数控机床机械机构ppt课件

1、 本章内容：本章内容： 5.1 概述概述 5.2 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 5.3 数控机床的进给传动系数控机床的进给传动系统统 5.4 自动换刀安装自动换刀安装 5.5 数控机床的主要辅助安数控机床的主要辅助安装装 5.6 数控机床其它进给传动数控机床其它进给传动设计设计 5.7 小结小结 5.8 思索题与习题思索题与习题 本章教学要求：本章教学要求： 本章主要让学生了解数控机床本章主要让学生了解数控机床对主传动系统、进给传动系统的要对主传动系统、进给传动系统的要求；了解主轴的调速方法；熟习主求；了解主轴的调速方法；熟习主轴部件、滚珠丝杠螺母副、直线电轴部件、滚珠丝杠螺母副、

2、直线电动机、数控机床的导轨、自动换刀动机、数控机床的导轨、自动换刀安装；认识数控回转任务台、分度安装；认识数控回转任务台、分度任务台等主要辅助安装。为学生初任务台等主要辅助安装。为学生初步具有设计机床传动系统的才干打步具有设计机床传动系统的才干打下根底。下根底。 5.1 概概 述述 加工质量，数控机床多采取减小热变性的措施。加工质量，数控机床多采取减小热变性的措施。 1提高机床的静、动刚度 2减少机床的热变形 3减少运动间的摩擦和消除传动间隙 4提高机床的寿命和精度坚持性 5减少辅助时间和改善操作性能 6平安防护和宜人的外型 5.2 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 5.2.2 数控机

3、床主轴的调速方法 有级变速仅用于经济型数控机床，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。 图5-1所示：电机不具备变速功能，经过拨叉控制滑移齿轮啮合位置实现主轴变速。 图5-1 有级变速系统 如图5-2所示，电机经同步齿形带传动主轴，电机是性能更好的交、直流主轴电机，其优点是变速范围宽，最高转速可达8000r/min，在传动上能根天性满足目前大多数数控机床的要求，易于实现丰富的控制功能、其构造简单、安装调试方便，可满足如今中高档数控机床的控制要求。但对于越来越高的速度需求，该配置方式已难以满足。 数控机床在实践消费中，并不需求在整个变速范围内均为恒功率。普通要求在中、高速段为恒功率传动，在

4、低速段为恒转矩传动。为了保证数控机床主轴低速时有较大的转矩和主轴的变速范围尽能够大，有的数控系统在交流或直流电动机无级变速的根底上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速，如图5-3 图5-3 分段无级变速 在小型数控机床上，或主传动系统要求振动小、噪声低的数控机床，也可采用平带、V带、齿形带以及多楔带等带传动方式构成分段无级变速系统。c)b)54a)321 在带有齿轮变速的分段无级变速系统中，有级变速机构的变速通常采用液压拨叉和电磁离合器两种变速方式。1液压拨叉变速机构： 液压变速机构的原理和方式可以用图5-4来阐明。 图5.4 三位液压拨叉变速机构的原理和方式1、5液压缸 2活塞杆 3拨叉 4套

5、筒 图 5 - 5 啮 合 式 电 磁 离 合 器1 - 线 圈 2 - 衔 铁 3 - 螺 钉 4 - 弹 簧 5 - 定 位 环 6 - 隔 离 环 7 - 螺 钉 8 - 磁 轭 9 - 旋 转 环 电磁离合器能简化变速机构，便于实现自动化操作，它是经过安装在传动轴上的离合器的吸合和分别的不同组合来改动齿轮的传动道路，实现主轴变速的。 图5-5是啮合式电磁离合器也称牙嵌式电磁离合器的构造图。 图5-6 电主轴 电主轴的出现大大简化了主运动系统构造，实现了所谓的“零传动， 它具有构造紧凑、分量轻、惯性小、动态特性好等优点，并可改善机床的动平衡，防止振动和噪声，在超高速切削机床上得到了广泛的

