数控机床的典型结构与伺服系统.ppt

第二章数控机床的典型结构与伺服系统,2.1数控机床机械结构的组成,1）静刚度和动刚度高合理选择构件的结构形式，如基础件采用封闭的完整箱体结构；合理选择及布局隔板和筋条，尽量减小接合面，提高部件间接触刚度等；合理进行结构布局；采取补偿构件变形的结构措施。2）抗振性高强迫振动和自激振动是机床工作时可能产生的两种形态的振动。机床的抗振性指的是抵抗这两种振动的能力。3）灵敏度高,一、数控机床机械结构特点,4）热变形小在数控机床结构布局设计中可考虑尽量采用对称结构（如对称立柱等），进行强制冷却（如采用空冷机），使排屑通道对称布置等措施。5）自动化程度高，操作方便,数控机床机械结构的组成,1主传动系统它包括动力源、传动件及主运动执行件主轴等，其功用是将驱动装置的运动及动力传给执行件，以实现主切削运动。2进给传动系统它包括动力源、传动件及进给运动执行件工作台（刀架）等，其功用是将伺服驱动装置的运动与动力传给执行件，以实现进给切削运动。3基础支承件它是指床身、立柱、导轨、滑座、工作台等，它支承机床的各主要部件，并使它们在静止或运动中保持相对正确的位置。4辅助装置该装置视数控机床的不同而异。如自动换刀系统、液压气动系统、润滑冷却装置等。,2.2数控机床的进给系统,一、对进给系统机械传动机构的要求数控机床进给系统的机械传动机构是指将电动机的旋转运动传递给工作台或刀架以实现进给运动的整个机械传动链，包括齿轮传动副、丝杠螺母副，（或蜗杆蜗轮副）及其支承部件等。为了保证数控机床进给系统的定位精度和静态、动态性能，设计进给机械传动机构，应该着重考虑以下几方面的要求：1高的传动刚度进给传动系统的刚度主要取决于丝杠螺母副（直线运动）或蜗轮蜗杆副（回转运动）及其支承部件的刚度。刚度不足与摩擦阻力一起会导致工作台产生爬行现象以及造成反向死区，影响传动准确性。缩短传动链，合理选择丝杠尺寸以及对丝杠螺母副及支承部件等预紧是提高传动刚度的有效措施。2.低的摩擦进给传动系统要求运动平稳，定位准确，快速响应特性好，因此，必须减小运动件的，摩擦阻力和动、静摩擦因数之差。这除了与导轨有关外，在进给系统中还普遍采用了滚珠丝杠副，静压丝杠副。,3小的惯量进给系统由于经常需进行起动、停止、变速或反向，若机械传动装置惯量大，会增大负载并使系统动态性能变差。因此在满足强度与刚度的前提下，应尽可能减小运动执行部件的重量以及各传动元件的直径和重量，以减小惯量。4消除传动间隙机械间隙是进给系统降低传动精度、刚度和造成进给系统反向死区的主要原因之一，因此对传动链的各个环节，包括：联轴器、齿轮副、丝杠螺母副、蜗杆蜗轮副及其支承部件等均应采用消除间隙的措施。,2.2数控机床的进给系统,2.2数控机床的进给系统,2.2.1滚珠丝杠螺母副（一）工作原理和特点1.工作原理滚珠丝杠螺母副是在丝杠和螺母之间放入滚珠，丝杠与螺母间成为滚动摩擦的传动副。图所示为滚珠丝杠副的结构示意图。丝杠1和螺母3上均制有圆弧形面的螺旋槽，将它们装在一起便形成了螺旋滚道，滚珠4在其间既自转又循环滚动。,2特点与普通丝杠螺母副相比，滚珠丝杠螺母副具有以下优点：（1）摩擦损失小，传动效率高滚珠丝杠螺母副的摩擦因数小仅为0.0020.005；传动效率=0.920.96，比普通丝杠螺母副高34倍；功率消耗只相当于普丝杠传的1/41/3，所以发热小，可实现高运动。（2）运动平稳无爬行由于摩擦阻力小，动、静摩擦力之差极小，故运动平稳，不易出现爬行现象。（3）可以预紧，反向时无空程滚珠丝杠副经预紧后，可消除轴间隙，因而无反向死区，同时也提高了传动刚度和传动精度。（4）磨损小精度保持性好，使用寿命长。（5）具有运动的可逆性由于摩擦因数小，不自锁，因而不仅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，即丝杠和螺母均可作主动件或从动件。,2.2数控机床的进给系统,2.2数控机床的进给系统,滚珠丝杠副的缺点是：（1）结构复杂，丝杠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。（2）不能自锁，特别是在用作垂直安装的滚珠丝杠传动，会因部件的自重而自动下降，当向下驱动部件时，由于部件的自重和惯性，当传动切断时，不能立即停止运动，必须增加制动装置。由于滚珠丝杠螺母副优点显著，所以被广泛应用在数控机床上。,2.2数控机床的进给系统,（二）结构类型滚珠丝杠螺母副按滚珠循环方式可分为两种：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。图5-61（a）所示为常用的一种形式。在螺母外圆上装有螺旋形的插管。