4000r min以上 主轴部件精度也较好 但它的承载能力比图8 16a的配置形式小 适用于高速 重载的主轴部件 图c前后丈承均采用成组角接触球轴承 以承受径向载荷和轴向载荷 这种配置适用于高速 轻载和精密的数控机床主轴 图d前支承为双列圆锥滚子轴承 承受径向载荷和轴向载荷 后支承为单列圆锥滚子轴承 这种配置可承受重载荷和较强的动载荷 安装与调整性能好 但是这种配置方式限制了主轴最高转速和精度 适用于中等精度 低速度与重载的数控机床的主轴 29 2 主轴轴承的精度等级 滚动轴承的精度有E级 高级 D级 精密级 C级 特精级 B级 超精级 四种等级 前轴承的精度一般比后轴承高一个精度等级 数控机床前支承通常采用B C级精度的轴承 后支承则常采用C D级 30 6 3数控机床的进给传动系统 一 进给传动系统的特点及基本型式 1 数控机床的进给传动系统的特点 1 摩擦阻力小进给系统中摩擦阻力主要来源是导轨和丝杠 改善导轨和丝杠结构使摩擦阻力减少是主要目标之一 2 传动系统的精度和刚度高导轨结构及丝杠螺母 蜗轮蜗杆的支承结构是决定传动精度和刚度的主要部件 应首先保证它们的加工精度以及表面质量 以提高系统的接触刚度 另外 加大滚珠丝杠的直径 对滚珠丝杠螺母副 支承部件进行预紧 对滚珠丝杠进行预拉伸等 都是提高传动系统刚度的有效措施 3 运动部件惯量小运动部件的惯量是影响进给系统加 减速特性 快速响应特性 的主要因素 尤其高速加工的数控机床 4 传动部件的间隙小在开环 半闭环进给系统中 传动部件的间隙直接影响进给系统的定位精度 在闭环系统中 它是系统的主要非线性环节 影响系统的稳定性 因此 在传动系统各环节 包括滚珠丝杠 轴承 齿轮 蜗轮蜗杆 甚至联铀器和键联接都必须采取相应的消除间隙的措施 31 2 数控机床进给传动系统的基本型式 1 通过丝杠 通常为滚珠丝杠或静压丝杠 螺母副 将伺服电动机的旋转运动变成直线运动 2 通过齿轮 齿条副或静压蜗杆蜗条副 将伺服电动机的旋转运动变成直线运动这种传动方式主要用于行程较长的大型机床上 3 直接采用直线电动机进行驱动直线电动机是近年来发展起来的高速 高精度数控机床最有代表性的先进技术之一 1 位置检测器 2 定子 3 转子 4 床身 5 8 辅助导轨 7 14 冷却板 6 初级 9 10 测量系统 11 拖链 12 17 导轨 13 次级 15 工作台 16 防护直线电动机及安装 32 二 丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母副结构原理图1 内滚道2 外滚道 结构特点是 在丝杠和螺母的圆弧螺旋槽之间装有滚珠作为传动元件 因而摩擦系数小 0 002 0 005 传动效率可达92 96 动 静摩擦系数相差小 不易产生爬行现象 在施加预紧后 轴向刚度好 传动平稳 无间隙 不易产生爬行 随动精度和定位精度都较高 运动具有可逆性 制造复杂 成本高 原理 当丝杠螺母相对运动时 滚珠在内外弧形螺纹形的滚道内滚动 为保持丝杠螺母连续工作 滚珠通过螺母上的返回装置完成循环 于是丝杆与螺母产生相对轴向运动 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 内循环方式指在循环过程中滚珠始终保持和丝杠接触 这种方式结构紧凑 但要求制造精度较高 外循环方式则在循环过程中滚珠与丝杠脱离接触 制造相对容易些 33 34 滚珠丝杠螺母副的支承型式 常用的滚珠丝杠螺母副的支承型式有以下几种一端固定 一端自由的支承方式 G Z方式 