数控机床机械结构设计.ppt

数控机床机械结构及常见故障分析,主要内容一.数控机床的构成与分类二.数控机床的机械结构三.数控车床介绍四.数控加工中心和数控铣床介绍五.数控机床的辅助装置,一.数控机床的构成与分类,（一）.数控机床的构成,数控机床一般由下列几个部分组成1.主机 是数控机床的主体，包括床身、立柱、工作台、主轴、进给机构等机械部件。2.CNC装置（控制装置）是数控机床的核心，包括硬件和相应的软件等部分。3.驱动装置 是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给驱动单元、主轴电机、进给电机等等。4.数控机床的辅助装置 指数控机床的一些必须的配套部件，用以保证数控机床的正常运行。如液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和分度头，还包括刀具及监控检测装置等,立式加工中心主机,床身,拖板（床鞍）,工作台,立 柱,主轴,主轴箱,刀库,卧式加工中心主机,全功能数控车床主机,床身部件,进给丝杠,直线导轨组件,润滑系统,（二）.数控机床的分类,目前，为了研究数控机床，可从不同的角度对数控机床进行分类1.按控制系统的特点分类 1）点位控制数控 2）直线控制数控机床 3）轮廓控制的数控机床,2.按照可联动（同时控制）轴数分 按照可联动（同时控制）且相互轴数，可以分为2轴控制、2.5轴控制、3轴控制、4轴控制、5轴控制等。3.按执行机构的伺服系统类型分类 1）开环伺服系统数控机床 2）半闭环伺服系统数控机床 3）闭环伺服系统数控机床,开环数控系统,没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置 进给系统），故系统稳定性好。,半闭环数控系统 半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。,位置控制调节器,速度控制调节与驱动,检测与反馈单元,位置控制单元,速度控制单元,+,+,-,-,电机,机械执行部件,CNC插补指令,实际位置反馈,实际速度反馈,全闭环数控系统 全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。,二.数控机床的机械结构,（）数控机床机械结构的主要组成,数控机床的机械结构，除机床基础件外，由下列各部分组成：1.主传动系统；2.进给系统；3.实现工件回转、定位的装置和附件；4.实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置如液压、气动、润滑；冷却等系统和排屑、防护等装置；5.刀架或自动换刀装置(ATC)；6.自动托盘交换装置(APC)；7.特殊功能装置 如刀具破损监控、精度检测和监控装置等；8.为完成自动化控制功能的各种反馈信号装置及元件。,机床基础件或称机床大件，通常是指床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台等。它是整台机床的基础和框架。机床的其他零、部件，或者固定在基础件上，或者工作时在它的导轨上运动。其他机械结构组成则按机床的功能需要选用。如一般的数控机床除基础件外，还有主传动系统，进给系统以及液压、润滑、冷却等其他辅助装置，这是数控机床机械结构的基本构成。加工中心则至少还应有ATC，有的还有双工位APC等。柔性制造单元(FMC)除ATC外还带有工位数较多的APC，有的甚至还配有用于上下料的工业机器人。,（二）.数控机床机械结构的特点,1）机床刚度的基本概念 机床的刚度是机床的技术性能之一，它反映了机床结构抵抗变形的能力。根据机床所受载荷性质的不同，机床在静态力作用下所表现的刚度称为机床的静刚度；机床在动态力作用下所表现的刚度称为机床的动刚度。2）提高数控机床结构刚度的常用措施（1）提高机床构件的静刚度和固有频率。常用方法有合理布置的筋板结构；设置卸荷装置来平衡载荷以补偿有关零、部件的静力变形；改善构件间的接触刚度或构件与地基联结处的刚度等。（2）改善机床结构的阻尼特性。常用方法有大件内腔充填泥芯和混凝土等阻尼材料，在振动时利用相对摩擦来耗散振动能量；在大件表面采用阻尼涂层；充分利用接合面间的摩擦阻尼；采用新材料和钢板焊接结构等。,1.高刚度和高抗振性,2.减少机床热变形的影响,机床的热学特性是影响加工精 度的重要因素之一。由于数控机床主轴转速、进给速度远高于普通机床，而大切削用量产生的炽热切削对工件和机床部件的热传导影响远较普通机床严重，而热变形对加工精度的影响往往难以由操作者修正。因此，减少数控机床热变形影响的措施应予特别重视。常用的措施有下列几种：1）改进机床布局和绪构设计。如对热源来说比较对称的采用热对称结构；数控车床采用采用倾斜床身、平床身和斜滑板结构；某些重型数控机床由于结构限制采用热平衡措施。,2）控制温升。对机床发热部分（如主轴箱、静压导轨液压油等）采取散热、风冷和液冷等控制温升的办法来吸收热源发出的热量，是在各类数控机床上使用较多的一种减少热变形影响的对策。3）对切削部位采取强冷措施。在大切削量切削时，落在工作台、床身等部件上的炽热切屑量一个重要的热源。