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1、第三章数控机床典型结构及部件 技能目标1 了解数控机床的结构特点及要求2 熟悉数控机床主传动系统的主轴变速方式 典型主轴部件结构及原理3 熟悉并掌握进给传动系统中典型部件结构及原理4 熟悉并掌握一般转塔回转刀架及自动换刀机构的组成及工作原理5 熟悉并掌握数控机床典型位置检测装置结构及工作原理6 了解数控机床排屑装置的作用与种类 一 数控机床的结构特点及要求数控机床与普通机床在机械传动和结构上有显著的不同 采用高性能的无级变速主轴及伺服传动系统 刚度和抗振性较好 优良的传动元件 多主轴 多刀架及刀具与工件的自动夹角紧装置 ATC 自动排屑装置 自动润滑冷却装置 采取减小机床热变形的措施 数控车床
2、的机械结构 数控加工中心机械结构 回转交换式APC移动交换式APC 二 主传动系统主要包括 主轴电机 主传动系统和主轴组件决定了零件的加工精度要求 更大的调速范围并实现无级变速 一般要求主轴具备1 100 1000 的恒转矩调速范围和1 10的恒功率调速范围 较高的精度和刚度 良好的抗振性和热稳定性 在车削中心上 要求有C轴控制功能 螺纹车削 在加工中心上 高精度的准停功能 恒线速度切削控制功能 1 主轴传动方式 1 带有变速齿轮的主传动大中型数控机床较常采用的配置方式 确保低速时有较大的扭矩 滑移齿轮的移位大多采用液压拨叉或直接由液压缸驱动齿轮来实现 数控机床主传动的四种配置方式 a 齿轮变
3、速 b 带传动 c 两个电机分别驱动 d 调速电机直接驱动 2 通过带传动的主传动主要用在转速较高 变速范围不大的小型数控机床上 可以避免由齿轮传动所引起的振动和噪声 适用于高速低转矩特性的主轴 常用有多楔带和同步齿形带 带的结构形式 a 多楔带 b 同步齿形带 同步齿形带传动是一种综合了带传动和链传动优点的新型传动方式 带型有梯形齿和圆弧齿 同步齿形带的结构和传动 3 用两个电机分别驱动主轴传动高速时 由一个电机通过带传动 低速时 由另一个电机通过齿轮传动 齿轮起到降速和扩大变速范围的作用 使恒功率区增大 扩大了变速范围 避免了低速时转矩不够且电机功率不能充分利用的问题 4 调速电机直接驱动
4、主轴传动 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 但主轴输出的扭矩小 电机发热对主轴的精度影响较大 直接驱动式 5 电主轴 电主轴是高频主轴的简称 实现了机床的 零传动 如瑞士的FISCHER 德国的GMN 美国的PERCISE 意大利的GAMFIOR及日本的NSK等公司 电主轴的结构见图3 4 b 电主轴的轴承 决定主轴寿命和承载能力的关键部件 当前主要有 陶瓷球轴承 液体静压轴承和磁悬浮轴承 电主轴的冷却 强制循环油冷却的方式 电主轴的驱动 交流异步感应电动机电主轴的基本参数 套筒直径 主要参数 最高转速 输出功率 转矩和刀具接口 2 主轴部件包括主轴的支撑和安装在主轴
5、上的传动零件 1 主轴端部的结构形状 标准化 用于安装刀具或夹持工件的夹具 主轴轴承常见的支撑形式 a 形式一 b 形式二 c 形式三 2 主轴部件的支撑a 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 c 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 b 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
