数控机床数控车床

第2章数控车床第一节数控车床的概述第三节数控车床的换刀控制第四节车削中心第二节数控车床的传动与结构特点数控车床主要用于加工轴类和盘类的回转体零件，如车削内外圆柱外表、圆锥外表，回转曲面和端面以及加工内外螺纹等。数控车床具有加工灵活，通用性强，能适应产品规格和品种的频繁变化，能满足新产品的多品种、小批量生产自动化的要求。因此，被广泛用于机械制造工业，如汽车制造厂、航空发动机制造厂、仪表机械制造厂、矿山机械制造厂和飞机制造工厂等。一数控车床的用途三数控车床的组成

(1)数控车床主机即数控车床的机械部件，主要包括床身、主轴箱、刀架、尾座、进给传动机构等。

(2)数控系统即数字控制系统，是数控车床实现自动加工的核心。主要南输入／输出装置、监视器、主控制系统、可编程序控制器、各类输入／输出接口等组成。主控制系统主要由:CPU、存储器、控制器等组成。数控系统的主要控制对象是位置、角度、速度等机械量，以及温度、压力、流量等物理量。数控车床的根本组成

上页图所示为数控车床的简单组成图，由车床主机、数控(系统〕、驱动系统即伺服系统、辅助系统等局部组成三数控车床的组成(3)驱动系统即伺服系统，是数控系统和车床本体之间的电传动联系环节。主要由伺服电动机、驱动控制系统和位置检测与反响装置等组成。伺服电动机是驱动系统的执行元件，驱动控制系统那么是伺服电动机的动力源。数控系统发出的指令信号与位置反响信号比较后作为位移指令，再经过驱动系统的功率放大后，驱动电动机运转，通过机械传动装置拖动刀架运动。三数控车床的组成(4)辅助装置是为了加工效劳的配套局部，主要包括自动换刀装置ATC(AutomaficToolChanger)、自动交换工作台机构APC(AutomaticPalletchanger)、工件夹紧放松机构、液压控制系统、气动装置、润滑装置、冷却装置、排屑装置、过载保护装置等。第二节数控车床的传动与结构特点一、数控车床的主传动与变速

1.主传动形式带有变速齿轮的主传动电机经过一对齿轮变速后，通过两联滑移齿轮传动主轴，大、中型数控机床常采用这种变速方式

特点：齿轮变速组即可降速，扩大输出扭矩和恒功率变速范围。通过皮带传动的主传动

电机经过同步齿形带传动。特点：传动平稳、结构简单、输出扭矩和变速范围小，适用用于小型数控机床和数控车床上。

第二节数控车床的传动与结构特点3〕电机直接驱动的主传动电机直接带动主轴旋转，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴影响较大。精密联轴器连接：结构紧凑、传动效率高，但主轴的转速和扭矩与电机完全一致，低速性能的改善是其广泛应用的关键。内装电机主轴：主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，振动噪声小、动态响应特性和刚度好。但发热对主轴精度影响较大。用于立式加工中心的内装电机主轴如图〔最高转速可达20000rpm〕第二节数控车床的传动与结构特点1〕右图为济南第一机床厂生产的MJ-50型数控车床的传动系统图。2、主传动系统及主轴箱结构第二节数控车床的传动与结构特点2〕主轴部件结构右图是MJ-50型数控车床主轴箱结构第二节数控车床的传动与结构特点3〕主轴的工作原理如下：

