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文档简介

1、第五章 数控机床的机械结构,基础大件 主传动系统 进给系统 刀具系统 辅助结构,1,学习幻灯,5.1 对数控机床结构的基本要求 5.2 主传动系统 5.3 进给传动系统 5.4 换刀装置,2,学习幻灯,5.1 对数控机床结构的基本要求,动、静刚度高,热变形小,传动灵敏,人性化,3,学习幻灯,1.数控机床应具有更高的静、动刚度 机床的刚度是指机床结构抵抗变形的能力。 静刚度:根据机床所受载荷性质的不同,机床在 静态力(重力、机构之间的相互作用 力等)作用下所表现的刚度称为机床 的静刚度; 动刚度:在动态力(切削力)作用下所表现的刚 度称为动刚度。 影响机床刚度的主要因素是: 各构件、部件本身的刚

2、度以及相互间的接触刚度,4,学习幻灯,提高动静刚度的措施,为了提高机床大件的刚度,采用封闭界面的床身,并采用重锤或液力平衡减少移动部件因位置变动造成的机床变形,封闭整体箱形结构,5,学习幻灯,为了提高数控机床主轴的刚度,不但经常采用三支撑结构,而且选用钢性很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承,以减小主轴的径向和轴向变形;数控车床上加尽量缩短主轴端部受力悬伸长度以减少所受弯矩。 为了提高机床各部件的接触刚度,增加机床的承载能力,采用刮研的方法增加单位面积上的接触点,并在结合面之间施加足够大的预加载荷,以增加接触面积。这些措施都能有效地提高接触刚度,6,学习幻灯,提高动态刚度的方法:提高系

3、统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率等。试验表明,提高阻尼系数是改善抗振性的有效方法。 钢板的焊接结构既可以增加静刚度、减轻结构重量,又可以增加构件本身的阻尼。因此,近年来在数控机床上采用了钢板焊接结构的床身、立柱、横梁和工作台。 封砂铸件也有利于振动衰减,对提高抗振性也有较好的效果。在大件内腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料,在振动时因摩擦力较大而耗散振动能量。也可采用阻尼层法,即在大件表面喷涂一层具有高阻尼和较高弹性的黏滞弹性材料,涂层越厚,阻尼越大,7,学习幻灯,QC11NJDK数控液压闸式剪板机,机架采用钢板焊接结构,经振动消除内应力,有足够的强度与刚性,8,学习幻灯,这是加工大型零件的

4、超重型设备。 结构特点:工作台径向采用高精度双列短滚子轴承定心;轴向采用每腔一泵式恒流静压导轨。主传动箱采用二级机械变速和立式直流电机驱动。横梁配有卸荷梁;用静压卸荷丝杆升降。刀架移动采用消除间隙的双齿轮传动;滑枕移动采用滚珠丝杆传动。机床横梁、床身和立柱为焊接件结构,并采用了阻尼减振措施,CK53系列数控单柱移动立式车床和车铣镗立式车床,9,学习幻灯,人造大理石床身(混凝土聚合物,10,学习幻灯,图53德国DEN480L型数控车床底座和床身示意图,11,学习幻灯,2.数控机床应有更小的热变形,图5-1 10m/min进给速度,多次往复运动时的滚柱丝杠发热情况,温度分布图的温度显示为25摄氏至

5、40摄氏度,若没有补偿措施,则将使工件产生严重缺陷,12,学习幻灯,1、减少发热 2、控制温升:对机床热源进行强制冷却 3、改善机床机构:采用热对称结构 4、丝杠预拉伸 5、热位移补偿,控制热变形的措施,13,学习幻灯,热对称结构立柱,14,学习幻灯,15,学习幻灯,3.传动灵敏:数控机床运动件之间的摩擦要小,要消除传动系统的间隙,达到低速时无爬行,高速时快速响应。4 .数控机床结构要人性化,16,学习幻灯,一、主传动系统作用是将电动机的扭矩或功率传递给主轴部件,使安装在主轴内的工件或刀具实现主切削运动。主轴:指带动刀具和工件旋转,产生切削运动且消耗功率最大的运动轴。二、主传动系统组成:主轴电

6、动机、传动系统和主轴部件,5.2 主传动系统,17,学习幻灯,三、对主传动系统的要求 1.足够的转速范围2.足够的功率和扭矩3.各零部件应具有足够的精度、 强度、刚度和抗振性4.噪声低、运行平稳,18,学习幻灯,四、主轴的驱动方式 1.采用变速齿轮传动这是大中型数控机床较常采用的配置方式,通过少数几对齿轮传动,扩大变速范围。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现,19,学习幻灯,2.采用同步齿形带传动这种传动主要用在转速较高、变速范围不大的机床。它适用于高速低转矩特性的主轴,20,学习幻灯,3 .用两个电动机分别驱动主轴 这是上述两种方式的混合传动,具有上述两种性能(见图5

7、-2c)。高速时,由一个电动机通过带传动;低速时,由另一个电动机通过齿轮传动,齿轮起到降速和扩大变速范围的作用,这样就使恒功率区增大,扩大了变速范围,避免了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的问题。但两个电动机不能同时工作,也是一种浪费,21,学习幻灯,4.采用主轴电机直接驱动(一体化主轴,电主轴) 主轴与电机转子合二为一,从而使主轴部件结构更加紧凑,重量轻,惯量小,有效地提高了主轴部件的刚度,提高了主轴启动、停止的响应特性,目前高速加工机床主轴多采用这种方式,这种类型的主轴也称为电主轴,22,学习幻灯,23,学习幻灯,图5-7 内装电动机主轴,车床用电主轴,铣床用电主轴,24,学习幻灯,

