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1、1第五章 數(shù)控機(jī)床的典型部件5.1 概述概述5.2數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng) 5.3數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng) 5.4床身與立柱床身與立柱 5.5機(jī)床導(dǎo)軌機(jī)床導(dǎo)軌 5.6自動換刀裝置自動換刀裝置 5.7 自動排屑裝置自動排屑裝置 5.1 概述概述 5.1.1 對數(shù)控機(jī)床機(jī)械機(jī)構(gòu)的要求對數(shù)控機(jī)床機(jī)械機(jī)構(gòu)的要求1.機(jī)床的性能要求機(jī)床的性能要求(1)機(jī)床的工藝范圍)機(jī)床的工藝范圍 機(jī)床可完成加工工序種類;機(jī)床可完成加工工序種類; 加工零件類型;加工零件類型; 材料和尺寸范圍,毛坯種類。材料和尺寸范圍,毛坯種類。(2)加工精度)加工精度 尺寸、形狀和位置精度。尺寸、形狀和位置精度。
2、 機(jī)床精度:幾何精度、運(yùn)動精度和定位精度。機(jī)床精度:幾何精度、運(yùn)動精度和定位精度。(3) 注意低速運(yùn)動的平穩(wěn)性。注意低速運(yùn)動的平穩(wěn)性。 導(dǎo)軌的材料和結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌的材料和結(jié)構(gòu) 進(jìn)給系統(tǒng)的剛性和動態(tài)特性進(jìn)給系統(tǒng)的剛性和動態(tài)特性2.滿足機(jī)床剛度和抗振性的要求滿足機(jī)床剛度和抗振性的要求 具有抵抗外載荷的能力;具有抵抗外載荷的能力; 抵抗受迫和自激振動的能力;抵抗受迫和自激振動的能力; 改善機(jī)床機(jī)構(gòu)。改善機(jī)床機(jī)構(gòu)。3.減少熱變形要求減少熱變形要求 減少發(fā)熱減少發(fā)熱 控制溫升控制溫升 改善機(jī)床機(jī)構(gòu)改善機(jī)床機(jī)構(gòu)4. 機(jī)床可靠性要求機(jī)床可靠性要求5. 人機(jī)要求人機(jī)要求 數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)數(shù)控車床的結(jié)構(gòu) 加工中心的結(jié)構(gòu)
3、加工中心的結(jié)構(gòu) 數(shù)控車床加工中心5.2數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng) 5.2.15.2.1對數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)的要求對數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)的要求數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動傳動系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床主軸運(yùn)動是機(jī)床成型運(yùn)動之一。它的精度決定了零件的加工精度。數(shù)控機(jī)床是具有高效率的機(jī)床,因此它的主軸系統(tǒng)必須滿足如下要求:(1 1)具有更大的調(diào)速范圍并實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速)具有更大的調(diào)速范圍并實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。數(shù)控機(jī)床為了保證加工時能選用合理的切削用量,從而獲得更高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量,必須要求能在較大的調(diào)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。一般要求主軸具備1(1001000)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍和110的恒功率調(diào)速范圍。
4、 (2)具有較高的精度與剛度,傳遞平穩(wěn),噪聲低具有較高的精度與剛度,傳遞平穩(wěn),噪聲低。數(shù)控機(jī)床加工精度的提高,與主軸系統(tǒng)具有較高的精度密切相關(guān)。為此,要提高傳動件的制造精度與剛度,就要對齒輪齒面高頻感應(yīng)加熱淬火,以增加耐磨性;最后一級采用斜齒輪傳動,使傳動平穩(wěn);采用精度高的軸承及合理的支撐跨距等,以提高主軸組件的剛性。 (3)良好的抗振性和熱穩(wěn)定性良好的抗振性和熱穩(wěn)定性。數(shù)控機(jī)床加工時,可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運(yùn)動部件不平衡以及切削過程中的自振等原因引起的沖擊力的干擾,會使主軸產(chǎn)生振動,從而影響加工精度和表面粗糙度,嚴(yán)重時甚至可能破壞刀具和主軸系統(tǒng)中的零件,使其無法工作。主軸系統(tǒng)發(fā)熱
5、使其中的零部件產(chǎn)生熱變形,降低傳動效率,破壞零部件之間的相對位置精度和運(yùn)動精度,造成加工誤差。為此,主軸組件要有較高的固有頻率,實(shí)現(xiàn)動平衡,保持合適的配合間隙并進(jìn)行循環(huán)潤滑等。(4)在車削中心上,要求主軸具有在車削中心上,要求主軸具有C軸控制功能軸控制功能。在車削中心上,為了使之具有螺紋車削功能,要求主軸與進(jìn)給驅(qū)動實(shí)行同步控制,即主軸具有旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸(C軸)的控制功能。(5)在加工中心上,要求主軸具有高精度的準(zhǔn)停功能在加工中心上,要求主軸具有高精度的準(zhǔn)停功能。在加工中心上自動換刀時,主軸須停止在一個固定不變的方位上,以保證換刀位置的準(zhǔn)確以及某些加工工藝的需要,即要求主軸具有高精度的準(zhǔn)停功能。 (
6、6)具有恒線速度切削控制功能具有恒線速度切削控制功能。利用車床和磨床進(jìn)行工件端面加工時,為了保證端面加工時粗糙度的一致性,要求刀具切削的線速度為恒定值,隨著刀具的徑向進(jìn)給,切削直徑的逐漸減小,應(yīng)不斷提高主軸轉(zhuǎn)速,并維持線速度為常數(shù)。此外,為了獲得更高的運(yùn)動精度,要求主運(yùn)動傳動鏈盡可能短,同時,由于數(shù)控機(jī)床特別是加工中心通常配備有多把刀具,要求能夠?qū)崿F(xiàn)主軸上刀具的快速及自動更換。 5.2.25.2.2數(shù)控機(jī)床主軸的傳動方式數(shù)控機(jī)床主軸的傳動方式數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動調(diào)速范圍很寬,其主軸的傳動方式主要有以下幾種。圖51數(shù)控機(jī)床主傳動的四種配置方式(a)齒輪變速;(b)帶傳動;(c)兩個電機(jī)分別驅(qū)動;(d)
7、調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動 1 1帶有變速齒輪的主軸傳動帶有變速齒輪的主軸傳動如圖51(a)所示,這是大中型數(shù)控機(jī)床較常采用的配置方式,通過少數(shù)幾對齒輪傳動,擴(kuò)大變速范圍,確保低速時有較大的扭矩,以滿足主軸輸出扭矩特性的要求。滑移齒輪的移位大多采用液壓撥叉或直接由液壓缸驅(qū)動齒輪來實(shí)現(xiàn)。2 2通過帶傳動的主軸傳動通過帶傳動的主軸傳動如圖51(b)所示,這種傳動主要用在轉(zhuǎn)速較高、變速范圍不大的小型數(shù)控機(jī)床上。電機(jī)本身的調(diào)整就能夠滿足要求,不用齒輪變速,可以避免由齒輪傳動所引起的振動和噪聲。它適用于高速低轉(zhuǎn)矩特性的主軸,常用的有多楔帶和同步齒形帶。 多楔帶多楔帶數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用的多楔帶多楔帶又稱為復(fù)合三角帶,其
