数控机床PPT课件

机械工业出版社 数控机床 进给传动的系统要求 2 2 1 2 2数控机床进给传动系统 滚珠丝杠副 2 2 2 齿轮间隙的消除机构 2 2 3 回转工作台 2 2 4 导轨 2 2 5 1 定义 是将伺服电动机的旋转运动变为工作台直线运动的整个机械传动链 主要由 2 组成 传动机构 运动变换机构 导向机构 执行件组成进给传动系统即进给驱动装置 是伺服进给系统的主要组成部分 数控机床的进给运动是数字控制的直接对象 因此被加工工件的轮廓精度和位置精度都要受到进给运动传动精度 灵敏度和稳定性的直接影响 2 2 1进给传动的系统要求 3 数控机床对进给传动系统的要求有以下几点 1 摩擦阻力要小 2 传动刚度要高 3 转动惯量要小 4 谐振频率要高 5 传动间隙要小数控机床一般采用低摩擦传动副 保证传动元件的加工精度 采用合理的预紧 合理的支承形式 选用最佳降速比 以提高机床的分辨率 并使系统折算到驱动轴上的惯量减少 尽量消除传动间隙 减少反向死区误差 提高位移精度等 2 2 1进给传动的系统要求 1 滚珠丝杠副的工作原理滚珠丝杠副 俗称滚珠丝杠螺母副 是一种在丝杠与螺母间装有滚珠作为中间元件的丝杠副 是机床上常用的运动变换机构 将旋转运动变换成直线运动 2 2 2滚珠丝杠副 2 与传统的滑动丝杠螺母副比较 滚珠丝杠副具有以下优点 1 传动效率高 可实现高速运动 2 摩擦阻力小 运动平稳 不易出现爬行现象 3 传动精度高 反向时无空程 4 磨损小 精度保持性好 使用寿命长 5 具有运动的可逆性 但是滚珠丝杠副的缺点是 制造成本高 不能自锁 2 2 2滚珠丝杠副 2 2 2滚珠丝杠副 2 2 2滚珠丝杠副 2 2 2滚珠丝杠副 2 2 2滚珠丝杠副 2 2 2滚珠丝杠副 3 滚珠丝杠的螺纹滚道法向截面形状有多种形式 常见的有单圆弧和双圆弧两种不同的形状 2 2 2滚珠丝杠副 2 2 2滚珠丝杠副 2 2 2滚珠丝杠副 4 滚珠丝杠螺母副的结构类型滚珠丝杠螺母副按滚珠循环方式可分为以下两种 1 外循环滚珠在循环过程结束返回过程中 与丝杠脱离接触 通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环为外循环 特点 结构 制造工艺简单 使用广泛 适应于总载 但是滚道处接缝不平 平稳性不佳易卡珠 2 2 2滚珠丝杠副 如图2 18b所示为螺旋槽式 在螺母外圆上铣出螺旋槽 槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切 形成返回通道 结构比插管式结构径向尺寸小 但制造较复杂 2 2 2滚珠丝杠副 2 内循环滚珠在循环过程中 始终与丝杠接触称为内循环 如图2 19所示 在螺母的侧孔中装有圆柱凸健式反向器 其上的S形槽 将相邻的螺纹滚道联接起来 使滚珠成单圈循环 一般一个螺母上装有2 4个反向器 反向器沿螺母圆周等分分布 反向器的数目与滚珠圈数相等 这种类型的结构紧凑 径向尺寸小 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 2 2 2滚珠丝杠副 2 2 2滚珠丝杠副 2 2 2滚珠丝杠副 5 滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法轴向间隙 丝杠与螺母无相对运动时 丝杠和螺母间最大轴向窜动 除结构本事游隙 还包括施加轴向载荷后的弹性变形 1 双螺母垫片调隙通过修磨垫片的厚度使左 右两螺母产生轴向位移 即可消除间隙和产生预紧力 2 2 