数控技术华科版

1、.,数 控 技 术,湖南科技大学机电工程学院,.,1,第5章 运动系统与典型机构,5.1 概述 5.2 数控机床的主运动 5.3 数控机床的进给运动 5.4 数控机床的换刀运动,.,2,5.1 概述,机床运动系统：,主运动系统实现机床主轴运动； 进给运动系统实现机床工作台的直线运动与转动； 换刀运动实现加工中心更换刀具连续加工所需的运动。,.,3,主轴转速更高； 变速范围更宽； 提供的动力更强。,1. 数控机床的主运动系统性能要求：,主运动的自动变速、准停； C轴控制； 同步速度控制。,2. 数控机床的主运动系统功能：,5.1 概述,.,4,5.1 概述,3. 数控机床进给运动系统的性能特点：

2、,调速范围要宽，而且在整个调速范围内输出的运动要有良好的稳定性； 输出的位移要有足够的精度，即实际位移量与指令位移量之差要小； 负载特性要硬，当负载变化时，输出的速度应基本不变； 动态响应要快，且动态误差要小，能适应频繁启动、停止以及正转、反转的需求。,.,5,换刀时间短、刀具重复定位精度高； 刀具储存量足够、结构紧凑； 换刀动作安全可靠。,4. 数控机床自动换刀系统的性能特点：,5.1 概述,.,6,主轴转速n（r/min）：,主轴的最低和最高转速：,r/min,主轴调速范围：,r/min,r/min,（1）主轴转速和调速范围,5.2.1 主运动参数,5.2 数控机床的主运动,.,7,（2）

3、主运动的功率、转矩特性,kw,PZ 主切削力（N） v 切削速度（m/min） T 切削扭矩（Nm） n 主轴转速（r/min）,主运动所需输出的功率：,主运动的转矩特性：,最大功率（或扭矩）与运动速度之间的关系。,5.2 数控机床的主运动,.,8,恒扭矩输出：常用于一些特殊工序加工，如光车、攻大直径螺纹、铰大直径孔、精镗、成形铣削等，需要的输出功率较小的情况。,5.2 数控机床的主运动,.,9,5.2 数控机床的主运动,5.2.2 主运动的传动形式,（1）带有简单变速机构的主传动,优点：能满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范围调节速度的能力。 缺点：结构复杂，需要润滑及温度控制装置；成本较

4、高；制造和维修难。 应用：一般大中型铣床多采用这种结构。,.,10,（2）通过皮带传动的主传动,优点：结构简单，安装调试方便，传动平衡，在一定条件下能满足转速与转矩的输出要求。 缺点：调速范围比（恒功率调速范围与恒扭矩调速范围之比）受电机调速范围比的约束。 应用：低扭矩输出要求的小型数控机床主轴上。,5.2 数控机床的主运动,.,11,（3）电机直接驱动的主轴结构（两种类型）,电机通过精密联轴器与主轴联接。 特点：结构紧凑、传动效率高的，主轴的特性完全与电机输出特性一致，因而在使用上受到一定限制。,主轴与电机转子为一体，称电主轴。 特点：结构紧凑，惯量小，响应快。制造和控制要求高。如主轴的散热

5、、动平衡、支承、润滑及控制等。造价高。 应用：多用于高速加工。,5.2 数控机床的主运动,.,12,5.2.3 主轴典型控制功能,1. 主轴准停装置,机械式准停装置：,功能：当特殊加工或自动换刀，主轴能实现准确的停止在一个固定位置上。,1-无触点开关 2-感应块 3-凸轮定位盘 4-定位液压缸 5-定向滚轮 6-定位活塞,机械准停装置比较准确可靠，但结构较复杂。,5.2 数控机床的主运动,.,13,电气式准停装置：,1-主轴 2-同步感应器 3-主轴电动机 4-永久磁铁 5-磁传感器,磁力传感器准停装置工作原理： 数控装置发出主轴停转指令时，主轴电动机3立即降速，当永久磁铁4对准磁传感器5时，

6、磁传感器发出准停信号，由定向电路使电动机准确地停止在规定的周向位置上。,1）利用主轴上光电脉冲产生准停信号。 2）利用磁力传感器检产生准停信号。,5.2 数控机床的主运动,.,14,3. C轴控制与同步速度控制,主轴的回转位置（转角）控制可进给伺服电机实现，也可以由主轴电机实现，此时主轴的位置（角度)由装于主轴上（不是主轴电机）上的高分辨率编码器检测，主轴作为进给伺服轴工作。,对应Z轴的回转轴（即绕主轴回转）为C轴。,C轴与进给轴（Z轴或X轴）联动进行插补控制，可以实现任意曲线的加工。如：螺纹，端面曲线，非圆柱或圆锥的异形回转表面等。,C轴控制与同步速度控制的功能：,C轴的控制方式：,5.2

