搜索
数控机床的机械结构与特点6.1数控机床的结构要求一、数控机床机械结构的组成随着进给驱动、主轴驱动和CNC的发展,为适应高生产率的需要，数控机床已逐步形成了独特的机械结构。数控机床的主要组成部分与普通机床相类似，包括有以下几个组成部分：（1）主传动系统及主轴部件：使刀具（或工件）产生主切削运动。（2）进给传动系统：使工件（或刀具）产生进给运动并实现定位。（3）床身、立柱、滑座、工作台等基础件。（4）其它辅助装置，如液压、气动、润滑、切削液等系统及装置。此外，加工中心类数控机床带有自动换刀系统。为了提高数控加工的可靠性，现代数控机床上还带有刀具破损监控装置以及工件精度监控装置等。二、数控机床机械结构的特点和要求为保证高精度、高效率、高自动化程度的加工，数控机床结构应满足以下要求：一）高刚度机床刚度是指机床抵抗由切削力和其他力引起变形的能力。标准规定数控机床的刚度应比普通机床高50%受力有：自重、切削力、驱动力、惯性力、磨擦力。机床各部件受力变形——引起刀具和工件之间的相对位移——产生加工误差1、提高构件的自身刚度（1）正确选择截面形状和尺寸截面积相同，空心截面的刚度比实心截面大（2）合理选择及布置隔板和肋条可提高构件的静、动刚度（3）薄壁构件，减少壁面的翘曲和构件截面的畸变2、提高局部刚度合理配置加强肋是提高局部刚度的有效方法3、提高接触刚度两平面不是理想的平面，实际面积小于名义接触面积考虑非线性接触刚度1）提高固定接触面之间的接触刚度，预先施加载荷P0远大于外载荷2）提高接触表面质量粗糙度和宏观不平度、材料的硬度对接触刚度的影响很大。3）减少自身局部变形的影响支承件的自身局部刚度对接触压强的分布有影响4、选用焊接结构的构件机床的床身、立柱等支撑件，采用钢板和型钢焊接而成，具有减轻重量、提高刚度的显著优点。钢的弹性模量约为铁的2倍。5、采用补偿构件变形的措施测出着力点的相对变形的大小和方向，或预知构件的变形规律，就可以采用措施来补偿变形以消除它的影响。二）高抗振性机床的抗振性指的是抵抗强迫振动和自激振动的能力。1、强迫振动机床产生强迫振动的内部振源有；(1)高速转动的不平衡力（2）往复运动件的冲击力（3）周期变化的切削力机床产生强迫振动的外部振源有；电动机、液压泵、其它设备的动态力振源的频率与机床某部件的某一振型的固有频率重和——共振2、自激振动切削自激振动，也称颤振。发生在切削过程之中，振动所需的能量来自切削过程本身。3、提高机床抗振性的措施（1）减少机床的内部振源（2）提高静刚度（3）增加构件或结构的阻尼。三）高的低速运动平稳性数控机床各座表轴低速进给运动的平稳性极大地影响到零件的加工精度。低速时，速度可能时停时走、时快时慢，运动不平稳性现象称为爬行。图5-26工作台的移动1、产生爬行的主要原因1）摩擦副存在着静、动摩擦系数不同和当处于边界或混合摩擦时，动摩擦系数又随滑动速度的增加而降低，可能出现负阻尼或零阻尼。2）传动机构的刚度不足2、消除爬行的措施（1）减少静、动摩擦系数之差和改变动摩擦系数随速度变化特性1）用滚动摩擦代替滑动摩擦2）用纯液体摩擦代替普通滑动摩擦3）采用低摩擦副材料4）采用高性能润滑油以改变摩擦特性（2）提高传动系统的传动刚度四）高的定位精度机床工作台的定位精度受到所有电气或机械装置及元件设计和制造精度的综合影响机械部分影响定位精度的因素1、机械传动部分的误差（1）齿轮副的传动误差（2）滚珠丝杠螺母副的传动误差2、导轨副的误差3、机械传动部分的受力变形4、机械传动部分的热变形5、矢动量的来源和消除措施矢动量定义；指的是工作台或刀架反向移动时的位移损失，其大小用反向差值Δx来表示。来源：传动系统中的各种传动的间隙、传动件的弹性变形量等综合形成反向矢动量。1）减少、消除各种机械间隙2）减少相对运动之间的摩擦力3）对于点位控制系统可以要用单方向趋近法4）矢动量中常值系统性误差部分可通过误差补偿的方法消除或减少。五）热变形对加工精度的影响热变形影响加工精度的重要因素。热源：机床的内部热源，如主电动机等原因：受热构件分布不均匀，温升不一致，不均匀的热膨胀变形，影响刀具与工件正确的相对位置。