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1 第2章數控機床的機械結構 第一節(jié)數控機床機械結構的組成和特點 一 數控機床機械結構的主要組成部分下圖為一臺小型立式加工中心的外形圖 第一節(jié)數控機床機械結構的組成和特點 一 數控機床的主要組成部分數控機床的主要組成部分與普通機床相類似 包括以下幾個組成部分 1 主傳動系統(tǒng)及主軸部件 使刀具 或工件 產生主切削運動 2 進給傳動系統(tǒng) 使工件 或刀具 產生進給運動并實現定位 3 基礎件 床身 立柱 滑座 工作臺等 4 其他輔助裝置 如液壓 氣動 潤滑 切削液等系統(tǒng)及裝置 第一節(jié)數控機床機械結構的組成和特點 一 數控機床的主要組成部分1 主要部件 主傳動裝置 進給傳動裝置 工作臺 床身等 2 輔助裝置 刀庫 自動換刀裝置 潤滑裝置 冷卻裝置 排屑裝置等 第一節(jié)數控機床機械結構的組成和特點 二 數控機床機械結構的主要特點 1 具有較高的靜 動剛度和良好抗震性機床的剛度反映了機床機構抵抗變形的能力 機床變形產生的誤差 通常很難通過調整和補償的方法予以徹底的解決 為了滿足數控機床高效 高精度 高可靠性以及自動化的要求 與普通機床相比 數控機床應具有更高的精剛度 此外 為了充分發(fā)揮機床的效率 加大切削用量 還必須提高機床的抗震性 避免切削時產生的共振和顫振 而提高機構的動剛度是提高機床抗震性的基本途徑 第一節(jié)數控機床機械結構的組成和特點 二 數控機床機械結構的主要特點 2 具有較好的熱穩(wěn)定性機床的熱變性是影響機床加工精度的主要因素之一 由于數控機床的主軸轉速 快速進給都遠遠超過普通機床 機床又長時間處于連續(xù)工作狀態(tài) 電動機 絲杠 軸承 導軌的發(fā)熱都比較嚴重 加上高速切削產生的切屑的影響 使得數控機床的熱變性影響比普通機床要嚴重得多 雖然在先進的數控系統(tǒng)具有熱變性補償功能 但是它并不能完全消除熱變性對于加工精度的影響 在數控機床上還應采取必要的措施 盡可能減小機床的熱變性 第一節(jié)數控機床機械結構的組成和特點 二 數控機床機械結構的主要特點 3 傳動系統(tǒng)機械結構簡化利用伺服進給系統(tǒng)代替普通機床的進給系統(tǒng) 并可以通過主軸調速系統(tǒng)實現主軸自動變速 電動機可以直接連接主軸和滾珠絲杠 齒輪 軸類零件 軸承的數量大為減少 因此 在機械結構上 數控機床的主軸箱 進給變速箱結構一般非常簡單 在操作上 它不像普通機床那樣 需要操作者通過手柄進行調整和變速 操作機構比普通機床要簡單多 第一節(jié)數控機床機械結構的組成和特點 二 數控機床機械結構的主要特點 4 高傳動效率和無間隙傳動裝置數控機床進行的是高速 高精度加工 再簡化機械結構的同時 對于機械傳動裝置和元件也提出了更高的要求 高效 無間隙傳動裝置和元件在數控機床上去得了廣泛的應用 如 滾珠絲杠副 塑料滑動導軌 靜壓導軌 直線滾動導軌等高效執(zhí)行部件 不僅可以減少進給系統(tǒng)的摩擦阻力 提高傳動效率 而且還可以使運動平穩(wěn)和獲得較高的定位精度 第一節(jié)數控機床機械結構的組成和特點 二 數控機床機械結構的主要特點 5 采用低摩擦因數的導軌為了讓機床托板按照規(guī)定的方向 平行或垂直與主軸軸線的方向 移動 三角形導軌 定向 以及承載切削時的切削抗力 矩形導軌 承載 6 工作臺實現多種運動方式 可滿足零件加工的多種要求 7 刀庫和自動換刀裝置實現了連續(xù)加工 減少了換刀時間和工件裝卸次數 提高生產效率 8 輔助裝置保護機床 提高工件質量 第二節(jié)數控機床的主傳動系統(tǒng) 一 主傳動系統(tǒng)的組成和特點數控機床和普通機床一樣 主傳動系統(tǒng)也必須通過變速 才能使主軸獲得不同的傳遞 以適應不同的加工要求 并且 在變速的同時 還要求傳遞一定的功率和足夠的轉矩 滿足切削的需要 數控機床作為高度自動化的設備 它對主傳動系統(tǒng)的基本要求有以下幾點 1 為了達到最佳的切削效果 一般都應在最佳的切削條件下工作 