第8章数控机床的机械结构素材.ppt

第八章数控机床的机械结构 数控机床的机械结构一般由以下几部分组成 1 主传动系统 包括动力源 传动件及主运动执行件 如主轴 等2 进给传动系统 包括动力源 传动件及主运动执行件 如工作台 刀架 等3 基础支撑件 包括床身 立柱 导轨 工作台等4 辅助装置 包括自动换刀装置 液压气动系统 润滑冷却装置等 8 1概述 1 动 静刚度高机床的刚度是指在切削力和其他力的作用下的抗变性的能力 数控机床要在高速和重负荷条件下工作 机床的床身 底座 立柱 工作台 刀架等支撑件的变形都会直接或间接的引起刀架和工件之间的相对位移 从而引起工件的加工误差 机床应合理选择结构形式 合理安排结构布局 采用补偿变形措施和合理选用材料来提高支撑件的静刚度和动刚度 数控机床的结构特点 2 抗震性好机床工作时可能产生两种形态的振动 强迫振动和自激振动 数控机床在高速重切削情况下应无振动 以保证加工工件的高精度和高的表面质量 特别要注意的是避免切削时的自激振动 因此对数控机床的动态特性提出更高的要求 3 热稳定性好数控机床的热变形是影响加工精度的重要因素 引起热变形的热源主要是机床的内部热源 如电动机发热 摩擦热及切削热等 机床的热膨胀不均是影响刀具与工件正确位置的一个主要因素 机床的热稳定性好包括机床的温升小 产生温升后使温升对机床的变形影响小 机床产生热变形时对精度的影响较小 4 灵敏度高数控机床要求在相当大的进给速度范围内能达到较高的精度 因而运动部件应具有较高的灵敏度 导轨通常用滚动导轨 塑料导轨 静压导轨等以减小摩擦力 使其无低速爬行现象 工作台 刀架等部件的移动由伺服电机驱动 经过滚珠丝杠传动 减少了进给系统所需的驱动扭矩 提高定位精度和运动平稳性 5 自动化程度高 操作方便为了提高数控机床的生产率 必须最大限度的压缩辅助时间 如采用多主轴 多刀架 以及带到库的自动换刀装置等以减少换刀时间 对于多工序的自动换刀数控机床 除了要减少换刀时间外 还大幅度的压缩多次装卸工件的时间 几乎所有的数控机床都具备快速运动的功能 使空程时间缩短 主传动系统应当具有较大的调速范围以保证加工时能选用合理的切削用量 同时主传动系统还需要较高的精度及刚度 尽量降低噪声 从而获得最佳的生产率 加工精度和表面质量 8 2数控机床的主传动系统 8 2 1主传动系统配置方式数控机床的主传动系统多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系统 为了适应低速大扭矩的要求 也经常采用齿轮有机调速和电动机无级调速相结合的方式 这是大 中型数控机床采用较多的一种方式 这主要应用在小型数控机床上 这种主传动方式大大简化了主轴箱体结构 提高了主轴部件的刚度 变速齿轮传动 同步齿形带传动 主轴电机直接驱动 电主轴 一 主轴轴承的配置方式1 前支撑采用双列滚子轴承和双列角接触球轴承组合此配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高 可以满足强力切屑的要求 因此普遍应用于各类数控机床 2 前轴承采用多个高精度角接触球轴承角接触球轴承高速时性能良好 但是 它的承载能力小 因而适用于高速 轻载和紧密的数控车床 3 前轴承采用双列圆锥滚子轴承这种轴承径向和轴向刚度高 能承受重载荷 尤其能承受较强的动载荷 安装与调整性能也好 但是 这种轴承限制了主轴的最高转速和精度 因此使用中等精度 低速与重载的数控机床 8 2 2主轴组件结构 二 刀具自动装卸与切屑清除装置 刀夹 自动夹紧装置在带有刀库的数控机床中 为了实现刀具在的自动装卸 