數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu).ppt

數(shù) 控 機 床,1,第5章 數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu),數(shù) 控 機 床,2,上一章詳細討論進給伺服系統(tǒng)的軟件硬件結(jié)構(gòu)；進給伺服系統(tǒng)基本功能的原理及實現(xiàn)方法。,數(shù) 控 機 床,3,內(nèi)容提要 本章將討論數(shù)控機床的主運動系統(tǒng)、進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)、運動傳動機構(gòu)以及典型部件等的功能、實現(xiàn)方法和安裝調(diào)試方法。,數(shù) 控 機 床,4,5.1 數(shù)控機床的主運動結(jié)構(gòu) 5.2 進給系統(tǒng)的機械傳動結(jié)構(gòu) 5.3 數(shù)控機床的刀具交換裝置 5.4 數(shù)控機床的布局,數(shù) 控 機 床,5,5.1 數(shù)控機床的主運動結(jié)構(gòu),數(shù) 控 機 床,6,1、定義、功用、組成 定義： 主運動系統(tǒng)：指驅(qū)動主軸運動的系統(tǒng)。 主軸：指帶動刀具和工件旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生切削運 動且消耗功率最大的運動軸。,5.1.1 概述,數(shù) 控 機 床,7,功用： 傳遞動力：傳遞切削加工所需要的動力 傳遞運動：傳遞切削加工所需要的運動 運動控制：控制主運動的大小方向開停 組成： 動力源：電機 傳動系統(tǒng)：定比傳動機構(gòu)、變速裝置 運動控制裝置:離合器、制動器等 執(zhí)行件：主軸,數(shù) 控 機 床,8,動力功率高 由于日益增長的對高效率要求，加之刀具材料和技術(shù)的進步，大多數(shù)NC機床均要求有足夠高的功率來滿足高速強力切削。 一般NC機床的主軸驅(qū)動功率在3.7kw250kw之間。,2、 對主傳動系統(tǒng)要求,數(shù) 控 機 床,9,調(diào)速范圍寬 調(diào)速范圍：有恒扭矩、恒功率調(diào)速范圍之分?，F(xiàn)在，數(shù)控機床的主軸的調(diào)速范圍一般在： 10010000，且能無級調(diào)速。 要求恒功率調(diào)速范圍盡可能大，以便在盡可能低的速度下，利用其全功率。 變速范圍負載波動時，速度應穩(wěn)定。,數(shù) 控 機 床,10,控制功能的多樣化 同步控制功能：NC車床車螺紋用； 主軸準停功能：加工中心自動換刀、 NC車床車 螺紋用； 恒線速切削功能：NC車床和NC磨床在進行端面加工時，為了保證端面加工的粗糙度要求，要求接觸點處的線速度為恒值； C軸控制功能：車削中心。,數(shù) 控 機 床,11,性能要求高 電機過載能力強。要求有較長時間（130min）和較大倍數(shù)的過載能力 在斷續(xù)負載下，電機轉(zhuǎn)速波動要小。 速度響應要快，升降速時間要短。 電機溫升低，振動和噪音小。 可靠性高，壽命長，維護容易。 體積小，重量輕，與機床聯(lián)接容易。,數(shù) 控 機 床,12,3、主運動變速系統(tǒng)的參數(shù) 運動參數(shù)：主運動速度有關(guān)的參數(shù)：變速范圍、轉(zhuǎn)速等。 動力參數(shù)：電機功率、扭矩。,動力參數(shù) 主運動的功率 N=Nc/ （kw）,數(shù) 控 機 床,13,主運動的調(diào)速范圍 主軸的調(diào)速范圍是指主軸變速能力：,通常數(shù)控機床的都較普通機床要高，R n：10010000,數(shù) 控 機 床,14,1.普通電機機械變速系統(tǒng)主軸部件,特點：能夠滿足各種切削運動轉(zhuǎn)矩輸出的要求，但變速范圍不大，由于是有級變速使切削速度的選擇受到限制，而且該配置的結(jié)構(gòu)較復雜，所以現(xiàn)在僅有少數(shù)經(jīng)濟型數(shù)控機床采用該配置，其它已很少采用。