數控技術及應用

數控技術及應用1第1頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六一、數控機床的主要組成部分及其結構簡介2第2頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六（一）數控機床的主要組成部分1、主傳動系統(tǒng)及主軸組件——用來產生切削運動。2、進給傳動系統(tǒng)——用來產生工件或刀具的進給運動，并實現定位。3、基礎件——床身、立柱、滑座、工作臺等。4、其他輔助裝置——液壓、氣動、潤滑、切削液、排屑等系統(tǒng)裝置。5、對于加工中心，還有自動交換刀具結構。3第3頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六加工中心（MachiningCenter）

是在數控銑床的基礎上增加了刀具自動交裝置或分度工作臺。是一種特殊的數控機床。⑴工件一次裝夾可以自動完成鏜、銑、鉆、擴、鉸、攻絲等多工序、多工位的加工。實現了工序集中。⑵減少了裝夾次數，減少了定位誤差，提高了效率。

加工中心分立式、臥式和五面體加工中心。目前的加工中心主要是以鏜、銑、鉆復合為主。4第4頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六5第5頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六（二）主傳動系統(tǒng)及主軸部件結構特點1、主電機2、主軸組件3、拉刀機構4、松刀機構調速特點1、定比傳動。2、通過電機調速。3、通過改變電機與主軸的中心距，可以脹緊皮帶。6第6頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六（三）進給傳動系統(tǒng)特點:1、數控機床以坐標軸為控制單位。7第7頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六2、每個坐標軸都有一套伺服驅動系統(tǒng)。8第8頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六3、機械傳動裝置：都是始于伺服電機的軸端，止于機床的執(zhí)行部件。開環(huán)系統(tǒng)：

9第9頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六閉環(huán)系統(tǒng)：10第10頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六半閉環(huán)系統(tǒng)：11第11頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六4、機械傳動結構主要組成部分：

對于直線運動：齒輪副、聯軸器、滾珠絲杠螺母副、絲杠支承、導軌副

對于回轉工作臺：還有蝸桿、蝸輪副。12第12頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六滾珠絲杠螺母副13第13頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六5、組成機械傳動系統(tǒng)的各元件均有剛度、精度、摩擦阻尼特性的要求。這些將直接影響機床執(zhí)行部件的定位精度。14第14頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六滾珠絲杠螺母副

——是把回轉運動轉換為直線運動的傳動裝置。15第15頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六1、工作原理●在絲杠、螺母上加工有弧形螺旋槽?！癞敯阉鼈兲籽b在一起時形成螺旋滾道，在滾道內添滿滾珠?！癞斀z杠相對于螺母旋轉時，螺旋滾道沿軸向移動，滾珠則在螺旋滾道螺旋面的擠壓下沿著滾道運動，使絲杠的螺母產生相對絲杠的軸向位移。16第16頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六2、滾珠絲杠螺母副特點①傳動效率高●基本上是滾動摩擦?！駛鲃有士蛇_92%～98%，是普通絲杠傳動的2～4倍。②靈敏度高●是滾動摩擦，并且動、靜摩擦系數相差不大。傳動靈敏，運動平穩(wěn)?！竦退俨灰桩a生爬行。跟隨精度和定位精度比較高。17第17頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六③使用壽命長●材料選用優(yōu)質合金鋼，滾道表面淬火，硬度可以達到HRC60～62?！癖砻娲植诙戎敌?，因為是滾動摩擦，故磨損很小。④預緊后，可以進一步提高軸向剛度和精度●因為經過預緊后，可以消除絲杠和螺母之間的軸向間隙，進一步預緊后，可以提高滾珠絲杠副的剛度?！穹聪蜻\動時，無空行程，從而提高滾珠絲杠副的軸向運動精度。18第18頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六鑒于上述優(yōu)點，滾珠絲杠廣泛使用在中、小型數控機床的進給系統(tǒng)中。滾珠絲杠副的缺點①制造成本高②不能自鎖。當用于垂直安裝時，必須要具有制動裝置。19第19頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六3、分類按照滾珠返回方式的不同，滾珠絲杠可以分為兩種方式。

外循環(huán)方式內循環(huán)方式

20第20頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六①外循環(huán)方式——返回的滾珠與絲杠外圓不接觸。用回珠器將螺旋滾道的兩端連接起來，回珠器在螺旋滾道的兩端能起到擋珠的作用。優(yōu)點：結構簡單，容易制造，應用廣泛。缺點：絲杠螺母徑向尺寸較大。剛性差，易磨損，噪音大。