主轴内设有刀具自动夹紧装置 图5 11所示为自动换刀数控铣镗床的主轴部件 其主轴前端的7 24锥最孔用于装夹锥柄刀具或刀杆 刀具夹紧时 蝶形弹簧11通过拉杆7 双瓣卡爪5 在套筒14的作用下 将刀柄的尾端拉紧 当换刀时 在主轴上端油缸的上腔A通入压力油 活塞12的端部推动拉杆7向下移动 同时压缩蝶形弹簧11 当拉杆7下移到使双瓣卡爪5的下端移出套筒14时 在弹簧6的作用下 卡爪张开 喷气头13将刀柄顶松 刀具即可由机械手拔除 待机械手将新刀装入后 油缸10的下腔通入压力油 活塞12向上移 蝶形弹簧伸长将拉杆7和双瓣卡爪5拉着向上 双瓣卡爪5重新进入套筒14 将刀柄拉紧 活塞12移动的二个极限位置都有相应的行程开关 LS1 LS2 作用 作为刀具松开和夹紧的回答信号 数控铣镗床的主轴部件1 调整半环 2 3182120型锥孔双列圆柱滚子轴承 3 2268120型双向向心球轴承 4 9 调整环 5 双瓣卡爪 6 弹簧 7 拉杆 8 46115型向心推力球轴承 10 油缸 11 碟型弹簧 12 活塞 13 喷气头 14 套筒 刀杆尾部拉紧结构 一 进给传动系统作用数控机床的进给传动系统负责接受数控系统发出的脉冲指令 并经放大和转换后驱动机床运动执行件实现预期的运动 二 对进给传动系统的要求为保证数控机床高的加工精度 要求其进给传动系统有高的传动精度 高的灵敏度 响应速度快 工作稳定 有高的构件刚度及使用寿命 小的摩擦及运动惯量 并能清除传动间隙 8 3数控机床的进给传动系统 8 3 1进给传动系统简介 电机 支承 丝杠 螺母 1 步进伺服电机伺服进给系统一般用于经济型数控机床 2 直流伺服电机伺服进给系统功率稳定 但因采用电刷 其磨损导致在使用中需进行更换 一般用于中档数控机床 3 交流伺服电机伺服进给系统应用极为普遍 主要用于中高档数控机床 4 直线电机伺服进给系统无中间传动链 精度高 进给快 无长度限制 但散热差 防护要求特别高 主要用于高速机床 三 进给传动系统种类 数控机床的机械进给装置中常采用齿轮传动副来达到一定的降速比和转矩的要求 由于齿轮在制造中总是存在着一定的误差 不可能达到理想齿面的要求 因此一对啮合的齿轮 总应有一定的齿侧间隙才能正常地工作 齿侧间隙会造成进给系统的反向动作落后于数控系统指令要求 形成跟随误差甚至是轮廓误差 对闭环系统来说 齿侧间隙也会影响系统的稳定性 因此 齿轮传动副常采用各种消除侧隙的措施 以尽量减小齿轮侧隙 数控机床上常用的调整齿侧间隙的方法针对不同类型的齿轮传动副有不同的方法 8 3 2齿轮传动副 1 直齿圆柱齿轮传动间隙的消除 1 偏心轴套调整法如图所示 齿轮 装在电动机轴上 调整偏心轴套 可以改变齿轮 和 之间的中心距 从而消除齿侧间隙 1 齿轮2 偏心套3 齿轮 轴向垫片调整法 锥度齿轮调整法 如图所示将一对齿轮 和 的轮齿沿齿宽方向制成小锥度 使齿厚在齿轮的轴向稍有变化 调整时改变垫片 的厚度就能改变齿轮 和 的轴向相对位置 从而消除齿侧间隙 1 直齿圆柱齿轮传动间隙的消除 2 双片齿轮错齿调整法图示是双片齿轮周向可调弹簧错齿消隙结构 两个相同齿数的薄片齿轮1和2与另 个宽齿轮啮合 两薄片齿轮可相对回转 在两个薄片齿轮1和2的端面均匀分布着四个螺孔 分别装上凸耳3和8 齿轮1的端面还有另外四个通孔 凸耳可以在其中穿过 弹簧4的两端分别钩在凸耳3和调节螺钉7上 通过螺母5调节弹簧4的拉力 调节完后用螺母6锁紧 弹簧的拉力使薄片齿轮错位 即两个薄齿轮的左右齿面分别贴在宽齿轮齿槽的左右齿面上 从而消除了齿侧间隙 1 直齿圆柱齿轮传动间隙的消除 3 2 