,5.1.2 主運動的配置形式和驅(qū)動電機,數(shù) 控 機 床,15,2. 變頻器交流電機12機械變速主軸部件,這種配置的結(jié)構(gòu)簡單、安裝調(diào)試方便，且在傳動上能滿足轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的輸出要求，但其調(diào)速范圍及特性相對于交、直流主軸電機系統(tǒng)而言要差一些。 主要用于經(jīng)濟型或中低檔數(shù)控機床上。,數(shù) 控 機 床,16,3. 交、直主軸電機 主軸部件,這種配置形式同上面一樣，但電機是性能更好交直流主軸電機，其變速范圍寬，最高轉(zhuǎn)速可達8000 r/min，且控制功能豐富，可滿足中高檔數(shù)控機床的控制要求,數(shù) 控 機 床,17,4. 電主軸 電主軸又稱內(nèi)裝式主軸電機，即主軸與電機轉(zhuǎn)子合為一體，其優(yōu)點是主軸部件結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣量小，可提高啟動、停止的響應特性，利于控制振動和噪聲。轉(zhuǎn)速高，目前最高可達200000 r/min。其缺點是電機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動和熱量將直接影響到主軸，因此，主軸組件的整機平衡、溫度控制和冷卻是內(nèi)裝式電機主軸的關(guān)鍵問題,數(shù) 控 機 床,18,車床用電主軸,銑床用電主軸,數(shù) 控 機 床,19,5.1.3 主軸部件,1、概述 功用： 夾持工件或刀具實現(xiàn)切削運動； 傳遞運動及切削加工所需要的動力。 組成： 主軸、支承、傳動零件、裝夾刀具或工件的附件及輔助零部件。,數(shù) 控 機 床,20,要求： 主軸的精度要高。包括運動精度（回轉(zhuǎn)精度、軸向串動）、和安裝刀具或夾持工件的夾具的定位精度（軸向、徑向）。 部件的結(jié)構(gòu)剛度和抗振性好。 較低的運轉(zhuǎn)溫升以及較好的熱穩(wěn)定性。 部件的耐磨性和精度保持性好。 自動可靠的裝夾刀具或工件,數(shù) 控 機 床,21,對數(shù)控機床除上述要求外，還應有：（在機械結(jié)構(gòu)方面） 刀具的自動夾緊裝置 主軸的準停裝置 主軸孔的清理裝置等,數(shù) 控 機 床,22,主軸部件的結(jié)構(gòu) 主軸端部的結(jié)構(gòu)形式 端部用于安裝刀具或夾持工件的夾具，因此，要保證刀具或夾具定位（軸向、定心）準確，裝夾可靠、牢固，而且裝卸方便。 目前，主軸的端部形狀已標準化。,數(shù) 控 機 床,23,數(shù) 控 機 床,24,5.2 進給系統(tǒng)的機械傳動結(jié)構(gòu),數(shù) 控 機 床,25,1、進給系統(tǒng)的功用 協(xié)助完成加工表面的成形運動，傳遞所需的運動及動力。,5.2.1 進給系統(tǒng)機械傳動結(jié)構(gòu)概述,數(shù) 控 機 床,26,2、進給系統(tǒng)機械部分的組成 傳動機構(gòu)+運動變換機構(gòu)+導向機構(gòu)+執(zhí)行件（工作臺） 傳動機構(gòu): 齒輪傳動、同步帶傳動 運動變換：絲杠螺母副、蝸桿齒條副、齒輪齒條副等 導向機構(gòu)：導軌（滑動導軌、滾動導軌、靜壓導軌）,數(shù) 控 機 床,27,數(shù) 控 機 床,28,3、主要要求 （1）減小摩擦力 采用摩擦力及動靜摩擦力差值較小的傳動件及導軌. （2）提高傳動精度和剛度 消除傳動間隙，增加傳動系統(tǒng)剛度. （3）減小運動慣量 快速響應.減小運動部件質(zhì)量.,數(shù) 控 機 床,29,5.2.2 回轉(zhuǎn)工作臺,1、定義與分類 定義：實現(xiàn)周向進給和分度運動工作臺 分類： 分度工作臺： 實現(xiàn)工作臺的定角度回轉(zhuǎn)運動，即分度、轉(zhuǎn)位和定位工作。 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺： 除了分度和轉(zhuǎn)位的功能之外，還能實現(xiàn)數(shù)控圓周進給運動。