第2章数控机床高教社-周文玉等主编的数控加工技术课件

第章数控机床,教学内容：2.1数控机床的工作原理及组成2.2数控机床的分类2.3数控机床的机械结构,2.1数控机床的工作原理及组成,2.1.1数控机床的工作原理零件图数控系统机床首先由编程人员按照零件的几何形状和加工工艺要求将加工过程编成加工程序。数控系统读入加工程序后，将其翻译成机器能够理解的控制指令，再由伺服系统将其变换和放大后驱动机床上的主轴电机和进给伺服电机转动，并带动机床的工作台移动，实现加工过程。数控系统实质上是完成了手工加工中操作者的部分工作,2.1.1数控机床的工作原理,数控加工原理数控装置发出一个进给脉冲对应的机床坐标轴的位移量称为数控机床的最小位移单位。根据机床的精度不同，常用的脉冲当量有0.01mm,0.005mm,0.001mm等。在高精度数控机床上，可以达到0.0005mm,0.0001mm甚至更小。,2.1.2数控机床的组成,图：数控机床的组成,控制介质,定义：要对机床进行控制，就必须在人与数控机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物就是控制介质，又称信息载体。作用：用于记载各种加工信息，如零件加工的工艺过程、工艺参数等，以控制机床的运动，实现零件的机械加工。,显示器和键盘,计算机数控系统,数控系统是数控机床的核心作用：数控装置从内部存储器中取出或接受控制介质输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置它的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。,计算机数控装置,下页,上页,返回,进给伺服驱动系统,作用：把来自数控装置的位置控制移动指令转变成机床工作部件的运动，使工作台按规定轨迹移动或精确定位，加工出符合图样要求的零件。组成：驱伺服电机、动控制系统、驱动系统与反馈装置、组成。,伺服驱动器和伺服电机,机床本体,数控机床的机床本体与传统机床相似，只是在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面发生了很大的变化。,机床本体部件,滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，它是利用螺旋面的升角使旋转运动变为直线运动，是数控机床的丝杠螺母副最常见的一种形式。它的结构特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠，作为中间传动元件，以减少摩擦。工作原理如图所示。在丝杠和螺母1上都加工有半圆弧形的螺旋槽，把它们套装在一起边形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道b，将螺旋滚道的两端连接在一起构成封闭的循环滚道，在滚道内装满滚珠。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自传又沿滚道循环转动，从而迫使螺母（或丝杠）轴向移动。,滚珠丝杠副的原理图,滚珠丝杠副的优点,（1）传动效率高：机构效率（0.92-0.96）比滑动丝杠（0.20-0.40）高3-4倍。（2）摩擦力小：与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3，微进给可能，不会出现爬行现象，滚珠丝杠螺母副的动（静）摩擦系数基本相等。（3）可预紧（4）可逆性（5）使用寿命长,辅助控制系统,作用：接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。辅助控制装置包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启停，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。,可编程控制器PLC,下页,上页,返回,检测反馈装置,作用：检测反馈装置将数控机床各坐标轴的实际位移检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置中。数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按指令设定值运动。测量装置安装在数控机床的工作台或丝杠上，相当于普通机床的刻度盘和人的眼睛。,2.2数控机床的分类,1.按加工方式分类2.按运动轨迹分类3.按伺服控制方式分类4.按控制的联动坐标数分类5.按控制系统的功能水平分类,2.2数控机床的分类,.按加工方式分类.金属切削类数控机床这类数控机床包括数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床和数控齿轮加工机床以及加工中心。