中高职衔接

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1、 中高职衔接 专项培训 数控机床故障与维修模块 内容设计 机床的故障诊断与维修涉及知识面较广 尤其是故障诊断 要求学生要有较 好的基础知识才能正确的有针对性对故障进行分析 而中高职学生基础较薄弱 在 案例教学中 学生虽然明白应该怎么做 但往往在实践中不能正确的判断故障的起 因 这门课的重点在诊断上 就像医生诊断病人一样 要根据症状来判断病因 才 能对症下药 因此在教学过程中 要合理的设计教学内容 针对学生的薄弱点来因 材施教 学习内容 在教学中从数控机床的机械机构部分循序渐进 针对学生的弱点进行重点讲解 在学生打牢基础知识后 再结合故障实例进行分析讲解 并根据条件进行实操练 习 机 械 结 构

2、 电 气 控 制 气 液 传 动 伺 服 系 统 故 障 实 例 分 析 第一单元 数控机床的机械结构 1 1数控机床的结构特点 高的刚度及良好的抗振性能 热稳定性好 运动导轨副的摩擦特性好 传动系统简化 进给传动无间隙 1 2 对主传动的要求 主传动的作用 产生主切削力 要求 足够的转速范围 足够的功率和扭矩 各零部件应具有足够的精度 强度 刚度和抗振性 噪声低 运行平稳 1 2 2主传动系统结构 根据数控机床的类型与大小 其主传动主要有以下四种形式 1 带有变速齿轮的主传动系统 2 带有定比传动的主传动系统 3 用两个电动机分别驱动的主传动系统 4 由主轴电动机直接驱动的主传动系统 图1

3、1数控机床主传动系统分类 主轴电动机 主轴电动机 电主轴 例 分 析图1 2 所示的 TND360 型数控 车床主 轴箱传 动系统 图1 2 TND360型数控车床主轴箱传动系统 1 3主轴的支撑 目前数控机床主轴轴承配置有三种主要形式 a 为数控机床前支承采用双列短圆柱滚子轴承和 60度角接触双列向心推 力球轴承 后支承采用成对向心推力球轴承 此种结构普遍应用于各种数控 机床 其综合刚度高 可以满足强力切削要求 b 为前支承采用多个高精度向心推力球轴承 这种配置具有良好的高速性 能 但它的承载能力较小 适用于高速轻载和精密数控机床 C 为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

4、其经向 和轴向刚度很高 能承受重载荷 但这种结构限制了主轴最高转速 因此适 用于中等精度低速重载数控机床 13 主轴轴承常见的支撑形式 a 形式一 b 形式二 c 形式三 1 主轴轴承的支撑形式 1 前支撑采用双列短 圆柱滚子轴承和60 角接触 双列向心推力球轴承组合 后支撑采用成对向心推力球 轴承 可提高主轴的综合刚 度 满足强力切削的要求 普遍用于各类数控机床主 轴 2 前支撑采用高精度双列 向心推力球轴承 向心推力轴 承有良好的高速性 主轴最高 转速可达4000r min 但承载 能力小 适于高速 轻载 高 精密的数控机床主轴 3 前后支撑分别采用双 列和单列圆锥滚子轴承 径向 和轴向刚

5、度高 能承受重载荷 其安装 调整性能好 但限 制了主轴转速和精度 因此可 用于中等精度 低速 重载的 数控机床的主轴 1 主轴的支承 数控机床主轴支承可以有多种配置形 式 图5 8所示为TND360型车床主轴部件 因为主轴在切削时要承受较大的切削力 所以轴径较大 刚性好 在主轴端部 卡盘靠前端的短圆锥面和 凸缘端面定位 用拨销传递扭矩 主轴为 空心轴 通过棒料的直径可达60mm 前轴承为三个推力角接触球轴承 前面 两个轴承大口朝向主轴前端 接触角为25 以承受轴向切削力 后面轴承大口朝向 主轴后端 接触角为14 三个轴承的内外 圈轴向由轴肩和箱体孔的台阶固定 以承 受轴向负荷 后支承由一对背靠

6、背的推力角接触球轴 承组成 只承受径向载荷 并由后压套进 行预紧 图5 8 TND360型车床主轴结构 1 2 后轴承 3 轴承 4 5 前轴承 2 动力卡盘 为了减少辅助时间和劳动强度 并适应自动化和半自动化加工的需 要 数控车床多采用动力卡盘装夹 工件 目前使用较多的是自动定心 液压动力卡盘 该卡盘主要由引油 导套 液压缸和卡盘三部分组成 图5 9为液压动力卡盘液压缸 的结构图 液压缸体2通过法兰盘4及连接件固定 在主轴尾部 随主轴一起旋转 引油导 套1固定在动力卡盘的壳体上 通过前后 滚珠轴承支承液压缸转动 当程序段指 令发出夹紧或松开控制信息后 通过液 压系统控制活塞产生轴向位移 再通