6、运用。 机床主轴带动刀具或夹具在支承中作回转运动，应能传送切削转矩接受切削抗力，并保证必要的旋转精度。目前，数控机床主轴的支承配置方式主要有三种,如图5-7 图5-7 主轴的常见支承配置方式 图5-8 液压驱动自定心卡盘 数控车床工件夹紧安装可采用三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘或弹簧夹头等。为了减少数控车床装夹工件的辅助时间，广泛采用液压或气压动力自定心卡盘。图5- 8为某数控车床上采用的一种液压驱动动力自定心卡盘 在数控镗床、数控铣床和以镗铣为主的加工中心上，为了实现自动换刀，使机械手准确地将刀具装入主轴孔中，刀具的键槽必需与主轴的键位在周向对准；在镗削加工退刀时，要求刀具向刀尖反方向径向挪动

7、一段间隔后才干退出，以免划伤工件，这都需求主轴具有周向定位功能；另外，一些特殊工艺要求，如在经过前壁小孔镗内壁的同轴大孔，或进展反倒角等加工时，也要求主轴实现准停，使刀尖停在一个固定的方位上，以便主轴偏移一定尺寸后，使大刀刃能经过前壁小孔进入箱体内对大孔进展镗削，所以在主轴上必需设有准停安装。 键 槽刀 具刀 具 柄键主 轴 锥 孔发 磁 体N S磁 力 传 感 器主 轴 电 动 机主 轴图5-9 主轴准停换刀 图5-10 磁传感器准停 目前，主轴准停安装很多，主要分为机械式和电气式两种。 在加工中心上，为了实现刀具在主轴上的自动装卸，除了要保证刀具在主轴上正确定位之外，还必需设计自动夹紧安装

8、。 图5-11为自动换刀数控立式镗铣床JCS-018的主轴部件构造图 图5-11 JCS-018加工中心的主轴部件 5.3.1 数控机床进给传动系统要求 v1 1提高传动精度和刚度提高传动精度和刚度 v2 2减少各运动零件的惯量减少各运动零件的惯量 v3 3减少运动件的摩擦阻力减少运动件的摩擦阻力 v4 4呼应速度快呼应速度快 v5 5较强的过载才干较强的过载才干 v6 6稳定性好，寿命长稳定性好，寿命长 v7 7运用维护方便运用维护方便 5.3 5.3 数控机床的进给传动系统数控机床的进给传动系统 图5.12 滚珠丝杠螺母副的循环方式 (1) 传动效率高、摩擦损失小。 (2) 运动灵敏，低速

9、时无爬行。 (3) 传动精度高，刚性好。 (4) 滚珠丝杠螺母副的磨损很小，运用寿命长。 (5) 无自锁才干，具有传动的可逆性，故对于垂直运用的丝杠，由于重力的作用，当传动切断时不能立刻停顿运动，应添加自锁安装。(6) 滚珠丝杠螺母副制造工艺复杂，滚珠丝杠和螺母的资料，热处置和加工要求与滚动轴承一样，且螺旋滚道必需磨削，因此制造本钱高。 2. 滚珠丝杠螺母副的特点 3. 滚珠丝杠螺母副的选择 滚珠丝杠螺母杠的选择包括其精度选择、尺寸规格(包括导程与公称直径)、支承方式等几个方面的内容。 应该根据机床的精度要求来选用滚珠丝杠螺母副的精度，根据机床的载荷来选定滚珠丝杠的直径。 在加工中心的设计中普

10、通按额定动载荷来确定滚珠丝杠螺母副的尺寸规格，对细长而又接受紧缩载荷的滚珠丝杠作压杆稳定性核算；对转速高，支承间隔大的滚珠丝杠螺母副作临界转速校核；对精度要求高的滚珠丝杠作刚度校核；对数控机床，需核算其转动惯量；对全闭环系统，需核算其谐振频率。 精度等级的选择 滚珠丝杠螺母副的精度将直接影响数控机床各坐标轴的定位精度。滚珠丝杠螺母副按精度分为四种类型，见表5-1。 精度等级运用范围代号称号P普通级普通机床B规范级普通数控机床J精细级精细机床、精细数控机床、加工中心、仪表机床C超精细级精细机床、精细数控机床、仪表机床、高精度加工中心表5-1滚珠丝杠螺母副的精度等级和运用范围 2) 构造尺寸的选择

