2023年数控机床机械结构（教学课件）.ppt

第二章 数控机床机械结构 第一节 数控机床机械结构特点 数控机床机械结构的组成 (1)机床根底部件，如床身、立柱、工作台等；(2)主传动系统；(3)进给传动系统；(4)实现某些辅助动作和辅助功能的系统和装置如液压、气动、润滑、冷却等系统及排屑、防护装置和刀架、自动换刀装置；(5)工件实现回转、定位的装置及附件，如数控回转工作台；(6)特殊功能装置，如监控装置、加工过程图形显示、精度检测等。第一节 数控机床机械结构特点 数控机床的结构应具有以下特点：1高刚度和高抗振性 数控机床经常在高速和连续重载切削条件下工作 工作中应无变形和振动 第一节 数控机床机械结构特点 2高灵敏度 导轨部件通常采用滚动导轨、塑料导轨、静压导轨等，以减少摩擦力，在低速运动时无爬行现象 由电动机驱动，经滚珠丝杠或静压丝杠带动数控机床的工作台、刀架等部件的移动 主轴既要在高刚度、高速下回转，又要有高灵敏度，因而多数采用滚动轴承和静压轴承 第一节 数控机床机械结构特点 3热变形小 机床的主轴、工作台、刀架等运动部件的发热量要小，以防止产生热变形 立柱一般采取双壁框式结构，在提高刚度的同时使零件结构对称，防止因热变形而产生倾斜偏移 通常采用恒温冷却装置，减少主轴轴承在运转中产生的热量。为减少电动机运转发热的影响，在电动机上安装有散热装置和热管消热装置 第一节 数控机床机械结构特点 4高精度保持性 防止使用中的变形和快速磨损外 还要求采取一些工艺性措施，如淬火、磨削导轨、粘贴抗磨塑料导轨等，以提高运动部件的耐磨性 5高可靠性 6工艺复合化和功能集成化 第二节 数控机床主传动系统 一、数控机床主传动系统的特点 主轴部件的刚度、精度、抗振性和热变形直接影响加工零件的精度和外表质量。主运动的转速上下及范围、传递功率大小和动力特性，决定了数控机床的切削加工效率和加工工艺能力 第二节 数控机床主传动系统 1主轴转速高、调速范围宽并实现无级调速 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 比同类型普通机床主轴最高转速高出两倍左右 第二节 数控机床主传动系统 2主轴部件具有较大的刚度和较高的精度 一次装夹要完成全部或绝大局部切削加工，包括粗加工和精加工 为提高效率的强力切削 在加工过程中机床是在程序控制下自动运行的，更需要主轴部件刚度和精度有较大裕量，从而保证数控机床使用过程中的可靠性 第二节 数控机床主传动系统 3良好的抗振性和热稳定性 主轴部件要有较高的固有频率，较好的动平衡，且要保持适宜的配合间隙，并要进行循环润滑 第二节 数控机床主传动系统 4为实现刀具的快速或自动装卸，数控机床主轴具有特有的刀具安装结构 主轴上设计有刀具自动装卸、主轴定向停止和主轴孔内的切屑去除装置。第二节 数控机床主传动系统 二、数控机床主轴的传动方式 1齿轮传动方式 大、中型数控机床多采用此方式。它通过几对齿轮降速，确保低速时的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。有一局部小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。第二节 数控机床主传动系统 2。带传动方式 带传动主要应用在小型数控机床上，可克服齿轮传动时引起振动和噪声的缺点，但它只能适用于低扭矩特性要求 数控机床上应用的多楔带又称复合三角带能够满足主传动要求的高速、大转矩和不打滑的要求。多楔带安装时需较大的张紧力，使得主轴和电动机承受较大的径向负载，这是多楔带的一大缺点 第二节 数控机床主传动系统 同步齿形带传动。它是综合了带、链传动优点的新型传动方式 (1)传动效率高，可达98以上。(2)无滑动，传动比准确。(3)传动平稳，噪声小。(4)使用范围较广，速度可达50ms，速比可达10左右，传递功率由几瓦至数千瓦。(5)维修保养方便，不需要润滑。