8、橫向斷面呈多個楔形,楔角為40。多楔帶綜合了V帶和平帶的優(yōu)點(diǎn),運(yùn)轉(zhuǎn)時振動小、發(fā)熱少、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、重量小,因此可在40ms的線速度下使用。多楔帶與帶輪的接觸好、負(fù)載分布均勻,即使瞬時超載,也不會產(chǎn)生打滑,而傳遞功率比V帶大20%30%,因此能夠滿足主傳動高速、大轉(zhuǎn)矩和不打滑的要求。多楔帶在安裝時需要較大的張緊力,使得主軸和電機(jī)承受較大的徑向負(fù)載,這是多楔帶的一大缺點(diǎn)。同步齒形帶同步齒形帶同步齒形帶傳動是一種綜合了帶傳動和鏈傳動優(yōu)點(diǎn)的新型傳動方式。同步齒形帶的帶型有梯形齒和圓弧齒。通過帶輪與輪齒相嵌合,進(jìn)行無滑動的嚙合傳動。帶內(nèi)采用了加載后無彈性伸長的材料做強(qiáng)力層,以保持帶的節(jié)距不變,可使主、從動帶
9、輪進(jìn)行無相對滑動的同步傳動。與一般帶傳動相比,同步齒形帶傳動具有如下優(yōu)點(diǎn): (1)(1)傳動效率高,可達(dá)傳動效率高,可達(dá)98%98%以上;以上;(2)(2)無滑動,傳動比準(zhǔn)確;無滑動,傳動比準(zhǔn)確;(3)(3)傳動平穩(wěn),噪聲??;傳動平穩(wěn),噪聲??;(4)(4)使用范圍較廣,速度可達(dá)使用范圍較廣,速度可達(dá)50m50ms s,速比可達(dá),速比可達(dá)1010左右,左右,傳遞功率由幾瓦至數(shù)千瓦;傳遞功率由幾瓦至數(shù)千瓦;(5)(5)維修保養(yǎng)方便,不需要潤滑;維修保養(yǎng)方便,不需要潤滑;(6)安裝時中心距要求嚴(yán)格,帶與帶輪制造工藝較復(fù)雜,安裝時中心距要求嚴(yán)格,帶與帶輪制造工藝較復(fù)雜,成本高。成本高。 3 3用兩個電
10、機(jī)分別驅(qū)動主軸傳動用兩個電機(jī)分別驅(qū)動主軸傳動用兩個電機(jī)分別驅(qū)動主軸傳動如圖51(c)所示,它是上述兩種方式的混合傳動,具有上述兩種方式的性能。高速時,由一個電機(jī)通過帶傳高速時,由一個電機(jī)通過帶傳動;低速時,由另一個電機(jī)通過齒輪傳動,齒輪起到降速和擴(kuò)大變速范圍動;低速時,由另一個電機(jī)通過齒輪傳動,齒輪起到降速和擴(kuò)大變速范圍的作用,這樣就使恒功率區(qū)增大,擴(kuò)大了變速范圍,避免了低速時轉(zhuǎn)矩不的作用,這樣就使恒功率區(qū)增大,擴(kuò)大了變速范圍,避免了低速時轉(zhuǎn)矩不夠且電機(jī)功率不能充分利用的問題夠且電機(jī)功率不能充分利用的問題。但兩個電機(jī)不能同時工作,也是一種浪費(fèi)。 4 4調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動主軸傳動調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動主
11、軸傳動 由調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動主軸傳動如圖51(d)所示。這種主軸傳動方式是由電機(jī)直接帶動主軸旋轉(zhuǎn),即直接驅(qū)動式,如圖54所示。它大大簡化了主大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu),有效地提高了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu),有效地提高了主軸部件的剛度,但主軸輸出的扭矩小,軸部件的剛度,但主軸輸出的扭矩小,電機(jī)發(fā)熱對主軸的精度影響較大電機(jī)發(fā)熱對主軸的精度影響較大。 圖54直接驅(qū)動式 圖55日本研制的立式加工中心主軸組件 近年來出現(xiàn)了一種新式的內(nèi)裝電機(jī)主軸內(nèi)裝電機(jī)主軸,即主軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子合為一體。其優(yōu)點(diǎn)是主軸組件結(jié)構(gòu)緊湊、重量和慣量小,可提高啟動、停止的響應(yīng)特性,并利于控制振動和噪聲;缺點(diǎn)是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量易使主軸產(chǎn)
12、生熱變形。因此,溫度控制和冷卻是使用內(nèi)裝電機(jī)主軸的關(guān)鍵問題。圖55所示為日本研制的立式加工中心主軸組件,其內(nèi)裝電機(jī)主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)180000rmin。5.2.35.2.3主軸部件主軸部件主軸部件是機(jī)床的一個關(guān)鍵部件,它包括主軸的支撐和安裝在主軸上的傳動零件等。主軸部件質(zhì)量的好壞直接影響到加工質(zhì)量。1 1主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀主軸端部用于安裝刀具或夾持工件的夾具,在設(shè)計要求上,應(yīng)能保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、聯(lián)結(jié)牢固、裝卸方便,并能傳遞足夠的轉(zhuǎn)矩。主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀都已標(biāo)準(zhǔn)化,圖56所示為普通機(jī)床和數(shù)控機(jī)床所通用的幾種主軸端部的結(jié)構(gòu)形式。 圖56主軸端部的結(jié)構(gòu)形式(a)車床主軸端部;
13、(b)銑、鏜類機(jī)床主軸端部;(c)外圓磨床砂輪主軸端部;(d)內(nèi)圓磨床砂輪主軸端部;(e)普通鏜桿裝在鉆床主軸上的端部;(f)組合機(jī)床主軸端部 2 2主軸軸承的類型主軸軸承的類型1)滾動軸承滾動軸承摩擦阻力小,可以預(yù)緊,潤滑維護(hù)簡單,能在一定的轉(zhuǎn)速范圍和載荷變動范圍內(nèi)穩(wěn)定地工作。滾動軸承由滾動軸承由專業(yè)化工廠生產(chǎn),選購維修方便,在數(shù)控機(jī)床上被廣泛采用專業(yè)化工廠生產(chǎn),選購維修方便,在數(shù)控機(jī)床上被廣泛采用。但與滑動軸承相比,滾動軸承的噪聲大,滾動體數(shù)目有限,剛度是變化的,抗振性略差并且對轉(zhuǎn)速有很大的限制。數(shù)控數(shù)控機(jī)床主軸組件在有可能的條件下,應(yīng)盡量使用滾動軸承機(jī)床主軸組件在有可能的條件下,應(yīng)盡量使
14、用滾動軸承,特別是大多數(shù)立式主軸和主軸裝在套筒內(nèi)能夠作軸向移動的主軸,這時滾動軸承可以用潤滑脂潤滑以避免漏油。圖57為主軸常用的滾動軸承類型。 圖57主軸常用的滾動軸承(a)錐孔雙列圓柱滾子軸承;(b)雙列推力向心球軸承;(c)雙列圓錐滾子軸承; (d)帶凸肩的雙列空心圓柱滾子軸承;(e)帶預(yù)緊彈簧的單列圓錐滾子軸承;(f)角接觸滾子軸承 滾球:容易實(shí)現(xiàn)高精度,但是承載能力差;滾柱:精度稍差,但承載能力強(qiáng)。2)滑動軸承滑動軸承在數(shù)控機(jī)床上最常使用的是靜壓滑動軸承靜壓滑動軸承。靜壓滑動軸承的油膜壓強(qiáng)是由液壓缸從外界供給的,它和主軸轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速的高低無關(guān)(忽略旋轉(zhuǎn)時的動壓效應(yīng))。它的承載能力不隨