现代数控机床，特别是加工中心和数控车床普遍采用多喷嘴、大流量冷却液来冷却并排除这些炽热的切屑，并对冷却液用大容量循环散热或用冷却装置致冷以控制温升。4）热位移补偿。预测热变形规律，建立数学模型存入计算机中进行实时补偿。热变形附加修正装置已在国外产品上作商品供货。,3.传动系统机械结构简化,数控机床的主轴驱动系统和进给驱动系统分别采用交、直流主轴电机和伺服电机驱动，这两类电机调速范围大，并可无级调速，因此使主轴箱、进给变速箱及传动系统大为简化，箱体结构简单、齿轮、轴承和轴类零件数量大为减少甚至不用齿轮，由电机直接带动主轴或进给滚珠丝杠。,4.高传动效率和无间隙的传动装置和元件,数控机床在高进给速度下，工作要平稳；并有高的定位精度。因此，对进给系统中的机械传动装置和元件要求具有高寿命、高刚度、无间隙、高灵敏度和低摩擦阻力的特点。目前数控机床进给驱动系统中常用的机械传动装置主要有三种，即滚珠丝杠副，静压蜗杠蜗母条和预加载荷双齿轮齿条。,三、数控机床常见机械部件,1、滚珠丝杠副2、导轨3、主轴部件4、轴承5、刀架、刀库,1、滚珠丝杠副,滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。它由丝杆、螺母、滚珠和滚珠循环返回装置(俗称回珠器)等组成。当丝杠和螺母相对运动时，滚珠沿着丝杆螺旋滚道面滚动，滚动数圈后离开丝杆滚道面，通过循环返回装置返回其入口处继续参加工作，如此往复循环滚动。,（1）按滚珠循环方式分分为外循环和内循环两大类。外循环的回珠器有螺旋槽式和插管式两种，目前国内、外生产厂用插管式的较多，内循环的回珠器有腰形槽嵌块式反向器和圆柱凸键式反向器两种，目前国内、外生产厂用腰形槽嵌块式的较多。（2）按预加负载形式分，可分为单螺母无预紧，单螺母变位导程预紧，单螺母加大钢球径向预紧，双螺母垫片预紧、双螺母齿差预紧、双螺母螺纹预紧6种。一般在数控机床上常用双螺母垫片式预紧。,1）滚珠丝杠副结构型式,（3）按精度等级分我国原机械工业部标准JB3162.282分为6级，根据数控机床类别、按机床精度要求和位置控制系统型式(闭环、半闭环、开环)的不同分别选用，数控机床中大多用P3、P4，P5等3个等级。,滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点,（1）传动效率高。滚珠丝杠副的机械效率可达90%以上，比梯形滑动丝杠副高24倍左右（2）灵敏度高，传动平稳。由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小。因此，无论静止时、还是在低、高速度传动时摩擦转矩几乎不变。（3）磨损小，寿命长。滚珠丝杠副的主要零件采用优质合金钢制成，其滚道表面淬火硬度至HRC6062，并有较低的表面粗糙度，再加上滚动摩擦的磨损很少，因而具有良好的耐磨性，且可高速运行。（4）可消除轴向间隙，提高轴向刚度。可用多种消除间隙的预加负载方法，使反向时无空行程；此外，安装时给滚珠丝杠预加拉伸负载，可提高丝杠的系统刚度和减少滚珠丝杠的热伸长，因而定位精度高。,2、低摩擦系数的导轨,机床导轨是机床基本结构的要素之一。从机械结构的角度来说，机床的加工精度和使用寿命很大程度上决定于机床导轨的质量，而对数控机床的导轨则有更高的要求.如:高速进给时不振动，低速进给时不爬行，有高的灵敏度，能在重负载下长期连续工作，耐磨性要高，精度保持性要好等。现代数控机床使用的导轨，从类型来说虽仍是滑动导轨，滚动导轨和静压导轨3种，但在材料和结构上已起了“质”的变化，已不同于普通机床的导轨。,1）.贴塑滑动导轨,2).滚动导轨,（1）.滚动导轨块,（2）.直线滚动导轨,直线滚动导轨副的优点,（3）.静压导轨,6.能实现工艺复合化和功能集成化的要求,三.数控车床,（一）.机床的布局和结构特点,1.床身和导轨,2.刀架布局,3.润滑系统,4.分类,（二）.机床的主传动系统,1.结构特点,2.设计要点,3.主轴结构,（三）.进给系统,1.结构特点,2.传动方式及传动元件,四.加工中心和数控铣床,（一）加工中心的结构,1.基础部件,2.主轴部件,3.数控系统,4.自动换刀系统,5.辅助系统,（二）.加工中心的分类,1.卧式加工中心,2.立式加工中心,3.五面加工中心,（三）.加工中心的主传动系统,1.主传动系统的结构与分类,2.主传动系统的运动学参数,1）.转速,2).回转精度,3.主传动系统的动力学参数,1）.静刚度,2）.抗振性,3）.热稳定,4.主传动系统的关键零部件,1）.主轴轴承,2）.传动带,3）.拉刀装置,4）.主轴定向装置,（四）.加工中心的进给系统,1.进给系统的结构与分类,2.进给系统的刚度与误差,1).由传动刚度的变化引起的定位误差,2).动态误差,3）.伺服刚度及死区误差,3.关键部件,1）.滚珠丝杠副,2）.滚动导轨,4.设计中应验算的参数,1）.惯量匹配,2）.空载加速转矩,3）.切削负载验算,4）.求滚珠丝杆拉压刚度,5）.求机械传动的综合拉压刚度,6）.伺服刚度,7）.系统的综合刚度,8）.由机械部分传动刚度变化引起的定位误差,9).由传动刚度变化引起的死区误差,（五）.自动换刀系统,1.刀库的类型,1）.盘式刀库,2）.链式刀库,2.刀库的容量,3.选刀方式,4.机械手,