第3章数控机床的机械结构

第3章数控机床的机械结构本章概述本章首先简单介绍了数控机床的机械结构特点，第二节重点讲解了数控机床主传动系统，第三节对数控机床进给系统进行了简单介绍，最后两节分别对自动换刀装置和回转工作台两部件详细介绍。教学目标1.掌握数控机床的主要结构特点。2.掌握机床主传动系统的功能，理解主轴的调速方法。3.掌握数控机床进给系统的特点，理解滚珠丝杠螺母副工作原理并明确其分类，了解齿轮传动副实现消隙的方法，知道数控机床常用导轨分类。4.了解数控车床刀架，熟悉回转刀架换刀过程，掌握刀具的交换方式及应用场合。5.了解数控回转工作台的工作原理。下一页第3章数控机床的机械结构3.1数控机床的机械结构特点3.2数控机床主传动系统3.3数控机床进给系统简介3.4自动换刀装置3.5回转工作台3.6小锦囊3.1数控机床的机械结构特点数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，其加工过程中的动作顺序、运动部件的坐标位置及辅助功能，都是通过数字信息自动控制的，操作者在加工过程中无法干预，不能像在普通机床上加工零件那样，对机床本身的结构和装配的薄弱环节进行人为补偿，所以数控机床几乎在任何方面均要求比普通机床设计得更为完善，制造得更为精密。为满足高精度、高效率、高自动化程度的要求，数控机床的结构设计已形成自己的独立体系，在这一结构的完善过程中，数控机床出现了不少完全新颖的结构及元件。数控机床的主要结构特点如下:返回下一页3.1数控机床的机械结构特点1.高灵敏度数控机床通过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它要求在相当大的进给速度范围内都能达到较高的精度，因而运动部件应具有较高的灵敏度。导轨部件通常用滚动导轨、塑料导轨、静压导轨等，以减少摩擦力，使其在低速运动时无爬行现象。工作台、刀架等部件的移动，由交流或直流伺服电机驭动，经滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驭动扭矩，提高了定位精度和运动平稳性。2.高抗振性数控机床的一些运动部件，除应具有高刚度、高灵敏度外，还应具有高抗振性，即在高速重切削情况下应无振动，以保证加工工件的高精度和高的表面质量。特别要注意的是避免切削时的谐振，因此对数控机床的动态特性提出更高的要求。改善动态特性的方法是:提高系统的静刚度，增加阻尼(例如，采用三支承主轴，后支承就有利于消振)以及调整构件的质量和自振频率，通过高速回转部分的动平衡降低扰动作用程度，等等。上一页返回下一页3.1数控机床的机械结构特点3.高精度保持性为了加快数控机床投资的回收，务必经常使机床保持很高的开动比(比普通机床高2-3倍)，因此必须提高机床的寿命和精度保持性，在保证尽可能地减少电气和机械故障的同时，要求数控机床在长期使用过程中不丧失精度。除各有关零件应正确选择材料，以防使用中的变形和快速磨损外，还要求采取一些工艺措施，如淬火和磨削导轨、粘贴抗磨塑料导轨等，以提高运动部件的耐磨性。4.刀具先进一般的数控机床，其主轴转速要比普通机床主轴转速高1一2倍，某些特殊用途的数控机床，其主轴转速高达数万转。因此，数控机床使用的刀具较普通机床用的刀具严格得多，刀具应有高强度和高耐用度，其结构也要合理。这就需要采用新型高速钢和超细粒度硬质合金、立方氮化硼等优质材料制造数控加工刀具，刀具表面进行涂镀处理，以提高刀具寿命，下一页上一页返回3.1数控机床的机械结构特点并且优选刀具参数。就目前我国数控加工刀具的使用来看，还应通过提高刀具材质、加强刀具几何参数和切削用量的研究，开展表面处理技术、刃磨技术以及刀具在线检测技术的研究，来提高刀具质量并为刀具选择及使用提供依据。5.高刚度数控机床要在高速和重负荷条件下工作，因此，机床的床身、立柱、主轴、工作台、刀架等主要部件，均需具有很高的刚度，工作中应无变形或振动。例如:有的床身采用双壁结构，并配置有斜肋板及加强肋，使其具有较高的抗弯刚度和抗扭刚度;为提高主轴部件的刚度，除主轴部件在结构上采取必要的措施以外，还要采用高刚度的轴承，并适当预紧;增加刀架底座尺寸，减少刀具的悬伸，以适应稳定的重切削，等等。