11、 滚珠丝杠螺母副的构造尺寸主要有：名义直径D0螺距t 丝杠长度L 滚珠直径d0滚珠的任务圈数、列数和任务滚珠总数等尤其是名义直径与刚度直接相关，直径越大，承载才干和刚度越大，但直径大转动惯量也会随之添加，使系统的灵敏度降低。所以，普通是在兼顾二者的情况下选取最正确直径。 3) 验算 当有关构造参数选定后，还应根据有关规范进展改动刚度、临界转速和寿命的验算。(1) 改动刚度验算。 滚珠丝杠在轴向力的作用下伸长或缩短，受扭矩作用会引起改动变形，这将引起丝杠的导程发生变化，从而影响其传动精度及定位精度，因此滚珠丝杠应验算满载时的变形量。 (2) 临界转速验算。 丝杠轴的转速与丝杠本身的自振频率假设很

12、接近，会导致强迫共振，影响机床正常任务。 (3) 寿命验算。 滚珠丝杠螺母副的寿命可根据有关阅历公式校核，应保证总时间寿命Lt20000h。 4. 滚珠丝杠的支承构造滚珠丝杠的支承构造图5.13 滚珠丝杠在机床上的支承方式 (a)一端装推力轴承 (b)一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承 (c)两端装推力轴承 (d)两端装推力轴承及深沟球轴承 5. 滚珠丝杠的制动滚珠丝杠的制动 滚珠丝杠螺母副的传动效率高但不能自锁，需求设置制动安装(特别是用在垂直传动或高速大惯量场所时)。最见的制动方式是电气电磁方式，即采用电磁制动器 图5.14 电磁制动器表示图1旋转变压器 2测速发电机转子 3测速发电机定子

13、 4电刷5永久磁铁 6伺服电动机转子 7电磁线圈 8外齿轮 9内齿轮 6. 滚珠丝杠螺母副的轴向间隙消除和预紧滚珠丝杠螺母副的轴向间隙消除和预紧 目前常用的双螺母预紧构造方式有以下三种。1) 用锁紧螺母预紧 图5.15 螺纹调间隙式滚珠丝杠螺母副1圆螺母 2锁紧螺母 2) 修磨垫片调间隙 图图5.16 5.16 垫片调隙式滚珠丝杠螺母副垫片调隙式滚珠丝杠螺母副 图5.17 齿差调隙式滚珠丝杠螺母副1、5螺母 2滚珠 3套筒 4丝杠 6内齿圈 与滚珠丝杠传动相比，直线电动机进给系统具有以下特点:(1) 速度快、加减速过程短。 (2) 精度高。 (3) 传动刚度高。 (4) 高速呼应性。 (5)

14、行程长度不受限制。 (6) 运转时效率高、噪声小。 (7) 宽的速度范围。 图5.18 直线电动机进给系统1导轨系统 2笼型绕组二次侧 3三相绕组一次侧 4直线行程丈量系统 导轨质量对机床的刚度、加工精度和运用寿命都有很大的影响，现代数控机床采用的导轨主要有塑料滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。1. 对导轨的根本要求(1) 导向精度高。导向精度主要是指运动部件沿导轨运动时的直线度或圆度。(2) 足够的刚度。导轨要有足够的刚度，保证在静载荷作用下不产生过大的变形，从而保证各部件间的相对位置和导向精度。(3) 良好的摩擦特性。动导轨沿支承导轨面长期运转会引起导轨的不均匀磨损，破坏导轨的导向精度，从而影