2滚珠丝杠副 这种方法结构简单 刚性好 拆装方便 但调整时需要卸下调整垫圈修磨 很难在一次修磨中调整完毕 滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧 因此调整精度也不是很好 2 2 2滚珠丝杠副 图2 20垫片调隙式1 左螺母2 垫片3 右螺母4 丝杠 2 2 2滚珠丝杠副 2 螺纹调隙右侧螺母外端有凸缘 左侧螺母外端没有凸缘 制有螺纹 它伸出套筒外 并用两个圆螺母固定 滚珠丝杠左右两螺母副以平键与外套相联 用平键限制螺母在螺母座内的转动 旋转圆螺母时 即可消除轴向间隙 并可达到产生预紧力的目的 调整好后再用另一个圆螺母把它锁紧 2 2 2滚珠丝杠副 图2 21螺纹调隙式1 锁紧螺母2 圆螺母3 左螺母4 右螺母5 平键 2 2 2滚珠丝杠副 3 齿差调隙式在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮 齿数分别为z1和z2 z2 z1 1 分别与固紧在套筒两端的内齿圈啮合 调整时 先取下内齿圈 然后根据间隙的大小使两个螺母分别在相同方向转过一个或几个齿 让两个螺母相对于套筒方向都转动一个或几个齿 然后再插入内齿圈 由于两个螺母产生了相对角位移 使螺母在轴向彼此移近了相应的距离 2 2 2滚珠丝杠副 2 2 2滚珠丝杠副 图2 22双螺母齿差调隙式 4 单螺母变位螺距预加负荷近年来出现了单螺母消除间隙的滚珠丝杠螺母副 使用范围正在扩大 结构如图2 23所示 将螺母的内螺纹滚道在中部的一圈上产生一个轴向 L0的导程突变量 从而使两列滚珠在轴向错位实现预紧 2 2 2滚珠丝杠副 图2 23单螺母变位螺距预紧 2 2 2滚珠丝杠副 6 滚珠丝杠的支承结构常用的滚珠丝杠的支承形式有以下四种 如图2 24所示 图2 24滚珠丝杠在机床上的支承形式 2 2 2滚珠丝杠副 1 一端装推力轴承 固定 自由式 如图2 24a所示 该种安装支承方式适用于短丝杠 承载力小 轴向刚度小 2 一端装推力轴承 另一端装深沟球轴承 固定 支承式 如图2 24b所示 该种安装支承方式适用于丝杠较长的情况 热变形造成丝杠伸长时 其一端固定 另一端可以做微量的轴向浮动 3 两端装推力轴承如图2 24c所示 该种安装支承方式可以提高轴向刚度 但对丝杠的热变形较为敏感 4 两端装推力轴承及深沟球轴承 固定 固定式 如图2 24d所示 该种安装支承方式两端均采用双重支承并施加预紧力 可以使丝杠具有较大的刚度 但对推力轴承的承载力和支承刚度要求较高 2 2 2滚珠丝杠副 5 滚珠丝杠的制动滚珠丝杠不能自锁 因此需要制动装置 尤其是在垂直传动或高速大惯量场合时 电磁制动器是最常见的制动方式 图2 25是FANUC公司伺服电动机电磁制动器的示意图 这种制动器装在电动机壳内 与电动机形成一体化结构 数控机床工作时 在电磁圈7电磁力的作用下 外齿轮8与内齿轮9脱开 弹簧受压缩 当停机或停电时 在弹簧作用下 齿轮8 9啮合 内齿轮9与电动机端盖为一体 从而与电动机轴联接的丝杠得到制动 2 2 2滚珠丝杠副 2 2 2滚珠丝杠副 图2 25FANUC公司伺服电动机电磁制动器1 旋转变压器2 测速发电动机转子3 测速发电动机电子4 电刷5 永久磁铁6 伺服电动机转子7 电磁线圈8 外齿轮9 内齿轮 图2 26所示为数控卧式铣镗床主轴箱进给丝杠的制动装置示意图 当机床工作时 电磁铁线圈4 通电吸住压簧3 打开摩擦离合器5 此时步进电动机1接收控制系统的指令脉冲后 通过液压转矩放大器及减速齿轮2带动滚珠丝杠6转动 