(6)安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，本钱高 第二节 数控机床主传动系统 3调速电动机直接驱动主轴传动方式 电动机直接带动主轴运动，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 第一节 数控机床机械结构特点 第二节 数控机床主传动系统 内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体 其优点是主轴部件结构紧凑、惯性小、重量轻，可提高启动、停止的响应特性，有利于控制振动和噪声；缺点是电动机运转产生的热量使主轴产生热变形 第二节 数控机床主传动系统 三、主轴组件 主轴 主轴支承 装在主轴上的传动件 密封件等 第二节 数控机床主传动系统 (一)数控机床的主轴支承 1。主轴轴承类型 (1)滚动轴承 摩擦系数小，能够预紧，润滑维护简单，并且在一定的转速范围和载荷变动范围内能稳定地工作等特点 它噪声大，滚动体数目有限，刚度变化大，抗振性差，并且限制转速 第二节 数控机床主传动系统 一般数控机床的主轴轴承可以使用滚动轴承，特别是立式主轴和装在套筒内能作轴向移动的主轴 为了适应主轴高速开展的要求，滚动轴承的滚珠可采用陶瓷滚珠 第二节 数控机床主传动系统(2)滑动轴承 静压滑动轴承的油膜压强由液压缸从外界供给，与主轴转速的上下无关，承载能力不随转速而变化，而且无磨损，启动和运转时摩擦力矩相同。所以静压轴承的回转精度高，刚度大。但静压轴承需要一套液压装置，本钱较高，污染大 第二节 数控机床主传动系统 2主轴轴承的配置 (1)图26a所示的结构配置形式是现代数控机床主轴结构中刚性最好的主轴结构中刚性最好的一种。它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 第二节 数控机床主传动系统 (2)前支承采用3个超精密级角接触球轴承组合方式，具有较好的高速性能 后支承结构有采用2个角接触球轴承支承的，见图26b，也有用一个圆柱滚子轴承支承的，吸收热膨胀量的能力，适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴 第二节 数控机床主传动系统 (3)圆锥滚子轴承，见图26c。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 第二节 数控机床主传动系统 3主轴轴承的装配 采用选配定向法进行装配可提高主轴组件的精度 尽可能使主轴支承孔与主轴轴颈的偏心量和轴承内圈与滚道的偏心量接近，并使其方向相反 在维修机床拆装主轴轴承时，因原生产厂家已调整好轴承的偏心位置，所以要在拆卸前做好周向位置记号 第二节 数控机床主传动系统 4滚动轴承的间隙与预紧 将滚动轴承进行适当预紧，使滚动体与内外圈滚道在接触处产生预变形，使受载后承载的滚动体数量增多，受力趋向均匀，从而提高承载能力和刚度，有利于减少主轴回转轴线的漂移，提高旋转精度 第二节 数控机床主传动系统 假设过盈量太大，轴承磨损加剧，承载能力将显著下降 主轴组件必须具备轴承间隙的调整结构。第二节 数控机床主传动系统(二)主轴准停功能 每次机械手自动装取刀具时，必须保证刀柄上的键槽对准主轴的端面键 为满足主轴这一功能而设计的装置称为主轴准停装置或称主轴定向装置 在加工精密的坐标孔时，由于每次都能在主轴的固定圆周位置换刀，故能保证刀尖与主轴相对位置的一致性，从而减少被加工孔的尺寸分散度 第二节 数控机床主传动系统 传统的做法是采用机械挡块等来定向。而现代的数控机床一般都采用电气式主轴定向 第二节 数控机床主传动系统 (三)主轴上刀具自动夹紧和切屑去除 第三节 数控机床主传动系统应用 1主传动系统 伺服电动机驱动，经1：1的带传动带动主轴旋转，使主轴在242 400 rmin的转速范围内实现无级调速 改变电动机旋转方向，可以得到相应的主轴正、反转，主轴停车由电动机制动实现 螺纹切削和主轴 每转进给量通过主轴脉冲编码器来实现 第三节 数控机床主传动系统应用 2主轴结构 主轴有前后两个支承：前支承采 用预加负荷的超精密级角接触球轴承组成，三个一组 其中两个轴承用来承受向后的推力，另一个用于承受向前的推力 第三节 数控机床主传动系统应用 主轴的后支承采用圆柱滚子轴承，用来承受较大的径向载荷。