15、响机床的加工精度。 (4) 低速运动的平稳性。进给运动的爬行，会降低工件精度，故要求导轨低速运动平稳，不产生爬行，这对高精度机床尤其重要。(5) 阻尼特性好(高速时不振动)。(6) 构造工艺性好。 导轨宽度沟槽导轨软管粘接层厚度粘接材料塑料导轨2. 塑料滑动导轨 塑料滑动导轨具有摩擦因数低，且动、静摩擦因数差值小；减振性好，具有良好的阻尼性；耐磨性好，有自光滑作用；构造简单、维修方便、本钱低等特点。 塑料滑动导轨分为注塑导轨和贴塑导轨，导轨上的塑料常采用聚四氟乙烯导轨软带和环氧树脂耐磨涂料。 3. 滚动导轨滚动导轨的特点：摩擦因数小，动、静摩擦因数差别小。其启动阻力小，能微量准确挪动，低速运动

16、平稳，无爬行，因此运动灵敏，定位精度高。经过预紧可以提高刚度和抗振性，接受较大的冲击和振动，寿命长，是适宜数控机床进给系统运用的比较理想的导轨元件。常用的滚动导轨：有滚动导轨块和直线滚动导轨两种。(1) 滚动导轨块。是一种圆柱滚动体作循环运动的规范构造导轨元件，其构造如图5.20所示。特点是刚度高，承载才干大，便于拆装，它的行程取决于支承件导轨平面的长度。缺陷是导轨制造本钱高，抗振性能欠佳。 图5.19 滚动导轨块的构造 (2) 直线滚动导轨：直线滚动导轨构造如图5.21所示，主要由导轨块、滑块、滚珠、坚持架、端盖等组成。由于它将支承导轨和运动导轨组合在一同，作为独立的规范导轨副部件由专门消费

17、厂家制造，故又称单元式滚动导轨。 图5.20 直线滚动导轨的构造1压紧圈 2支承块 3密封板 4承载钢珠列5反向钢珠列 6加油嘴 7侧板 8导轨 9坚持器 4. 液体静压导轨 液体静压导轨是将具有一定压力的油液，经节流器保送到导轨面上的油腔中，构成承载油膜，将相互接触的导轨外表隔开，实现液体摩擦。这种导轨的摩擦因数小(普通为0.0010.005)，机械效率高，能长期坚持导轨的导向精度；承载油膜有良好的吸振性，低速时不易产生爬行，所以在机床上得到日益广泛的运用。这种导轨的缺陷是构造复杂，且需备置一套专门的供油系统，制造本钱较高。按承载方式的不同，液体静压导轨可分为开式和闭式两种。图5.21(a)

18、为开式液体静压导轨任务原理图 ，图5.21(b)为闭式液体静压导轨任务原理图 图5.21 液压静压导轨任务原理图 5.4 自动换刀安装自动换刀安装 自动换刀安装中，实现刀库与主轴间传送和装卸刀具的安装为刀具交换安装。常见的自动换刀安装主要有回转刀架换刀、改换主轴头换刀、改换主轴箱换刀和带刀库的自动换刀系统等几种方式见表5-2。 表5-2 自动换刀安装的主要类型、特点及适用范围 5.4.1 数控车床的回转刀架 数控车床的回转刀架是一种最简单的自动换刀安装。根据加工对象的不同，它可设计成四方刀架、六方刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种方式，相应地安装四把、六把或更多的刀具，并按数控安装的指令回转、换刀

19、。普通情况下，回转刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位及刀架压紧等。回转刀架按其任务原理分为假设干类型，如图5.22所示。图5.22(a)为螺母升降转位刀架，图5.22(b)为利用十字槽轮来转位及锁紧刀架 ，图5.22(c)所示为凸台棘爪式刀架，图5.22(d)所示为电磁式刀架，图5.22(e)所示为液压式刀架，。 图5.22 回转刀架 5.4.2 加工中心自动换刀安装 加工中心是在普通数控机床的根底上添加了自动换刀安装及刀库，并带有自动分度回转任务台或主轴箱(可自动改动角度)及其他辅助功能，从而使工件在一次装夹后，可以延续、自动完成多个平面或多个角度位置的钻、扩、铰、镗、攻螺纹、铣削等工序的