8、25,学习幻灯,五主轴调速方法,数控机床常用机电结合的方法,即同时采用电动机和机械齿轮变速两种方法。其中齿轮减速以增大输出扭矩,并利用齿轮换挡来扩大调速范围,26,学习幻灯,1、电动机调速 用于主轴驱动的调速电动机主要有直流电动机和交流电动机两大类。 (1)直流电动机主轴调速 (2)交流电动机主轴调速,27,学习幻灯,2、机械齿轮变速 数控机床常采用1- 4挡齿轮变速与无级调速相结合的方式,即所谓分段无级变速。采用机械齿轮减速,增大了输出扭矩,并利用齿轮换挡扩大了调速范围。 自动换挡执行机构是一种电机转换装置,常用的有液压拨叉和电磁离合器,28,学习幻灯,图23 三位液压拨叉工作原理图 1、5

9、液压缸 2活塞杆 3拨叉 4套筒,29,学习幻灯,六、 主轴部件,主轴部件是机床的一个关键部件,它包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。 对于数控机床尤其是自动换刀数控机床,为了实现刀具在主轴上的自动装卸与夹持,还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置和主轴孔的清理装置等结构,30,学习幻灯,1、主轴端部的结构形状 主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具,在设计要求上,应能保证定位准确、安装可靠、联接牢固、装卸方便,并能传递足够的转矩。主轴端部的结构形状都已标准化,a)车床主轴端部;(b)铣、镗类机床主轴端部;(c)外圆磨床砂轮主轴端部; (d)内圆磨床砂轮主轴端部;(e)普通镗杆装在钻床主

10、轴上的端部;(f)组合机床主轴端部,31,学习幻灯,2、主轴部件的支承,机床主轴带着刀具或夹具在支承中作回转运动,应能传递切削转矩承受切削抗力,并保证必要的旋转精度。机床主轴多采用滚动轴承作为支承,对于精度要求高的主轴则采用动压或静压滑动轴承作为支承。下面着重介绍主轴部件所用的滚动轴承,32,学习幻灯,主轴滚动轴承的配置,前支承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,后支承采用成对向心推力球轴承。能使主轴获得较大的径向和轴向刚度,可以满足机床强力切削的要求,普遍应用于各类数控机床的主轴,如数控车床、数控铣床、加工中心等。这种配置的后支承也可用圆柱滚子轴承,进一步提高后支承径向刚度

11、,图5-14 数控机床主轴轴承配置形式,33,学习幻灯,如图5-14b所示的配置前支承采用多个高精度向心推力球轴承,后支承采用球轴承,没有如图5-14a所示的主轴刚度大,但这种配置提高了主轴的转速,适合主轴要求在较高转速下工作的数控机床。 目前,这种配置形式在立式、卧式加工中心机床上得到广泛应用,满足了这类机床转速范围大、最高转速高的要求。为提高这种形式配置的主轴刚度,前支承可以用四个或更多个的轴承相组配,后支承用两个轴承相组配,34,学习幻灯,如图5-14c所示的配置形式,前支承采用双列圆锥滚子轴承,后支承为单列圆锥滚子轴承。能使主轴承受较重载荷(尤其是承受较强的动载荷),径向和轴向刚度高,

12、安装和调整性好。但这种配置相对限制了主轴最高转速和精度,适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴,35,学习幻灯,36,学习幻灯,3、主轴的材料和热处理,主轴材料可根据强度、刚度、耐磨性、载荷特点和热处理变形大小等因素来选择。主轴刚度与材质的弹性模量E有关。无论是普通钢还是合金钢其E值基本相同。因此,对于一般要求的机床其主轴可用价格便宜的中碳钢、45钢,进行调质处理后硬度为2228HRC;当载荷较大或存在较大的冲击时,或者精密机床的主轴为减少热处理后的变形,或者需要作轴向移动的主轴为了减少它的磨损时,则可选用合金钢。常用的合金钢有:40Cr进行淬硬硬度达到4050HRC,或者用20Cr进行渗碳

13、淬硬使硬度达到5662HRC。某些高精度机床的主轴材料则选用38CrMoAl进行氮化处理,使硬度达到8501000HV,37,学习幻灯,图5-19 加工中心主轴组件,38,学习幻灯,图5-18 数控车床主轴组件,39,学习幻灯,七、主轴准停,主轴准停功能又称主轴定向功能(Spindle Specified Position Stop),其作用是使主轴每次都准确地停在固定不变的周向位置上,以保证自动换刀时主轴上的端面键能对准刀柄上的键槽,同时使每次装刀时刀柄与主轴的相对位置不变,提高刀具的重复安装精度,从而可提高加工的一致性。 另外,一些特殊工艺要求,如在通过前壁小孔镗内壁的同轴大孔,或进行反倒角等加工时,也要求主轴实现准停,使刀尖停在一个固定的方位上,以便主轴偏移一定尺寸后,使大刀刃能通过前壁小孔进入箱体内对大孔进行镗削,40,学习幻灯,图5-28主轴准停换刀示意图,图5-29 主轴准停镗背孔示意图,41,学习幻灯,主轴准停可分为机械准停与电气准停,它们的控制过程是一样的。 目前国内外中高档数控系统均采用电气准停控制,采用电气准停控制有如下优点 : (1)简化机械结构 (2)缩短准停时间 (3)可靠性增加 (4)性能价格比提高,42,学习幻灯,图511典型的V形槽轮定位盘机械准停原理示意图,43,学习幻灯,目前电

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