7、数控机床的主运动,.,15,5.2.4 电主轴,结构紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高 具备精确的主轴定位及C轴传动功能。 易实现高速化，其动态精度和动态稳定性更好。 主轴运行平稳，使主轴轴承的寿命得到延长。 主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是关键。,电主轴具有如下特点：,5.2 数控机床的主运动,.,16,（1）电主轴电机的类型,根据电主轴内装式电机的控制方法,普通交流变频电主轴结构简单，成本低，但存在低速输出功率不稳的问题，难以满足低速大扭矩的要求。,交流伺服电主轴特点：低速输出性能好，可实现闭环控制，经常用于加工中心等要求主轴定位或有C轴功能传动的数控机床。,根据电主轴内装式电机的输

8、出特性,恒转矩电主轴转矩是恒定的，输出功率与转速成正比。适合于磨削及高速钻削，电主轴的转速越高，输出功率越大。,5.2 数控机床的主运动,.,17,恒功率电主轴在低速段的输出是恒转矩，高速段则是恒功率。主要用于镗、铣、车削等切削范围广、工况变化大的场合。,（2） 解决电主轴的振动问题的措施,电主轴的最高转速：一般在10000/min以上，甚至高达60000100000r/min。 电主轴的振动类型：电主轴的谐振、电磁振荡和机械振动。,关键问题：提高电主轴的动平衡。,5.2 数控机床的主运动,.,18,电主轴上零件精密加工、装配和调校。 电主轴上机构必须遵守对称性原则，键连接和螺纹连接在电主轴上

9、是被禁止的。 电主轴上的转子应与主轴装配后，以主轴、后轴径为定位支撑，配作转子的精车工序。 在电机转子的两个端盖上，对称地加工1624个直径略有不同的螺纹孔（M4或M6），根据动平衡测试结果，旋入相应的动平衡螺钉并调节旋入深度，进行动平衡的调节，用环氧树脂将这些螺钉固化。,主要措施：,5.2 数控机床的主运动,.,19,（3）电主轴的散热措施,电主轴的热源：电动机的发热和轴承的发热。,动机的发热：采用外循环油水冷却系统进行冷却； 轴承的发热：采用角接触陶瓷轴承，滚珠用Si3N4材料制成，直径比同规格球轴承小1/3；同时，采用强制循环油冷却的方式对主轴轴承进行冷却； 设计电主轴组件时，电主轴上零

10、件，最好采用同样密度、同样比热的材料，以保证整个电主轴组件运转的热平衡性。,5.2 数控机床的主运动,.,20,（4）电主轴的支承,滚动轴承支承：高速性能好，支承刚性好、价格适中、便于维修更换的优点，应用广泛。高速精密电主轴一般采用小钢球精密角接触球轴承。,复合陶瓷轴承：发展较快的一种支撑形式。其耐磨耐热，能满足在一些特殊工作条件下的要求，寿命是传统轴承的数倍。,气压和液压的动、静压轴承支承，电磁悬浮轴承：其内外圈小接触，理论上寿命无限长，结构简单并能达到很高的转速。电磁轴承价格较高，主要应用在超高速加工等高科技设备上，而动、静压轴承在多种精密、高速设备中应用非常普遍。,5.2 数控机床的主运

11、动,.,21,（5）润滑方式,油脂润滑、油雾润滑和油气润滑等。,目前国际上最流行的是油气润滑。其原理是用微量泵定时打出定量小油滴，经通过净化冷却的干燥空气润滑每个轴承的润滑点。,润滑系统先于主轴启动而后于主轴停止运行。 油雾润滑、油气润滑时需注意压缩空气的干燥及洁净程度。,润滑的注意事项：,5.2 数控机床的主运动,.,22,（6）电主轴发展趋势,高速度、高刚度、高精度、高可靠性； 高速大功率、低速大转矩； 电主轴内装电机性能和形式多样化； 轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化； 刀具接口提高刀具在高速下的应用性能； 电主轴的多功能和智能化。,5.2 数控机床的主运动,.,23,传动系统对数

12、控机床的影响：,传动系统的刚度和惯量，影响进给系统的稳定性和灵敏度。 传动部件的精度与传动系统的非线性，影响系统的位置精度和轮廓加工精度，在闭环系统中还影响系统的稳定性。,5.3 数控机床的进给运动,.,24,数控机床对机械传动系统的要求：,刚度好； 惯量小； 间隙小； 摩擦小。,5.3 数控机床的进给运动,.,25,5.3.1 数控机床进给传动系统的基本结构,进给传动系统组成,传动机构传动齿轮或同步带,运动变换机构丝杠螺母副、蜗杆蜗轮副、 齿轮齿条副等,导向机构滑动导轨、滚动导轨、静压导 轨、轴承,执行件工作台,5.3 数控机床的进给运动,.,26,数控车床的进给传动系统简图,5.3 数控机

