數(shù)控機床的機械結構講義課件(PPT 122頁).ppt

1、數(shù)控機床的機械結構,導入,輸 入 裝 置,輸 出 裝 置,計 算 機 數(shù) 控 裝 置,PLC,主軸控制單元,主軸,機床,伺服電機,速度控制單元,工 作 臺,位置檢測反饋裝置,數(shù)控機床的組成,8-1對機械結構的要求,一、數(shù)控機床的機械結構要求,1、高精度 2、高速度 3、高自動化,要求數(shù)控機床必須具有很高的 強度、剛度和抗振性,因此，數(shù)控機床的功能要求和設計要求與普通機床有較大的差異。數(shù)控機床的結構設計要求可以歸納為如下幾方面： 1、具有大切削功率，高的靜、動剛度和良好的抗振性能； 2、具有較高的幾何精度、傳動精度、定位精度和熱穩(wěn)定性； 3、具有實現(xiàn)輔助操作自動化的結構部件,1、數(shù)控機床應具有更

2、高的靜、動剛度,一、數(shù)控機床的機械結構要求,1）提高剛度的原因 在重載荷的作用下，機床的各部件、構件會受力變形，引起刀具和工件的相對位置的變化 機床剛度差影響機床抗振性,剛度:是指支承件在恒定載荷或交變載荷作用下抵抗變形的能力,靜剛度,動剛度,2）提高剛度的措施,合理選擇支承件的結構形式,措施1 支承件截面形狀盡量選用抗彎的方截面和抗扭的圓截面 或采用封閉型床身,封閉整體箱形結構,2）提高剛度的措施,措施2 合理布置支承件隔板的筋條,隔板的作用是將作用于支承板的局部載荷傳遞給其它壁板,從而使整個支承件承受載荷,提高支承件的自身剛度,T”形隔板連接，主要提高水平面抗彎剛度，對提高垂直面抗彎剛度和

3、抗扭剛度不顯著，多用在剛度要求不高的床身上,2）提高剛度的措施,W”形隔板，能較大地提高水平面上的抗彎抗扭剛度，對中心距超過1500mm的長床身，效果最為顯著,2）提高剛度的措施,形隔板，在垂直面和水平面上的抗彎剛度都比較高，鑄造性能好，在大中型車床上應用較多,2）提高剛度的措施,斜向拉筋，床身剛度最高，排屑容易,措施3 增加導軌與支承件的連接部分的剛度,2）提高剛度的措施,連接剛度:支承件在連接處抵抗變形的能力,稱為支承件的連 接剛度,措施4 增加機床各部件的接觸剛度和承載能力,2）提高剛度的措施,采用刮研的方法增加單位面積上的接觸點 在結合面之間施加足夠大的預加載荷,增加接觸面積,合理的結

4、構布局,2）提高剛度的措施,合理的結構布局,2）提高剛度的措施,采用補償變形的措施,2）提高剛度的措施,測出受力點的相對變形的大小和方向，或者預知構件的變形規(guī)律，就可采取補償變形的方法消除受力變形的影響,合理選用構件的材料,措施1 床身、立柱等支承件采用鋼板或型鋼焊接 增加剛度、減輕重量、提高抗振性,2）提高剛度的措施,鑄件: 容易獲得復雜結構的支承件,鑄鐵的內摩擦力大,阻尼 系數(shù)大,振動的衰減性能好,成本低.鑄件的周期較長,需 做木型模,易產生縮孔、氣泡等缺陷,焊接件:鋼材的強度比鑄鐵高，質量可比鑄件減輕20%-50%， 不需要木模和澆注，生產周期短，不易出現(xiàn)廢品,措施2 采用封砂床身結構,

5、2）提高剛度的措施,在鑄件中不清除砂心，在焊接件中灌注混凝土或砂增加摩擦阻力,人造大理石床身（混凝土聚合物,措施3 采用混凝土、樹脂混凝土或人造花崗巖作支承件的材料,2）提高剛度的措施,天然大理石床身,2）提高剛度的措施,一、數(shù)控機床的機械結構要求,2、減少機床的熱變形,1）產生熱變形的原因,內外熱源的影響 不能人工修正熱變形誤差,2）減少熱變形的措施,減少發(fā)熱將熱源從主機中分離出去,措施1 主運動采用直流或交流調速電動機進行無級調速 減少傳動軸和傳動齒輪數(shù)量 減少主傳動箱內的發(fā)熱量,進行熱變形補償,措施2 采用低摩擦系數(shù)的導軌和軸承 采用滾動導軌、靜壓導軌或滾動軸承,2）減少熱變形的措施,控