切削类数控机床发展最早，种类繁多，功能差异也很大，这里特别要强调的是加工中心，也就是可以自动换刀的数控机床，一个刀库可容纳10-100把刀。.金属成形类数控机床包括数控压力机、数控冲床、数控弯管机、数控折弯机以及数控旋压机等，能完成各种金属成形工艺的机床.特种加工类如数控线切割机、数控电火花成形机、数控火焰切割机和数控激光加工机等。.其它类型的数控机床如三坐标测量机等,2.2.2按运动控制轨迹分类,1.点位控制数控机床2.直线控制数控机床3.轮廓控制数控机床,2.2.3按伺服系统的类型分类11.开环控制数控机床,2.半闭环数控系统,半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。,位置控制调节器,速度控制调节与驱动,检测与反馈单元,位置控制单元,速度控制单元,+,+,-,-,CNC插补指令,实际位置反馈,实际速度反馈,3.全闭环数控系统,全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。,2.2.4按控制的联运坐标数分类,二轴联动二轴半联动三轴联动四轴联运加工中心五轴联动加工中心,2.3数控机床的机械结构,1.数控机床机械结构的组成、特点及要求2.数控机床的总体布局3.数控机床的主传动系统4.数控机床的进给传动系统5.数控机床的导轨,2.3数控机床机械结构2.3.1数控机床机械结构的组成、特点及要求基础支承件：床身、底座、立柱、导轨及滑座；主传动系统（主轴）；进给传动系统：工作台或刀架；辅助功能部件：气动、润滑、冷却、排屑、防护系统自动换刀装置；自动托盘交换装置；特殊功能装置：刀具破损监控、精度检测等。,刀架,床身,主轴箱,高精度导轨,滚珠丝杠,床座,尾座,数控机床机械结构,熟悉加工中心的机械结构,K静刚度（N/mm）,Kd动刚度（N/mm）,l频率比，l=w/w0,w0机床结构系统的固有频率（Hz）,w激振力的振动频率（Hz）,z阻尼比,因此：使固有频率远离激振力频率，同样频率比的条件下，静刚度大，则动刚度大，提高阻尼比，动刚度增高。,3.数控机床机械结构的基本要求(1)高的结构钢度提高静态刚度可以提高构件或系统的固有频率，从而避免发生共振。提高静态刚度有利于改善系统的动态刚度。,由上式可知，机床的动刚度与静刚度、激振频率与固有频率的比值、及阻尼比有关。当=1时，即两种频率相等时，为共振状态，动刚度最小。当1时，即激振频率远比固有频率大时，动刚度随着的加大而增加。,1）合理选择构件的结构形式,形状相同的断面，当保持相同的截面积时，应减小壁厚，加大截面的轮廓尺寸；圆形截面的抗扭刚度比方形截面的大，抗弯刚度则比方形截面的小；封闭式截面的刚度比不封闭式截面的刚度大很多；,1）合理选择构件的结构形式；（1）正确选择截面的形状和尺寸,（2）合理选择及布置隔板和筋条,(e)交叉筋板的作用最好,（3）选用钢板焊接结构的构件,机床的床身、立柱等支承件，采用钢板和型钢焊接而成，具有减轻重量提高刚度的显著优点。钢的弹性模量约为铸铁的2倍，在形状与轮廓尺寸相同的前提下，如要求焊接件与铸件的刚度相同，则焊接件壁厚只需铸件的一半；如果要求局部刚度相同，则因局部刚度与壁厚的三次方成正比，所以焊接件的壁厚只需铸件壁厚的80%左右。,避免主轴箱的自重引起立柱的弯曲和扭转变形。,2）合理的结构布局,如果能够测出着力点的相对变形的大小和方向，或者预知构件的变形规律，就可以采取相应的措施来补偿变形以消除它的影响，其结果相当于提高了机床的刚度。,3）构件变形补偿,2、高的结构抗振性,机床的抗振性：机床工作时抵抗由冲击载荷所引起振动的能力，采用动刚度衡量。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。机床的抗振性：抵抗这两种振动的能力。,1）强迫振动振源：高速转动零部件的动态不平衡力，往复运动件的换向冲击力，周期变化的切削力以及外部的振动等。,结构动刚度,交变力幅值,强迫振动振幅,结构动柔度,2）自激振动,由于切削力不是稳态值，切削力的变化通过机床的弹性结构系统，使刀具与工件的相对位置也发生相应的变化，从而使得切削过的表面产生新的波纹，这个变化又使切削力进一步发生变化，如此反复交变和加强，就产生了自激振动的过程。,3）提高机床抗振性的措施,增加阻尼方面的措施基础件内腔填充泥芯、混凝土；表面阻尼涂层；采用新材料制造基础件；采用减振焊缝。,3.小的机床的热变形,影响机床热变形的热源主要是机床的内部热源。热变形影响加工精度的原因：主要是由于热源分布不均匀；热源产生的热量不等；各处零部件的质量不均。形成各部位的温升不一致，从而产生不均匀的温度场和不均匀的热膨胀变形，以致影响刀具与工件的正确相对位置。