6、能力小 适于高速 轻载 高精密的数控机床主轴 3 刀具自动装卸切屑清除装置 加工中心主轴前端有7 24号锥孔 内部和后端安装的是刀具自动夹紧机构 机床执行换刀指令 机械手从主轴拔刀时 主轴需松开刀具 这时 液压缸上腔通压力油 活塞推动拉杆向下移动 使碟形弹簧压缩 钢球进入主轴锥孔上端的槽内 刀柄尾部的拉钉被松开 机械手拔刀 压缩空气进入活塞和拉杆的中孔 吹净主轴锥孔 为装入新刀具做好准备 当机械手将下一把刀具插入主轴后 液压缸上腔无油压 在碟形弹簧和弹簧的恢复力作用下 拉杆 钢球和活塞退回到图示的位置 使刀具被夹紧 刀杆夹紧机构用弹簧夹紧 液压放松 以保证在工作中突然停电时 刀杆不会自行松脱
7、3 刀具自动装卸切屑清除装置 3 刀具自动装卸切屑清除装置 机床采用的是7 24号锥柄刀具 锥柄的尾端安装有拉钉 拉杆通过4个钢球拉住拉钉的凹槽 使刀具在主轴锥孔内定位及夹紧 排屑装置是将机械加工过程中产生的切屑收集 输送到集屑箱中的机械机床功能部件 3 刀具自动装卸切屑清除装置 链板式排屑机 磁性排屑机 刮板式排屑机 螺旋式排屑机 4 主轴的进给功能在车削中心的主传动系统中 增加了主轴的进给功能 C轴坐标功能 进给功能即是实现主轴定向停车和圆周进给 并在数控装置控制下实现C轴 Z轴插补和C轴 X轴插补 5 主轴的准停功能 主轴准停阶梯孔或精镗孔示意图 当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时 为防止刀具
8、与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面 必须先让刀 再退刀 因此 刀具就必须具有定位功能 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 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 a 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 编码器主轴准停控制原理图 b
9、 编码器主轴准停控制通过主轴电动机内置安装的位置编码器或在机床主轴箱上安装一个与主轴1 1同步旋转的位置编码器来实现准停控制 准停角度可任意设定 非接触式密封 a 形式一 b 形式二 c 形式三 6 主轴的密封 接触式密封 a 油毡圈密封 b 耐油橡胶密封圈密封 3 进给传动系统 1 数控机床对进给系统的要求 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 2 联轴器 锥环无键消隙联轴器 1 锥环无键联轴器 挠性联轴器 2 套筒式联轴器 套筒式联轴器 a 结构一 b 结构二 c 结构三 其结构简单 径向尺寸小
10、但拆装困难 要求两中心轴线严格对准 使用受到一定限制 直齿圆柱齿轮传动副消除间隙的方法 1 偏心套调整法 偏心套消除间隙结构 3 传动齿轮间隙调整机构 2 锥度齿轮轴向垫片调整法 锥度齿轮轴向垫片消除间隙结构 3 双片薄齿轮错齿调整法 双片薄齿轮错齿消除间隙结构 a 结构一 b 结构二 斜齿圆柱齿轮传动副消除间隙的方法1 斜齿轮轴向垫片调整法薄片斜齿轮1和2的齿形拼装在一起加工 装配时在两薄片齿轮间装入已知厚度为t的垫片3 这样螺旋线便错开了 使两薄片斜齿轮分别与宽齿轮4的左 右齿面贴紧 从而消除间隙 斜齿轮轴向垫片消除间隙结构 承载能力较小 且不能自动补偿消除间隙 属刚性消除间隙的范畴 2
11、斜齿轮轴向压簧错齿调整法轴向尺寸较大 只适合于负载较小的场合 斜齿轮轴向压簧错齿消除间隙结构 锥齿轮传动副消除间隙的方法 锥齿轮轴向压簧消除间隙结构 1 锥齿轮轴向压簧调整法 2 锥齿轮周向弹簧调整法 锥齿轮周向弹簧消除间隙结构 齿轮齿条传动副消除间隙的方法 如果通过弹簧在轴2上作用一个轴向力F 使斜齿轮产生微量轴向移动 这时轴1和轴3便以相反的方向转过微小的角度 使齿轮4和5分别与齿条的两齿面贴紧 从而消除间隙 齿轮齿条消除间隙结构 工作原理与特点 滚珠丝杠副结构原理 4 滚珠丝杠螺母结构 滚珠丝杠螺母副优点 1 传动效率高 摩擦损失小 2 运动平稳无爬行 3 传动精度高 反向时无空程 4