因此 主軸一般都要求能自動實現無級變速 2 要求機床主軸系統(tǒng)必須具有足夠高的轉速和足夠大的功率 以適應高效 高速的加工需要 第二節(jié)數控機床的主傳動系統(tǒng) 一 主傳動系統(tǒng)的組成和特點3 為了降低噪聲 減輕發(fā)熱 減少振動 主傳動系統(tǒng)應簡化結構 減少傳動件 4 在加工中心上 還必須具有安裝道具和刀具交換所需要的自動夾緊裝置 以及主軸定向準停裝置 以保證刀具和主軸 刀庫 機械手的正確嚙合 5 為了擴大機床的功能 實現對C軸的控制 主軸還需安裝位置檢測裝置 以便實現對主軸位置的控制 第二節(jié)數控機床的主傳動系統(tǒng) 一 主傳動系統(tǒng)的組成和特點1 組成機床的主傳動系統(tǒng)將電動機的扭矩或功率傳遞給主軸部件 使安裝在主軸內的工件或刀具實現主切削運動 主傳動系統(tǒng)和主軸部件一般都設計成一個主軸箱 主要由主軸電動機 變速機構 主軸等部分組成 第二節(jié)數控機床的主傳動系統(tǒng) 一 主傳動系統(tǒng)的組成和特點2 特點 1 采用直流或交流電動機 有較寬的調速范圍 能迅速可靠地實現無級調速 使切削始終處于最佳運行狀態(tài) 2 變速機構結構簡單 電動機可以直接連接主軸和滾珠絲杠 齒輪 軸類零件 軸承的數量大為減少 3 變速迅速可靠 4 主軸具有較高的回轉精度 足夠的剛度和抗振性 較好的熱穩(wěn)定性 動態(tài)響應好 主軸轉速高 功率大 能使數控機床進行大功率切削和高速切削 實現高效率加工 第二節(jié)數控機床的主傳動系統(tǒng) 二 主傳動系統(tǒng)的分類 變速方式 1 無極變速 通過帶傳動的主傳動 這種方式主要應用在轉速較高 變速范圍不大的小型數控機床上 電動機本身的調整就能滿足要求 不用齒輪變速 可避免齒輪傳動時引起振動和噪聲的缺點 但它只適用于低扭矩特性要求 常用的有同步齒形帶 多楔帶 V帶 平帶 V形帶 第二節(jié)數控機床的主傳動系統(tǒng) 二 主傳動系統(tǒng)的分類 變速方式 2 分段無極變速 帶有變速齒輪的主軸傳動 通過少數幾對齒輪降速 擴大了輸出扭矩 以滿足主軸的輸出扭矩特性的要求大中型數控機床較常采用的配置方式 確保低速時有較大的扭矩 滑移齒輪的移位大多采用液壓撥叉或直接由液壓缸驅動齒輪來實現 大 中型數控機床采用的一種配置方式 第二節(jié)數控機床的主傳動系統(tǒng) 二 主傳動系統(tǒng)的分類 變速方式 3 內置式調速電動機無級變速 由調速電動機直接驅動的主傳動 大大簡化了主軸箱體與主軸的結構 有效地提高了主軸部件的剛度 但主軸輸出的扭矩小 電機發(fā)熱對主軸的精度影響較大 三 數控機床的主軸部件主軸部件作為數控機床的一個關鍵部件 它包括主軸 主軸的支承 安裝在主軸上傳動件和密封件等 1 主軸主軸端部用于安裝刀具或夾持工件的夾具 在設計上應能保證定位準確 安裝可靠 聯(lián)接牢固 裝卸方便 并能傳遞足夠的扭矩 主軸端部的結構形狀都已標準化了 第二節(jié)數控機床的主傳動系統(tǒng) 三 數控機床的主軸部件2 主軸支承 3種主要形式 第二節(jié)數控機床的主傳動系統(tǒng) 主軸的支承應綜合考慮主軸的受力狀況 轉速高低 熱變形大小 支承跨距 精度要求等因素 選擇合適的軸承類型及布置形式 三 數控機床的主軸部件2 主軸支承 3種主要形式 第二節(jié)數控機床的主傳動系統(tǒng) 1 前支撐采用雙列短圓柱滾子軸承和60 角接觸雙列向心推力球軸承組合 后支撐采用成對向心推力球軸承 可提高主軸的綜合剛度 滿足強力切削的要求 普遍用于各類數控機床主軸 三 數控機床的主軸部件2 主軸支承 3種主要形式 第二節(jié)數控機床的主傳動系統(tǒng) 2 前支撐采用高精度雙列向心推力球軸承 向心推力軸承有良好的高速性 主軸最高轉速可達4000r min 但承載能力小 適于高速 輕載 高精密的數控機床主軸 三 數控機床的主軸部件2 主軸支承 3種主要形式 第二節(jié)數控機床的主傳動系統(tǒng) 3 前后支撐分別采用雙列和單列圓錐滾子軸承 徑向和軸向剛度高 能承受重載荷 