斜齿轮传动消除间隙 1 基本思想斜齿轮传动消除侧隙的方法与直齿圆柱齿轮传动中双片薄齿轮消除间隙的思路相似 也是用两个薄片齿轮和一个宽齿轮啮合 只是通过不同的方法使两个薄片齿轮沿轴向移动合适的距离后 相当于两薄片斜齿圆柱齿轮的螺旋线错开了一定的角度 两个齿轮与宽齿轮啮合时分别负责不同的方向 正向和反向 起到消除侧隙的作用 2 斜齿轮传动消除间隙 2 轴向垫片错齿调整法如图所示是斜齿轮垫片错齿消隙结构 宽齿轮4同时与两个相同薄片齿轮1和2啮合 薄片齿轮由平键和轴联接 互相不能相对回转 斜齿轮1和2的齿形拼装后一起加工 并与键槽保持确定的相对位置 装配时在两薄齿轮之间装入厚度为 的垫片3 使薄片齿轮1 2的螺旋线产生错位 其左右两齿面分别与宽齿轮4的齿贴紧 消除齿侧间隙 2 斜齿轮传动消除间隙 3 轴向压簧调整法如图所示是斜齿轮轴向压簧错齿消除间隙结构 该结构消隙原理与轴向垫片调整法相似 所不同的是利用齿轮2右面的弹簧压力使两个薄片齿轮产生相对轴向位移 从而它们的左 右齿面分别与宽齿轮的左右齿面贴紧 以消除齿侧间隙 图a采用的是压簧 图b采用的是碟形弹簧 为了提高进给系统的灵敏度 定位精度和防止爬行 必须要降低数控机床进给系统的摩擦并减少静 动摩擦系数之差 因此 行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副 滚珠丝杠的静 动摩擦系数实际上几乎没有什么差别 它可以消除反向间隙并施加预载 有助于提高定位精度和刚度 滚珠丝杠由专门工厂制造 8 3 3滚珠丝杠螺母副 工作原理和特点 滚珠丝杆螺母副由于在丝杆和螺母之间放入了滚珠 使丝杆与螺母间变为滚动摩擦 因而大大地减小了摩擦阻力 提高了传动效率 图示为滚珠丝杆副的结构示意图 丝杆 和螺母 上均制有圆弧型面的螺旋槽 将它们装在一起便形成了螺旋滚道 滚珠 在其间既自转又循环滚动 1 丝杠2 滚道3 螺母4 滚珠 工作原理和特点 滚珠丝杠螺母副的优点传动效率高 摩擦损失小滚珠丝杆螺母副的传动效率 0 92 0 96 可实现高速运动 运动平稳无爬行由于摩擦阻力小 动 静摩擦系数之差极小 故运动平稳 不易出现爬行现象 传动精度高 反向时无空程 滚珠丝杆副经预紧后 可消除轴向间隙 磨损小 精度保持性好 使用寿命长 具有运动的可逆性可以将旋转运动转换成直线运动 也可将直线运动转换成旋转运动 即丝杆和螺母均可作主动件或从动件 工作原理和特点 滚珠丝杠螺母副的缺点由于结构复杂 丝杆和螺母等元件的加工精度和表面质量要求高 故制造成本高 由于不能自锁 特别是垂直安装的滚珠丝杆传动 会因部件的自重而自动下降 当部件向下运动且切断动力源时 由于部件的自重和惯性 不能立即停止运动 因此必须增加制动装置 结论由于其优点显著 虽成本较高 仍被广泛应用在数控机床上 2 结构类型 外循环滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杆螺母间重新进入循环 图示为常见的外循环结构形式 在螺母外圆上装有螺旋形的插管口 其两端插入滚珠螺母工作始末两端孔中 以引导滚珠通过插管 形成滚珠的多圈循环链 这种形式结构简单 工艺性好 承载能力较高 但径向尺寸较大 目前应用最为广泛 也可用于重载传动系统中 2 结构类型 内循环靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道 使滚珠成单圈循环 如图所示 反向器 的数目与滚珠圈数相等 这种形式结构紧凑 刚度好 滚珠流通性好 摩擦损失小 但制造较困难 适用于高灵敏 高精度的进给系统 不宜用于重载传动中 