21第21頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六②內循環(huán)方式——采用反向器將滾珠返回。優(yōu)點：●螺母徑向尺寸小，結構緊湊?！穹聪蚱髟诼菽钢械亩ㄎ豢煽浚瑒傂院?，不易磨損?！裼捎诜祷貪L道短，不易發(fā)生滾珠堵塞。缺點：結構復雜，制造困難。22第22頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六4、滾珠絲杠的制動●滾珠絲杠不能自鎖?！癞斢糜诖怪蔽恢没蛩酱髴T量高速傳動時，必須有制動裝置?！癯Ｓ么胧孩匐姶烹x合器②超越離合器③有制動裝置的伺服電機。舉例：電磁離合器制動23第23頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六5、滾珠絲杠的間隙與調整：①滾珠絲杠的間隙

——是指絲杠與螺母之間無相對轉動時，絲杠與螺母間的最大軸向竄動量，是軸向間隙。

該間隙是由兩部分組成：●結構本身存在的游隙?！袷┘虞S向載荷后產生彈性變形而造成的軸向竄動量。24第24頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六②滾珠絲杠的預緊●預緊的目的——是通過預緊措施來消除滾珠絲杠螺母副的軸向間隙，以達到提高軸向剛度和傳動精度的目的。●對于雙螺母滾珠絲杠，預緊方式有三種：

雙螺母螺紋調隙預緊方式雙螺母墊片調隙預緊方式雙螺母齒差式調隙預緊方式25第25頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六第一種，雙螺母螺紋調隙結構（如圖所示）●用鍵限制絲杠螺母在螺母座(套筒)內轉動。●調整時，首先松開鎖緊螺母，轉動圓螺母，可將螺母與絲杠間的間隙消除。●全部間隙消除后，如果繼續(xù)轉動圓螺母,可提高剛度并實現預緊。●最后將鎖緊螺母擰緊。26第26頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六第二種：雙螺母墊片調隙結構（如圖所示）通過調整墊片的厚度來使左右兩個絲杠螺母產生軸向位移，即可達到消除間隙的目的并進行預緊。27第27頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六第三種：雙螺母齒差式調隙結構（如圖所示）●在兩個絲杠螺母的凸緣上各制成有一個圓柱齒輪，兩個齒輪的齒數只相差一個齒，即Z2－Z1=1。●再制作兩個內齒圈，其齒數與外齒數分別相同，并用螺釘和銷子固定在螺母座的兩端。

28第28頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六間隙消除量可用下式來計算：當兩個螺母向同一方向各轉過n個齒數時，則這兩個螺母在軸向的相對移動量為S：S＝（1/Z1－1/Z2）nt式中：S——兩螺母在軸向的相對位移量n——兩螺母在同一方向轉過的齒數t——絲杠的導程Z1、Z2——齒輪的齒數29第29頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六舉例：已知：Z1＝99，Z2＝100，t＝10mm，當兩個螺母沿同一方向各轉過1個齒數時,求兩螺母在軸向的相對位移量S：S＝（1/99－1/100）×10

＝1μm即可以使兩螺母在軸向的相對位移量為1μm。

由此可見，其精度之高。30第30頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六三種調隙方法比較：①雙螺母螺紋調隙法、雙螺母墊片調隙法，結構簡單，調整方便，但調整精度低。②雙螺母齒差式調隙法，結構復雜，但調整精度高。

三種調隙方法的實質：都是設法使兩個絲杠螺母在絲杠軸上產生軸向相對移動，使兩個絲杠螺母之間的軸向距離發(fā)生變化，從而消除絲杠與螺母之間的間隙。31第31頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六6、滾珠絲杠的三種支承方式：⑴固定——自由●適用于短絲杠或垂直安裝的絲杠。⑵固定——支承●絲杠螺母與兩支承同軸要求高。●適用于長絲杠或水平安裝的絲杠。⑶固定——固定●絲杠螺母與兩支承同軸要求高?！窨梢詫z杠進行預拉伸?！襁m用于長絲杠和軸向剛度要求高的場合。32第32頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六7、滾珠絲杠螺母副的主要技術參數①公稱直徑d0——是指鋼球的直徑?！袼鶕惺艿妮d荷和剛度要求來選取?！馾0愈大，絲杠的承載能力和剛度愈大?！駷榱藵M足剛度和穩(wěn)定性的要求，d0應大于絲杠長度的1/30。33第33頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六②導程L0——主要根據機床傳動要求，位移精度來確定。●當位移精度要求高時，L0應取得小一些。這樣在一定的軸向力作用下，絲杠上的摩擦阻力矩較小?！癞攄0一定時，L0減小，螺旋升角隨之減小，使傳動效率降低?！癞擫0減小時，d0相應減小，會使絲杠的承載能力降低。●一般來講：在滿足機床傳動要求、位移精度的前提下，L0應盡量取大。34第34頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六③滾珠的工作圈數j和列數k——●增加滾珠的工作圈數j和列數k，可以提高承載能力和剛度?！裨谪撦d和剛度一定的前提下，選用較多的工作圈數j和列數k，可以減小絲杠直徑，從而減小慣量，提高進給速度。35第35頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六8、滾珠絲杠螺母副的精度（1）滾珠絲杠的精度等級●國家標準GB/T17587.3—1998將滾珠絲杠分為定位滾珠絲杠副（P型）和傳動滾珠絲杠副（T型）兩大類?！駶L珠絲杠的精度等級共分七個等級，即1、2、3、4、5、7、10級，1級精度最高，依此降低。36第36頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六（2）滾珠絲杠副的精度指標①2π行程內允許的行程變動量V2πp；②300mm行程內允許的行程變動量V300p；③有效行程Lu內允許的行程變動量Vup；④目標行程公差ep；⑤有效行程Lu內補償值C。滾珠絲杠副各項精度指標的關系如圖所示。37第37頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六9、滾珠絲杠的選定選擇滾珠絲杠的原則：①根據滾珠絲杠的定位精度來選擇滾珠絲杠的精度。②根據載荷的大小來選定絲杠的直徑。③對絲杠的扭轉剛度、壓曲剛度、臨界轉速與工作壽命進行必要的驗算。