6、制溫升,措施 通過散熱和冷卻方法,改善機床結構,措施1 采用對稱原則設計數(shù)控機床結構,措施2 使機床主軸的熱變形發(fā)生在刀具切入的垂直方向上,措施3 采用排屑系統(tǒng),主軸,冷卻風管,對機床熱源進行強制冷卻,主軸,冷卻風管,對機床熱源進行強制冷卻,對稱結構立柱,措施1 采用對稱原則設計數(shù)控機床結構,措施2 使機床主軸的熱變形發(fā)生在刀具切入的垂直方向上,機床排屑系統(tǒng),措施3 采用排屑系統(tǒng),傾斜床身,措施3 采用排屑系統(tǒng),措施4 將熱源置于易散熱的位置,將主傳動箱和主電動機放在機床的外面,3、減少運動副的摩擦，提高傳動精度,4、提高機床壽命和精度保持性,一、數(shù)控機床的機械結構要求,措施1 采用滾動導軌或

7、靜壓導軌來減少摩擦副之間的摩擦,措施2 采用滾珠絲杠或無間隙齒輪傳動減小摩擦,措施1 采用耐磨性好的零部件,措施2 機床運動部件間具有良好的潤滑,滾珠絲杠螺母副+滾動導軌副,5、自動化的機構、宜人的操作性,一、數(shù)控機床的機械結構要求,便于操作的機床結構,一、數(shù)控機床的機械結構要求,6、安全防護和宜人的造型,數(shù)控機床大都采用機、電、液、氣一體化布局，全封閉或半封閉防護，機械結構大大簡化，易于操作及實現(xiàn)自動化,二、對主傳動的要求,2、對主傳動的要求,1、主傳動的作用：產生主切削力,足夠的轉速范圍 足夠的功率和扭矩 各零部件應具有足夠的精度、強度、剛度和抗振性 噪聲低、運行平穩(wěn),3、主傳動的配置方式

8、,主軸電動機直接驅動（一體化主軸，電主軸,特點,有效提高主軸部件剛度，但主軸輸出扭矩小,電主軸,2、電動機經同步齒形帶傳動主軸,3、電動機經齒輪變速傳動主軸,4、主軸部件,動畫,三、對進給傳動系統(tǒng)的要求,1、進給傳動系統(tǒng)作用,接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進給脈沖，經放大和轉換后驅動執(zhí)行元件實現(xiàn)預期的運動,2、傳統(tǒng)進給傳動系統(tǒng)與數(shù)控伺服進給系統(tǒng)的區(qū)別,傳統(tǒng)進給傳動系統(tǒng)：多采用一個電機，執(zhí)行件之間采用大量 的齒輪傳動，以實現(xiàn)內外傳動鏈的各種傳動比要求。故傳動 鏈很長，結構相當復雜,數(shù)控伺服進給系統(tǒng)：每一個運動都由單獨的伺服電機驅動， 傳動鏈大大縮短，傳動件大大減少，有利于減少傳動誤差， 提高傳動精度,3、對

9、進給傳動系統(tǒng)的要求,減少運動件的摩擦阻力,提高機床進給系統(tǒng)的快速響應性能和運動精度，減少爬行現(xiàn)象,響應性能：是進給伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的指標， 反映了系統(tǒng)的跟蹤精度,運動精度：是機床的主要零、部件在以工作狀態(tài) 的速度運動時的精度,爬行現(xiàn)象：低速時運動不平衡的現(xiàn)象稱為爬行現(xiàn)象,機床爬行現(xiàn)象一般發(fā)生在低速度、重載荷的運動情況下 當主動件1作勻速運動時，被動件3往往會出現(xiàn)明顯的速度 不均勻，產生跳躍式的時停時走的運動狀態(tài)，或時快時慢 現(xiàn)象,3、對進給傳動系統(tǒng)的要求,提高傳動精度和剛度,措施1 保證部件加工精度 措施2 在傳動鏈中加入減速齒輪減小脈沖當量，提高傳動精度 措施3 預緊支撐絲杠的軸承消除齒輪、