前支承形式为前端定位，主轴受热膨胀向后伸长。前后支承所用轴承的支承刚性好，前支承中的角接触球轴承能承受较大的轴向载荷，且允许的极限转速高。主轴所采用的支承结构适宜高速重载的需要 第三节 数控机床主传动系统应用 二、JCS018A加工中心主传动系统及主轴箱结构 1主运动传动系统 主轴电动机在45-4 500rmin转速范围通过一对1：2同步带轮将运动传给主轴 第三节 数控机床主传动系统应用 2主轴箱结构 (1)主轴结构 主轴的前支承4配置了三个高精度的角接触球轴承，用以承受径向载荷和轴向载荷。前两个轴承大口朝下，后面一个轴承大口朝上。前支承按预加载荷计算的预紧量由螺母5来调整。后支承6为一对小口相对应的角接触球轴承，它们只承受径向载荷，因此轴承外圈不需要定位。第三节 数控机床主传动系统应用 (2)刀具的自动夹紧机构 (3)主轴准停装置 第四节 数控机床进给传动系统 一、数控机床对进给传动系统的要求 进给传动系统承担了数控机床各直线坐标轴、回转坐标轴的定位和切削进给 进给系统的传动精度、灵敏度和稳定性直接影响被加工件的最后轮廓精度和加工精度 第四节 数控机床进给传动系统 进给系统中的传动装置和元件要求：长寿命 高刚度.无传动间隙 高灵敏度 低摩擦阻力 第四节 数控机床进给传动系统 采用滚动导轨、静压导轨 广泛应用滚珠丝杠螺母副 各种机械部件首先保证它们的加工精度，其次采用合理的预紧来消除轴向传动间隙 在进给系统反向运动时仍然由数控装置发出脉冲指令进行自动补偿 第四节 数控机床进给传动系统 数控机床进给传动系统的主要机电部件有 伺服电动机 检测元件 联轴节 减速机构(齿轮副和带轮)滚珠丝杠螺母副(或齿轮齿条副)丝杠轴承 运动部件(工作台、导轨、主轴箱、滑座、横梁和立柱)等 第四节 数控机床进给传动系统 第四节 数控机床进给传动系统 二、导轨 数控机床对于导轨有着更高的要求：如高速进给时不振动 低速进给时不爬行 有高的灵敏度 能在重载下长期连续工作 耐磨性好，精度保持性好 第四节 数控机床进给传动系统 与支承件连成一体固定不动的导轨称为支承导支承导轨轨 与运动部件连成一体的导轨称为动导轨动导轨 第四节 数控机床进给传动系统(一)导轨的类型和要求 1导轨的类型 按运动部件的运动轨迹分按运动部件的运动轨迹分：直线运动导轨和圆周运动导轨 按导轨接合面的摩擦性分按导轨接合面的摩擦性分：滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。第四节 数控机床进给传动系统 滑动导轨滑动导轨分：普通滑动导轨-金属与金属相摩擦，摩擦系数大，一般在普通机床上 塑料滑动导轨-塑料与金属相摩擦，导轨的滑动性好，在数控机床上广泛采用 静压导轨静压导轨根据介质的不同又可分为液压导轨和气压导轨 第四节 数控机床进给传动系统 2导轨的要求(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-运动部件在导轨上低速移动时，不应发生“爬行的现象 第四节 数控机床进给传动系统(二)滑动导轨 1滑动导轨的结构 矩形导轨承载能力大，制造简单，水平方向和垂直方向上的位置精度互不相关。侧面间隙不能自动补偿，必须设置间隙调整机构 第四节 数控机床进给传动系统 三角形导轨的三角形截面有两个导向面，同时控制垂直方向和水平方向的导向精度。这种导轨在载荷的作用下能自行补偿而消除间隙，导向精度较其他导轨高 第四节 数控机床进给传动系统 燕尾槽导轨的高度值最小，能承受颠覆力矩，摩擦阻力也较大 第四节 数控机床进给传动系统 圆 柱 形 导 轨制 造 容 易，磨 损 后 调 整间隙较困难 第四节 数控机床进给传动系统 导轨的截面形状有凸形(上图)和凹形(以下图)两类。凹形导轨容易存油，但也容易积存切屑和尘粒，因此适用于防护良好的环境。凸形导轨需要良好的润滑条件 第四节 数控机床进给传动系统 数控机床上滑动导轨的形状主要为：三角形一矩形式 矩形一矩形式 第四节 数控机床进给传动系统 2滑动导轨的材料 导轨材料主要有：铸铁、钢