20、加工，工序高度集中的设备。加工中心自动换刀安装的功能是经过机械手完成刀具的自动改换，它该当满足换刀时间短、刀具反复定位精度高、构造紧凑、平安可靠等要求。 1. 刀库的种类刀库的种类 图5.23 链式刀库 2. 换刀方式换刀方式图5.24 无机械手换刀构造表示图刀具的交换方式很多，普通可分为两大类。1) 无机械手换刀 无机械手的换刀系统普通是采用把刀库放在机床主轴可以运动到的位置，或整个刀库(或某一刀位)能挪动到主轴箱可以到达的位置，同时，刀库中刀具的存放方向普通与主轴上的装刀方向一致。换刀时，由主轴运动到刀库上的换刀位置，利用主轴直接取走或放回刀具。图5.24为某立式数控镗铣床无机械手换刀构造

21、表示图 2) 机械手换刀 在加工中心中采用机械手进展刀具交换的方式运用最为广泛，这是由于机械手换刀安装所需的换刀时间短，换刀动作灵敏。图5.25为TH5632自动换刀过程。 图5.25 TH5632自动换刀过程 常用的选刀方式主要有顺序选刀和恣意选刀两种，恣意选刀又分为刀具编码选刀、刀座编码选刀和记忆式选刀三种。1) 顺序选刀方式 顺序选刀是在加工之前，将刀具按预定的加工工艺先后顺序依次插入刀库的刀座中，加工时按顺序选刀。用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放入下一个刀座内。但加工不同的工件时必需重新调整刀具顺序，因此操作非常烦琐；而且同一工件、不同工序加工时，刀具也不能反复运用。由于

22、该方式不需求刀具识别安装，驱动控制简单，任务可靠，因此，此种方式适宜加工批量较大、工件种类数量较少的中、小型自动换刀数控机床。3. 刀具的选择方式刀具的选择方式 2) 刀具编码选刀方式 这种方式是采用一种特殊的刀柄构造，对每把刀具按照二进制原理进展编码。换刀时经过编码识别安装在刀库中识别所需的刀具。刀具编码的识别方式主要有以下两种。(1) 接触式刀具识别。图5.27为接触式刀具识别安装表示图。 (2) 非接触式刀具识别。常用的有磁性识别和光电识别法。如图5.28所示为一种磁性识别安装表示图。 360miLL1i Lm图5.27 接触式刀具识别安装表示图图5.28 非接触式刀具识别安装表示图 恣

23、意存放，由软件记住其存放的位置，因此具有方便灵敏的特点。 5.5 数控机床的主要辅助安装数控机床的主要辅助安装 数控回转任务台是数控铣床、数控镗床、加工中心等数控机床不可短少的重要部件，其作用时按照控制安装的信号或指令作回转分度或延续回转进给运动，以使数控机床能完成指定的加工工序。其外形和分度任务台非常类似，但其内部构造却具有数控进给驱动机构的许多特点。数控分为开环和闭环两种。 n iLv 图5.29 开环数控回转任务台构造图 1) 开环数控 开环数控由步进电动机驱动，其构造如图5.29所示。 步进电动机3经过齿轮2、齿轮6、蜗杆4和蜗轮15实现圆周进给运动。齿轮2和齿轮6的啮合间隙是靠调整偏心环1来消除的。 1vinL n图5.30 闭环数控回转任务台构造图 分度任务台的分度、转位和定位任务，按照控制系统的指令自动地进展，通常分度运动只限于某些规定的角度(45、60、90、180等)，但实现任务台转位的机构都很难到达分度精度的要求，所以要有专门的定位元件来保证。常用的定位元件有插销定位、反靠定位、齿盘定位和钢