7、过 拉杆使主轴前端动力卡盘的卡爪夹紧或 松开 图5 9 动力卡盘液压缸结构图 1 引油导套 2 液压缸体 3 活塞 4 法兰盘 3 自动夹紧装置 在带有刀库的数控机床中 为了实现刀具在的 自动装卸 主轴内设有刀具自动夹紧装置 图5 11所示为自动换刀数控铣镗床的主轴部件 其主轴前端的7 24锥最孔用于装夹锥柄刀具 或刀杆 主轴的端面键可用于传递刀具的扭矩 也可用于刀具的周向定位 刀具夹紧时 蝶形弹簧11通过拉杆7 双瓣卡 爪5 在套筒14的作用下 将刀柄的尾端拉紧 当换刀时 在主轴上端油缸的上腔A通入压力 油 活塞12的端部推动拉杆7向下移动 同时压 缩蝶形弹簧11 当拉杆7下移到使双瓣卡爪5

8、的下 端移出套筒14时 在弹簧6的作用下 卡爪张开 喷气头13将刀柄顶松 刀具即可由机械手拔 除 待机械手将新刀装入后 油缸10的下腔通入 压力油 活塞12向上移 蝶形弹簧伸长将拉杆7 和双瓣卡爪5拉着向上 双瓣卡爪5重新进入套筒 14 将刀柄拉紧 活塞12移动的二个极限位置都有相应的行程 开关 LS1 LS2 作用 作为刀具松开和夹紧的 回答信号 图5 11 数控 铣镗床的主 轴部件 1 调整半环 2 3182120型 锥孔双列圆柱 滚子轴承 3 2268120型双 向向心球轴承 4 9 调整 环 5 双瓣 卡爪 6 弹簧 7 拉杆 8 46115型向心 推力球轴承 10 油缸 11 碟型弹

9、簧 12 活塞 13 喷 气头 14 套 筒 1 4主轴的准停装置 主轴准停功能又称主轴定位功能 即主轴停止时 控制其停在固定 的位置 这是换刀所必需的功能 因为每次换刀时都要保证刀具锥柄处 的键槽对准主轴上的端面键 也要保证在精镗孔完毕退刀时不会划伤已 加工表面 准停装置分为机械式和电气式两种 现代的数控机床一般都采用电 气式主轴准停装置 只要数控系统发出指令信号主轴就可以准确的定 向 1 机械准停控制 采用机械凸轮机构或 光电盘方式进行粗定位 然后有一个液动或气动的 定位销插入主轴上的销孔 或销槽实现精确定位 完 成换刀后定位销退出 主 轴才开始旋转 结构复杂 在早期数 控机床上使用较多

10、典型的V形槽轮定位盘机械 准停原理示意图 2 电气准停控制 永久磁铁与磁传感器在 主轴上的位置 磁传感器主轴准停控制 在主轴上安装一个永久磁铁与主 轴一起旋转 在距离发磁体旋转 外轨迹1 2mm处固定一个磁传感 器 它经过放大器并与主轴控制 单元相连接 当主轴需要定向时 便可停止在调整好的位置上 20 较常用的电气方式有两种 一种是利用主轴 上光电脉冲发生器的同步脉冲信号 另一种是 利用磁力传感器检测定向 图5 13所示为利用磁力传感器检测定向的工 作原理 在主轴上安装有一个永久磁铁4与主轴 一起旋转 在距离永久磁铁4旋转轨迹外1 2mm 处 固定有一个磁传感器5 当机床主轴需要停 车换刀时

11、数控装置发出主轴停转的指令 主 轴电动机3立即降速 使主轴以很低的转速回转 当永久磁铁4对准磁传感器5时 磁传感器发 出准停信号 此信号经过放大后 由定向电路 使电动机准确地停止在规定的周向位置上 这 种准停装置机械结构简单 发磁体与磁传感器 间没有接触摩擦 准停的定位精度可达 1 能 满足一般换刀要求 而且定向时间短 可靠性 较高 图5 13 磁力传感器定向装置 1 主轴 2 皮带 3主轴电机 4 永久磁铁 5 磁传感器 1 5进给系统的要求 1 摩擦阻力要小 广泛采用滚珠丝杠和滚动导轨以及塑料导轨和静压导轨 2 传动刚度要高 3 转动惯量要小 4 谐振频率要高 5 传动间隙要小 机床爬行现

