数控技术第七讲

1、金成柱 主讲 联系电话：86878554,数控技术,3.3.2 数据采样法直线插补,1 直线插补过程,（1）插补准备。主要是计算轮廓步长l=FT及 其相应的坐标增量，可以采用不同方法计算。 （2）插补计算。实时计算出各插补周期中的 插补点（动点）坐标值。,2 插补算法,（1）直接函数法,插补准备：,插补计算：,第三章 计算机数控装置的插补原理,（2）进给速率法（扩展DDA法）,（3）方向余弦法一,（4）方向余弦法二,（5）一次计算法,3.3.3 数据采样法圆弧插补,1 直线函数法（弦线法）,2 扩展DDA法数据采样插补,优点：该方法计算方便、速度较高 精度比弦线法高。,3 递归函数计算法(RF

2、B),1) 一阶递归函数插补,2) 二阶递归函数插补,数控机床的结构,第一节 数控机床的结构要求 第二节 数控机床主传动系统及主轴部件 第三节 数控机床的进给系统,第一节 数控机床的结构要求,一、模块化和机电一体化 二、提高机床的静、动刚度 三、减少机床的热变形 四、减少运动件的摩擦和消除传动间隙 五、提高机床的寿命和精度保持性 六、减少辅助时间，改善操作性,一、模块化和机电一体化,1）通用型数控机床虽然能够很好地满足各类用户的需求，但由于机床功能 过于齐全，使销售价提高，用户不得不为多余的功能承担额外的费用，成本 的上升必然会消弱产品在市场上的竞争力； 2）专用型数控机床对某具体的零件虽然具

3、有良好的经济性，但它限制了 加工对象的品种变化，使生产柔性下降。 3）模块化设计思想正是为解决上述矛盾而提出的，它具有灵活的机床配置,数控机床的机电一体化是对总体设计和结构设计提出的重要要求。它是指 在整个数控机床的功能的实现以及总体布局方面必须综合考虑机械和电气 方面的有机结合,机床的模块设计总体方案 基于模块的机床总体方案设计可以归结为两个相反的过程，即分解和组 合。分解是根据被加工对象的工艺信息和用户的功能要求定义机床总功能和 性能指标，确定机床总体方案形式和主要性能参数、特性参数值，并将其分 解成一系列易于实现的子功能；组合是根据子功能要求选择出所有满足要求 的模块，并通过模块综合，组

4、合出多个可实现的机床总体方案。由于机床功 能结构十分复杂，难以从整体上直接完成其设计任务的求解，因此，设计任 务的分解是必须的，分解出的子功能可由相应的模块完成。基于模块的机床 总体方案设计基本步骤如下： （1）根据机床总功能和性能参数将总任务分解成一些相对简单的子功能； （2）根据子功能的性能参数的要求查出满足要求的模块； （3）由于满足某一子功能要求的模块往往不止一个，故可形成多个组合方案； （4）进行模块接口分析，确定可实现的组合方案； （5）建立方案的装配模型。,二、提高机床的静、动刚度,由于数控机床是由程序控制加工的，由机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴箱 几何精度与变形所产生的定位

5、误差取决于它们的结构刚度。 为了提高数控机床的主轴的刚度，除了经常采用三支承结构以外，还可以选用 刚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。 加强肋板的结构对机床大件的刚度有明显的影响。,在大型数控机床中，利用重块平衡 结构减少移动载荷给机床的变形带 来的对横梁变形的影响。,也可以把横梁的导轨加工 成中凸形抵消变形,提高机床各部件的接触刚度能够增加 机床的承载能力，采用刮研的方法可以增加单位面积上的接触点。 在结合面之间施加足够大的预加载荷也能够增加接触面积，提高接触刚度。,数控机床的主运动功率比同类型普通机床的主运动功率大得多，在保证静 刚度的前提下，还

6、必须提高其动刚度。 切削中的振动不仅直接影响工件的加工精度和表面质量，还会降低刀具寿 命，甚至使加工无法继续。,改善动态特性的方法主要是： 提高系统的静刚度、增加阻尼以及调整构件的质量和自身频率。 钢板的焊接结构既可以增加静刚度，减小结构质量，又可以增加构件本身的阻尼。 封砂铸件有利于振动的衰减，提高抗振性。 设计机床构件时，还可以通过调整质量来改变系统的自振频率。 数控机床中的旋转零部件应尽可能进行良好的动平衡，以减少强迫振动源。 或者用弹性材料将振源隔离，以减少振源对机床的影响。,三、减少机床的热变形,1）数控机床在内外热源的影响下，各部件将发生不同程度的热变形，使工件与 刀具之间的相对运