其安裝 調整性能好 但限制了主軸轉速和精度 因此可用于中等精度 低速 重載的數控機床的主軸 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 一 進給傳動系統(tǒng)的組成及特點數控機床的進給傳動系統(tǒng)與一般的機床有著本質上的差別 它是進給伺服系統(tǒng)的一個重要組成部分 由數控系統(tǒng)發(fā)出的速度和位移指令信號經過伺服驅動裝置和進給傳動系統(tǒng) 可以使工作臺或刀架實現要求的進給運動和精確的定位 自動完成切削過程 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 一 進給傳動系統(tǒng)的組成及特點1組成 伺服電動機 傳動裝置 工作臺或刀架 與傳動有關的導軌等 2 主要特點 1 采用伺服電動機驅動 2 采用低摩擦的傳動副 3 傳動副配有傳動間隙調整裝置 4 工作臺的功能多 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副是一種在絲杠與螺母間裝有滾珠作為中間傳動元件的絲杠副 是直線運動與回轉運動能相互轉換的傳動裝置 當絲杠旋轉時 滾珠在滾道內既自轉又沿滾道循環(huán)轉動 因而迫使螺母 或絲杠 軸向移動 1 絲杠2 滾道3 螺母4 滾珠 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副1 特點 1 傳動效率高 摩擦損失小 2 運動平穩(wěn)無爬行 3 傳動精度高 反向時無空程 4 磨損小 精度保持性好 使用壽命長 5 具有運動的可逆性 6 制造困難 成本較高 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副2 結構 1 滾道的法向截面形狀 1 單圓弧型面 單圓弧型面 滾道的圓弧半徑略大于滾珠半徑 滾道與滾珠為點接觸 摩擦阻力小 傳動靈敏 結構工藝較簡單容易制造 但接觸剛度稍差 且滾道徑相間隙對傳動精度影響較大 滾道的法向截面形狀 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副2 結構 1 滾道的法向截面形狀 2 雙圓弧型面 滾道對徑向間隙大小不敏感 接觸剛度較高 傳動性能優(yōu)于單圓弧滾道 但制造困難 雙圓弧型面 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副2 結構 2 滾珠的循環(huán)方式 1 外循環(huán) 滾珠在循過程結束后 通過螺母外環(huán)表面上的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進入循環(huán) 外循環(huán)滾珠絲杠 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副2 結構 2 滾珠的循環(huán)方式 1 外循環(huán) 滾珠在循環(huán)過程結束后 通過螺母外表面上的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進入循環(huán) 插管式外循環(huán)滾珠絲杠 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副2 結構 2 滾珠的循環(huán)方式 1 外循環(huán) 特點 結構簡單 工藝性好 承載能力較高 但徑向尺寸較大 應用最為廣泛 也可用于重載傳動系統(tǒng) 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副2 結構 2 滾珠的循環(huán)方式 2 內循環(huán) 靠螺母上安裝的反向器接通相鄰滾道 使?jié)L珠成單圈循環(huán) 反向器2的數目與滾珠圈數相等 內循環(huán)式滾珠絲杠結構 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副2 結構 2 滾珠的循環(huán)方式 