15、轉(zhuǎn)速而變化,而且無磨損,啟動和運(yùn)轉(zhuǎn)時摩擦阻力力矩相同,因此靜壓軸承的剛度大,回轉(zhuǎn)精度高,但靜壓軸承需要一套液壓裝置,成本較高。 圖58主軸軸承常見的支撐形式 (a)形式一;(b)形式二;(c)形式三 3 3主軸軸承的支撐形式主軸軸承的支撐形式主軸軸承的支撐形式主要取決于主軸轉(zhuǎn)速特性的速度因素和對主軸剛度的要求。主軸軸承常見的支撐形式有以下三種,如圖58所示。 (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(見圖58(a))。此配置可提高主軸的綜合剛度,滿足強(qiáng)力切削的要求。它普遍用于各類數(shù)控機(jī)床主軸。(2)前支撐采用高精度雙列向心推力球軸承(見
16、圖58(b))。向心推力軸承有良好的高速性,主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)4000rmin,但它的承載能力小,適于高速、輕載、高精密的數(shù)控機(jī)床主軸。 (3)前后支撐分別采用雙列和單列圓錐滾子軸承(見圖58(c))。這種軸承的徑向和軸向剛度高,能承受重載荷,尤其是可承受較強(qiáng)的動載荷。其安裝、調(diào)整性能好,但這種支撐方式限制了主軸轉(zhuǎn)速和精度,因此可用于中等精度、低速、重載的數(shù)控機(jī)床的主軸。 4 4滾動軸承的間隙與預(yù)緊滾動軸承的間隙與預(yù)緊滾動軸承存在較大間隙時,載荷將集中作用于受力方向上的少數(shù)滾動體上,使得軸承剛度下降,承載能力下降,旋轉(zhuǎn)精度變差。將滾動軸承進(jìn)行適當(dāng)預(yù)緊,使?jié)L動體與內(nèi)外圈滾道在接觸處產(chǎn)生一將滾動軸承
17、進(jìn)行適當(dāng)預(yù)緊,使?jié)L動體與內(nèi)外圈滾道在接觸處產(chǎn)生一定量的預(yù)變形,就可使受載后承載的滾動體數(shù)量增多,受力趨向均定量的預(yù)變形,就可使受載后承載的滾動體數(shù)量增多,受力趨向均勻,從而提高軸承承載能力和剛度,有利于減少主軸回轉(zhuǎn)軸線的漂勻,從而提高軸承承載能力和剛度,有利于減少主軸回轉(zhuǎn)軸線的漂移,提高旋轉(zhuǎn)精度。移,提高旋轉(zhuǎn)精度。但過盈量不宜太大,否則會使軸承的摩擦磨損加劇,承載能力顯著下降。公差等級、軸承類型和工作條件不同的主軸組件,其軸承所需的預(yù)緊量各有所不同。因此,主軸組件必須具備軸承間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。 5 5滾動軸承的精度滾動軸承的精度主軸部件所用滾動軸承的精度有高級E、精密級D、特精級C和超精級B。前
18、支撐的精度一般比后支撐的精度高一級,也可以用相同的精度等級。普通精度的機(jī)床通常前支撐取C,D級,后支撐用D,E級。特高精度的機(jī)床前后支撐均用B級。 Standards精 度 等 級 precision Grade中國標(biāo)準(zhǔn)GBP0(G)P6(E)P5(D)P4(C)P2(B)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO Normal ClassClass 6Class 5Class 4Class 2美國標(biāo)準(zhǔn)ANSIABEC 1ABEC 3ABEC 5ABEC 7ABEC 9德國標(biāo)準(zhǔn)DINP0P6P5P4P2日本標(biāo)準(zhǔn)JIS0 級6 級5 級4 級2 級5.2.45.2.4主軸的準(zhǔn)停主軸的準(zhǔn)停主軸準(zhǔn)停功能又稱為主軸定位功能,即當(dāng)
19、主軸停止時,控制其停于固定位置,這是自動換刀所必需的功能。在自動換刀的鏜銑加工中心上,切削的轉(zhuǎn)矩通常是通過刀桿的端面鍵來傳遞的,這就要求主軸具有準(zhǔn)確定位于圓周上特定角度的功能。主軸準(zhǔn)停換刀如圖55所示。當(dāng)加工階梯孔或精鏜孔后退刀時,為防止刀具與小階梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面,必須先讓刀,再退刀,因此,刀具就必須具有定位功能。主軸準(zhǔn)停階梯孔或精鏜孔如圖510所示。 圖55主軸準(zhǔn)停換刀示意圖 圖510主軸準(zhǔn)停階梯孔或精鏜孔示意圖 圖511為典型的V形槽輪定位盤機(jī)械準(zhǔn)停原理示意圖。帶有V形槽的定位盤與主軸端面保持一定的關(guān)系,以確定定位位置。當(dāng)準(zhǔn)停指令到來時,首先使主軸減速至某一可以設(shè)定的低速轉(zhuǎn)動
20、,當(dāng)無觸點(diǎn)開關(guān)有效信號被檢測到后,立即使主軸電動機(jī)停轉(zhuǎn)并斷開主軸傳動鏈,此時主軸電動機(jī)與主軸傳動件依慣性繼續(xù)空轉(zhuǎn),同時準(zhǔn)停油缸定位銷伸出并壓向定位盤。當(dāng)定位盤V形槽與定位銷正對時,由于油缸的壓力,定位銷插入V形槽中,準(zhǔn)停到LS2信號有效,表明準(zhǔn)停動作完成。這里L(fēng)S1為準(zhǔn)停釋放信號。采用這種準(zhǔn)停方式,必須有一定的邏輯互鎖,即LS2有效時才能進(jìn)行下面諸如換刀等動作。而只有當(dāng)LS1有效時才能啟動主軸電動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。上述準(zhǔn)停功能通常可由數(shù)控系統(tǒng)所配的可編程控制器完成。 圖511典型的V形槽輪定位盤機(jī)械準(zhǔn)停原理示意圖 1 1機(jī)械準(zhǔn)停控制機(jī)械準(zhǔn)??刂? 2電氣準(zhǔn)??刂齐姎鉁?zhǔn)??刂颇壳皣鴥?nèi)外中高檔數(shù)控系統(tǒng)均
21、采用電氣準(zhǔn)??刂啤2捎秒姎鉁?zhǔn)??刂朴腥缦聝?yōu)點(diǎn):(1)(1)簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)。簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)。與機(jī)械準(zhǔn)停相比,電氣準(zhǔn)停只需在這種旋轉(zhuǎn)部件和固定部件上安裝傳感器即可。(2 2)縮短準(zhǔn)停時間。)縮短準(zhǔn)停時間。準(zhǔn)停時間包括在換刀時間內(nèi),而換刀時間是加工中心的一項(xiàng)重要指標(biāo)。若采用電氣準(zhǔn)停,即使主軸在高速轉(zhuǎn)動時,也能快速定位于準(zhǔn)停位置。(3 3)可靠性增加。)可靠性增加。由于無需復(fù)雜的機(jī)械、開關(guān)和液壓缸等裝置,也沒有機(jī)械準(zhǔn)停所形成的機(jī)械沖擊,因此準(zhǔn)??刂频膲勖c可靠性大大增加。 (4 4)性能價格比提高。)性能價格比提高。由于簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)和強(qiáng)電控制邏輯,因此這部分的成本大大降低。但電氣準(zhǔn)停常作為選擇功能,這是