13、床的进给运动,.,27,5. 3 . 2 齿轮传动副,齿轮传动设计主要考虑问题：,1齿轮副的传动级数和速比分配,齿轮传动的传动级数和速比分配，一方面影响传动件的转动惯量大小，同时还影响执行件的传动效率。 增加传动级数，可以减小传动惯量，但导致传动装置的结构复杂，降低了传动效率，增大噪声，同时加大了传动间隙和摩擦损失，对伺服系统不利。,5.3 数控机床的进给运动,.,28,工作原理：丝杆（螺母）旋转，滚珠在封闭滚道内沿滚道滚动、迫使螺母（丝杆）轴向移动,5.3.2 滚珠丝杠螺母副,5.3 数控机床的进给运动,.,29,滚珠丝杠螺母副具有传动效率高达85%96%，约为一般滑动丝杠副的24倍； 启动

14、时无颤振，低速时无爬行； 静、动摩擦系统几乎相等； 寿命长，磨损小、精度保持性好； 可预紧消隙，提高系统的刚度。,滚珠丝杠螺母副特点：,5.3 数控机床的进给运动,.,30,滚珠在循环过程中回珠时与丝杠脱离接触的结构； 采用弧形铜管形成滚珠返回通道，由弯管的端部引导滚珠； 其工作圈数是2.5圈或3.5圈 ，12列。,2. 滚珠丝杠螺母副的分类,（1） 外循环,5.3 数控机床的进给运动,.,31,（2） 内循环,1-丝杠 2-螺母 3-滚珠 4-反向器,滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触的结构。 采用圆柱凸键反向器实现滚珠循环，反向器嵌入螺母内。 工作圈数是3列。,5.3 数控机床的进给运动,

15、.,32,3滚珠丝杠螺母副轴向间隙调整,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量。,（1）双螺母垫片调隙式,5.3 数控机床的进给运动,.,33,（2）双螺母齿差调隙式,1-内齿轮 2-外齿轮,5.3 数控机床的进给运动,.,34,4滚珠丝杠螺母副的支承方式,一端推力轴承结构,一端止推轴承，另一端向心球轴承结构,两端止推轴承结构,两端止推轴承及向心球轴承结构,5.3 数控机床的进给运动,.,35,5滚珠丝杠螺母副的润滑与密封,毛毡圈密封。毛毡圈的厚度为螺距的23倍，而且内孔做成螺纹的形状，紧密地包住丝杠，并装入螺母或套筒两端的槽孔内。 耐油橡皮或尼龙材料密封。为了

16、避免密封圈增加滚珠丝杠副的摩擦阻力矩。可采用由硬质塑料制成的非接触式迷宫密封圈，内孔做成与丝杠螺纹滚道相反的形状，并留有一定间隙。,（1）滚珠丝杠螺母副密封,5.3 数控机床的进给运动,.,36,润滑油。润滑油通过注油孔注油。 润滑脂。一般在安装过程中放进滚珠螺母的滚道内，为定期润滑。,（2）滚珠丝杠螺母副常用的润滑,良好的润滑可提高耐磨性及传动效率，从而保持传动精度，延长使用寿命。,5.3 数控机床的进给运动,.,37,5.3.3 同步带,1. 构成：,由梯形齿型带与有齿带轮组成。,5.3 数控机床的进给运动,.,38,无相对滑动，传动比准确； 齿型带薄而轻，惯量较小，可用于高速传动，圆周速

17、度可达40ms； 由于靠啮合传动，齿型带不需太大的预紧力小，减小了轴与轴承所受载荷，延长了齿型带和其它零件的使用寿命； 因为啮合传动，小轮包角可减小，传动比大可达1020，传动功率可达200KW，传动效率可达98%左右； 制造和安装精度高，中心距要求严格。,2 . 同步带传动与v带传动相比有以下特点：,5.3 数控机床的进给运动,.,39,5.3.4 数控机床的导轨,要求其在高速进给时不发生振动，低速进给时不出现爬行； 灵活性高，耐磨性好； 可在重载荷下长期连续工作； 精度保持性好。,数控机床导轨的要求：,5.3 数控机床的进给运动,.,40,1塑料滑动导轨,摩擦系数小，且动、静摩擦因数差很小