上一页下一页返回3.1数控机床的机械结构特点6.热变形小机床的主轴、工作台、刀架等运动部件，在运动中常易产生热量，而工艺过程的自动化和精密加工的发展，对机床的加工精度和精度稳定性提出了越来越高的要求。为保证部件的运动精度，要求各运动部件的发热量最少，以防产生热变形。为此，机床结构根据热对称的原则设计，并改善主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动导轨副的摩擦特性。如MJ-SOCNC数控车床主轴箱壳体即按热对称原则设计，并在壳体外缘上铸有密集的散热片结构，主轴轴承采用高性能油脂润滑，并严格控制注入量，使主轴温升很低。对于产生大量切屑的数控机床，一般都带有良好的自动排屑装置，等等。7.高可靠性数控机床在自动或半自动条件下工作，尤其在柔性制造系统中的数控机床，可在24h运转中实现无人管理，这就要求机床具有高的可靠性。为此，要提高数控装置及机床结构的可靠性，像在工作中动作频繁的刀库、换刀机构、托盘、工件交换装置等部件，必须保证在长期工作中十分可靠。上一页返回3.2数控机床主传动系统机床的主传动系统将电动机的转矩和功率传递给主轴部件，使安装在主轴内的工件或刀具实现主运动。3.2.1主传动系统的特点数控机床与普通机床相比具有以下特点:主轴转速范围宽，且能实现自动无级变速，可适应各种加工的需要;传动链短，以保证机床主传动的精度;为了实现刀具的快换或自动装却，主轴上还必须装有刀具自动夹紧、主轴准停和主轴孔内切屑清除装置。下一页返回3.2数控机床主传动系统二、数控机床主轴的调速方法数控机床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。在主传动系统中，目前多采用变频交流电动机和交流调速电动机无级调速系统。在实际生产中，一般要求数控机床在中、高速段为恒功率输出，在低速段为恒转矩输出。为了保证数控机床低速时的扭矩和主轴的变速范围尽可能大，大中型数控机床多采用无级变速与分级变速串联，即在交流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级调速。数控机床主传动系统主要有四种配置方式，如图3-1所示。上一页下一页返回3.2数控机床主传动系统1.通过带传动的主传动如图3-1(a)所示，这种传动主要应用在转速较高、变速范围不大的机床上。电动机本身的调速就能够满足要求，不用齿轮变速，可以避免齿轮传动引起的振动与噪声。它适用于高速、低扭矩特性要求的主轴。常用的带传动有V带传动和同步齿形带传动。2.带有变速齿轮的主传动这是大、中型数控机床采用的一种配置方式。如图3-1(b)所示，通过少数几对齿轮降速，扩大输出扭矩，以满足主轴低速时对输出扭矩特性的要求。一部分小型数控机床也采用此种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。上一页下一页返回3.2数控机床主传动系统3.内装电动机主轴传动结构如图3-1(c)所示，这种主传动方式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，但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴精度影响较大。4.用两个电动机分别驱动主轴如图3-1(d)所示，这是上述两种方式的混合传动，具有上述两种性能。高速时电动机通过带轮直接驭动主轴旋转;低速时，另一个电动机通过两级齿轮传动驭动主轴旋转，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用。这样就使恒功率区增大，扩大了变速范围，克服了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的缺陷。上一页下一页返回3.2数控机床主传动系统3.2.3数控机床的主轴部件数控机床的主轴部件，既要满足精加工时精度较高的要求，又要具备粗加工时高效切削的能力。因此，在旋转精度、刚度、抗振性和热变形等方面，都有很高的要求。在局部结构上，一般数控机床的主轴部件与其他高效、精密自动化机床没有多大区别。