10、蝸輪傳動件間隙 措施4 預緊消除滾珠絲杠螺母副的軸向傳動間隙,3、對進給傳動系統(tǒng)的要求,減小各運動零部件的慣量,穩(wěn)定性好，壽命長,穩(wěn)定性好：保證低速時不產生爬行，外負載變化時不發(fā)生振動,壽命：是指數(shù)控機床保持傳動精度和定位精度時間的長短， 即保持原制造精度的能力,8-2數(shù)控機床典型機械結構,一、主軸準停裝置,機械式主軸準停,二、自動換刀裝置,自動換刀裝置,刀庫,機械手,ATC,作用交換主軸與刀庫中的刀（工）具,對自動換刀裝置的 基本要求,換刀時間短 刀具重復定位精度高 有足夠的刀具貯存量 刀庫占地面積小及安全可靠,自動換刀裝置的形式,回轉刀架換刀 更換主軸頭換刀 更換主軸箱換刀 帶刀庫的自動換

11、刀系統(tǒng),二、自動換刀裝置,1、回轉刀架換刀,1）回轉刀架結構要求：良好的強度和剛性 2）回轉刀架的換刀動作,刀架抬起,刀架轉位,刀架壓緊,二、自動換刀裝置,2、更換主軸換刀,優(yōu)點：換刀時間短，換刀的可靠性強,缺點：主軸系統(tǒng)的剛度較差,適用場合：適應于工序較少、精度要求不太高的機床,回轉刀架換刀,3、更換主軸箱換刀,適用場合：適用于箱體類零件的加工,二、自動換刀裝置,4、帶刀庫的自動換刀系統(tǒng),組成,刀庫 選刀系統(tǒng) 刀具交換機構 刀具自動裝卸機構,特點：結構較復雜，換刀過程動作多，換刀時間長,適用場合：多用于鉆床、鏜銑床和數(shù)控組合機床,二、自動換刀裝置,三、刀庫,2、刀庫的種類,1、刀庫的功能 功

12、能：儲存加工工序所需的各種刀具及輔助工具,直線式,特點：結構簡單，刀庫容量小，一般可容納 8-12把刀具，故少用,三、刀庫,鼓輪式（圓盤式,1）單鼓輪式,刀具、鼓輪軸線平行,刀具、鼓輪軸線垂直,盤式刀庫,三、刀庫,刀具、鼓輪軸線成銳角,特點：結構簡單緊湊，應用較多，但刀具單 環(huán)排列，空間利用率低，適用于刀庫 容量較小的場合，一般不多于50-60把刀,三、刀庫,鼓輪端面上雙環(huán)排列,特點：刀庫空間利用率較高，但裝刀、取 刀機構復雜，僅適用于機床空間有 限制而刀庫容量較大的場合,三、刀庫,鼓輪端面上多環(huán)排列,鼓輪彈倉式,2）多鼓輪式,雙鼓輪式,三、刀庫,三鼓輪式 行星鼓輪式,特點：不同類型的刀具及輕

13、重型刀具可分別放置， 空間利用率高，但傳動機構和運動控制裝置 復雜，適用于刀庫容量大的場合,三、刀庫,鏈式,單環(huán)鏈式,特點：結構緊湊，刀庫容量大，可充分利用空間，通常為軸向取刀，位置精度較低，適用于刀庫容量大的場合,龍門加工中心,三、刀庫,多環(huán)鏈式,三、刀庫,加長鏈式,格子箱式,單面網格式,特點：刀庫結構緊湊，空間利用率高，但換刀時間 較長，小直徑刀具為軸向取刀，大直徑刀具 為徑向取刀，布局不靈活，通常刀庫安置在 工作臺上，應用較少,三、刀庫,三、刀庫,多面網格式,特點：刀庫容量大，輔助裝置較復雜，用于需刀庫 容量大的機床上,三、刀庫,3、刀庫的容量,銑削加工,車削加工,鉆削加工,四、刀具的選

14、刀方式,1、自動選刀：在自動換刀裝置換刀時，按數(shù)控裝 置發(fā)出的換刀指令，刀具交換裝置 從刀庫中挑選各工序所需刀具的操 作稱為自動換刀,2、刀具的選擇方式,順序選擇方式,任意選擇方式,刀座編碼方式,刀具編碼方式,四、刀具的選刀方式,順序選擇方式,刀具的順序選擇方式是將刀具按加工工序的順序，依次放入刀庫的每一個刀座中,特點：不需要刀具識別裝置，結構簡單， 工作可 靠，但刀庫中刀具在不同工序中不能重復 使用，因此，刀具的數(shù)量的刀庫的容量大,四、刀具的選刀方式,刀具編碼方式,接觸式識別裝置,四、刀具的選刀方式,刀柄,刀具識別裝置,觸針,編碼環(huán),特點：結構簡單，壽命較短，可靠性較差，難于快速換刀,四、刀