3 滚珠丝杆副间隙的调整 为了保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度 必须消除滚珠丝杆螺母副轴向间隙 消除间隙的方法常采用双螺母结构 利用两个螺母的相对轴向位移 使每个螺母中的滚珠分别接触丝杆滚道的左右两侧 用这种方法预紧消除轴向间隙时 预紧力一般应为最大轴向负载的l 3 当要求不太高时 预紧力可小于此值 3 滚珠丝杆副间隙的调整 双螺母垫片消隙式此种形式结构简单可靠 刚度好 应用最为广泛 在双螺母间加垫片的形式可由专业生产厂根据用户要求事先调整好预紧力 使用时装卸非常方便 垫片调整法 端部加垫片 图例 3 滚珠丝杆副间隙的调整 螺纹调隙式如图所示 利用一个螺母上的外螺纹 通过圆螺母调整两个螺母的相对轴向位置实现预紧 调整好后用另一个圆螺母锁紧 这种结构调整方便 且可在使用过程中 随时调整 但预紧力大小不能准确控制 3 滚珠丝杆副间隙的调整 齿差消隙式如图所示 在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮 分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合 其齿数分别为Z1 Z2 并相差一个齿 调整时 先取下内齿圈 让两个螺母相对于套筒同方向都转动一个齿 然后再插入内齿圈 则两个螺母便产生相对角位移 其轴向位移量为 式中Z1 Z2为齿轮的齿数 t为滚珠丝杠的导程 例如 z1 81 z2 80 滚珠丝杠的导程为t 6mm时 s 6 6480 0 001mm 4 滚珠丝杆副的支承方式 一端装止推轴承 固定 自由式 如图a所示 这种安装方式的承载能力小 轴向刚度低 仅适应于短丝杆 一端装止推轴承 另一端装深沟球轴承 固定 支承式 如图b所示 滚珠丝杆较长时 一端装止推轴承固定 另一端由深沟球轴承支承 为了减少丝杆热变形的影响 止推轴承的安装位置应远离热源 4 滚珠丝杆副的支承方式 两端装推力轴承 单推 单推式或双推 单推式 如图c所示 这种方式是对丝杠进行预拉伸安装 这样做的好处是 减少丝杠因自重引起的弯曲变形 在推力轴承预紧力大于丝杠最大轴向载荷1 3的条件下 丝杠拉压刚度可提高四倍 丝杠不会因温升而伸长 从而保持丝杠的精度 两端装双重止推轴承及深沟球轴承 固定 固定式 如图d所示 为提高刚度 丝杆两端采用双重支承 如止推轴承和深沟球轴承 并施加预紧拉力 使丝杠具有较大的刚度 8 4 1导轨导轨是进给系统的重要环节 是机床基本结构的要素之一 机床加工精度和使用寿命很大程度上取决于机床导轨的质量 对导轨的要求 高的导向精度 良好的精度保持性 良好的摩擦特性 运动平稳 高灵敏度 寿命长 8 4数控机床的导轨与回转工作台 1 滑动导轨摩擦特性好 耐磨性好 运动平稳 工艺性好 速度较低 近年来出现了新型的塑料滑动导轨 贴塑导轨和注塑导轨 2 滚动导轨摩擦系数小 运动轻便 位移精度和定位精度高 耐磨性好 抗震性较差 结构复杂 防护要求较高 摩擦系数小 效率高 能长期保持导轨的导向精度 承载油膜有良好的吸振性 但结构复杂 需配供油系统 油的清洁度要求高 多用于重型机床 3 静压导轨 8 4 2回转工作台 1 回转工作台工作特点 数控机床的圆周进给由回转工作台完成 称之为数控机床的第四轴 回转工作台可以与 三个坐标轴联动 从而加工出各种曲面和曲线等复杂的形状 回转工作台对于自动换刀多工序的加工中心是必备的部件 数控回转工作台主要用于数控镗床和铣床 其外形和通用机床分度工作台相似 但它的驱动是伺服系统的驱动方式 数控回转工作台图例 