12、磨损小 精度保持性好 使用寿命长 5 具有运动的可逆性 外循环式滚珠丝杠结构 滚珠丝杠螺母副的结构类型1 外循环 滚珠在循环过程结束后 通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环 结构简单 工艺性好 承载能力较高 但径向尺寸较大 应用最为广泛 也可用于重载传动系统 2 内循环 靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道 使滚珠成单圈循环 反向器2的数目与滚珠圈数相等 结构紧凑 刚度好 滚珠流通性好 摩擦损失小 制造较困难 适用于高灵敏 高精度的进给系统 内循环式滚珠丝杠结构 双螺母消隙 滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法通常采用预加载荷的方法来减小弹性变形所带来的轴向间隙 以保证反向传动精度和轴
13、向刚度 1 垫片调隙式 滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法 2 螺纹调隙式 滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法 3 齿差调隙式在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮 分别与套筒 两端内齿圈相啮合 其齿数相差一个齿 调整时 让两个螺母相对于套筒方向都转动一个齿 然后再插入内齿圈 则两个螺母便产生相对角位移 其轴向位移量s 1 z1 1 z2 Pn 能精确调整预紧量 调整方便 可靠 结构尺寸较大 多用于高精度的传动 单螺母消隙 4 单螺母变位螺距预紧 5 单螺母螺钉预紧螺母在专业生产工厂完成精磨之后 沿径向开一薄槽 通过内六角调整螺钉实现间隙的调整和预紧 间隙的调整和预紧极为方便 滚珠丝杠螺母副预紧力为了保证传动
14、精度及刚度 除消除传动间隙外 还要求预紧 其预紧力计算公式为式中为轴向最大工作载荷 滚珠丝杠的支撑方式 a 仅一端装推力轴承 b 一端装推力轴承 另一端装深沟球轴承 c 两端装推力轴承 d 两端装推力轴承和深沟球轴承 滚珠丝杠的支撑 滚珠丝杠副的制动装置机床工作时 电磁铁通电 使摩擦离合器脱开 运动由电机经减速齿轮传给丝杠 使主轴箱上 下移动 当加工完毕或中间停车时 电机和电磁铁同时断电 借压力弹簧作用合上摩擦离合器 使丝杠不能转动 主轴箱便不会下落 数控铣镗床主轴箱进给丝杠制动示意图 滚珠丝杠的预拉伸滚珠丝杠在工作时 由于发热将使导程增大 影响定位精度 为了消除此现象 可将丝杠预拉伸 滚珠丝
15、杠副的的参数公称直径 大于丝杠工作长度的1 30导程 丝杠旋转任意角度时 螺母基准点的轴向位移基本导程 360度时 螺母基准点的轴向位移接触角 45度滚珠的工作圈数 第一圈 50 第二圈 30 第三圈 20 2 5 3 5滚珠的总数 小于150 多 流动不畅 少 载荷过大其他参数 5 直线电机传动采用直线电机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台 拖板 之间的机械传动环节 这也称之为 零传动 直线电机是指可以直接产生直线运动的电机 可以作为进给驱动系统 在定位精度 运动精度 动态响应 运行维护和行程方面有较大的优势 最常用的直线电机类型是平板式和U型槽式 和管式 直线电机工作原理直线电动机的工作原理与旋转电动机相似 以直线感应电动机为例 当初级绕组通入交流电源时 便在气隙中产生行波磁场 次级在行波磁场切割下 将感应出电动势并产生电流 该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力 如果初级固定 则次级在推力作用下做直线运动 反之 则初级做直线运动 从制造成本及运行费用考虑 常将直线电机做成短初级长次级 对直线电机控制技术的研究基本上可以分为三个方面 一是传统控制技术 二是现代控制技术 三是智能控制技术