2 內循環(huán) 特點 結構緊湊 剛度好 滾珠流通性好 摩擦損失小 制造較困難 適用于高靈敏 高精度的進給系統(tǒng) 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副3 間隙調整 為了保證滾珠絲杠反向傳動精度和軸向剛度 必須消除滾珠絲桿螺母副軸向間隙 1 墊片調隙法 調整墊片厚度 使左右兩螺母產生軸向位移 消除間隙 產生預緊力 如右圖 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副3 間隙調整1 墊片調隙法 調整墊片厚度 使左右兩螺母產生軸向位移 消除間隙 產生預緊力 特點 結構簡單 剛性好 但調整不方便 滾道有磨損時不能隨時消除間隙和進行預緊 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副3 間隙調整2 螺紋調隙法 如圖所示 利用一個螺母上的外螺紋 通過圓螺母調整兩個螺母的相對軸向位置實現預緊 調整好后用另一個圓螺母鎖緊 這種結構調整方便 且可在使用過程中 隨時調整 應用較廣泛 但預緊力大小不能準確控制 調整精度較差 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副3 間隙調整3 齒差調隙法 如圖所示 在兩個螺母的凸緣上各制有圓柱外齒輪 分別與固緊在套筒兩端的內齒圈相嚙合 其齒數分別為Z1 Z2 并相差一個齒 調整時 先取下內齒圈 讓兩個螺母相對于套筒同方向都轉動一個齒 然后再插入內齒圈 則兩個螺母便產生相對角位移 其軸向位移量為 式中Z1 Z2為齒輪的齒數 Ph為滾珠絲杠的導程 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副4 滾珠絲杠副的參數及選擇滾珠絲杠副的參數有 滾珠絲杠徑向剖視圖 滾珠絲杠軸向剖視圖 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副4 滾珠絲杠副的參數及選擇滾珠絲杠副的參數有 1 公稱直徑d滾珠與螺紋滾道在理論接觸角狀態(tài)時包絡滾珠球心的圓柱直徑 它是滾珠絲杠副的特性尺寸 公稱直徑越大 承載能力和剛度越大 推薦滾珠絲杠副的公稱直徑應大于絲杠工作長度的1 30 數控機床常用的進給絲杠公稱直徑為20 80mm 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副4 滾珠絲杠副的參數及選擇滾珠絲杠副的參數有 2 接觸角 滾珠與滾道在接觸點處的公法線與螺紋軸線的垂直線間的夾角 理想接觸角為45 3 基本導程絲杠相對于螺母旋轉2 弧度時螺母上的基準點的軸向位移 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副4 滾珠絲杠副的參數及選擇滾珠絲杠副的參數有 除此之外 還有 絲杠螺紋大徑d 絲杠螺紋小徑d1 螺紋全長l 滾珠直徑db 螺母螺紋大徑D 螺母螺紋小徑D1 滾道圓弧半徑R等參數 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副4 滾珠絲杠副的標記方法 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副5 滾珠絲杠副的安裝支承方式 1 一端裝止推軸承 固定 自由式 這種安裝方式的承載能力小 軸向剛度低 僅適應于短絲桿 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副5 滾珠絲杠副的安裝支承方式 2 一端裝止推軸承 另一端裝深溝球軸承 固定 支承式 滾珠絲桿較長時 一端裝止推軸承固定 另一端由深溝球軸承支承 為了減少絲桿熱變形的影響 止推軸承的安裝位置應遠離熱源 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副5 滾珠絲杠副的安裝支承方式 3 兩端裝推力軸承 單推 單推式或雙推 單推式 如圖c所示 這種方式是對絲杠進行預拉伸安裝 