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锭，如图5-61（b）所示。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，可用于重载传动系统中。滚珠的一个循环链为1列，外循环常用的有单列、双列两种结构，每列有2.5圈或3.5圈。,2.2数控机床的进给系统,2内循环靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚珠形成单圈循环，即每列二圈，如图5-62所示。反向器2的数目与滚珠圈数相等。一般一螺母上装24个反向器，即有24列滚珠。这种形式结构紧凑，刚性好，滚珠流通性好，摩擦损失小，但制造较困难，承载能力不高，适用于高灵敏、高精度的进给系统，不宜用于重载传动中。,（三）滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动，可以通过预紧方法消除。滚珠丝杠螺母副的预紧是通过改变两个螺母的相对位置，使每个螺母中的滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧实现的。通过预紧可以消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙和提高轴向刚度。,2.2数控机床的进给系统,常用的预紧方式有以下三种（1）双螺母垫片式预紧此种形式结构简单可靠、刚性好，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。,（2）双螺母螺纹式预紧如图所示，利用一个螺母上的外螺纹，通过圆螺母1调整两个螺母1，2的相对轴向位置实现预紧，调整好后用另一个圆螺母2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）双螺母齿差式预紧如图所示，在两个螺母的凸缘上分别切出齿数差为1的齿轮，两个齿轮分别与两端相应的内齿圈相啮合，内齿圈用螺钉紧固在螺母座上。,通过转动其中一个螺母，使两螺母的相互位置发生变化，以调整间隙和施加预紧力。调整时，先脱开一个内齿圈，转动螺母，然后再合上内齿圈。如其中一个螺母转过一个齿时，其轴向位移量为S=tZ1；（t为丝杠螺距、Z1为齿轮齿数）。如两个齿轮沿同一方向各转过一个齿时，其轴向相对位移量：,（四）滚珠丝杠的安装,丝杠的支承和螺母座的刚性、以及与机床的连接刚性，对进给系统的传动精度影响很大。为了提高丝杠的轴向承载能力，最好采用高刚度的推力轴承，当轴向载荷很小时，也可采用向心推力轴承。其支承方式有下列几种：1一端装推力轴承，另一端自由如图5-69（a）所示，此种支承方式的轴向刚度低，承载能力小，只适用于短丝杠。如数控机床的调整环节或升降台式数控铣床的垂直进给轴等。,2一端装推力轴承，另一端装向心球轴承如图（b）所示，此种方式可用于丝杠较长的情况。为了减少丝杠热变形的影响，热源应远离推力轴承一端。,3两端装推力轴承如图（c）所示，两个方向的推力轴承分别装在丝杠两端，若施加预紧力，可以提高丝杠轴向传动刚度，但此支承方式对丝杠的热变形敏感。,4两端均装双向推力轴承如图（d）所示，丝杠两端均采用双向推力轴承和向心轴承或向心推力球轴承，可以施加预紧力。这种方式可使丝杠的热变形转化为推力轴承的预紧力。此支承方式适用于刚度和位移精度要求高的场合，但是结构复杂。,（五）滚珠丝杠螺母副的防护,滚珠丝杠副常用防尘密封圈和防护罩密封圈。机床密封圈装在滚珠螺母的两端。接触式的弹性密封圈系用耐油橡皮或尼龙等材料制成，其内孔制成与丝杠螺纹滚道相配合的形状。接触式密封圈的防尘效果好，但因有接触压力，使摩擦力矩略有增加。非接触式的密封圈系用聚氯乙烯等塑料制成，其内孔形状与丝杠螺纹滚道相反，并略有间隙，非接触式密封罔又称为迷宫式密封圈。,防护罩。机床滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘或切屑污物进入，因此必须装有防护装置。如果滚珠丝杠副在机床上外露，则应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带妻管、伸缩套管以及折叠式套管等。,2.2.2联轴器,1、套筒联轴器套筒联轴器属于刚性联轴器，它通过联轴套连接两轴，所连接两轴的直径可以相同，也可以不相同，联轴套与轴之间可以通过销连接传递转矩，也可以通过键连接或花键连接传递转矩。套筒联轴器结构简单，制造方便，成本低，占用径向尺寸小，但是装配和拆卸都不方便。套筒联轴器适用于低速、轻载、工作平稳的连接。,2、凸缘联轴器属于刚性联轴器，是把两个带有凸缘的半联轴器用普通平键分别与两轴连接，然后用螺栓把两个半联轴器连成一体，以传递运动和转矩。