,(1)改进计机床的结构及布局(2)采用预拉伸的滚珠丝杆结构(3)控制温升,(4)进行热变形补偿,(4)高的运动精度与良好的低速平稳性,什么是低速爬行现象？降低执行部件的质量；减少动静摩擦系数之差；提高传动系统的传动刚度。,4.高的运动精度与良好的低速平稳性与普通机床不同，数控机床工作台的位移量是以脉冲当量作为它的最小单位，它常常以极低的速度运动，并且数控机床通过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它同时要求在相当大的进给速度范围内都能达到较高的精度，因此运动部件应具有较高的灵敏度，这就要求导轨副的摩擦特性好，高速进给时不振动，低速进给时不爬行，耐磨性好，灵敏度高，能在重载下长期连续工作。现代数控机床上主要使用塑料滑动导轨、滚动导轨、静压导轨。,5、减少辅助时间，改善操作性,便于操作的机床结构,2.3.2、数控机床布局特点,1、数控车床的整体布局结构,倾斜床身布局的数控车床特点：1.热稳定性；2.运动精度；3.加工工艺性;4.操作、防护、排屑能力,49,2、加工中心的布局结构特点(1).卧式加工中心,50,(2)立式加工中心,2020年6月7日9时52分,51,(3)五面加工中心与多坐标加工中心,2.3.3数控机床的主传动系统,1.数控机床主传动系统的要求1）数控机床主传动要有较宽的调速范围并尽可能实现无级变速。2)主轴系统应具有足够高的转速和足够大的功率。3)主轴应有很高的回转精度，同时要求有足够高的刚度、抗振及良好的热稳定性。4)主轴准停控制功能。5)安装位置检测装置,2.数控机床主传动系统的参数,(1)主轴转速和变速范围(2)主传动的功率、扭矩特性在基速以下为恒转矩区域1，而在基速以上为恒功率区域2。,.数控机床主传动的形式,1.二级齿轮变速主传动,2）同步齿形带传动,3）电机直接带动主轴旋转,结构紧凑、传动效率高；主轴的转速和扭矩与电机完全一致；低速性能的改善是其广泛应用的关键。,4）采用主轴电机直接驱动（一体化主轴，电主轴）,主轴轴承常见的支撑形式(a)形式一；(b)形式二；(c)形式三,1、主轴轴承的支撑形式,1）前支撑采用双列短圆柱滚子轴承和60角接触双列向心推力球轴承组合，后支撑采用成对向心推力球轴承。可提高主轴的综合刚度，满足强力切削的要求。普遍用于各类数控机床主轴。,4.数控机床的主轴部件,2）前支撑采用高精度双列向心推力球轴承。向心推力轴承有良好的高速性，主轴最高转速可达4000rmin，但承载能力小，适于高速、轻载、高精密的数控机床主轴。3）前后支撑分别采用双列和单列圆锥滚子轴承。径向和轴向刚度高，能承受重载荷，其安装、调整性能好，但限制了主轴转速和精度，因此可用于中等精度、低速、重载的数控机床的主轴。,4主轴定向准停装置主轴准停功能又称主轴定位功能，即主轴停止时，控制其停在固定的位置。这是换刀所必需的功能，因为每次换刀时都要保证刀具锥柄处的键槽对准主轴上的端面键，也要保证在精镗孔完毕退刀时不会划伤已加工表面。准停装置分为机械式和电气式两种。现代的数控机床一般都采用电气式主轴准停装置，只要数控系统发出指令信号主轴就可以准确的定向。,1）机械准停控制采用机械凸轮机构或光电盘方式进行粗定位，然后有一个液动或气动的定位销插入主轴上的销孔或销槽实现精确定位，完成换刀后定位销退出，主轴才开始旋转。结构复杂，在早期数控机床上使用较多。,典型的V形槽轮定位盘机械准停原理示意图,2）电气准停控制,永久磁铁与磁传感器在主轴上的位置,磁传感器主轴准停控制在主轴上安装一个永久磁铁与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹12mm处固定一个磁传感器，它经过放大器并与主轴控制单元相连接，当主轴需要定向时，便可停止在调整好的位置上。,编码器主轴准停控制原理图,编码器主轴准停控制通过主轴电动机内置安装的位置编码器或在机床主轴箱上安装一个与主轴1：1同步旋转的位置编码器来实现准停控制，准停角度可任意设定。,2.3.4数控机床的进给系统及部件,1.数控机床进给传动系统的要求(1)减小摩擦阻力(2)提高传动精度和刚度(3)减小运动惯量(4)具有适度的阻尼(5)稳定性好及寿命长,1、工作原理与特点,滚珠丝杠副结构原理,2滚珠丝杠螺母副,(2)滚珠丝杠螺母副循环方式,外循环式滚珠丝杠结构,1)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杠螺母间重新进入循环。结构简单，工艺性好，承载能力较高，但径向尺寸较大。应用最为广泛，也可用于重载传动系统。,2）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。反向器2的数目与滚珠圈数相等。结构紧凑，刚度好，滚珠流通性好，摩擦损失小，制造较困难，适用于高灵敏、高精度的进给系统。