数控机床的结构.ppt
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1、第六章数控机床的结构,目录,6.1数控机床结构概述一、数控机床机械结构的主要组成二、数控机床对机械结构的基本要求三、数控机床的布局特点6.2数控机床的主传动系统一、主传动装置二、主轴结构6.3数控机床的进给传动系统一、进给传动系统的特点及基本型式二、丝杠螺母副三、回转工作台四、机床导轨五、数控机床进给系统的间隙消除,6.4其他装置一、自动换刀装置 二、排屑装置 三、液压和气动装置,引言普通机床的弱点:1)结构刚性不足;2)抗震性能差;3)滑动面的摩擦阻力较大;4)传动件中的间隙较大;5)电动机不能伺服驱动;6)加工精度和效率远远不能满足要求。所以,不能简单地认为,在普通机床上增加一套数控装置,
2、就变成了数控机床。,6.1数控机床结构概述,一、数控机床机械结构的主要组成,数控机床的机械结构主要由下列几部分组成:1)机床的基础部件,包括床身、底座、立柱、横梁、滑座和工作台等。2)主传动系统(包括主轴部件)。3)进给传动系统。4)辅助功能系统和装置,如液压、气动、润滑、冷却、排屑、防护等。5)刀架或自动换刀装置(ATC)。6)自动交换工作台(APC)。7)特殊功能装置,如刀具破损监控、精度检查和监控装置。(应该不属于纯粹的机械结构,属于机电结构)8)各种检测反馈装置(应该不属于机械结构)。,二、数控机床对机械结构的基本要求,1数控机床及其加工过程的特点,(1)结构简单、操作方便、自动化程度
3、高(2)高的加工精度和切削效率(3)多工序和多功能集成(4)高的可靠性和精度保持性,2数控机床对机械结构的基本要求(1)高的动、静刚度和良好的抗振性能(2)良好的热稳定性(3)高的运动精度与良好的低速稳定性(4)良好的操作性能和安全防护性能,三、数控机床的布局特点,数控机床总体方案设计由下列三部分组成:,1数控车床的布局特点,数控车床常见的布局型式,水平床身数控车床常用于经济型、普及型数控车床以及数控改造的车床。其结构特点是:制造水平床身的加工工艺性较好,部件精度较容易保证;其刀架水平布置,不受刀架、滑板自重的影响,有利于提高刀架的运动精度;但该结构床身下部空间小,排屑困难,且受热变形影响较大
4、。性能要求较高的中、小型数控车床多采用倾斜床身或水平床身斜滑板结构。其结构特点是:占地面积小,易于排屑,便于操作与观察,易于安装上、下料机械手。还有一个优点是可采用封闭截面整体结构,提高床身的刚度。床身导轨倾斜角度有45、60和75,但倾斜角度太大会影响导轨的导向性及受力情况。大型数控车床常采用立式床身布局。立式床身的排屑性能最好;但受自重的影响最大,有时需要加平衡机构来消除。,2数控铣床、加工中心的布局特点,(1)卧式数控镗铣床(加工中心)的常用布局型式,卧式数控镗铣床(加工中心)常见的布局型式,卧式加工中心双交换工作台布局,(2)立式数控镗铣床(加工中心)的常用布局型式,立式数控镗铣床(加
5、工中心)常见的布局型式,立式加工中心双交换工作台布局,3高速加工中心的布局特点,(a)固定门式立柱布局(b)“箱中箱”结构布局两种高速加工中心的布局型式,高速切削概念始于1931年德国所罗门(Carl Salomon)博士的研究成果,21世纪初,高速切削技术在工业发达国家得到普遍应用,正成为切削加工的主流技术。高速加工:集高速度、高精度、高刚度于一身。,机床本体,高速加工机床总体结构特点:(1)将三轴进给系统的结构全部(或大部分)移出工作台外,以最大限度减轻移动部件的质量和运动惯量,这也是高速加工中心结构布局设计的总原则。(2)改进基础件结构和材料机床的基本结构有床身、底座和立柱等,高速切削会