2 回转工作台的锁紧与松开 当工作台静止时 必须处于锁紧状态 为此 在蜗轮底部的辐射方向装有 对夹紧瓦 和 并在底座 上均布着同样数量的小液压缸 当小液压缸的上腔接通压力油时 活塞 便压向钢球8 撑开夹紧瓦 并夹紧蜗轮 在工作台需要回转时 先使小液压缸的上腔接通回油路 在弹簧 的作用下 钢球 抬起 夹紧瓦将蜗轮松开 3 回转工作台的圆周进给运动 工作台的回转运动通过电液脉冲马达 经齿轮减速 由蜗杆 传给蜗轮 为了消除蜗杆副的传动间隙 采用了双螺距渐厚蜗杆 通过移动蜗杆的轴向位置来调整间隙 这种蜗杆的左右两侧面具有不同螺距 因此蜗杆齿厚从头到尾逐渐增厚 但由于同一侧的螺距是相同的 所以仍然可保持正常的啮合 分度工作台特点 分度工作台只能完成分度运动 不能实现圆周进给 分度工作台的分度只限于某些特定的角度 定销式分度工作台的定位分度主要靠工作台的定位销和定位孔实现 分度的角度取决于定位孔在圆周上的分布数量 数控机床分度工作台 定销式分度工作台图例 2 基本组成 工作部分分度工作台 1 矩形工作台 10 上底座 21 定位部分定位销 7 定位孔衬套 6 马蹄形环行槽等 夹紧部分锁紧液压缸 8 锁紧液压缸活塞 11 顶起部分中央液压缸 17 传动及支承部分双列圆柱滚子轴承 14 滚针轴承 19 推力圆柱滚子轴承 20 齿轮 9 等 3 工作原理 1 分度前的准备工作 CNC发出分度指令 夹紧液压缸 8 上腔回油 液压缸活塞 11 在弹簧的作用下复位 分度工作台 1 放松 中央液压缸 17 下腔进油 中央液压缸活塞 16 上升 由螺栓 15 下端带动推力轴承 20 上升处于工作状态 由螺栓 15 上端带动分度工作台 1 上升使得定位销 7 和套 6 分离 3 工作原理 2 分度CNC再发指令 液压马达回转 大齿轮 9 回转 带动工作台回转分度 接近目标位置时 第一个行程开关动作 工作台减速 第二个行程开关动作 工作台准停 新的定位销正好对准定位套 工作台定位夹紧中央液压缸 17 上腔回油 分度工作台靠自重回位 夹紧液压缸 8 上腔进油将工作台夹紧 1 作用 实现绕X Y Z轴的圆周进给运动2 种类 数控回转工作台 数控分度工作台 数控回转工作台 数控分度头 一 自动换刀装置的作用自动换刀装置可帮助数控机床节省辅助时间 并满足在一次安装中完成多工序 工步加工要求 二 对自动换刀装置的要求数控机床对自动换刀装置的要求是 换刀迅速 时间短 重复定位精度高 刀具储存量足够 所占空间位置小 工作稳定可靠 8 5数控机床的换刀装置 上一页 下一页 三 换刀形式1 回转刀架换刀其结构类似普通车床上回转刀架 根据加工对象不同可设计成四方或六角形式 由数控系统发出指令进行回转换刀 2 更换主轴头换刀各主轴头预先装好所需刀具 依次转至加工位置 接通主运动 带动刀具旋转 该方式的优点是省去了自动松夹 装卸刀具 夹紧及刀具搬动等一系列复杂操作 缩短了换刀时间 提高了换刀可靠性 3 使用刀库换刀将加工中所需刀具分别装于标准刀柄 在机外进行尺寸调整之后按一定方式放入刀库 由交换装置从刀库和主轴上取刀交换 上一页 下一页 自动换刀装置中 实现刀库与主轴间传递和装卸刀具的装置为刀具交换装置 刀具交换方式常有两种 采用机械手交换刀具和由刀库与机床主轴的相对运动交换刀具 刀库移至主轴处换刀或主轴运动到刀库换刀位置换刀 其中以机械手换刀最为常见 上一页 下一页 四 刀具交换装置 刀库远离主轴 常常要附加运输装置 来完成刀库与主轴之间刀具的运输 为了缩短换刀时间 可采用带刀库的双主轴或多主轴换刀系统 刀库装在机床的工作台上 这种换刀装置 直接利用机床本身及