38第38頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六（1）機床定位精度要求與滾珠絲杠的絲杠精度機床定位精度——●該精度反映了數控機床的制造精度要求，是標準規(guī)定的?！褚话銇碇v，影響機床定位精度的主要因素有：①進給傳動鏈的間隙②滾珠絲杠支承系統(tǒng)的軸向剛度③滾珠絲杠自身的精度，如：螺距誤差、熱伸長等。39第39頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六滾珠絲杠自身的精度——是指滾珠絲杠的螺距誤差和熱伸長。它們對機床定位精度的影響最明顯。①螺距誤差●是在滾珠絲杠制造中產生的誤差。為了減小螺距誤差，在設計時應盡量提高滾珠絲杠的精度等級。●一般來講，滾珠絲杠的精度等級：

P（5、7級）——普通級，適用于普通機床。B（4級）——標準級，適用于一般數控機床。J（2、3級）——精密級，用于精密機床、普通數控機床、加工中心。C（1級）——超精密級，用于精密機床、精密數控機床、精密加工中心。

40第40頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六②熱伸長滾珠絲杠在運轉過程中，不可避免的要產生熱伸長。它將直接影響機床的定位精度。滾珠絲杠溫升引起的變形量ΔL可用下式計算：ΔL＝αLΔt式中：α——滾珠絲杠的膨脹系數，α＝1.1×10-5/℃L——滾珠絲杠的長度Δt——滾珠絲杠與床身之適應間的溫差（即：絲杠的溫升），一般取Δt＝2～3℃

41第41頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六●選擇滾珠絲杠的精度時，要使?jié)L珠絲杠的精度與機床的定位精度要求相適應。●選擇滾珠絲杠的預拉伸支承方式來消除滾珠絲杠因熱變形引起的定位誤差。42第42頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六10、滾珠絲杠螺母副的計算主要是對強度、剛度和穩(wěn)定性的計算。（1）疲勞強度的計算（最大動負荷計算）43第43頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六（2）靜態(tài)強度計算（最大靜負荷Ca計算）當滾珠絲杠在靜態(tài)或低速（n<10r/min)情況下工作時，其破壞形式主要是在滾珠接觸面上產生塑性變形。當塑性變形超過一定限度后，就會破壞滾珠絲杠的正常工作。一般允許其塑性變形量不超過滾珠直徑的萬分之一。產生這樣大的塑性變形量時的負載即稱為允許的最大靜負荷C044第44頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六（4）穩(wěn)定性驗算（計算失穩(wěn)的臨界負載）主要是對已確定尺寸的絲杠，在給定的支稱條件下，承受最大軸向載荷時，驗算其有無產生縱向彎曲（失穩(wěn)）的危險。也稱壓桿不穩(wěn)定。45第45頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六（三）伺服電機與絲杠間的連接結構一般有兩種結構——齒輪和聯軸器1、齒輪傳動（同步帶傳動）——常用在絲杠與電機軸不能同軸的場合。例如：①進給系統(tǒng)需要降速或需要增大扭矩時。②為了匹配不同的絲杠螺距或不同的脈沖當量時。齒輪傳動存在的主要問題——是如何消除側隙。產生側隙的原因：①齒輪中心距的誤差②齒輪本身的齒形誤差