,内循环式滚珠丝杠结构,（3）滚珠丝杠副轴向间隙的调整（1）垫片调隙式如图2-43所示，在螺母处放入一垫片，调整垫片厚度使左右两个螺母产生方向相反的位移，则两个螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上，即可消除间隙和产生预紧力。这种方法结构简单，刚性好，但调整不便，滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧，调整精度不高，仅适用于一般精度的数控机床。,图2-43垫片调隙式,（2）齿差调隙式如图2-44所示，在两个螺母的凸缘上加工有圆柱外齿轮，分别与紧固在套筒两端的内齿圈相啮合，左右螺母不能转动。两螺母凸缘齿轮的齿数分别为Z1和Z2，且相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于螺母座同方向都转动一个齿或多个齿，然后在插入内齿圈并紧固在螺母座上，则两个螺母便产生角位移，使两个螺母轴向间距改变，实现消除隙和预紧。设滚珠丝杠的导程为t,两个螺母相对于螺母座同方向转动一个齿后，其轴向位移量为：,图2-44齿差调隙式,例如，Z1=99，Z2=100，滚珠丝杠的导程t=10mm时，则S=10/99000.001mm，若间隙量为0.002mm,则相应的两螺母沿同方向转过两个齿即可消除间隙。齿差调隙式的结构较为复杂，尺寸较大，但是调整方便，可获得精确的调整量，预紧可靠不会松动，适用于高精度传动。,（2）螺纹调隙式如图2-45所示，左螺母外端有凸缘，右螺母右端加工有螺纹，用两个圆螺母1、2把垫片压在螺母座上，左右螺母通过平键和螺母座连接，使螺母在螺母座内可以轴向滑移而不能相对转动。调整时，拧紧圆螺母1使右螺母向右滑动，就改变了两螺母的间距，即可消除间隙并产生预紧力，然后用螺母2锁紧。这种调整方法结构简单紧凑，工作可靠，调整方便，应用较广，但调整预紧量不能控制。,图2-45螺纹调隙式,(4)滚珠丝杆的支承形式,图-6滚珠丝杠在机床上的支承方式,图2-47滚珠丝杠专用轴承,另外有一种滚珠丝杠专用轴承，如图5-22所示。这是一种特殊的向心推力滚珠轴承，它的轴向承载能力很大，其接触角加大到60，增加了滚珠数目并相应减小了滚珠直径，它的轴向刚度比一般推力轴承提高两倍以上，启动力矩也小，使用也很方便，装配时只要用螺母和端盖将内外环压紧，就能获得出厂时已经调好的预紧力。,3、静压丝杠螺母副,摩擦损失小、传动效率高、传动灵敏、避免了爬行现象；油膜可以吸振，抗振性能较好；油膜具有一定的刚度，减少了反向间隙；油液不断流动，有利于散热和减少热变形。静压丝杠螺母副结构复杂；需要一套过滤精度高的压力供油装置，故成本高。在重型数控机床的进给机构中广泛采用。,静压丝杠螺母副的特点,4.齿轮齿条副,图5-25预加负载双齿轮齿条无间隙传动机构,进给电动机的运动传递给轴2，轴2上有两个斜齿轮且螺旋方向相反，轴2的运动又分别传至轴1和轴3，轴1上的齿轮4和轴3上的齿轮5都和床身齿条啮合。对轴2施加轴向力（可在端部设有加载弹簧，通过调整螺母施加轴向力，也可靠液压加负载），使轴2上的斜齿轮产生微量的轴向移动，由于轴2上的两个斜齿轮的螺旋方向相反，因此轴1和轴3便以相反的方向转过微小角度，使齿轮4和5分别与齿条齿槽的左右侧面贴紧而消除了间隙。,1、直齿圆柱齿轮传动副消除间隙的方法1）偏心套调整法,偏心套消除间隙结构,5.传动间隙补偿,2）锥度齿轮轴向垫片调整法,锥度齿轮轴向垫片消除间隙结构,3)双齿轮错齿调整这种调整法结构较复杂，传动刚度低，不宜传递大扭矩，对齿轮的齿厚和齿距要求较低，可始终保持啮合无间隙，尤其适用于检测装置。,1）斜齿轮轴向垫片调整法薄片斜齿轮1和2的齿形拼装在一起加工，装配时在两薄片齿轮间装入已知厚度为t的垫片3，这样螺旋线便错开了，使两薄片斜齿轮分别与宽齿轮4的左、右齿面贴紧，从而消除间隙。承载能力较小，且不能自动补偿消除间隙，属刚性消除间隙的范畴。,斜齿轮轴向垫片消除间隙结构,2、斜齿圆柱齿轮传动副消除间隙的方法,2）斜齿轮轴向压簧错齿调整法轴向尺寸较大，只适合于负载较小的场合。,斜齿轮轴向压簧错齿消除间隙结构,1）锥齿轮周向弹簧调整法,锥齿轮周向弹簧消除间隙结构,3)锥齿轮传动副消除间隙的方法,锥齿轮轴向压簧消除间隙结构,2）锥齿轮轴向压簧调整法,2)键联接间隙补偿机构,1、对导轨的要求,2.3数控机床进给传动系统,2.3.5数控机床的导轨,1）高的导向精度。2）良好的耐磨性。3）足够的刚度。4）具有低速运动的平稳性。,2、滑动导轨,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,在矩形和三角形导轨中，M面主要起支撑作用，N面是保证直线移动精度的导向面，J面是防止运动部件抬起的压板面；而在燕尾形导轨中，M面起导向和压板作用