,數(shù) 控 機 床,30,分類：按定位元件分 插銷定位； 反靠定位； 齒盤定位； 鋼球定位。,2、分度工作臺,工作原理： 按照控制系統(tǒng)的指令自動地進行，每次轉(zhuǎn)位回轉(zhuǎn)一定的角度，如（ 1、5、10、15、30、45、90、180）。,數(shù) 控 機 床,31,3、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺,（1）工作原理： 實現(xiàn)圓周進給運動的工作臺-數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺（數(shù)控轉(zhuǎn)臺） （2）功能： 除了可以實現(xiàn)圓周進給運動之外，還可以完成分度運動 （3）分類： 開環(huán)、閉環(huán)。,數(shù) 控 機 床,32,5.2.3 導軌,1、導軌的作用 導向：直線運動直線導軌；圓運動軸承 支承、承載 2、數(shù)控機床常用導軌形式 塑料導軌：滑動摩擦 滾動導軌：滾動摩擦 靜壓導軌：液體摩擦,數(shù) 控 機 床,33,3、對導軌的基本要求 一定的導向精度； 良好的摩擦特性：摩擦系數(shù)?。ㄝ^高的靈敏度），動靜摩擦系數(shù)之差?。ǖ退倨椒€(wěn)性好）； 阻尼特性好（高速時不振動）； 足夠的剛度和強度； 良好的精度保持性。,數(shù) 控 機 床,34,內(nèi)容小結(jié),1、數(shù)控機床的主運動結(jié)構(gòu)概述 2、主運動的配置形式和驅(qū)動電機 3、主軸部件 4、進給系統(tǒng)的機械傳動結(jié)構(gòu)概述 5、分度工作臺 6、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺 7、導軌,數(shù) 控 機 床,35,習題與思考題,1、簡述數(shù)控機床主運動系統(tǒng)的功用。 2、簡述數(shù)控機床對主傳動系統(tǒng)的要求。 3、簡述數(shù)控機床主運動的配置形式及其特點。 4、簡述數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械部分的組成。 5、簡述數(shù)控機床對導軌的基本要求,數(shù) 控 機 床,36,5.3 數(shù)控機床的刀具交換裝置,數(shù) 控 機 床,37,內(nèi)容提要 本節(jié)將討論數(shù)控機床的自動刀具交換裝置的形式、刀庫的類型、刀具系統(tǒng)及選刀方式，最后將介紹一個自動刀具交換裝置的實例。,數(shù) 控 機 床,38,5.3.1 概述,什么是自動換刀裝置： 儲備一定數(shù)量的刀具并完成刀具的自動交換功能的裝置 ATC：Automatic Tool Changer 為什么需要自動換刀裝置： 縮短非切削時間，提高生產(chǎn)率，可使非切削時間減少到2030； “工序集中”，擴大數(shù)控機床工藝范圍，減少設(shè)備占地面積； 提高加工精度；,數(shù) 控 機 床,39,數(shù)控機床對ATC要求： 換刀時間盡可能短； 刀具重復定位精度高； 刀具儲存量足夠； 結(jié)構(gòu)緊湊，便于制造、維修、調(diào)整； 布局應合理，使機床總布局美觀大方； 較好的剛性，避免沖擊、振動及噪聲，運轉(zhuǎn)安全可靠； 防屑、防塵裝置。 應用 數(shù)控車床、“加工中心”、車削中心、五面加工機床,數(shù) 控 機 床,40,5.3.2 自動換刀裝置的形式,1、回轉(zhuǎn)刀架換刀 工作原理同分度工作臺,數(shù) 控 機 床,41,數(shù) 控 機 床,42,2、更換主軸換刀,數(shù) 控 機 床,43,3、更換主軸箱換刀,數(shù) 控 機 床,44,4、更換刀庫換刀,數(shù) 控 機 床,45,5、帶刀庫的自動換刀系統(tǒng) 這類換刀裝置由刀庫、選刀機構(gòu)、刀具交換機構(gòu)及刀具在主軸上的自動裝卸機構(gòu)等四部分組成， 刀庫可裝在機床的工作臺上、立柱上或主軸箱上，也可作為一個獨立部件裝在機床之外。 