12、象一般发生在低速度 重载荷的运动情况下 当主动件1作匀速运动时 被动件3往往会出现明显的速度 不均匀 产生跳跃式的时停时走的运动状态 或时快时慢 现象 1 5 1数控机床进给传动系统的基本形式 数控机床的进给运动可以分为直线运动和圆周运动两大类 实现直线进给运动的主要有 1 通过丝杠 通常为滚珠丝杠或静压丝杠 螺母副 将 伺服电动机的旋转运动变成直线运动 2 通过齿轮 齿条副 将伺服电动机的旋转运动变成直 线运动 3 直接采用直线电动机进行驱动 实现圆周运动的一般采用蜗轮蜗杆副 滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动 相互转换的传动装置 它是利用螺旋面的 升角使旋转运动变为直线运动

13、 是数控机 床的丝杠螺母副最常见的一种形式 它的 结构特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装 有滚珠 作为中间传动元件 以减少摩 擦 工作原理如图5 15所示 在丝杠和螺母 1上都加工有半圆弧形的螺旋槽 把它们 套装在一起边形成了滚珠的螺旋滚道 螺 母上有滚珠回路管道b 将螺旋滚道的两 端连接在一起构成封闭的循环滚道 在滚 道内装满滚珠 当丝杠旋转时 滚珠在滚 道内既自传又沿滚道循环转动 从而迫使 螺母 或丝杠 轴向移动 滚珠丝杠副的原理图 1 滚珠丝杠螺母副的结构 滚珠丝杠副滚珠的循环方式分为外循环 和内循环两种 滚珠在返回过程中与丝杠脱离接触的为 外循环 滚珠在循环过程中与丝杠始终接触的为 内循

14、环 循环中的滚珠叫做工作滚珠 工作滚珠 所走过的滚道圈数叫工作圈数 外循环常见的有插管式和螺旋槽式 图5 16 a 为插管式 它用弯管作为返回管 道 这种形式结构工艺性好 但管道突出 螺母体外 径向尺寸较大 图6 16 b 为螺旋槽式 它是在 螺母外圆上铣出螺旋槽 槽的两端钻出通 孔并与螺纹滚道相切 形成返回通道 这 种形式的结构比插管式的结构径向尺寸小 但制造较为复杂 外循环滚珠丝杠 a 插管式 b 螺旋槽式 内循环结构如图5 17所示 在 螺母的侧孔中装有圆柱凸键反向 器 反向器上铣有S形回珠槽 将相邻螺纹滚道联结起来 滚珠 从螺纹滚道进入反向器 借助反 向器迫使滚珠越过丝杠牙顶进入 相邻

15、滚道 实现循环 一般一个螺母上装有2 4个反 向器 反向器沿螺母圆周均布 这种结构径向尺寸紧凑 刚性好 且不易磨损 因返程滚道短 不易发生滚珠堵塞 摩擦损失 小 但反向器结构复杂 制造困 难 且不能用于多头螺纹传动 图5 17 内循环滚珠丝杠 2 滚珠丝杠副轴向间隙的调整 滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙 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 除了结构本身所有的游隙之外 还包括施加轴向载荷后产生弹性变形所造成的轴向 窜动量 为了保证反向传动精度和轴向刚度 必须消除轴 向间隙 常用的双螺母丝杠消除间隙的方法有 1 垫片调隙式 如图5 18所示 在螺母处放入一垫片

16、 调整垫片厚度使左右两 个螺母产生方向相反的位移 则两个螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反 的侧面上 即可消除间隙和产生预紧力 这种方法结构简单 刚性好 但调整不便 滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧 调整精度不高 仅适用于一般精度 的数控机床 图5 18 垫片调隙式 2 螺纹调隙式 如图5 19所示 左螺母外端有凸缘 右螺母右端加工有 螺纹 用两个圆螺母1 2把垫片压在螺母座上 左右螺母通过平键和螺母座 连接 使螺母在螺母座内可以轴向滑移而不能相对转动 调整时 拧紧圆螺 母1使右螺母向右滑动 就改变了两螺母的间距 即可消除间隙并产生预紧力 然后用螺母2锁紧 这种调整方法结构简单紧凑 工作可靠 调整方便 应 用较广 但调整预紧量不能控制 图5 19 螺纹调隙式 3 齿差调隙式 如图5 20所示 在两个螺母的凸 缘上加工有圆柱外齿轮 分别与 紧固在套筒两端的内齿圈相啮合 左右螺母不能转动 两螺母凸 缘齿轮的齿数分别为Z1和Z2 且 相差一个齿 调整时 先取下内齿圈 让两个 螺母相对于螺母座同方向都转动 一个齿或多个齿 然后在插入内 齿圈并紧固在螺母座上 则两个 螺母便产生角位移