电磁铁线圈4断电时 在压簧3作用下摩擦离合器5压紧 使得滚珠丝杠不能自由转动 主轴箱7就不会因自重而下沉了 超越离合器也可用作滚珠丝杠的制动装置 2 2 2滚珠丝杠副 2 2 2滚珠丝杠副 图2 26电磁式摩擦离合器制动装置示意图1 步进电动机2 减速齿轮3 压簧4 电磁铁线圈5 摩擦离合器6 滚珠丝杠7 主轴箱 6 滚珠丝杠的保护滚珠丝杠副可用润滑来提高耐磨性及传动效率 润滑剂分为润滑油及润滑脂两大类 润滑油一般用全损耗系统用油 90 180号透平油或140号主轴油 润滑脂可采用锂基油脂 润滑脂加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内 而润滑油通过壳体上的油孔注入螺母空间内 2 2 2滚珠丝杠副 1 齿隙补偿机构数控机床进给系统由于经常处于自动变向状态 齿侧间隙会造成进给系统每一次反向之后就会使运动滞后于指令信号 并产生反向死区从而影响加工精度 因此必须采取措施消除齿轮传动中的间隙 2 2 3齿轮间隙的消除机构 1 直齿圆柱齿轮传动副消除间隙的方法1 偏心套调整法 图2 27a所示为偏心套式消除间隙结构 电动机2通过偏心套1安装到机床壳体上 通过转动偏心套1 使电动机2中心轴线的位置向上移动 就能方便地调整两啮合齿轮的中心距大小 从而消除齿侧间隙 这是一种刚性调整方法 调整之后齿侧间隙不能自动补偿 这类调整方法要求严格控制齿轮的齿厚及齿距公差 否则传动的灵活性将受到影响 但这类方法调整的齿轮有较好的传动刚度 而且结构比较简单 2 小锥齿轮轴向垫片调整法 如图2 27b所示 具有小锥度的齿轮啮合 可以通过调整垫片4的厚度 使齿轮副3的其中一个沿轴向移动 从而消除两齿轮的齿侧间隙 2 2 3齿轮间隙的消除机构 2 2 3齿轮间隙的消除机构 图2 27圆柱齿轮间隙的几种调整结构1 偏心套2 电动机3 齿轮4 垫片 3 双片薄齿轮错齿调整法 图2 28a所示是一种双片薄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与另一个宽齿轮啮合 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4个螺孔 分别装上凸耳3和8 薄片齿轮1的端面还有另外4个通孔 凸耳8可以在其中穿过 弹簧4的两端分别钩在凸耳3和螺钉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 即两个双片齿轮的左 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 图2 28b是另一种双片薄齿轮周向弹簧错齿消隙结构 薄片齿轮1和2套装在一起 每片齿轮各开有两条周向通槽 在齿轮的端面上装有短柱3 用来安装弹簧4 装配时使弹簧4具有足够的拉力 使两个薄片齿轮的左 右面分别与宽齿轮的左 右面贴紧 以消除齿侧间隙 2 2 3齿轮间隙的消除机构 2 2 3齿轮间隙的消除机构 图2 28双片薄齿轮错齿消除间隙结构a 结构一b 结构二1 2 薄片齿轮3 8 凸耳或短柱4 弹簧5 6 螺母7 螺钉 2 斜齿圆柱齿轮传动副消除间隙的方法1 垫片调整图2 29为斜齿轮垫片调整法 其原理与错齿调整法相同 斜齿1和2的齿形拼装在一起加工 装配时在两薄齿轮之间装入厚度为t的垫片4 使两薄片齿轮分别与宽齿轮3的左 右齿面贴紧 消除间隙 垫片4厚度t与齿侧间隙 的关系可用下式表示 式中 为螺旋角 垫片厚度一般由测试法确定 一般要经过几次修磨 这种结构的齿轮承载能力较小 