18、，能防止低速爬行现象； 耐磨性，抗撕伤能力强； 加工性和化学稳定性好，工艺简单，成本低； 有良好的自润滑和抗震性，经济效益显著等特点。,（1）塑料导轨的特点：,5.3 数控机床的进给运动,.,41,（2 ） 塑料滑动导轨的分类：,贴塑导轨,1-床身 2-工作台 3-下压板 4-导轨软带 5-帖有塑料软带的镶条,5.3 数控机床的进给运动,.,42,注塑导轨,用涂敷工艺或压注成形工艺将塑料预先加在成锯齿形的导轨上。 注塑导轨的材料是以环氧树脂和二硫化钥为基体，加入增塑剂，混合成膏状为一组分，固化剂为另一组分的双组份塑料，称为环氧树脂耐磨涂料。,5.3 数控机床的进给运动,.,43,2滚动导轨,灵

19、敏度高、摩擦系数小（一般在0.00250.005的范围内）； 动、静摩擦系数基本相同，因而运动平稳，不易出现爬行现象； 定位精度高，重复定位误差可达0.2m；精度保持性好，寿命长。 滚动导轨抗振性能差，对防护要求高，结构复杂，制造比较困难，成本较高。,滚动导轨的特点是：,5.3 数控机床的进给运动,.,44,滚动导轨常见结构类型： 滚动导轨块和直线滚动导轨。,（1）滚动导轨块,1-防护板 2-端盖 3-滚柱 4-导向片 5-保持器 6-本体,5.3 数控机床的进给运动,.,45,（2）直线滚动导轨,滚动导轨组件 形式、结构,5.3 数控机床的进给运动,.,46,直线滚动导轨,5.3 数控机床的

20、进给运动,.,47,弧形滚动导轨,5.3 数控机床的进给运动,.,48,两维直线滚动导轨,5.3 数控机床的进给运动,.,49,组成结构,1、4、5、8-回珠（回柱）； 2、3、6、7-负载滚珠（滚柱） 9-保持体 10-端部密封垫 11-滑块 12-导轨体,5.3 数控机床的进给运动,.,50,3静压导轨,1、4-滤油器 2-油泵 3-溢流阀 5-节流阀 6-运动部件 7-固定部件 8-油箱,5.3 数控机床的进给运动,.,51,5.3 .5 回转工作台,分辨率高、定位精度高、运动平稳、动作迅速、转台刚性好； 在多轴联动实现曲线和曲面的加工时，回转工作台必须能进行连续的圆周进给运动。,数控机

21、床对回转工作台的要求：,5.3 数控机床的进给运动,.,52,1. 分度工作台,分度工作台只能实现分度运动。通常分度工作台的运动只能限于某些规定的角度，不能实现任意角度的分度。,常用的定位方式： 销定位、反靠定位、齿盘定位和钢球定位等。,立式数控回转分度盘,5.3 数控机床的进给运动,.,53,工作台抬起。压力油进入升降液压缸12下腔，带动工作台9也向上抬起;,回转分度。液压马达通过蜗轮蜗杆副3、4和齿轮副5、6带动工作台9进行分度回转运动;,工作台下降定位夹紧。压力油进入升降液压缸12上腔，推动活塞8带动工作台下降 。,齿盘定位分度工作台的结构与工作原理：,5.3 数控机床的进给运动,.,5

22、4,2数控回转工作台,数控回转工作台能按数控系统的指令，带动工件实现连续回转运动。回转速度是无级、连续可调的，同时，能实现任意角度的分度定位。,按控制的性质可分为开环和闭环； 按应用范围可分为立式和卧式。,数控回转工作台的分类：,5.3 数控机床的进给运动,.,55,立式数控回转工作台,可倾斜数控回转工作台,5.3 数控机床的进给运动,.,56,（2）闭环数控回转工作台结构与工作原理,闭环回转工作台采用圆光栅或圆感应同步器，将实际转动角度反馈至系统，与指令值进行比较，通过差值控制回转工作台的运动，提高了圆周进给运动精度。,工作台的连续圆周进给运动。回转工作台由伺服电动机15驱动，通过齿轮14、16及蜗杆12、蜗轮13带动工作台1回转。工作台的转角位置由圆光栅9测量。,工作台的定位与夹紧。当控制系统发出夹紧指令时，液压缸5上腔进压力油，活塞6向下移动，通过钢球8推开夹紧瓦3和4，从而将蜗轮13夹紧。,5.3 数控机床的进给运动,.,57,5.4 数控机床的换刀运动,5.4.1 自动换刀装置的形式,1回转刀架换刀,四方刀架,.,58,刀架始起 刀架压紧 转位油缸复位 发出信号换刀过程完成,1）回转刀架换刀过程,5.4 数控机床的换刀运动,.,59,2）更换主抽换刀,脱开主轴传动； 转塔头抬起；