如图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 一端固定 一端游动的支承方式 G Y方式 如图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 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 35 两端支承方式 J J方式 如图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 两端固定的支承方式 G G方式 如图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 36 滚珠丝杠螺母副的支承轴承 图b是滚针 推力圆柱滚子轴承 它是由一个带向心和推力滚道的外圈 两个轴圈 一个内圈 一个向心滚针 两个推力圆柱滚珠等组成的完整单元 可以承受双向轴向载荷和径向载荷 装配后可以采用精密锁紧螺母预紧 可以承受很大的轴向力 也是一种专门用于滚珠丝杠的轴承 常用于作为滚珠丝杠支承的轴承主要有如图所示的两种 图a是双向推力角接触球轴承 它有一个整体的外圈和一个剖分式内圈 接触角为60 可以承受双向轴向载荷和径向载荷 装配后可以采用精密锁紧螺母预紧 它的轴向刚度高 可以承受很大的轴向力 是一种专门用于滚珠丝杠的轴承 与图a所示的结构相类似 采用外圈分离的两个以上60 推力角接触球轴承进行组合安装 也是数控机床常用的滚珠丝杠支承形式 37 滚珠丝杆螺母副与驱动电动机的连接形式 1 联轴器直接连接图6 21 图6 22 2 齿轮传动 3 同步齿形带连接图6 23 38 4 静压丝杠螺母副 静压丝杠螺母副是通过油压在丝杠和螺母的接触面之间 产生一层具有一定厚度和刚度的压力油膜 使丝杠和螺母之间由边界摩擦变为液体摩擦 当丝杠转动时通过油膜推动螺母直线移动 反之 螺母转动也可使丝杠直线移动 图6 24静压丝杆螺母副原理 39 静压丝杠螺母的特点是 1 摩擦系数很小 仅为0 0005 比滚珠丝杠 摩擦系数为0 002 0 005 的摩擦损失更小 因此 其起动力矩很小 传动灵敏 避免了爬行 2 油膜层可以吸振 提高了运动的平稳性 3 由于油液的不断流动 有利于散热和减少热变形 提高了机床的加工精度和光洁度 4 油膜层具有一定刚度 减小了反向间隙 5 油膜层介于螺母与丝杠之间 对丝杠的误差有 均化 作用 即可以使丝杠的传动误差小于丝杠本身的制造误差 6 承载能力与供油压力成正比 与转速无关 但静压丝杠螺母副应有一套供油系统 而且对油的清洁度要求高 如果在运动中供油忽然中断 将造成不良后果 40 三 回转工作台 数控回转工作台 实现绕X Y Z轴回转的圆周运动 通常为A B C轴 数控回转工作台的圆周运动包括分度运动和连续圆周进给运动两种 分度运动是在非切削时 回转工作台带动其上的工件在360 范围内进行分度旋转 将只能实现分度运动的回转工作台称为分度工作台 连续圆周进给运动 在切削时能与X Y Z轴进行联动 加工复杂的空间曲面 将能实现连续圆周进给运动的回转工作台称为数控回转工作台 数控回转工作台既能实现分度运动 又能实现连续圆周进给运动 因此在数控机床最为常用 数控回转工作台一般都采用伺服电动机驱动 蜗轮蜗杆副传动 其控制原理与直线进给轴相同 分度工作台的外形和数控回转工作台没有多大差别 但在结构上则具有各自的特点 分辨率小 定位精度高 运动平稳 动作迅速 转台刚性好是数控机床对回转工作台的基本要求 41 主要内容 