6、产生很大的附加惯性力,因而机床床身、立柱等必须具有足够的强度、刚度和高水平的阻尼特性。很多高速机床的床身和立柱材料采用聚合物混凝土(或人造花岗岩),这种材料阻尼特性为铸铁的710 倍,比重只有铸铁的1/3。提高机床刚性的另一个措施是改革床体结构,如将立柱和底座合为一个整体,使得机床可以依靠自身的刚性来保持机床精度。,4虚拟轴机床,虚拟轴机床结构原理虚拟轴机床的布局型式,虚拟轴机床是最近出现的一种全新概念的机床,它和传统的机床相比,在机床的机构、本质上有了巨大的飞跃,它的出现被认为是机床发展史上的一次重大变革。,主要内容,虚拟轴机床:设计巧妙的5杆并联机构,电滚珠丝杠,电主轴,数控回转工作台,6
7、.2数控机床的主传动系统,一、主传动装置,1数控机床主传动系统的特点(1)转速高、功率大(2)调速范围宽(3)主轴能自动实现无级变速,转速变换迅速可靠(4)数控机床的主轴组件具有较大的刚度、较高的精度和耐磨性能(5)在加工中心上,还具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹紧装置,以及主轴定向准停装置,以保证刀具和主轴、刀库、机械手的准确动作。(6)为了扩大机床功能,一些数控机床的主轴能实现C轴功能(主轴回转角度的控制),2数控机床主传动装置,(1)带有二级齿轮的变速装置确保低速时输出大扭矩,扩大恒功率调速范围,以满足机床重切削时对输出扭矩特性的要求。(2)采用定比传动装置定比传动装置常用同步齿形带或
8、三角带连接电机与主轴,避免了齿轮传动引起的振动与噪声。(3)采用电主轴电主轴传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构,主轴部件的刚性更好。但主轴输出扭矩小,电机发热对主轴影响较大,需对主轴进行强制冷却。,数控机床主传动装置,二、主轴结构,1数控车床主轴部件结构,1、5螺钉;2带轮连接盘;3、15、16螺钉;4端盖;6圆柱滚珠轴承;7、9、11、12挡圈;8热调整套;10、13、17角接触球轴承;14卡盘过渡盘;18主轴;19主轴箱箱体数控车床主轴部件结构示意图,1驱动爪;2卡爪;3卡盘;4活塞杆;5液压缸;6、7行程开关液压驱动动力的自定心夹盘,2数控加工中心(镗、铣床)主轴部件结构(1)带刀具
9、夹紧装置和切屑清除装置的主轴部件,1刀架;2拉钉;3主轴;4-拉杆;5碟形弹簧;6活塞;7液压缸(或气缸);8、10行程开关;9压缩空气管接头;11弹簧;12钢球;13端面键数控立式加工中心主轴部件,(2)主轴准停装置,1多楔带轮;2磁传感器;3永久磁铁;4垫片;5主轴主轴准停装置的工作原理,3内装电主轴的主轴部件结构,1刀具系统;2、9捕捉轴承;3、8传感器;4、7径向轴承;5轴向推力轴承;6高频电动机;10冷却水管路;11气液压力放大器用磁悬浮轴承的高速加工中心电主轴部件,主要内容,电主轴,1转子;2定子;3箱体;4主轴数控车床电主轴部件,电主轴主要融合了以下技术:(1)高速电机技术其关键
10、技术是高速度下的动平衡。(2)高速轴承技术电主轴通常采用复合陶瓷轴承、磁悬浮轴承和静压轴承。(3)润滑电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑方式;也可以采用脂润滑,但相应的速度要打折扣。(4)冷却装置冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。(5)内置脉冲编码器电主轴有内置的脉冲编码器,在自动换刀以及刚性攻螺纹时,可以实现准确的相角控制以及与进给的配合。(6)自动换刀装置加工中心用电主轴,还须配备自动换刀装置,包括碟形簧、拉刀油缸等。(7)高速刀具的装卡方式常用的BT、ISO刀具,已被实践证明不适合于高速加工。从而出现了HSK、SKI等高速刀具;(8)高频变频装置要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速