22、因?yàn)橛嗁忞姎鉁?zhǔn)停附件需另加費(fèi)用。但總體來看,其性價比比機(jī)械準(zhǔn)停大大提高。 1 1)磁傳感器主軸準(zhǔn)??刂疲┐艂鞲衅髦鬏S準(zhǔn)停控制磁傳感器主軸準(zhǔn)??刂朴芍鬏S驅(qū)動自身完成。主軸驅(qū)動完成準(zhǔn)停后會向數(shù)控裝置回答完成信號ORE,然后數(shù)控系統(tǒng)再進(jìn)行下面的工作。其基本結(jié)構(gòu)如圖68所示。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動或停止時,一旦接收到數(shù)控裝置發(fā)來的準(zhǔn)停開關(guān)信號,主軸立即加速或減速至某一準(zhǔn)停速度(可在主軸驅(qū)動裝置中設(shè)定)。主軸到達(dá)準(zhǔn)停速度且準(zhǔn)停位置到達(dá)時(即磁發(fā)體與磁傳感器對準(zhǔn)),主軸立即減速至某一爬行速度(可在主軸驅(qū)動裝置中設(shè)定)。然后當(dāng)磁傳感器信號出現(xiàn)時,主軸驅(qū)動立即進(jìn)入磁傳感器作為反饋元件的位置閉環(huán)控制,目標(biāo)位置為準(zhǔn)停位置。準(zhǔn)
23、停完成后,主軸驅(qū)動裝置輸出準(zhǔn)停完成信號給數(shù)控裝置,從而可進(jìn)行自動換刀(ATC)或其他動作。磁發(fā)體與磁傳感器在主軸上的位置如圖512所示。 圖512磁發(fā)體與磁傳感器在主軸上的位置 圖513編碼器主軸準(zhǔn)??刂圃韴D 2)2)編碼器主軸準(zhǔn)??刂凭幋a器主軸準(zhǔn)??刂?圖513為編碼器主編碼器主軸準(zhǔn)??刂圃韴D軸準(zhǔn)停控制原理圖。可采用主軸電動機(jī)內(nèi)部安裝的編碼器信號(來自于主軸驅(qū)動裝置),也可以在主軸上直接安裝另外一個編碼器。采用前一種方式要注意傳動鏈對主軸準(zhǔn)停精度的影響。主軸驅(qū)動裝置主軸驅(qū)動裝置內(nèi)部可自動轉(zhuǎn)換,使主軸內(nèi)部可自動轉(zhuǎn)換,使主軸驅(qū)動處于速度控制或位置驅(qū)動處于速度控制或位置控制狀態(tài)??刂茽顟B(tài)。準(zhǔn)停
24、角度可由外部開關(guān)量(12位)設(shè)定,這一點(diǎn)與磁準(zhǔn)停不同,磁準(zhǔn)停的角度無法隨意設(shè)定,要想調(diào)整準(zhǔn)停位置,只有調(diào)整磁發(fā)體與磁傳感器的相對位置。其步驟與傳感器類似。 3)數(shù)控系統(tǒng)主軸準(zhǔn)??刂七@種準(zhǔn)??刂品绞绞怯蓴?shù)控系統(tǒng)完成的,采用這種控制方式時需注意以下問題:(1 1)數(shù)控系統(tǒng)須具有主軸閉環(huán)控制功能。)數(shù)控系統(tǒng)須具有主軸閉環(huán)控制功能。通常為避免沖擊,主軸驅(qū)動都具有軟啟動功能,但這對主軸位置閉環(huán)控制會產(chǎn)生不良影響。此時,若位置增益過低,則準(zhǔn)停精度和剛度(克服外界擾動的能力)不能滿足要求;若過高,則會產(chǎn)生嚴(yán)重的定位振蕩現(xiàn)象。因此必須使主軸進(jìn)入伺服狀態(tài),此時其特性與進(jìn)給伺服系統(tǒng)相近,才可進(jìn)行位置控制。 (2)
25、當(dāng)采用電動機(jī)軸端編碼器信號反饋給數(shù)控裝置時,主軸傳動鏈精度可能對主軸精度產(chǎn)生影響。數(shù)控系統(tǒng)控制主軸準(zhǔn)停的原理與進(jìn)給位置控制的原理非常相似,如圖514所示。當(dāng)采用數(shù)控系統(tǒng)控制主軸準(zhǔn)停時,角度指定由數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定,因此準(zhǔn)停角度的設(shè)定更加方便。其工作原理是:數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行準(zhǔn)停指令數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行準(zhǔn)停指令M19M19或或M19SM19S* * *時,首先將時,首先將M19M19送至可編程控制器,可編程控制器經(jīng)譯碼送出控制信號使主軸驅(qū)動進(jìn)入伺服狀態(tài),送至可編程控制器,可編程控制器經(jīng)譯碼送出控制信號使主軸驅(qū)動進(jìn)入伺服狀態(tài),同時數(shù)控系統(tǒng)控制主軸電動機(jī)降速并尋找零位脈沖同時數(shù)控系統(tǒng)控制主軸電動機(jī)降速并尋找零位脈沖
26、C C,然后進(jìn)入位置閉環(huán)控制狀態(tài)。,然后進(jìn)入位置閉環(huán)控制狀態(tài)。如執(zhí)行:M19,無S指令,則主軸定位于相對于零位脈沖C的某一缺省位置(可由數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定)。如執(zhí)行M19S*,則主軸定位于指令位置,也就是相對零位脈沖S*的角度位置。 圖514數(shù)控系統(tǒng)主軸準(zhǔn)停控制原理圖 例例M03S1000/主軸以1000rmin正轉(zhuǎn)M19/主軸準(zhǔn)停于缺省位置M19S100/主軸準(zhǔn)停轉(zhuǎn)至100處S1000/主軸再次以1000rmin正轉(zhuǎn)M19S200/主軸準(zhǔn)停至200處 5.2.55.2.5主軸的潤滑與密封主軸的潤滑與密封1 1主軸軸承的潤滑方式主軸軸承的潤滑方式在數(shù)控機(jī)床上,主軸軸承潤滑方式有:油脂潤滑、油液循環(huán)潤
27、滑、油霧潤滑和油氣潤滑等。(1 1)油脂潤滑方式)油脂潤滑方式。它是目前在數(shù)控機(jī)床的主軸軸承上最常用的潤滑方式,特別是在前支撐軸承上更為常用。當(dāng)然,如果主軸箱中沒有冷卻潤滑油系統(tǒng),那么后支撐軸承和其他軸承一般也采用油脂潤滑方式。主軸軸承油脂封入量通常為軸承空間容量的10%,切忌隨意填滿,因?yàn)橛椭^多,會加劇主軸發(fā)熱。若用油脂潤滑方式,則要采用有效的密封措施,以防止切削液或潤滑油進(jìn)入軸承中。 (2)油液循環(huán)潤滑油液循環(huán)潤滑。在數(shù)控機(jī)床主軸上,有采用油液循環(huán)潤滑方式的,例如裝有GAMET軸承的主軸,即可使用這種方式。對一般主軸軸承來說,后支撐上采用這種潤滑方式比較常見。 恒溫油液循環(huán)潤滑冷卻方式如
28、圖515所示。由油溫自動控制箱控制的恒溫油液,經(jīng)油泵打到潤軸箱,其中一路沿主軸前支撐套外圈上的螺旋槽流動,以帶走主軸軸承所發(fā)出的熱量;另一條路通過主軸箱內(nèi)的分油器,把恒溫油噴射到傳動齒輪和傳動軸支撐軸承上,以帶走它們所產(chǎn)生的熱量。這種方式的潤滑和降溫效果都很好。 圖515恒溫油液循環(huán)潤滑冷卻方式 (3 3)油霧潤滑方式。)油霧潤滑方式。油霧潤滑方式是將油液經(jīng)高壓氣體霧化后,從噴嘴噴到需潤滑的部位的潤滑方式。由于是霧狀油液,其吸熱性好,又無油液攪拌作用,因此常用于高速主軸軸承的潤滑。但是油霧容易吹出,污但是油霧容易吹出,污染環(huán)境染環(huán)境,目前歐洲有些國家已經(jīng)禁止使用這種潤滑方式。(4 4)油氣潤滑
29、方式。)油氣潤滑方式。油氣潤滑方式是針對高速主軸而開發(fā)的新型潤滑方式。它是用極微量油極微量油(816min約0.03cm3油)潤滑軸承,以抑制軸承發(fā)熱。其潤滑原理如圖516所示。油箱中的油位開關(guān)和管路中的壓力開關(guān)確保在油箱中無油或壓力不足時,能自動切斷主電動機(jī)電源。 圖516油氣潤滑原理圖 2.2.主軸的密封主軸的密封主軸的密封分接觸式和非接觸式兩種。圖517接觸式密封 (a)油氈圈密封;(b)耐油橡膠密封圈密封 圖518非接觸式密封(a)形式一;(b)形式二;(c)形式三 圖518(a)是利用軸承蓋與軸的間隙密封的,軸承蓋的孔內(nèi)開槽則是為了提高密封效果。這種密封形式用在工作環(huán)境比較清潔的油脂