7、动关系遭到破坏，也使机床精度下降。 2）机床热变形产生的主要原因是热源及机床各部分的温差。 3）热源通常包括加工中的切屑、运转的电动机、液压系统、传动件的摩擦以及 机床外部的热辐射等。 4）机床零件的材料、结构、形状和尺寸的不一致也是产生热变形的重要因素。,如图a，主轴箱内的传动件所产生的热量使立柱向上变形，产生偏差Y1 如图b，在液压油泵及其它传动元件发热的影响下，床身沿纵向产生中间 凸起的变形,(a),(b),如图c，床身纵向的伸长使支撑丝杠的轴承向左移动，产生偏差X 如图d，由于电动机所产生热量，使立柱倾斜，造成偏差Y2,(c),(d),减少机床的热变形的措施,1、减少发热,机床内部发热

8、是产生热变形的主要热源，应当尽可能地将热源从主机中分离出去。 主轴部件上采用精密滚动轴承；进行油污润滑；还可采用静压轴承；避免使用 摩擦离合器。 加工时的切屑是一个热源，可以在工作台或导轨上装设隔热板；使用切屑液时 控制切屑液的温度。 润滑油在传动件之间流过，带走摩擦热，所以需要将油池移出机床，多对油池 进行温度控制。 液压油泵及其油池也是机床上的又一热源，需选择合理的供油量；供油量变化 的系统采用变量泵。,2、控制温升,在减少热源之后，还必须通过良好的散热和冷却来控制温升，以减少热源影响。 方法一是，在机床的发热部位进行强制冷却。但制冷系统的冷却能力必须适当。 方法二是，在机床低温部分通过加

9、热的方法，使机床各点的温度趋于一致。,3、改善机床结构,1)数控机床过去采用的单立柱结构有可能被双立柱结构所取代。 对于数控车床的主轴箱，应尽量使主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上。,2)对于数控机床中的滚珠丝杠，可以用预拉的方法减少丝杠的热变形。,该方法是在加工滚珠丝杠时，使螺距略小于名义值，装配时对丝杠进行预拉伸， 使其螺距达到名义值。当丝杠工作而受热时，丝杠中的拉应力补偿了热应力，即 减少了热伸长的影响，又提高了丝杠的刚度。 3)另外，还可以根据测量结果，由数控系统发出补偿脉冲加以修正。也可以采用 特殊的调解元件消除热位移。,数控机床的运动精度和定位精度不仅受到机床零部件的加工精度、

10、装配精度、 刚度及热变形的影响，而且与运动件的摩擦特性有关。,四、减少运动件的摩擦和消除传动间隙,数控机床工作台或托板的位移量是以脉冲当量作为它的最小单位，通常要求 既能以高速又能以极低的速度运动。,目前使用的滑动导轨、滚动导轨和静压导轨在摩擦阻尼方面存在着明显的差别。 如图所示为不同的摩擦力和运动速度的关系。,图a的滑动导轨，初始作用力用于克服传动元件 （电动机、齿轮、丝杠、螺母等）弹性变形的 能量，作用力超过静摩擦力时，弹性变形恢复， 工作台突然运动，静摩擦力变为滑动摩擦力，工 作台加速运动，惯性力使工作台偏离给定位置。,图b和c的摩擦力较小，而且很接近于动摩擦力， 加上润滑油的作用，摩擦

11、力随着速度的提高而 增大，避免了“低速爬行”,提高定位精度和运动 平稳性。数控机床多采用滚动和静压导轨。,近二十多年来，广泛采用了聚四氟乙烯制成的贴塑导轨，具有更为良好的 摩擦特性，耐磨性和吸振作用。,在进给系统中用滚珠丝杠代替滑动丝杠也可以收到同样的效果。用脉冲补 偿装置进行螺距精度补偿,除了减少传动齿轮和滚珠丝杠的加工误差之外，另一个重要措施是采用无 间隙传动副，用同步带传动代替齿轮。,五、提高机床的寿命和精度保持性,为了缩短数控机床投资的回收时间，务必使机床保持很高的开动性（一般比 普通机床高23倍），因此必须提高机床的寿命和精度保持性。,首先，必须设计上就充分考虑数控机床零部件的耐磨性

12、，另外还要保证数控 机床各部件的良好润滑。,六、减少辅助时间，改善操作性,在数控机床的单件加工时间中，辅助时间占有较大的比例，要进一步提高 机床生产率，就必须采取措施，最大限度地压缩辅助时间。,由于微处理器的发展，使数控装置日趋小型化。数控机床的发展趋势是把 数控装置安装到机床上，甚至把强电和弱电部分安排在一起。,第二节 数控机床主传动系统及主轴部件,一、数控机床主运动的特点 二、数控机床主轴的变速方式 三、主轴部件,一、数控机床主运动的特点,数控机床与普通机床比较具有以下特点：,1）转速高，功率大，它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现 高效率加工。,2）主轴转速的变换迅速可靠，并能自