46第46頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六消除齒輪間隙的主要方法：齒輪副之間的間隙——采用錯位法。將齒輪分成兩片，通過兩片齒輪的錯位，來消除間隙。齒輪與傳動軸間的間隙——采用雙鍵。47第47頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六2、同步帶傳動同步帶傳動是通過同步帶的齒形與兩個帶輪上的輪齒依次嚙合來傳遞運動和動力，屬于靠嚙合傳動的撓性傳動。48第48頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六優(yōu)點：①由于靠嚙合傳動，故傳動比準確，傳動精度較高。②由于不靠摩擦傳動，故小帶輪的包角和直徑均可以小些?？梢垣@得較大的降速比（單級傳動可以達到10）。③不需要特別漲緊，故作用在軸和軸承上的載荷（徑向載荷）均較小，傳動效率較高（η=0.95～0.98)。④由于同步帶是經過特殊制造的,故強度高、厚度小、質量輕，可用于高速傳動。缺點：制造復雜，安裝精度要求較高。因而成本高49第49頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六50第50頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六3、聯軸器傳動用在電機軸與絲杠軸同心的場合。是目前廣泛采用的方式。廣泛采用聯軸器的原因：①電機本身的技術進步。如：大慣量伺服電機，具有較大的調速范圍、額定力矩、加速力矩。使電機與絲杠直連成為可能。②人們對數控機床的定位精度要求越來越高。電機與絲杠直連有利于縮短傳動鏈，可以減少機械傳動鏈的傳動誤差。51第51頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六（1）剛性聯軸器52第52頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六（2）消隙聯軸器53第53頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六（3）撓性聯軸器54第54頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六（四）進給伺服系統(tǒng)的機械傳動結構舉例X軸55第55頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六Y軸56第56頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六Z軸57第57頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六58第58頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六59第59頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六（五）導軌導軌是機床進給系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，是機床基本結構的要素之一，機床的加工精度和使用壽命在很大程度上取決于機床導軌的質量。

數控機床對導軌的要求：①具有足夠的剛性。即要求導軌高速時不振動。②具有較高的靈敏度。也就是要求導軌的動、靜摩擦系數的差值要小。即要求導軌低速時不爬行。③能在重載下長期連續(xù)工作，耐磨性高，精度保持性好。目前在數控機床上普遍使用的導軌類型：①滑動導軌②滾動導軌③靜壓導軌60第60頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六1、滑動導軌（1）滑動導軌的截面類型矩形導軌M面——承載N面——導向J面——用來承受顛覆力矩。三角形導軌M、N面——承載、導向J面——用來承受顛覆力矩。燕尾導軌M面——用來導向、承受顛覆力矩J面——承載61第61頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六（2）滑動導軌的組合形式①雙三角導軌導軌面同時起支承和導向作用。磨損后可以自動補償，導向精度高。適用于精度要求高的機床，如坐標鏜床、絲杠車床。②雙矩形導軌易加工制造、承載能力大、但導向精度差。常用于普通精度的機床。③三角形-平導軌組合導軌精度高，加工裝配較方便，通常用于磨床、精密鏜床。④三角形-矩形導軌組合三角導軌作主要導向面。矩形導軌面承載能力大，易加工制造，剛度高，應用普遍。常作為臥式車床的導軌，⑤平-平-矩形導軌組合三角形導軌主要起導向作用，平導軌主要起承載作用。用于大型機床。62第62頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六（3）貼塑導軌結構特點

①屬于滑動摩擦導軌。摩擦方式是金屬對塑料。②在導軌的一個滑動面上貼有一層塑料抗磨軟帶，導軌的另一個滑動面為鑄鐵淬火磨削面。③軟帶是以聚四氟乙烯為基材，添加合金粉和氧化物的高分子材料，其產品為板材，厚度為1.2、1.5、1.7、2，寬度為150、300。④配有定時潤滑系統(tǒng)，定時給導軌面潤滑。⑤聚四氟乙烯摩擦系數為0.04～0.06，導軌快速可以達到30m/min，剛性高，動、靜摩擦系數的差值小，無爬行。63第63頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六粘接要求：①塑料軟帶應粘貼在導軌副的短導軌面上，圓形導軌應貼在下導軌面上。②粘接軟帶的導軌面，通常加工成0.5～1深的凹槽，在粘接時，對軟帶起定位作用。③粘接面稍為粗糙一點為好，一般為R12.5～6.3。64第64頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六粘接工藝及步驟①粘接前，應對軟帶和導軌粘接面認真清洗。清洗劑為丙酮，三氧乙烯和全氯乙烯。不能采用酒精或汽油，然后用干凈的擦布擦干。②用配套的粘接劑粘接。涂膠時應注意抹膠的方向：被粘導軌面應縱向涂抹。塑料軟帶上應橫向涂抹。③粘接時，從一端向另一端緩慢擠壓，以趕走汽泡。粘接后，在導軌面上施加一定的壓力加以固化。時間為24小時以上（室溫下）。④粘接好以后，進行刮研、研磨和開油槽。65第65頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六（4）調整間隙結構壓板調整鑲條調整66第66頁，共70頁，2023年，2月20日，星期六2、滾動導軌（1）概述滾動導軌是在