15、具的選刀方式,非接觸式識別裝置,特點：無磨損，無噪音，壽命長，反應速度快，適用于高 速，換刀頻繁的場合,四、刀具的選刀方式,光電識別裝置,四、刀具的選刀方式,刀座編碼方式,永久性編碼,臨時性編碼,刀座編碼,四、刀具的選刀方式,刀座編碼,四、刀具的選刀方式,識別碼塊,識別傳感器,刀柄編碼,四、刀具的選刀方式,臨時性編碼,五、刀具交換裝置,1、無機械手換刀,五、刀具交換裝置,1、無機械手換刀,2、機械手換刀,五、刀具交換裝置,機械手形式,五、刀具交換裝置,機械手換刀,五、刀具交換裝置,機械手傳動結構,六、滾珠絲杠螺母副,1、滾珠絲杠螺母副的結構,滾珠絲杠螺母副,六、滾珠絲杠螺母副,1、滾珠絲杠螺母

16、副的結構,絲杠,滾珠,螺母,作用：將回轉運動轉換成直線運動,六、滾珠絲杠螺母副,2、滾珠絲杠螺母副的特點,優(yōu)點：傳動效率高 摩擦阻力小 傳動精度高 有可逆性 使用壽命長,缺點：制造工藝復雜 不能實現(xiàn)自鎖,六、滾珠絲杠螺母副,3、滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式,外循環(huán)：滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán),內循環(huán)：滾珠在循環(huán)過程中始終與絲杠保持接觸的成為內循環(huán),六、滾珠絲杠螺母副,4、滾珠絲杠螺母副的預緊,預緊的目的：減小軸向間隙,軸向間隙：指絲杠和螺母間無相對轉動時，二者之間的最大 軸向竄動量,預緊的方法,雙螺母墊片式,雙螺母螺紋式,雙螺母齒差式,雙螺母墊片式,六、滾珠絲杠螺母副,雙螺母螺

17、紋式,六、滾珠絲杠螺母副,雙螺母齒差式,六、滾珠絲杠螺母副,5、滾珠絲杠螺母副的安裝,六、滾珠絲杠螺母副,特點：其承載能力小，軸向剛度低，僅適用于短絲杠,一端裝止推軸承（固定自由式,5、滾珠絲杠螺母副的安裝,六、滾珠絲杠螺母副,一端裝止推軸承，另一端裝深溝球軸承（固定支承式,特點：軸向剛度較小，絲杠有伸縮余地，結構復雜，僅 適用于長絲杠,5、滾珠絲杠螺母副的安裝,六、滾珠絲杠螺母副,兩端裝止推軸承,特點：將裝止推軸承裝在滾珠絲杠兩端，并施加預緊拉 力，有助于提高傳動剛度，但對熱伸長較敏感,5、滾珠絲杠螺母副的安裝,六、滾珠絲杠螺母副,兩端裝雙重止推軸承及深溝球軸承（固定固定式,特點：傳動剛度高

18、，結構和安裝工藝復雜，適用于長絲 杠或高轉速、高剛度、高精度的絲杠,6、滾珠絲杠螺母副的潤滑與防護,六、滾珠絲杠螺母副,潤滑的作用：減少摩擦，降低溫升，并與密封裝置一起 保護絲杠不受外物的 損傷與腐蝕,潤滑油：機油、90180號透平油、140號主軸油,潤滑脂：鋰基油脂或高壓潤滑脂,防護：防止塵埃、切屑等硬質顆粒進入,密封圈：采用毛氈圈（耐油橡膠、尼龍,防護罩：采用螺旋鋼帶、伸縮套筒、錐形套筒或皮革、 人造革制成的,不銹鋼卷筒式防護罩,工程塑料防護套,七、數(shù)控機床導軌,2、對導軌的基本要求,1、導軌的功能：支承和導向,導向精度：是指機床的運動部件沿導軌移動時的直線性 和它與有關基面之間相互位置的準確性 精度保持性：是指導軌在長期使用中保持導向精度的能力 低速運動平穩(wěn)性： 結構簡單、工藝性好,七、數(shù)控機床導軌,3、導軌的分類和特點,按運動軌跡,按工作性質,按接觸面的摩擦性質,直線運動導軌：相對運動軌跡為直線,圓周運動導軌：相對運動軌跡為圓,主運動導軌：動導軌作主運動，導軌副間相對運動速度高,進給運動導軌：動導軌作進給運動，導軌副間相對運