30、潤滑處;圖518(b)是在螺母的外圓上開鋸齒形環(huán)槽,當(dāng)油向外流時,靠主軸傳動的離心力把油沿斜面甩到端蓋1的空腔內(nèi),油液流回箱內(nèi);圖518(c)是迷宮式密封結(jié)構(gòu),在切屑多、灰塵大的工作環(huán)境下可獲得可靠的密封效果,這種結(jié)構(gòu)適用油脂或油液潤滑的密封。非接觸式的油液密封時,為了非接觸式的油液密封時,為了防漏,應(yīng)保證回油能盡快排掉以及回油孔的暢通。防漏,應(yīng)保證回油能盡快排掉以及回油孔的暢通。 油脂潤滑密封5.3數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng) 5.3.15.3.1對數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的要求對數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的要求進(jìn)給系統(tǒng)即進(jìn)給驅(qū)動裝置,是指將伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)楣ぷ髋_直線運(yùn)動的整個機(jī)械傳動鏈。為確
31、保數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性等,數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)必須滿足如下要求: (1 1)摩擦阻力要小)摩擦阻力要小。在進(jìn)給系統(tǒng)中要盡量減少傳動件之間的摩擦阻力,尤其是減少絲杠傳動和工作臺運(yùn)動導(dǎo)軌之間的摩擦,以消除低速進(jìn)給爬行現(xiàn)象,從而提高整個伺服進(jìn)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性。數(shù)控機(jī)床廣泛采用滾珠絲杠和滾動導(dǎo)軌以及塑料導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。 (2 2)傳動剛度要高。)傳動剛度要高。進(jìn)給傳動系統(tǒng)的高傳動剛度主要取決于絲杠螺母副(直線運(yùn)動)或蝸輪蝸桿副(回轉(zhuǎn)運(yùn)動)及其支撐部件的剛度。傳動剛度不足與摩擦阻力一起會導(dǎo)致工作臺產(chǎn)生爬行現(xiàn)象以及造成反向死區(qū),影響傳動準(zhǔn)確性。縮短傳動鏈,合理選擇絲杠尺寸以及對絲杠螺母副及
32、支撐部件等進(jìn)行預(yù)緊是提高傳動剛度的有效途徑。 (3 3)轉(zhuǎn)動慣量要小。)轉(zhuǎn)動慣量要小。進(jìn)給系統(tǒng)中每個部件的轉(zhuǎn)動慣量對進(jìn)給系統(tǒng)的啟動、制動特性等都有直接的影響,尤其是高速運(yùn)轉(zhuǎn)零件的轉(zhuǎn)動慣量。在滿足傳動強(qiáng)度和剛度的前提下,應(yīng)盡可能使各零件的結(jié)構(gòu)、配置合理,減小旋轉(zhuǎn)零件的直徑和質(zhì)量,以減少運(yùn)動部件的轉(zhuǎn)動慣量。(4 4)諧振頻率要高。)諧振頻率要高。為了提高進(jìn)給系統(tǒng)的抗振性,應(yīng)使機(jī)械構(gòu)件具有高的固有頻率和合適的阻尼,一般要求機(jī)械傳動系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)高于伺服驅(qū)動系統(tǒng)的23倍。 (5 5)傳動間隙要小。)傳動間隙要小。機(jī)械間隙是造成進(jìn)給系統(tǒng)反向死區(qū)的另一主要原因,因此,對傳動鏈的各個環(huán)節(jié),包括括齒輪副、絲
33、杠螺母副、聯(lián)軸器及其支撐部件等均應(yīng)采用消除間隙的結(jié)構(gòu)措施。 5.3.25.3.2齒輪傳動副齒輪傳動副1 1直齒圓柱齒輪傳動副消除間隙的方法直齒圓柱齒輪傳動副消除間隙的方法直齒圓柱齒輪傳動副有以下3種調(diào)整法。(1 1)偏心套調(diào)整法)偏心套調(diào)整法。圖519所示為偏心套式消除間隙結(jié)構(gòu)。電機(jī)1通過偏心套2安裝到機(jī)床殼體上,通過轉(zhuǎn)動偏心套2,使電動機(jī)中心軸線的位置向上,而從動齒輪軸線位置固定不變,因此兩嚙合齒輪的中心距減小,從而消除齒側(cè)間隙。 圖519偏心套消除間隙結(jié)構(gòu) 偏心套電機(jī)(2 2)錐度齒輪軸)錐度齒輪軸向墊片調(diào)整法。向墊片調(diào)整法。錐度齒輪軸向墊片消除間隙結(jié)構(gòu)如圖520所示。齒輪1和齒輪2相嚙合
34、,其分度圓齒厚沿軸向方向略有錐度,這樣就可用墊片3使齒輪2沿軸向移動,從而消除兩齒輪的齒側(cè)間隙。 圖520錐度齒輪軸向墊片消除間隙結(jié)構(gòu) (3 3)雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法。)雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法。雙片薄齒輪錯齒消除間隙結(jié)構(gòu)如圖521所示。圖521(a)所示是一種雙片薄齒輪周向可調(diào)彈簧錯齒消隙結(jié)構(gòu)。兩個相同齒數(shù)的薄片齒輪1和2與另一個寬齒輪嚙合,兩薄片齒輪可相對回轉(zhuǎn)。在兩個薄片齒輪1和2的端面均勻分布著4個螺孔,分別裝上凸耳3和8。薄片齒輪1的端面還有另外4個通孔,凸耳8可以在其中穿過,彈簧4的兩端分別鉤在凸耳3和螺釘7上。通過螺母5調(diào)節(jié)彈簧4的拉力,調(diào)節(jié)完后用螺母6鎖緊。彈簧的拉力使薄片齒輪錯位,
35、即兩個雙片齒輪的左、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(cè)間隙。 圖521(b)是另一種雙片薄齒輪周向彈簧錯齒消隙結(jié)構(gòu)。薄片齒輪1和2套裝在一起,每片齒輪各開有兩條周向通槽,在齒輪的端面上裝有短柱3,用來安裝彈簧4。裝配時使彈簧4具有足夠的拉力,使兩個薄片齒輪的左、右面分別與寬齒輪的左、右面貼緊,以消除齒側(cè)間隙。圖521雙片薄齒輪錯齒消除間隙結(jié)構(gòu)(a)結(jié)構(gòu)一;(b)結(jié)構(gòu)二 2 2斜齒圓柱齒輪傳動副消除間隙的方法斜齒圓柱齒輪傳動副消除間隙的方法圖522斜齒輪軸向墊片消除間隙結(jié)構(gòu) t=cot(為螺旋角) 斜齒圓柱齒輪傳動副消除間隙的方法與直齒圓柱齒輪傳動副中雙片薄齒輪消除間隙的思路
36、相似,也是用兩個薄片齒輪和一個寬齒輪嚙合,只是通過不同的方法使兩個薄片齒輪沿軸向移動合適的距離后,相當(dāng)于兩薄片斜齒圓柱齒輪的螺旋線錯開了一定的角度。兩個齒輪與寬齒輪嚙合時分別負(fù)責(zé)不同的方向(正向和反向),從而起到消除間隙的作用。 (1)斜齒輪軸向墊片調(diào)整法。)斜齒輪軸向墊片調(diào)整法。 斜齒輪軸向墊片調(diào)整法斜齒輪軸向墊片調(diào)整法。圖522所示為斜齒輪軸向墊片消除間隙結(jié)構(gòu),其原理與錯齒調(diào)整法相同。薄片斜齒輪1和2的齒形拼裝在一起加工,裝配時在兩薄片齒輪間裝入已知厚度為t的墊片3,這樣它的螺旋線便錯開了,使兩薄片斜齒輪分別與寬齒輪4的左、右齒面貼緊,從而消除間隙。墊片3的厚度t與齒側(cè)間隙的關(guān)系可用下式表
37、示: t=cot(為螺旋角)墊片厚度一般由測試法確定,往往要經(jīng)幾次修磨才能調(diào)整好。這種結(jié)構(gòu)的齒輪承載能力較小,且不能自動補(bǔ)償消除間隙,屬剛性消除間隙的范疇。 (2 2)斜齒輪軸向壓簧錯齒調(diào)整法)斜齒輪軸向壓簧錯齒調(diào)整法。圖523所示為斜齒輪軸向壓簧錯齒消除間隙結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的消隙原理與軸向墊片調(diào)整法相似,所不同的是利用薄片斜齒輪2右面的彈簧壓力使兩個薄片齒輪產(chǎn)生相對軸向位移,從而使它們的左、右齒輪面分別與寬齒輪的左、右齒面貼緊,以消除齒側(cè)間隙。圖523(a)采用的是壓簧,圖523(b)采用的是碟形彈簧。彈簧3的壓力可利用螺母5來調(diào)整,壓力的大小要調(diào)整合適,壓力過大會加快齒輪磨損,壓力過小達(dá)不到消