数控回转工作台 42 四 机床导轨 导轨按接触面的摩擦性质可以分为滑动导轨 滚动导轨和静压导轨三种 其中 数控机床最常用的是镶粘塑料的滑动导轨和滚动导轨 滑动导轨滑动导轨具有结构简单 制造方便 刚度好 抗振性高等优点 是机床上使用最广泛的导轨形式 但普通的铸铁 铸铁 铸铁 淬火钢导轨 存在的缺点是静摩擦系数大 而且动摩擦系数随速度变化而变化 摩擦损失大 低速 1 60mm min 时易出现爬行现象等 降低了运动部件的定位精度 贴塑导轨是通过在滑动导轨面上镶粘一层由多种成分复合的塑料导轨软带 来达到改善导轨性能的目的 这种导轨的共同特点是 摩擦系数小 且动 静摩擦系数差很小 能防止低速爬行现象 耐磨性 抗撕伤能力强 加工性和化学稳定性好 工艺简单 成本低 并有良好的自润滑和抗振性 塑料导轨多与铸铁导轨或淬硬钢导轨相配使用 43 图 贴塑导轨的结构示意图 床身 滑板 镶条 软塑料带 压板 44 滚动导轨 滚动导轨是在导轨面之间放置滚珠 滚柱 滚针等滚动体 使导轨面之间的滑动摩擦变成为滚动摩擦 滚动导轨与滑动导轨相比的优点是 1 灵敏度高 且其动摩擦与静摩擦系数相差甚微 因而运动平稳 低速移动时不易出现爬行现象 2 定位精度高 重复定位精度可达0 2 m 3 摩擦阻力小 移动轻便 磨损小 精度保持性好 寿命长 但滚动导轨的抗振性较差 对防护要求较高 1 滚珠导轨这种导轨以滚珠作为滚动体 运动灵敏度好 定位精度高 但其承载能力和刚度较小 一般都需要通过预紧提高承载能力和刚度 为了避免在导轨面上压出凹坑而丧失精度 一般采用淬火钢制造导轨面 滚珠导轨适用于运动部件质量不大 切削力较小的数控机床 2 滚柱导轨这种导轨的承载能力及刚度都比滚珠导轨大 但对于安装的要求也高 安装不良 会引起偏移和侧向滑动 使导轨磨损加快 降低精度 目前数控机床 特别是载荷较大的机床 通常都采用滚柱导轨 3 滚针导轨滚针导轨的滚针比同直径的滚柱长度更长 滚针导轨的特点是尺寸小 结构紧凑 为了提高工作台的移动精度 滚针的尺寸应按直径分组 滚针导轨适用于导轨尺寸受限制的机床上 45 46 静压导轨 静压导轨的滑动面之间开有油腔 将有一定压力的油通过节流输入油腔 形成压力油膜 浮起运动部件 使导轨工作表面处于纯液体摩擦 不产生磨损 精度保持性好 同时摩擦系数也极低 0 0005 使驱动功率大大降低 低速无爬行 承载能力大 刚度好 此外 油液有吸振作用 抗振性好 其缺点是结构复杂 要有供油系统 油的清洁度要求高 图 开式静压导轨工作原理图 液压泵 溢流阀 过滤器 节流阀 运动导轨 床身导轨 47 五 数控机床进给系统的间隙消除1 滚珠丝杆螺母副的预紧 通过预紧可以消除传动系统中的间隙 保证换向精度和传动刚度是滚珠丝杠螺母副的特点 通常消除间隙的方法是采用左 右双螺母结构 双螺母消除间隙的结构主要有三种形式 垫片调隙式如图所示 调整垫片4厚度可通过改变左 右两个螺母间位移消除传动副的轴向间隙 它的结构简单 可靠性好 刚度高 装卸方便 但调整比较困难 图 垫片调整间隙法 单螺母 螺母座 调整垫片 48 齿差调隙式 如图所示 在两个螺母1 2的端面法兰上分别加工出外齿Z1和Z2 并各自装入对应的内齿圈3 4中 内齿圈通过螺钉固定在螺母座 套筒 5端面 通常两个外齿轮相差1齿 如Z1 100 Z2 99 当调整间隙时 将两个外齿轮从内齿圈中抽出并相对内齿圈分别同向转动一个齿 然后插回原内齿圈中 此时 两个螺母间产生的相对位移为 式中 P为丝杠的螺距 当P 10mm时 间隙的调整量为0 001mm 由此可见 此方法可实现