13、动无级变速，使切削工作始终在最佳 状态下进行。（使用无级调速电机）,3）为实现刀具的快速自动装卸，主轴上必须设计有刀具自动装卸、主轴 定向停止和主轴腔内的切屑清除装置。,数控机床的主传动要求较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削 用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。,二、数控机床主轴的变速方式,数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动 操作的要求。,因此，大多数数控机床采用无极变速系统。,数控机床一般要求在中、高速段为恒功率传动，在低速段为恒转矩传动， 为了确保数控机床主轴低速时有较大的转矩和主轴的变速范围尽可能大， 有的数控机床在交流或直流电动机无级

14、变速的基础上配以齿轮变速，使之 成为分段无级变速,（1）带有变速齿轮的主传动,这种配置方式大、中型数控机床采用较多。 通过少数几对齿轮降速，使之成为分段无级变速，确保低速时的扭矩。 以满足主轴输出扭矩特性的要求。但有一部分小型数控机床也采用这种 传动方式，以获得强力切削时多需要的扭矩。 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。,数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式。,（2）通过带传动的主传动,主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的震动和噪音，但 它只能适用于低扭矩特性要求的主轴。,同步带传动是一种综合了带、链传动优点的新型传动。同步带的结构和传动 如图所示。

15、带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，作 无滑动的啮合传动。,（3）由调速电机直接驱动的主传动,这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的 刚度，但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴的精度影响较大。,三、主轴部件,机床的主轴部件是机床重要部件之一，它带动工件或刀具执行机床运 动，因此数控机床主轴部件的精度，抗振性和热变形对加工质量有直影 响，由于数控机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为重。,主轴在结构上要处理好卡盘或刀具的装卡，主轴的卸荷。 主轴轴承的定位和间隙调整，主轴部件的润滑和密封等一系列问题。 对于数控镗铣床的主轴为实现刀具的快速自动

16、装卸，主轴上还必须设计有 刀具的自动装卸，主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。,一）数控机床的主轴轴承配置形式,1）前支撑采用圆锥双列圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合，后支撑 采用成对角接触球轴承。 这种配置形式使主轴的综合刚度得到大幅度提高，可以满足强力切削的要求， 所以目前各类数控机床的主轴普遍采用这种配置形式。,2）前轴承采用高精度双列向心推力球轴承,角接触球轴承具有较好的高速性能，但是这种轴承的承载能力小，因而 适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。,3）双列圆锥滚子轴承和圆锥滚子轴承,这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较大的动载荷， 安装与调整性能好。 但是，

17、这种轴承配置方式限制了主轴的最高转速和精度，所以仅适用于 中等精度、低速与重载的数控机床主轴。,二）主轴的定向停止,为了将主轴准确地停在某一固定位置上，以便在该处进行换刀等动作， 这就要求主轴定向控制。,第三节 数控机床的进给系统,一、对进给运动的要求 二、滚珠丝杠螺母副 三、传动齿轮间隙消除机构,一、对进给运动的要求,数控机床的进给运动是数字控制的直接对象。 被加工件的最后轮廓精度和加工精度都会受到进给运动的传动精度、 灵敏度和稳定性的影响。 为此，对进给系统中的传动装置和元件要求具有高的寿命，高的刚度， 无传动间隙，高的灵敏度和低摩擦阻力的特点。 如导轨必须具有较小的摩擦力，耐磨性要求，所

18、以一般采用滚动导轨、 静压导轨和减磨导轨等。,提高进给系统性能的措施,1、减少运动件之间的摩擦阻力：摩擦阻力主要来自丝杠螺母和导轨；对其 进行滚动化是重要措施。 2、提高传动精度和刚度： （1）保证进给系统中滚珠丝杠螺母、蜗轮蜗杆和支撑结构的加工精度， 提高传动精度和刚度。 （2）在进给链中加入减速齿轮或同步带传动，减小脉冲当量，从设计 角度提高传动精度。 （3）采用预紧消除传动件间隙，提高传动精度。 3、减少惯量：高速运转零件的惯量影响伺服系统的启动和制动特性。,二、滚珠丝杠螺母副,工作原理：在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管作周而复始的循环运动。回珠管两端还起挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。,组成：主要由丝杆、螺母、滚珠和滚道、螺母座等组成,特点： 传动效率高：机械效率可高达92%98%。 摩擦力小：主要是用滚珠的滚动代替了普通丝杆螺母副的滑动。 轴向间隙可消除：也是由于滚珠的作用，提高了系统的刚性。经预紧后可消除间隙。 使用寿命长、制造成本高：主要采用优质合金材料，表面经热处理后获得高的硬度。,三、传动齿轮间隙消除机构,