這類換刀裝置應用最廣泛。,數(shù) 控 機 床,46,刀庫裝在機床的工作臺上，這種換刀裝置，直接利用機床本身及刀庫的運動進行換刀。當某一刀具加工完畢從工件退出后，即開始進行自動換刀 。,數(shù) 控 機 床,47,現(xiàn)在的中小型加工中心，刀庫不是裝在工作臺上，而是裝在立柱上的一個托架上。采用刀庫在托架的導軌上平行于X方向運動與主軸的上下運動實現(xiàn)換刀。,數(shù) 控 機 床,48,數(shù) 控 機 床,49,當?shù)稁斓娜萘看?、刀具較重或機床總體布局等原因， 刀庫也可作為一個獨立部件，裝在機床之外,數(shù) 控 機 床,50,刀庫遠離主軸，常常要附加運輸裝置，來完成刀庫與主軸之間刀具的運輸。,數(shù) 控 機 床,51,為了縮短換刀時間，可采用帶刀庫的雙主軸或多主軸換刀系統(tǒng),數(shù) 控 機 床,52,5.3.3 刀 庫,1、刀庫的形式 （1）盤式刀庫,數(shù) 控 機 床,53,數(shù) 控 機 床,54,（2）鏈式刀庫,數(shù) 控 機 床,55,數(shù) 控 機 床,56,數(shù) 控 機 床,57,數(shù) 控 機 床,58,數(shù) 控 機 床,59,2、設(shè)計刀庫時應考慮的主要問題 （1）合理確定刀庫容量 對總體布局和 成本影響機大； 對機床工藝能 力和效率有影響；,數(shù) 控 機 床,60,（2）盡量縮短選刀時間 （3）刀庫運動速度應適宜 外鏈式刀庫的線速度可達100800mms，盤刀庫的轉(zhuǎn)速多為1060s。 （4）要求刀庫運行平穩(wěn) （5）刀座在刀庫中的排列 （6）其他應注意的問題 夾持可靠，刀庫防塵、防屑及安全防護等,數(shù) 控 機 床,61,5.4 數(shù)控機床的布局,數(shù) 控 機 床,62,概念： 數(shù)控機床的布局是指機床機械結(jié)構(gòu)部件相對安裝位置的總體方案。,5.4.1 概述,數(shù) 控 機 床,63,數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu) 機床基礎(chǔ)件 ：床身、底座、立柱、橫梁、工作臺 主運動系統(tǒng)（主軸） 進給傳動系統(tǒng) 輔助功能部件：氣動、潤滑、冷卻、排屑、防護等 刀架或自動換刀裝置（ATC） 自動托盤交換裝置（APC、AWC） 特殊功能裝置：刀具破損監(jiān)控、精度檢測等。,數(shù) 控 機 床,64,高自動化：要求自動保證穩(wěn)定的加工精度。 高精度和大功率： 數(shù)控機床集高精度與重切削于一身，因此對傳動件和基礎(chǔ)件的結(jié)構(gòu)和剛度有了更高的要求。 高速度: 簡化傳動機構(gòu)，趨勢：“零傳動”,5.4.2 數(shù)控機床的功能和性能對布局結(jié)構(gòu)的要求,數(shù) 控 機 床,65,工藝復合化和功能集成化： 附件和輔助裝置增多 工藝復合化是指“一次裝夾，多工序加工” 功能集成化是指“一機多能”。 高可靠性 數(shù)控機床應能在高負荷下長時間無故障連續(xù)工作， 因而對機械元、部件的可靠性提出了很高的要求。,數(shù) 控 機 床,66,數(shù)控機床總體布局與工藝因素 表面形成方法對總體布局的影響 數(shù)控車床，數(shù)控銑床、數(shù)控齒輪加工機床等 工序集中 加工中心、五面加工機床、車銑復合機床等 工件的尺寸、重量對布局的影響 小型、中型、大型和重型數(shù)控機床；,5.4.3 影響數(shù)控機床總體布局的因素,數(shù) 控 機 床,67,總體布局與刀庫配置 盤式刀庫、鏈式刀庫等 總體布局與操作使用 方便操作、使用等 總體布局與其它 機電一體化結(jié)構(gòu) 全封閉式結(jié)構(gòu),數(shù) 控 機 床,68,5.4.4 數(shù)控機床的總體布局實例,數(shù) 控 機 床,69,數(shù) 控 機 床,70,數(shù) 控 機 床,71,數(shù) 控 機 床,72,數(shù) 控 機 床,73,數(shù) 控 機 床,74,數(shù) 控 機 床,75,數(shù) 控