减少机床热变形及其影响的措施：1、减少机床内部热源和发热量2、改善散热和隔热条件3、均热4、合理设计机床的结构布局5、高的精度保持性：在高速、强力切削下满载工作时，满足机床长期稳定的加工精度。除了正确选用有关零件的材料外，还要有必要的工艺措施（淬火、磨削导轨等）6、高的可靠性：频繁动作，长期可靠工作。7、刀具先进：结构合理，较高耐用度。6.2数控机床的主传动及主轴部件一、数控机床主传动系统的要求数控机床主轴运动是机床成型运动之一，它的精度决定了零件的加工精度，则必须满足以下要求：（1）调速范围多用途、通用性大的机床要求主轴的调速范围大，低速大转矩，高转速专用数控机床不需要较大的调速范围铝材加工要求变速范围大（2）热变形低温升、小的热变形是对主传动系统的重要要求（3）主轴的旋转精度（4）主轴的静刚度和抗振形（5）主轴组件的耐磨性二、主轴的传动方式主传动系统多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系统，结合有级和无级，扩大调速范围（1）带有变速齿轮的主传动1）液压拨叉变速：复杂2）电磁离合器：体积大，磁通易使机械件磁化（2）通过带传动的主传动多用于车、中小型加工中心，可避免振动和噪音（3）用两个电动机分别驱动主轴（4）内装电动机主轴传动结构组件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高启动停止响应特性，利于控制，但热量易使主轴热变形。三、主轴组件包括主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等组成。1、主轴组件的要求1）回转精度高：理想回转中心线2）刚度大3）抗振性强4）温升低5）耐磨性好2、主轴组件的类型按运动方式分为：1）只做旋转运动的主轴组件2）既有旋转又有轴向进给运动的主轴组件3）既有旋转运动又有轴向调整移动的主轴组件4）既有旋转又有径向进给运动的主轴部件5）主轴做旋转运动又做行星运动的主轴部件。3、主轴是主轴组件的重要组成部分，它的结构尺寸和形状、制造精度、材料及其热处理等对主轴组件工件的工作性能有很大影响主要参数包括主轴直径：越大则刚度越高，但相应零件的尺寸增大。保证旋转精度也越难，极限转速下降。注意前后轴颈差越小工艺性越好主轴内孔直径：使用范围、刚度（孔径与长度比）悬伸长度：越短，刚度越高。与轴承和润滑有关主轴的支承跨距：最佳跨距可使组件前端的位移最小。材料选择主要依据：刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小4、主轴支承（1）主轴轴承：类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却直接影响工作性能。1）滚动轴承：磨擦阻力小，可预紧，能在一定转速和载荷变动范围稳定工作，选购维修方便。采用陶瓷滚珠后性能更好。双列推力向心球轴承,接触角为60°,球径小,数目多,能承受双向轴向载荷，调整中间隔套能予紧轴承调整间隙，允许转速高。在数控机床中，轴承一般都要同时承受轴向载荷和径向载荷的联合载荷的作用。对数控机床主轴而言，主轴通径，精度，刚度及加速度，温升等参数是更为重要的要求。所以大接触角的角接触球轴承不论在主传动还是进给传动中均有广泛的使用。现在开发的专用数控主轴轴承及滚珠丝杠专用轴承均是角接触轴承。双列推力向心球轴承,通常与双列圆柱滚子轴承配套一起用作主轴的前支承。带凸肩双列园柱滚子轴承也常作主轴的前支承。其滚子是空心的；有吸振，缓冲，起有效冷却的作用。轴承精度级B级(超精级)C级(特精级)D级(精密级)E级(高级)普通精度机床前轴承常用C、D级,后轴承常用D、E级2）滑动轴承：静压滑动，无磨损，承载能力不随转速而变化，刚度大，回转精度高，成本高。（供油系统、节流器和轴承P214）（2）、主轴滚动轴承的配置合理配置轴承对提高主轴部件的刚度,精度,降低支承温升有很大的作用.图a后端定位,推力轴承在后支承的两侧,主轴热变形向前伸.细长主轴受轴向力容易弯曲变形,但前支座简单。