這樣做的好處是 減少絲杠因自重引起的彎曲變形 在推力軸承預緊力大于絲杠最大軸向載荷1 3的條件下 絲杠拉壓剛度可提高四倍 絲杠不會因溫升而伸長 從而保持絲杠精度 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 二 滾珠絲杠螺母副5 滾珠絲杠副的安裝支承方式 4 兩端裝雙重止推軸承及深溝球軸承 固定 固定式 如圖d所示 為提高剛度 絲桿兩端采用雙重支承 如止推軸承和深溝球軸承 并施加預緊拉力 這種結構方式可使絲桿的熱變形轉化為止推軸承的預緊力 第三節(jié)數控機床的進給傳動系統(tǒng) 三 無間隙齒輪傳動副進給傳動裝置中齒輪副的齒側間隙也會影響傳動精度和靈敏度 因此 必須消除齒輪傳動中的間隙 1 直齒圓柱齒輪傳動副的間隙消除法 1 偏心套式消除間隙結構 2 雙片薄齒輪錯齒調整法 第二節(jié)數控機床的主傳動系統(tǒng) 三 無間隙齒輪傳動副1 直齒圓柱齒輪傳動副的間隙消除法 1 偏心套式消除間隙結構 如圖所示 齒輪 裝在電動機軸上 調整偏心軸套 可以改變齒輪 和 之間的中心距 從而消除齒側間隙 只能補償齒厚誤差和中心距誤差不能補償偏心誤差 1 齒輪2 偏心套3 齒輪 第二節(jié)數控機床的主傳動系統(tǒng) 三 無間隙齒輪傳動副1 直齒圓柱齒輪傳動副的間隙消除法 2 雙片齒輪錯齒調整法 第二節(jié)數控機床的主傳動系統(tǒng) 圖示是雙片齒輪周向可調彈簧錯齒消隙結構 兩個相同齒數的薄片齒輪1和2與另 個寬齒輪嚙合 兩薄片齒輪可相對回轉 在兩個薄片齒輪1和2的端面均勻分布著四個螺孔 分別裝上凸耳3和8 齒輪1的端面還有另外四個通孔 凸耳可以在其中穿過 彈簧4的兩端分別鉤在凸耳3和調節(jié)螺釘7上 通過螺母5調節(jié)彈簧4的拉力 調節(jié)完后用螺母6鎖緊 彈簧的拉力使薄片齒輪錯位 即兩個薄齒輪的左右齒面分別貼在寬齒輪齒槽的左右齒面上 從而消除了齒側間隙 12薄片齒輪38凸耳4彈簧5螺母6鎖緊螺母7調節(jié)螺釘 第二節(jié)數控機床的主傳動系統(tǒng) 三 無間隙齒輪傳動副2 斜齒齒圓柱齒輪傳動副的間隙消除法 墊片調整法如圖所示是斜齒輪墊片錯齒消隙結構 寬齒輪4同時與兩個相同薄片齒輪1和2嚙合 薄片齒輪由平鍵和軸聯(lián)接 互相不能相對回轉 斜齒輪1和2的齒形拼裝后一起加工 并與鍵槽保持確定的相對位置 裝配時在兩薄齒輪之間裝入厚度為 的墊片3 使薄片齒輪1 2的螺旋線產生錯位 其左右兩齒面分別與寬齒輪4的齒貼緊 消除齒側間隙 12薄片齒輪3墊片4寬齒輪 四 數控機床分度工作臺和回轉工作臺分度工作臺 實現工作臺的定角度回轉運動 即分度 轉位和定位工作 數控回轉工作臺 除了分度和轉位的功能之外 還能實現數控圓周進給運動 交換工作臺 作業(yè)三1 數控機床機械結構的主要組成2 什么是機床剛度 提高機床剛度的措施3 減少機床熱變形影響常用措施作業(yè)四1 數控機床主傳動系統(tǒng)的特點2 主傳動系統(tǒng)按傳動方式分為哪三類 各有何特點 3 數控機床主軸軸承一般配置形式 作業(yè)五1 滾珠絲杠螺母副的作用與特點作用 滾珠絲杠螺母副是直線運動與回轉運動能相互轉換的傳動裝置 特點 1 傳動效率高 摩擦損失小 2 運動平穩(wěn)無爬行 3 傳動精度高 反向時無空程 4 磨損小 精度保持性好 使用壽命長 5 具有運動的可逆性 6 制造困難 成本較高 作業(yè)五1 滾珠絲杠螺母副的作用與特點2 滾珠絲桿副中單圓弧型面滾道和雙圓弧型面滾道各有何特點 1 單圓弧型面滾道與滾珠為點接觸 摩擦阻力小 傳動靈敏 結構工藝較簡單容易制造 但接觸剛度稍差 且滾道徑相間隙對傳動精度影響較大 2 雙圓弧型面道對徑向間隙大小不敏感 接觸剛度較高 傳動性能優(yōu)于單圓弧滾道 但制造困難3 滾珠的循環(huán)方式 1 外循環(huán)滾珠在返回過程中 2 內循環(huán)滾珠在循環(huán)過程中 第六次作業(yè) 一 什么是滾珠絲杠螺母副的導程 導程的大小對機床的加工有何影響 二 滾珠絲杠副如何標記 CDM5010 3 P3表示什么 三 滾珠絲杠的支承方式有哪三種