且不能自动补偿消除间隙 2 2 3齿轮间隙的消除机构 2 2 3齿轮间隙的消除机构 图2 29斜齿轮轴向垫片消除间隙结构1 薄片齿轮2 薄片齿轮3 宽齿轮4 垫片 2 斜齿轮轴向压簧错齿调整法 如图2 30所示 该结构的消隙原理与轴向垫片调整法相似 所不同的是利用薄片斜齿轮2右面的弹簧压力使两个薄片齿轮产生相对轴向位移 从而使它们的左 右齿轮面分别与宽齿轮的左 右齿面贴紧 以消除齿侧间隙 图2 30a采用的是压簧 图2 30b采用的是碟形弹簧 这种结构的特点是齿侧间隙可以自动补偿 始终保持无间隙的啮合 但这种结构轴向尺寸较大 结构不紧凑 只适合于负载较小的场合 第二章数控机床的典型系统 2 2 3齿轮间隙的消除机构 第二章数控机床的典型系统 2 2 3齿轮间隙的消除机构 图2 30斜齿轮轴向压簧错齿消除间隙结构1 2 薄片斜齿轮3 弹簧4 宽齿轮5 螺母 3 锥齿轮传动副消除间隙的方法1 锥齿轮轴向压簧调整法 如图2 31所示 两个啮合着的锥齿轮1和2 传动轴5上装有压簧3 锥齿轮1在弹簧力的作用下可稍作轴向移动 从而消除间隙 螺母4可以调节弹簧力的大小 第二章数控机床的典型系统 2 2 3齿轮间隙的消除机构 第二章数控机床的典型系统 2 2 3齿轮间隙的消除机构 图2 31锥齿轮轴向压簧消除间隙结构1 2 锥齿轮3 压簧4 螺母5 传动轴 2 锥齿轮周向弹簧调整法 将一对啮合锥齿轮中的一个齿轮做成大小两片 在大片上制有三个圆弧槽 而在小片的端面上制有三个凸爪 凸爪伸入大片的圆弧槽中 利用一个弹簧使大小片锥齿轮稍微错开 消除间隙 第二章数控机床的典型系统 2 2 3齿轮间隙的消除机构 第二章数控机床的典型系统 图2 32锥齿轮周向弹簧调整法 2 2 3齿轮间隙的消除机构 4 齿轮齿条传动副消除间隙的方法当大型数控机床工作台的行程很大时 其进给运动不宜采用滚珠丝杠副来实现 常采用齿轮齿条来实现 图2 33所示为齿轮齿条消除间隙结构 进给运动由轴2输入 通过两对斜齿轮将运动传给轴1和3 然后由两个直齿轮4和5去传动齿条 带动工作台移动 由于轴2上两个斜齿轮的螺旋线方向相反 因此使轴2轴向移动 则斜齿轮产生微量的轴向移动 轴1和轴3便以相反的方向转过微小的角度 使齿轮4和5分别与齿条的两齿面贴紧 从而消除间隙 第二章数控机床的典型系统 2 2 3齿轮间隙的消除机构 第二章数控机床的典型系统 图2 33齿轮齿条消除间隙结构1 2 3 轴4 5 齿轮 2 2 3齿轮间隙的消除机构 2 键联接间隙补偿机构数控机床进给传动装置中 齿轮等传动件与轴键的配合间隙 如同齿侧间隙一样 也会影响工件的加工精度 需将其消除 图2 34a为双键联接结构消除间隙 用紧定螺钉顶紧消除键的联接间隙 图2 34b为楔形销键联接结构 用螺母拉紧楔形销以消除键的联接间隙 第二章数控机床的典型系统 2 2 3齿轮间隙的消除机构 第二章数控机床的典型系统 图2 34键联接间隙的消除方法1 键2 紧定螺钉3 楔形销 2 2 3齿轮间隙的消除机构 第二章数控机床的典型系统 图2 35所示为一种可获得无间隙传动的无键联接结构 内锥形胀套6和外锥形胀套4是一对相互配研 接触良好的弹性锥形胀套 当拧紧螺钉 通过两个圆环将它们压紧时 内锥形胀套的内孔缩小 外锥形胀套的外圆胀大 依靠摩擦力将传动件和轴联接在一起 锥形胀套的对数 根据所需传递的转矩大小 可以是一对或几对 2 2 3齿轮间隙的消除机构 第二章数控机床的典型系统 图2 35无键联接结构1 轴2 螺钉3 圆环4 外弹性锥形膨胀5 传动件6 内弹性锥形胀套 2 2 