但对于具有自动换刀功能的数控机床，其主轴部件除主轴、主轴轴承和传动件等一般组成部分外，还有刀具自动装卸及吹屑装置、主轴准停装置等。1.主轴的支承与润滑数控机床主轴的支承可以有多种配置形式。图3-2所示为TND360型数控车床主轴部件结构。因为主轴在切削时承受较大的切削力，所以轴径设计得比较大。前轴承为三个角接触球轴承，前面两个轴承开口朝向主轴前端，接触角为250，用以承受轴向切削力;第三个轴承开口朝里，接触角为140。三个轴承的内外圈轴向由轴肩和箱体孔的台阶固定，以承受轴上一页下一页返回3.2数控机床主传动系统向负荷。后支承由一对背对背的角接触球轴承组成，只承受径向载荷，并由后压套进行预紧。轴承预紧量预先配好，直接装配即可，无须修磨。主轴为空心，通过棒料的直径可达60mm。数控车床主轴有的采用油脂润滑，迷宫式密封;有的采用集中强制润滑。为了保证润滑的可靠性，常以压力继电器作为失压报警装置。2.卡盘为了减少辅助时间、降低劳动强度，并适应自动化和半自动化加工的需要，数控车床多采用动力卡盘装夹工件。目前使用较多的是自动定心液压动力卡盘，该卡盘主要由引油导套、液压缸和卡盘三部分组成。上一页下一页返回3.2数控机床主传动系统图3-3所示为数控车床上采用的一种液压动力自定心卡盘，卡盘3用螺钉固定在主轴(短锥定位)上，液压缸5固定在主轴后端。改变液压缸左、右腔的通油状态，活塞杆4带动卡盘内的驱动爪1和卡爪2，夹紧或放松工件，并通过行程开关6和7发出相应信号。3.刀具自动装卸及切屑清除装置在某些带有刀库的数控机床中，主轴部件除具有较高的精度和刚度外，还带有刀具自动装卸装置和主轴孔内切屑清除装置。如图3-4所示，主轴前端有7:24的锥孔，用于装夹锥柄刀具。端面键13既作刀具定位用又可传递转矩。为了实现刀具的自动装卸，主轴内设有刀具自动夹紧装置。从图3-4中可以看出，该机床是由拉紧机构拉紧锥柄刀夹尾端的轴颈来实现刀夹的定位及夹紧的。夹紧刀夹时，液压缸上腔接通回油，弹簧11推动活塞6上移，处于图示位置，拉杆4在碟形弹簧5的作用下向上移动。由于此时装在拉杆前端径向孔中的四个钢球12进入主轴孔中直径较小的d2处，如图3-4(b)所示，被迫径向收拢而卡进拉钉2的环形凹槽内，因而刀杆上一页下一页返回3.2数控机床主传动系统拉紧，依靠摩擦力紧固在主轴上。换刀前需将刀夹松开，压力油进入液压缸上腔，活塞6推动拉杆4向下移动，碟形弹簧被压缩;当钢球12随拉杆一起下移至主轴孔中直径较大的d，处时，它就不再能约束拉钉的头部，紧接着拉杆前端内孔的抬肩端面碰到拉钉，把刀夹顶松。此时行程开关10发出信号，换刀机械手随即将刀夹取下。与此同时，压缩空气由管接头9经活塞和拉杆的中心通孔吹入主轴装刀孔内，把切屑或脏物清除干净，以保证刀具的装夹精度。机械手把新刀装上主轴后，液压缸7接通回油，碟形弹簧5又拉紧刀夹。刀夹拉紧后，行程开关8发出信号。上一页下一页返回3.2数控机床主传动系统自动清除主轴孔中的切屑和尘埃是换刀操作中一个不容忽视的问题。如果在主轴锥孔中掉进了切屑或其他污物，在拉紧刀杆时，主轴锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，使刀杆发生偏斜，破坏刀具的正确定位，影响加工零件的精度，甚至使零件报废。为了保证主轴锥孔的清洁，常用压缩空气吹屑。图3-4(a)中活塞6的心部钻有压缩空气通道，当活塞向左移动时，压缩空气经拉杆4吹出，将锥孔清理干净。喷气小孔设计有合理的喷射角度，并均匀分布，以提高吹屑效果。上一页下一页返回3.2数控机床主传动系统4.主轴准停装置自动换刀数控机床主轴部件设有准停装置，其作用是使主轴每次都能准确地停止在固定的周向位置上，以保证换刀时主轴上的端面能对准刀夹上的键槽，同时使每次装刀时刀夹与主轴的相对位置保持不变，提高刀具的重复安装精度，从而提高孔加工时孔径的一致性。图3-4所示主轴部件采用的是电气准停装置，其工作原理如图3-5所示。带动主轴旋转的多楔带轮1的端面上装有一个厚垫片4，垫片上装有一个体积很小的永久磁铁3，在主轴箱箱体主轴准停的位置上装有磁传感器2。当机床需要停车换刀时，数控系统发出主轴停转指令，主轴电动机