38、隙作用。這種結(jié)構(gòu)能使齒輪間隙自動消除,并始終保持無間隙的嚙合,但這種結(jié)構(gòu)軸向尺寸較大,只適合于負(fù)載較小的場合。 圖523斜齒輪軸向壓簧錯齒消除間隙結(jié)構(gòu) 3 3錐齒輪傳動副消除間隙的方法錐齒輪傳動副消除間隙的方法錐齒輪同圓柱齒輪一樣,可用上述類似的方法來消除齒側(cè)間隙。(1 1)錐齒輪軸向壓簧調(diào)整)錐齒輪軸向壓簧調(diào)整法。法。圖524所示為錐齒輪軸向壓簧消除間隙結(jié)構(gòu)。兩個嚙合著的錐齒輪1和2,其中在裝有錐齒輪1的傳動軸5上裝有壓簧3,錐齒輪1在彈簧力的作用下可稍作軸向移動,從而消除間隙。彈簧力的大小由螺母4調(diào)節(jié)。 圖524錐齒輪軸向壓簧消除間隙結(jié)構(gòu) (2 2)錐齒輪周向彈簧調(diào))錐齒輪周向彈簧調(diào)整法。
39、整法。圖525為周向彈簧消除間隙結(jié)構(gòu)。將一對嚙合錐齒輪中的一個齒輪做成大小兩片1和2,在大片上制有三個圓弧槽,而在小片的端面上制有三個凸爪6,凸爪6伸入大片的圓弧槽中。彈簧4一端頂在凸爪6上,而另一端頂在鑲塊3上。為了安全起見,用螺釘5將大小片齒圈相對固定,安裝完畢之后將螺釘卸去,利用彈簧力使大小片錐齒輪稍微錯開,從而達(dá)到消除間隙的目的。 圖525錐齒輪周向彈簧消除間隙結(jié)構(gòu) 4.4.齒輪齒條傳動副消除間隙的方法齒輪齒條傳動副消除間隙的方法在大型數(shù)控機(jī)床中,工作臺的行程很大,因此,它的進(jìn)給運(yùn)動不宜采用滾珠絲杠副來實(shí)現(xiàn),而常采用齒輪齒條來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)驅(qū)動時,可采用雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法,分別與齒條齒槽左
40、、右側(cè)面貼緊,從而消除齒側(cè)隙。圖526所示為齒輪齒條消除間隙結(jié)構(gòu)。進(jìn)給運(yùn)動由軸2輸入,通過兩對斜齒輪將運(yùn)動傳給軸1和3,然后由兩個直齒輪4和5去傳動齒條,帶動工作臺移動。軸2上兩個斜齒輪的螺旋線方向相反。如果通過彈簧在軸2上作用一個軸向力F,則使斜齒輪產(chǎn)生微量的軸向移動,這時軸1和軸3便以相反的方向轉(zhuǎn)過微小的角度,使齒輪4和5分別與齒條的兩齒面貼緊,從而消除間隙。 圖526齒輪齒條消除間隙結(jié)構(gòu) 附加順時針旋轉(zhuǎn)附加逆時針旋轉(zhuǎn)5.3.35.3.3聯(lián)軸器聯(lián)軸器1.1.錐環(huán)無鍵聯(lián)軸器錐環(huán)無鍵聯(lián)軸器該機(jī)構(gòu)利用錐環(huán)對之間的摩擦實(shí)現(xiàn)軸與轂之間的無間隙連接傳遞轉(zhuǎn)矩,并可任意調(diào)節(jié)兩連接件之間的角度位置。通過選擇
41、所用錐環(huán)的對數(shù),可傳遞不同大小的轉(zhuǎn)矩。圖527所示為錐環(huán)(錐形夾緊環(huán))無鍵消隙聯(lián)軸器,它可使動力傳遞沒有反向間隙。螺釘5通過壓圈3施加軸向力時,由于錐環(huán)之間的楔緊作用,內(nèi)外環(huán)分別產(chǎn)生徑向彈性變形,消除配合間隙,同時產(chǎn)生接觸壓力以傳遞轉(zhuǎn)矩。為了能補(bǔ)償同軸度及垂直度誤差引起的干涉現(xiàn)象,可采用圖528所示的撓性聯(lián)軸器。其柔性片4分別用螺釘和球面墊圈與兩邊的聯(lián)軸套2相連,通過柔性片傳遞轉(zhuǎn)矩。柔性片每片厚0.25mm,材料為不銹鋼。聯(lián)軸器兩端的位置偏差由柔性片的變形抵消。 圖527錐環(huán)無鍵消隙聯(lián)軸器圖528撓性聯(lián)軸器 2.2.套筒式聯(lián)軸器套筒式聯(lián)軸器圖529所示為套筒式聯(lián)軸器的幾種結(jié)構(gòu)形式。其結(jié)構(gòu)簡單,
42、徑向尺寸小,但拆裝困難(要求兩中心軸線嚴(yán)格對準(zhǔn),不允許存在徑向及角度偏差),使用受到一定限制。其中,圖529(a)結(jié)構(gòu)雖簡單實(shí)用,但不太可靠;圖529(b)結(jié)構(gòu)簡單,加工和安裝容易,但消除周向間隙不可靠,且易松動;圖529(c)是用十字滑塊聯(lián)軸器相連,滑塊的槽口配研,這種結(jié)構(gòu)無法保證完全消除傳動間隙。 圖529套筒式聯(lián)軸器(a)結(jié)構(gòu)一;(b)結(jié)構(gòu)二;(c)結(jié)構(gòu)三 5.3.45.3.4滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)1 1滾珠絲杠螺母副的工作原理與特點(diǎn)滾珠絲杠螺母副的工作原理與特點(diǎn)滾珠絲杠螺母副(簡稱滾珠絲杠副)是一種在絲杠與螺母間裝有滾珠作為中間元件的絲杠副,其結(jié)構(gòu)原理如圖530所示。在絲杠1
43、和螺母3上都裝有半圓弧形的螺旋槽,當(dāng)它們套裝在一起時便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠回路管道(在圖中4所指的位置),將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來,構(gòu)成封閉的循環(huán)滾道,并在滾道內(nèi)裝滿滾珠4。當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時,滾珠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動,因而迫使螺母(或絲杠)軸向移動。 圖530滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)原理 與傳統(tǒng)的滑動絲杠螺母副比較,滾珠絲杠螺母副具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)傳動效率高,摩擦損失小。滾珠絲杠螺母副的傳動效率h=0.920.96,是普通絲杠螺母副的34倍,因此功率消耗只相當(dāng)于普通絲杠傳動的1/41/3。同時由于發(fā)熱小,因此可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動。(2)運(yùn)動平穩(wěn)無爬行。由于摩擦阻力小,動、靜摩擦系數(shù)之
44、差極小,因此運(yùn)動平穩(wěn),不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。(3)傳動精度高,反向時無空程。滾珠絲杠副經(jīng)預(yù)緊后,可消除軸向間隙,因而無反向死區(qū),同時也提高了傳動剛度。 (4)磨損小,精度保持性好,使用壽命長。(5)具有運(yùn)動的可逆性。由于摩擦系數(shù)小,不能自鎖,因而可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動,也可將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,即絲杠和螺母均可作主動件或從動件。 滾珠絲杠副的缺點(diǎn)是:(1)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,絲杠和螺母等元件的加工精度和表面質(zhì)量要求高,因此制造成本高。(2)由于不能自鎖,特別是垂直安裝的滾珠絲杠傳動,會因部件的自重而自動下降,當(dāng)部件向下運(yùn)動且切斷動力源時,由于部件的自重和慣性,滾珠絲杠不能立即停止運(yùn)動,因此必須