3齿轮间隙的消除机构 2 2 4回转工作台 数控工作台 数控机床承载加工零件的平面 也是数控机床一个进给运动的零件 对于三坐标轴以上的数控机床 除X Y Z三个坐标轴直线进给运动外 往往还有绕X Y Z轴的旋转圆周进给运动或分度运动 定义 带有可转动的台面 用以装夹工件并实现分度定位和回转的机床附件 简称转台或第四轴 分类 直线工作台回转工作台回转工作台回 分度工作台数控回转工作台 2 2 4回转工作台 2 2 4回转工作台 2 2 4回转工作台 1 分度工作台只能将工件转位换面 和自动换刀装置配合使用 实现工件一次安装能完成几个面的多种工序 提高工作效率 精度保证 采用专门定位元件保证功能 完成一定角度回转分度运动分类 定位销式分度工作台鼠齿盘式分度工作台 2 2 4回转工作台 2 2 4回转工作台 图2 36齿盘定位分度工作台1 螺旋弹簧2 推力球轴承3 4 蜗杆副5 6 齿轮副7 螺钉8 活塞9 工作台10 11 推力球轴承12 升降 夹紧液压缸13 上齿盘14 下齿盘 2 2 4回转工作台 2 数控回转工作台功能 完成工件的连续回转进给和任意角度的分度 分类 开环数控回转工作台闭环数控回转工作台数控回转工作台分为开环和闭环两种 其区别在于闭环数控转台有转动角度的测量元件 例如圆光栅 圆感应同步器等 并且测量的结果经反馈与指令值进行比较 根据其差值不断控制运动 进行误差修正 使数控回转工作台分度精度更高 2 2 4回转工作台 2 2 4回转工作台 2 2 4回转工作台 图2 37开环数控回转工作台结构图 2 闭环数控回转工作台闭环数控回转工作台的结构与开环数控回转工作台大致相同 不同的是具备有转动角度的测量元件 圆光栅或感应同步器 测量元件测量的结果经反馈与指令值进行比较 按闭环原理进行工作 使回转工作台分度精度更高 2 2 4回转工作台 2 2 4回转工作台 图2 38闭环数控回转工作台结构图 3 数控可倾斜回转工作台图2 39所示为烟台环球机床附件集团有限公司生产的TK14A系列数控可倾斜回转工作台 该转台采用高精度组合轴承 刚性好精度高 主轴带有大通孔结构 可以用于完成细长零件加工 使用双导程蜗杆 能精确调整涡轮蜗杆间隙 采用了耐磨合金铜蜗轮和合金钢淬硬蜗杆精加工的蜗杆副 可以提高转台的抗耐磨能力和精度 2 2 4回转工作台 2 2 4回转工作台 图2 39TK14A系列数控可倾斜回转工作台 数控机床常用的导轨按其接触面间摩擦性质的不同可分为滑动导轨和滚动导轨 1 滑动导轨直线滑动导轨常见的截面形状如图2 40 常用的直线导轨截面形状有矩形 三角形 燕尾形及圆形 2 2 5导轨 2 2 5导轨 图2 40滑动导轨常见的截面形状a 矩形导轨b 三角形导轨c 燕尾槽导轨d 圆柱形导轨 在数控机床上 滑动导轨的组合形式主要是三角形配矩形式和矩形配矩形式 只有少部分结构采用燕尾式 图2 41为双矩形导轨 双矩形导轨是用侧边导向 当采用一条导轨的两侧边导向时称为窄式导向 图2 41a 若分别采用两条导轨的两个侧面边导向则称为宽式导向 图2 41b 窄式导向制造容易 受热变形影响小 2 2 5导轨 2 2 5导轨 图2 41窄式导向与宽式导向 为了进一步减少导轨的磨损和提高运动性能 近年来又出现了新型的塑料滑动导轨 目前 贴塑导轨常用的塑料基体复合材料为聚四氟乙烯 PTFE 软带 聚四氟乙烯软带是以聚四氟乙烯 PTFE 为基体 添加青铜粉二硫化钼和石墨等多种填料所构成的复合材料 在油润滑状态下 其摩擦因数约为0 06 使用寿命为普通铸铁导轨的8 10倍 由于塑料导轨软带较软 容易被硬物刮伤