11、,必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机,变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。,4主轴部件的支承,数控机床的主轴轴承及其性能,数控机床主轴支承根据主轴部件的转速、承载能力及回转精度等要求来选用轴承。1)一般要求的中小型数控机床(如车床、铣床、加工中心、磨床)多数采用滚动轴承;2)重型数控机床采用液体静压轴承;3)高精度数控机床(如坐标磨床)采用气体静压轴承;4)超高速(转速达(210)万转/分)主轴可采用磁悬浮轴承或陶瓷滚珠轴承。,数控机床主轴常用的几种滚动轴承,图a 为锥孔双列圆柱滚子轴承,内圈为112 的锥孔,当内圈沿锥形轴轴向移动时,内圈胀大,可以调整滚道间隙。特点:滚子数
12、量多,两列滚子交错排列,因此承载能力大,刚性好,允许转速较高。但它对箱体孔、主轴颈的加工精度要求高,且只能承受径向载荷。图b 为双列推力向心球轴承,接触角为60。这种轴承的球径小、数量多,允许转速高,轴向刚度较高,能承受双向轴向载荷。该种轴承一般与双列圆柱滚子轴承配套用作主轴的前支承。图c 为双列圆锥滚子轴承。这种轴承的特点是内、外列滚子数量相差一个,能使振动频率不一致,因此,可以改善轴承的动态性能。轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷,通常用作主轴的前支承。图d 为带凸肩的双列圆锥滚子轴承。这种轴承的结构和图c相似,特点是滚子被做成空心,故能进行有效润滑和冷却;此外,还能在承受冲击载荷时产生微
13、小变形,增加接触面积,起到有效吸振和缓冲作用。,(a)(b)(c)(d)常用的主轴轴承,(2)主轴轴承的配置 1)轴承类型的配置:,滚动轴承性能比较:,图a前支承采用双列圆柱滚子轴承和接触角为60的双列推力向心球轴承组合,可承受径向载荷和轴向载荷,后支承为成对的推力角接触球轴承,此配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高,可以满足强力切削的要求,普遍应用于各类数控机床。,图b前轴承采用成组推力角接触球轴承,承受径向载荷和轴向载荷,后支承采用双列圆柱滚子(图8.9为其应用实例),这种配置具有良好的高速性能(主轴最高转速可达4000r/min 以上),主轴部件精度也较好,但它的承载能力比图8.16a的配
14、置形式小,适用于高速、重载的主轴部件。图c前后丈承均采用成组角接触球轴承,以承受径向载荷和轴向载荷,这种配置适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。图d前支承为双列圆锥滚子轴承,承受径向载荷和轴向载荷,后支承为单列圆锥滚子轴承,这种配置可承受重载荷和较强的动载荷,安装与调整性能好。但是这种配置方式限制了主轴最高转速和精度,适用于中等精度、低速度与重载的数控机床的主轴。,2)主轴轴承的精度等级:滚动轴承的精度有E级(高级)、D级(精密级)、C级(特精级)、B级(超精级)四种等级。前轴承的精度一般比后轴承高一个精度等级。数控机床前支承通常采用B、C级精度的轴承,后支承则常采用C、D级。,6.3数控机
15、床的进给传动系统,一、进给传动系统的特点及基本型式,1数控机床的进给传动系统的特点(1)摩擦阻力小进给系统中摩擦阻力主要来源是导轨和丝杠。改善导轨和丝杠结构使摩擦阻力减少是主要目标之一。(2)传动系统的精度和刚度高导轨结构及丝杠螺母、蜗轮蜗杆的支承结构是决定传动精度和刚度的主要部件。应首先保证它们的加工精度以及表面质量,以提高系统的接触刚度。另外,加大滚珠丝杠的直径,对滚珠丝杠螺母副、支承部件进行预紧,对滚珠丝杠进行预拉伸等,都是提高传动系统刚度的有效措施。(3)运动部件惯量小运动部件的惯量是影响进给系统加、减速特性(快速响应特性)的主要因素。尤其高速加工的数控机床。(4)传动部件的间隙小在开
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