图b两端定位,推力轴承分别布置到两支承的外侧。优点是轴承轴向间隙可以在后端方便地进调整,对主轴热变形敏感,适合于短主轴。图c,d都是前支承固定.前支承刚度较高,主轴热伸长后另一端为自由端,不影响主轴精度.图c推力轴承在前支承两侧,使主轴的悬伸长度增加.影响主轴刚度,图d两个推力轴承安排在前支承的内侧,克服了图c的缺点,一般高速精密机床的主轴多采用该方案。（3）、主轴轴承的预紧采用予紧方法,合理选择预紧量可以提高主轴部件的刚度和抗振性。对滚动轴承间隙的调整,通常是使轴承内,外圈作相对的轴向位移实现的常用的方法有:a、轴承内圈移动法；结构简单,予紧量不易控制带锁紧的园螺母,右端的园螺母限制了轴承内圈的移动；b、修后座圈或隔套。四、主轴的进给功能和主轴准停功能1、主轴的进给功能：车床上C轴的坐标进给，以实现主轴的定向停车圆周进给，并在数控装置配合下实现C轴插补，配合动力刀具进行圆柱面或端面上任意部位的钻削、铣削、攻螺纹及曲面铣削加工。结构P2172、主轴定向装置（准停）：加工中心换刀机械凸轮等机构和光电盘等方式定位。五、主轴组件的润滑和密封良好的润滑效果可以降低轴承的工作温度，延长其使用寿命，密封不仅要防止灰尘、屑末和切削液进入，还要防止润滑油的泄露。1主轴轴承的润滑方式：油脂、油液循环、油雾、油气等（特点）2主轴的密封：接触式和非接触式6.3数控机床的进给传动机构一、数控机床进给系统要求高的定位精度、良好的动态响应特性（跟踪信号响应快）、稳定性好；无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适宜阻尼比等：措施：1）尽量采用低摩擦的传动；2）选用最佳传动比；3）缩短传动链，用预紧的办法提高传动刚度；4）尽量消除传动间隙，减少反向死区误差。二、传动齿轮的消隙常采用以下几种方法：1）圆柱齿轮传动：偏心套调整法；轴向垫片调整法；双片齿轮错齿调整法。2）斜齿轮传动：侧隙可以自动补偿，轴向尺寸大，结构不紧凑。3）齿轮齿条传动：常用于大型数控龙门铣床之类。三、联轴器数控机床的进给驱动系统中，伺服电机与滚珠丝杠联结：1）直联式：常用，通过无键无隙挠性联轴节称为膜片弹性联轴器。2）齿轮减速式3）齿形皮带方式（一）园柱直齿轮时1、双齿轮片结构2、偏心套1）、齿轮2）、偏心套3）、齿轮3、调节中心距（二）双齿轮条消除齿轮间隙机构1、2为正齿轮与齿条齿合，3、4为左右螺旋齿轮，5上有一对旋向相反的螺旋齿轮，当零件受少许轴向力F移动会迫使34齿轮分别向相反的转动微小的角度，令园柱齿轮1、2左右边贴紧齿条传动齿面固定零件与达到消除齿条间隙的目的。四、丝杠螺母副1、滚珠丝杠螺母副工作原理及特点a)原理：滚珠丝杠是由梯形丝杠演变过来的，它将原来的滑动摩擦副转换成滚动摩擦副，滑动摩擦系数为0.1，而滚动摩擦系数为0.01，梯形丝杠的材料一般都选用40Cr,热处理调质，滚珠丝杠的材料为GCr15（滚珠轴承材料）中频淬火。表面硬度HRc60，硬化层达到2mm以上，为了防止淬火后生成的晶相组织马氏体在常温下慢速膨胀。影响尺寸的副，传动效率很高，大于98％；由滚珠丝杠组成的进给伺服系统的最高进给速度已达100m/min。2）摩损小，精度保持好，寿命长；3）摩擦阻力小，动，静摩擦力相差极小，可以在极低转速下而不产生爬行；4）丝杠经过予紧后，可以完全消除传动间隙，提高传动稳定性，一般还需要对丝杠作-80℃下的深冷处理。b)特点：1）由于是滚动摩擦刚度；5）丝杠不能自锁，运动具有可逆性。可将旋转运动变成直线运动，也可将直线运动转成旋转运动，因此滚珠丝杠立式使用时必须增加制动装置。2、滚珠丝杠的予紧方法滚珠丝杠副的最大特点是可以采用予紧结构来消除传动间隙，又能将丝杠副的弹性变形控制在最小限度内.有资料表明适当施加予紧力可以提高丝杠螺母副的刚度20～40％；但是过大的予紧力会加大驱动力矩.缩短丝杠的使用寿命。通常在中，小型数控铣床的丝杠副予紧力取其轴向负荷的1/3。目前国内常用三种结构形式消除轴向间隙。广泛使用的是修磨垫片调隙法。结构简单、调整可靠、调整方便，予紧力不精确，调整可靠、精确、调整困难难以控制结构复