,3、挠性联轴器在大扭矩，宽调速直流电机及传递扭矩较大的步进电机的传动机构中，与丝杠之间可采用直接连接的方式。不仅可简化结构，减少噪声，而且对减少间隙，提高传动刚度也有好处。,2.2.3齿轮传动副的消隙措施,数控机床的机械进给装置中常用齿轮传动副来达到一定的传动比和转矩要求。由于齿轮的制造中不可能达到理想齿面的要求，总是存在着一定的误差，因此一对啮合齿轮，总应有一定的齿侧间隙才能正常地工作。但是齿侧间隙会造成进给系统的反向矢动量，对闭环系统来说，齿侧间隙也会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常用各种消除侧隙的措施，以尽量减小齿轮侧隙。齿轮传动副的消隙措施：,1刚性调整法刚性调整法调整后齿侧间隙不能自动补偿，因此，对齿轮齿厚和周节公差应有严格的要求，否则会影响传动的灵活性。这种调整方法结构较简单，且有较好的传动刚度，但调整较费时。,（1）偏心轴套调整法如图5-77所示，齿轮1装在电动机轴上，调整偏心轴套2可以改变齿轮1和3之间的中心距，从而消除齿侧间隙。,（2）轴向垫片调整法图5-78所示将一对齿轮1和2的轮齿沿齿宽方向制成稍带锥度，改变垫片3的厚度就改变了齿轮1和2的轴向相对位置，从而消除齿侧间隙。图5-79所示，两个薄片斜齿轮3和4套在带键的轴上，靠改变垫片2的厚度使齿轮3和4的左右齿面分别与宽斜齿轮1的齿槽左、右侧面靠紧，达到既消除齿侧间隙又能使齿轮灵活转动的要求。这种调整法无论正、反向回转，均只有一个薄齿轮承受载荷，故齿轮承载能力较小。,2柔性调整法这种调整法一般都采用调整弹簧弹力的方法消除齿侧间隙，因而调整之后齿侧间隙仍可自动补偿，在齿轮的齿厚和周节有变化的情况下，也能保持无间隙啮合。但这种调整法结构较复杂，传动刚度低，传动平稳性也差。,（1）轴向压簧调整法图5-80所示，两个薄片斜齿轮1和2靠螺母5调节弹簧3的轴向压力，使齿轮1和2的左、右齿面分别与宽斜齿轮6齿槽的左、右齿面贴紧。弹簧力调整应适当，使它能承受扭矩，否则消除不了间隙，但弹簧力过大则齿轮磨损过快。,（2）周向弹簧调整法图5-81所示采用了可调拉力弹簧调隙。在两个薄片齿轮1和2上分别装上耳座3和8。弹簧4的一端钩在耳座3上，另一端钩在耳座的螺钉7上。用螺母5调节螺钉7的伸出长度即可调整弹簧的弹力。调整好后再用螺母6锁紧。弹簧的弹力使薄齿轮1和2的左、右齿面分别与宽齿轮的齿槽左、右侧面贴紧，消除了齿侧间隙。对于圆锥齿轮传动，也可以采用类似于圆柱齿轮的消除间隙方法。,图5-82是压力弹簧消除间隙的结构。它将一个大锥齿轮加工成1和2两部分，齿轮的外圈1上带有三个周向圆弧槽8，齿轮的内圈2的端面带有三个凸爪4，套装在圆弧槽内。弹簧6的两端分别顶在凸爪4和镶块7上，使内外齿圈的锥齿错位，起到了消除间隙的作用。为了安装的方便，用螺钉5将内外齿圈相对固定，安装完毕之后将螺钉卸去。,3双齿轮传动调整法工作行程很长的大型数控机床通常采用齿轮齿条来实现进给运动。进给力不大时，可以采用类似于圆柱齿轮传动中的双薄片齿轮结构，通过错齿的方法来消除间隙。当进给力较大时，通常采用双齿轮的传动结构。图5-83是这种消除间隙方法的原理图。进给运动由轴2输入，通过两对斜齿轮将运动传给轴1和轴3，然后由两个直齿轮对和5去传动齿条，带动工作台移动。轴2上两个斜齿轮的螺旋线的方向相反。如果通过弹簧在轴2上作用一轴向力F，使斜齿轮产生微量的轴向移动，这时轴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，消除了间隙。,2.2.4数控机床常用导轨,一、对导轨的基本要求机床导轨的功用即为导向和支承，也就是支承运动部件（如刀架，工作台等）并保证运动部件在外力作用下能准确沿着规定方向运动。因此，导轨的精度及其性能对机床加工精度，承载能力等有着重要的影响。所以导轨应满足以下几方面的基本要求：,1较高的导向精度导向精度是指机床的胸部件沿导轨移动时与有关基面之间的相互位置的准确性。无论在空载或切削加工时，导轨均应有足够的导向精度。影响导向精度的主要因素是导轨的结构形式，导轨的制造和装配质量，以及导轨和基础件的刚度等。2良好的精度保持性精度保持性是指导轨在长期使用中保持导向精度的能力。影响精度保持性的主要因素是导轨的磨损、导轨的结构及支承件（如床身、立柱）材料的稳定性。,3良好的摩擦特性运动部件在导轨上低速运动或微量位移时，运动应平稳，无爬行现象。这一要求对数控机床尤其重要，这就要求导轨的摩擦因数要小，动、静摩擦因数的差值尽量小，还要有良好的摩擦阻尼特性。此外，导轨还要结构简单，工艺性好，便于加工、装配、调整和维修。,2、导轨的基本类型及特点按能实现的运动形式不同，导轨可分为直线运动导轨和回转运动导轨数