45、增加制動裝置。 2 2滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)類型滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)類型滾珠絲杠螺母副按其中的滾珠循環(huán)方式可分為以下兩種:(1)外循環(huán)。滾珠在循環(huán)過程結(jié)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(jìn)入循環(huán)。圖531所示為常見的外循環(huán)式滾珠絲杠結(jié)構(gòu)。在螺母外圓上裝有螺旋形的插管口,管子的兩端插入滾珠螺母工作始末兩端孔中,以引導(dǎo)滾珠通過插管形成滾珠的多圈循環(huán)鏈。這種類型的結(jié)構(gòu)簡單,工藝性好,承載能力較高,但徑向尺寸較大。目前,這種類型滾珠絲杠螺母副的應(yīng)用最為廣泛,也可用于重載傳動系統(tǒng)。 圖531外循環(huán)式滾珠絲杠結(jié)構(gòu) (2)內(nèi)循環(huán)。內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠結(jié)構(gòu)如圖532所示,它靠螺母上安裝的反向器接
46、通相鄰滾道,使?jié)L珠成單圈循環(huán)。反向器2的數(shù)目與滾珠圈數(shù)相等。這種類型的結(jié)構(gòu)緊湊,剛度好,滾珠流通性好,摩擦損失小,但制造較困難,適用于高靈敏、高精度的進(jìn)給系統(tǒng),不宜用于重載傳動。 圖532內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠結(jié)構(gòu) 3 3滾珠絲杠螺母副間隙的調(diào)整方法滾珠絲杠螺母副間隙的調(diào)整方法滾珠絲杠的傳動間隙是軸向間隙,其數(shù)值是指絲杠和螺滾珠絲杠的傳動間隙是軸向間隙,其數(shù)值是指絲杠和螺母無相對轉(zhuǎn)動時,二者之間的最大軸向竄動量,母無相對轉(zhuǎn)動時,二者之間的最大軸向竄動量,除了結(jié)構(gòu)本除了結(jié)構(gòu)本身的游隙之外,還包括施加軸向載荷后產(chǎn)生的彈性變形所造身的游隙之外,還包括施加軸向載荷后產(chǎn)生的彈性變形所造成的軸向竄動量成的軸向竄
47、動量。由于存在軸向間隙,當(dāng)絲杠反向轉(zhuǎn)動時,將產(chǎn)生空回誤差,從而影響傳動精度和軸向剛度。通常采用預(yù)加載荷(預(yù)通常采用預(yù)加載荷(預(yù)緊)的方法來減小彈性變形所帶來的軸向間隙,以保證反向緊)的方法來減小彈性變形所帶來的軸向間隙,以保證反向傳動精度和軸向剛度。但過大的預(yù)加載荷會增大摩擦阻力,傳動精度和軸向剛度。但過大的預(yù)加載荷會增大摩擦阻力,降低傳動效率,縮短使用壽命。降低傳動效率,縮短使用壽命。因此,一般需要經(jīng)過多次調(diào)整,以保證既消除間隙又能靈活運(yùn)轉(zhuǎn)。調(diào)整時,除螺母預(yù)緊外還應(yīng)特別注意使絲杠安裝部分的間隙盡可能小,并且具有足夠剛度,同時應(yīng)注意預(yù)緊力不宜過大,預(yù)緊力過大會使空載力矩增加,從而降低傳動效率,
48、縮短使用壽命。 1)雙螺母消隙常用的雙螺母絲杠消除間隙的方法有:(1)墊片調(diào)隙式。如圖533所示,調(diào)整墊片厚度使左、右兩螺母產(chǎn)生軸向位移,即可消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力。這種方法結(jié)構(gòu)簡單,剛性好,但調(diào)整不便,滾道有磨損時不能隨時消除間隙和進(jìn)行預(yù)緊。 圖533墊片調(diào)隙式 (2)螺紋調(diào)隙式。如圖534所示,其中一個螺母的外端有凸緣;另一個螺母的外端沒有凸緣,而制有螺紋,它伸出套筒外,并用兩個圓螺母固定著。旋轉(zhuǎn)圓螺母時,即可消除軸向間隙,并可達(dá)到產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。調(diào)整好后再用另一個圓螺母把它鎖緊。這種方法調(diào)整方便,且可在使用過程中隨時調(diào)整,但預(yù)緊力的大小不能準(zhǔn)確控制。 圖534螺紋調(diào)隙式 (3)齒差調(diào)隙式
49、。如圖535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(nèi)齒圈相嚙合,其齒數(shù)分別為z1和z2,并相差一個齒。調(diào)整時,先取下內(nèi)齒圈,讓兩個螺母相對于套筒方向都轉(zhuǎn)動一個齒,然后再插入內(nèi)齒圈,則兩個螺母便產(chǎn)生相對角位移,其軸向位移量s=(1/z1-1/z2)Pn。例如,z1 =80,z2=81,滾珠絲杠的導(dǎo)程Pn=6mm時,s=6/64800.001mm。這種調(diào)整方法能精確調(diào)整預(yù)緊量,調(diào)整方便、可靠,但結(jié)構(gòu)尺寸較大,多用于高精度的傳動。 圖535齒差調(diào)隙式 2)單螺母消隙(1)單螺母變位螺距預(yù)緊。如圖536所示,將螺母的內(nèi)螺紋滾道在中部的一圈上,產(chǎn)生一個軸向L0的導(dǎo)程突變量,從而
50、使左右端的滾珠在軸向錯位實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。這種調(diào)隙方法結(jié)構(gòu)簡單緊湊,運(yùn)動平穩(wěn),特別適用于小型絲杠螺母副,但負(fù)荷量須預(yù)先設(shè)定且不能隨意改變。 圖536單螺母變位螺距預(yù)緊 (2)單螺母螺釘預(yù)緊。如圖537所示,螺母在專業(yè)生產(chǎn)工廠完成精磨之后,沿徑向開一薄槽,通過內(nèi)六角調(diào)整螺釘實(shí)現(xiàn)間隙的調(diào)整和預(yù)緊。該專利技術(shù)已成功地解決了開槽后滾珠在螺母中有良好的通過性的問題。單螺母螺釘結(jié)構(gòu)不僅具有很好的性能價格比,而且間隙的調(diào)整和預(yù)緊極為方便。 圖537單螺母螺釘預(yù)緊 (3)滾珠絲杠螺母副預(yù)緊。對于滾珠絲杠螺母副,為了保證傳動精度和剛度,除消除傳動間隙外,還要求預(yù)緊。預(yù)緊力計算公式為 maxv31FF 式中,F(xiàn)max為軸
51、向最大工作載荷。前述各例消除滾珠絲杠螺母副軸向間隙的方法,都能對螺母副進(jìn)行預(yù)緊。調(diào)整時只要使預(yù)緊力Fv=(1/3)Fmax即可。 4.4.滾珠絲杠的支撐滾珠絲杠的支撐數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)要獲得較高的傳動剛度,除了加強(qiáng)滾珠絲杠副本身的剛度外,滾珠絲杠的正確安裝及支撐結(jié)構(gòu)的剛度也是不可忽視的因素。如為減少受力后的變形,螺母座應(yīng)有加強(qiáng)肋,增大螺母座與機(jī)床的接觸面積,并且要連接可靠。另外,采用高剛度的推力軸承可提高滾珠絲杠的軸向承載能力。滾珠絲杠的支撐方式有以下幾種,如圖538所示。 圖538滾珠絲杠的支撐方式(a)僅一端裝推力軸承;(b)一端裝推力軸承,另一端裝深溝球軸承;(c)兩端裝推力軸承;(d)
52、兩端裝推力軸承和深溝球軸承 單端支撐:承載能力小,用于短絲杠;一端固定,一端浮動:用于較長絲杠,可以熱游長;兩端推力:有助于提高剛度,但對熱變形較敏感;雙端固定:有最大的剛度,絲杠預(yù)緊與熱變形相關(guān)。5 5滾珠絲杠螺母副的維護(hù)滾珠絲杠螺母副的維護(hù)(1)支撐軸承的定期檢查。應(yīng)定期檢查絲杠與床身的連接是否有松動以及支撐軸承是否損壞等。如有以上問題,要及時緊固松動部位并更換支撐軸承。(2)滾珠絲杠副的潤滑和密封。滾珠絲杠副也可用潤滑劑來提高耐磨性及傳動效率。潤滑劑可分潤滑油及潤滑脂兩大類。潤滑油為一般機(jī)油、90180號透平油或140號主軸油。潤滑脂可采用鋰基油脂。潤滑油經(jīng)過殼體上的油孔注入螺母的空間內(nèi)
53、,而潤滑脂則加在螺紋滾道和安裝螺母的殼體空間內(nèi)。 (3)滾珠絲杠副常用防塵密封圈和防護(hù)罩。密封圈。密封圈裝在滾珠螺母的兩端。接觸式的彈性密封圈是用耐油橡皮或尼龍等材料制成的,其內(nèi)孔制成與絲杠螺紋滾道相配合的形狀。接觸式密封圈的防塵效果好,但因有接觸壓力,所以會使摩擦力矩略有增加。非接觸式的密封圈是用聚氯乙烯等材料制成的,其內(nèi)孔形狀與絲杠螺紋滾道相反,并略有間隙。非接觸式密封圈又稱為迷宮式密封圈。 防護(hù)罩。對于暴露在外面的絲杠,一般采用螺旋鋼帶、伸縮套筒以及折疊式塑料或人造革等形式的防護(hù)罩,以防止塵埃和磨粒粘附到絲杠表面。這幾種防護(hù)罩與導(dǎo)軌的防護(hù)罩有相似之處,其一端連接在滾珠螺母的端面上,另一端
54、固定在滾珠絲杠的支撐座上。 6.6.滾珠絲杠副的制動裝置滾珠絲杠副的制動裝置由于滾珠絲杠副的傳動效率高,無自鎖作用(特別是滾珠絲杠處于垂直傳動時),為防止因自重下降,故必須裝有制動裝置。圖539所示為數(shù)控銑鏜床主軸箱進(jìn)給絲杠制動示意圖。機(jī)床工作時,電磁鐵通電,使摩擦離合器脫開,運(yùn)動由電機(jī)經(jīng)減速齒輪傳給絲杠,使主軸箱上、下移動。當(dāng)加工完畢或中間停車時,電機(jī)和電磁鐵同時斷電,借壓力彈簧作用合上摩擦離合器,使絲杠不能轉(zhuǎn)動,主軸箱便不會下落。 圖539數(shù)控銑鏜床主軸箱進(jìn)給絲杠制動示意圖 5.4床身與立柱床身與立柱 1 1床身床身床身是機(jī)床的基礎(chǔ)件,必須具有足夠的靜、動剛度和精度能長久保持的特性。1)移
55、動立柱式臥式床身移動立柱式臥式床身通常都采用T型床身。它是由橫置的前床身(又叫橫床身)和與它垂直的后床身(又叫縱床身)組成。T型床身有整體式和分離式兩種,圖540所示為臥式加工中心分離式T型床身。 圖540臥式加工中心分離式T型床身 圖541TH6350臥式加工中心前床身截面 圖542固定立柱式臥式床身與斜床身(a)固定立柱式臥式床身;2)固定立柱式臥式床身這種床身適用于小型臥式機(jī)床,它一般采用整體結(jié)構(gòu),如圖542(a)所示。 3)斜床身為提高床身的剛性,數(shù)控臥式車床一般采用斜床身,如圖542(b)所示。斜床身可以改善機(jī)床切削加工時的受力情況,截面可以做成封閉的腔形結(jié)構(gòu),以提高床身剛性。內(nèi)部可
56、以填充泥芯和混泥土等阻尼材料,在振動時利用相對磨損來耗散振動能量。 (b)斜床身 圖 5 4 3 所 示 為 德 國DNE480L型數(shù)控車床底座和床身示意圖。其底座內(nèi)所填充的混凝土的內(nèi)摩擦阻力較高,再配上封泥芯的床身,使機(jī)床有較高的抗振性。該機(jī)床為四面密封結(jié)構(gòu),中間導(dǎo)軌后有縱向肋條,縱向每隔250mm有一橫隔板。床身封閉截面可提高抗彎和抗扭剛度,縱向肋條可提高中間導(dǎo)軌的局部剛度,隔板可減少截面的變形。 圖543DEN480L型數(shù)控車床底座和床身示意圖 圖544雙立柱框架結(jié)構(gòu) 2 2立柱立柱1)臥式機(jī)床的立柱臥式機(jī)床的立柱目前大部分采用的是如圖544所示的雙立柱框架結(jié)構(gòu)形式。 大、中型臥式機(jī)床的
57、移動立柱固定于滑座上,而小型臥式機(jī)床的立柱則直接固定于床身上。主軸箱裝在雙立柱的中間,沿立柱導(dǎo)軌上下運(yùn)動,如圖545所示。 圖545主軸箱與雙立柱 這類立柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是:(1)剛性高。機(jī)床切削時,主軸所受的力的作用點(diǎn)在立柱的中央,加之立柱為對稱形狀,則立柱受扭矩力的因素少,從而大大加強(qiáng)了剛度。(2)熱對稱性強(qiáng)。因?yàn)橹鬏S箱處在立柱的中央,而主軸箱又是機(jī)床的主要熱源,使立柱成為熱對稱結(jié)構(gòu),所以減少了熱變形的影響。(3)穩(wěn)定性好。由于立柱內(nèi)部肋板采用框架結(jié)構(gòu)箱式布置,因此使得立柱的抗彎、抗扭剛度,以及構(gòu)件的固有頻率都得到了提高。圖546所示為臥式加工中心雙立柱的橫向截面。這類立柱結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是:制造工
58、藝性差,裝配、調(diào)試不方便。 圖546臥式加工中心雙立柱的橫向截面 由于采用平衡錘平衡主軸箱的重量,因此平衡錘一般設(shè)在立柱內(nèi)腔里,并隨主軸箱的升降而升降。采用這種平衡方式的立式機(jī)床立柱,其內(nèi)腔是中空的,為加強(qiáng)立柱的剛性也可以采用斜方雙層壁和對角線交叉立柱,如圖547所示。2)立式機(jī)床的立柱因?yàn)橹鬏S箱懸掛在立柱一側(cè),所以一般采用封閉的箱型結(jié)構(gòu)和米字形的內(nèi)部肋板;又因?yàn)槊鬃中卫甙彖T造時比較困難,所以有些立柱仍采用井字形的肋板。圖547斜方雙層壁和對角線交叉立柱(a)XK716型立式加工中心;(b)STAMAMCI18型立式加工中心 斜方雙層壁和對角線交叉肋板都有很高的抗扭剛度和抗彎剛度,而且單位重量
59、的剛度比其他結(jié)構(gòu)的高。 5.5機(jī)床導(dǎo)軌機(jī)床導(dǎo)軌 5.5.15.5.1對導(dǎo)軌的要求對導(dǎo)軌的要求導(dǎo)軌用來支撐和引導(dǎo)運(yùn)動部件沿著直線或圓周方向準(zhǔn)確運(yùn)動。運(yùn)動的一方稱為動導(dǎo)軌,不動的一方稱為支撐導(dǎo)軌。為保證機(jī)床加工的精度和穩(wěn)定性,導(dǎo)軌必須滿足以下要求:(1 1)高的導(dǎo)向精度)高的導(dǎo)向精度。導(dǎo)向精度保證部件運(yùn)動軌跡的準(zhǔn)確性。導(dǎo)向精度受到導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形狀、組合方式、制造精度和導(dǎo)軌間隙調(diào)整等的影響。(2(2)良好的耐磨性)良好的耐磨性。耐磨性好可使導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度得以長久保持。耐磨性受到導(dǎo)軌副的材料、硬度、潤滑和載荷的影響。 (3(3)足夠的剛度。)足夠的剛度。在載荷的作用下,導(dǎo)軌剛度高,其保持形狀不變的能力就
60、強(qiáng)。剛度受到導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)和尺寸的影響。(4(4)具有低速運(yùn)動的平穩(wěn)性。)具有低速運(yùn)動的平穩(wěn)性。低速運(yùn)動的平穩(wěn)性使其運(yùn)動部件在導(dǎo)軌上低速移動時,不會發(fā)生“爬行”現(xiàn)象。造成“爬行”的主要因素有摩擦性質(zhì)、潤滑條件和傳動系統(tǒng)的剛度。5.5.2數(shù)控機(jī)床上常用的導(dǎo)軌及其特點(diǎn)數(shù)控機(jī)床上常用的導(dǎo)軌及其特點(diǎn)1滑動導(dǎo)軌滑動導(dǎo)軌1)滑動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)滑動導(dǎo)軌常見的截面形狀如圖548所示。其各個平面所起的作用各不相同。在矩形和三角形導(dǎo)軌中,M面主要起支撐作用,N面是保證直線移動精度的導(dǎo)向面,J面是防止運(yùn)動部件抬起的壓板面;而在燕尾形導(dǎo)軌中,M面起導(dǎo)向和壓板作用,J面起支撐作用。 圖548滑動導(dǎo)軌常見的截面形狀(a)矩形導(dǎo)軌;
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