交流主轴电动机通过带轮15把运动传给主轴7。主轴有前后两个支承。前支承由一个圆锥孔双列圆柱滚子轴承11和一对角接触球轴承10组成，轴承11用来承受径向载荷，两个角接触球轴承一个大口向外〔朝向主轴前端〕，另一个大口向里〔朝向主轴后端〕，用来承受双向轴向载荷和径向载荷。前支撑轴的间隙用螺母8来支撑。螺钉12用来防止螺母8回松。主轴的后支承为圆锥孔双列圆柱滚子轴承14，轴承间隙由螺母1和6来调整。螺钉17和13是防止螺母1和6回松的。主轴的支承形式为前端定位，主轴受热膨胀向后伸长。前后支承所用圆锥孔双列圆柱滚子轴承的支承刚性好，允许的极限转速高。前支承中的角接触球轴承能承受较大的轴向载荷，且允许的极限转速高。该支承结构能满足高速大载荷切削的需要。第二节数控车床的传动与结构特点主轴的运动经过同步带轮16和3以及同步带2带动脉冲编码器4，使其与主轴同步运转。脉冲编码器用螺钉5固定在主轴箱体9上，利用主轴脉冲编码器检测主轴的运动信号。主轴的运动信号一方面可实现主轴调速的数字反响，另一方面可用于进给运动。主轴脉冲发生器是为加工螺纹而安装的主轴转速检测装置，它与主轴转速严格同步，NC从主轴脉冲发生器中取出与螺距相应的脉冲数，使主轴旋转角度与走刀发生严格的每转进刀量关系，确保螺距的正确性，螺纹切削时的传动路线为：主轴-->带轮副-->脉冲发生器-->数控装置-->伺服电机-->纵横向进给机构。第二节数控车床的传动与结构特点4〕高速动力卡盘在数控机床中，高速动力卡盘一般只用于数控车床。在金属切削加工中，为提高数控车床的生产效率，对其主轴转速提出越来越高的要求，以实现高速、甚至超高速切削。现在数控车床的最高转速已由1000～2000r／min，提高到每分钟数千转，有的数控车床甚至到达10000r／min。对于这样高的转速，一般的卡盘已不适用，而必须采用高速动力卡盘才能保证平安可靠地进行加工。图5-24为中空式动力卡盘结构图。第二节数控车床的传动与结构特点第二节数控车床的传动与结构特点加紧：当油缸21的右腔进入压力油使活塞22向左移动时，通过与连接螺母5相连接的中空拉杆26，使滑动体6随连接螺母5一起向左移动，滑动体6上有三组斜槽分别与三个卡爪座10相啮合，借助10的斜槽，卡爪座10带着卡爪1向内移动夹紧工件。松开：当油缸21的左腔进人压力油使活塞22向右移动时，卡爪座10带着卡爪1向外移动松开工件。加紧力的补偿：当卡盘高速回转时，卡爪组件产生的离心力使夹紧力减小。与此同时，平衡块3产生的离心力，通过杠杆4变成压向卡爪座的夹紧力，平衡块3越重，其补偿作用越大。

卡盘的工作原理：第二节数控车床的传动与结构特点二、进给传动系统

1、作用：数控机床的进给传动系统负责接受数控系统发出的脉冲指令，并经放大和转换后驱动机床运动执行件实现预期的运动。2、对进给传动系统的要求：

为保证数控机床高的加工精度，要求其进给传动系统有高的传动精度、高的灵敏度〔响应速度快〕、工作稳定、有高的构件刚度及使用寿命、小的摩擦及运动惯量，并能去除传动间隙。第二节数控车床的传动与结构特点

纵向运动由伺服电机与纵向滚珠丝杠通过连接套直接连接，经溜板箱上的螺母带动床鞍，获得Z方向运动。

横向运动由伺服电机与横向滚珠丝杠连接，拖动刀架拖板，获得X方向运动。

数控机床的加工精度在很大程度上是取决于进给传动链的传动精度、灵敏度和稳定性。为了提高进给传动系统的灵敏度即快速响应特性，必须有效地减少运动件的磨擦阻力，为此采用滚珠丝杠代替梯形丝杠，前者具有传动效率高、运动平稳、精度保持性好、寿命长、可通过预紧消除轴向间隙并提高系统刚度等特点。第二节数控车床的传动与结构特点机床床鞍结构见以下图。在床鞍中部装有与横向导轨平行的外循环滚珠丝杠1，滚珠丝杠支撑在两个角接触球轴承上，精度为P5级，丝杠的导程为6mm。由直流伺服电动机5通过一对齿形带轮和同步齿形带轮3带动旋转，带轮与电动机轴用锥环无键连结。图I为放大局部，图中12和13是锥面相互配合的锥环。当拧紧螺钉10时，经过法兰11压外锥环13，由于相互配合的锥面的作用，结果使外锥环的外径膨胀，内锥环的内孔收缩，靠摩擦力使电动机轴与带轮连接在一起。根据所传递力矩的大小，选择锥环的对数。这种连接件之间的相对角度可任意调节，配合无间隙，对中性好。3、床鞍及横向进给装置第二节数控车床的传动与结构特点床鞍结构1-滚珠丝杠2-脉冲编码器3-带轮4-螺钉5-伺服电机6-挡块7、8、9-镶条

10-拧紧螺钉11-法兰12、13-内外锥环第二节数控车床的传动与结构特点由于刀架为倾斜布置，而滚珠丝杠又不能自锁，刀架可能自动下滑，可用伺服电动机的电磁制动来解决。为了消除齿形带传动误差对精度的影响，采用了别离检测系统，把反响元件脉冲编码器2与丝杠1相连接，直接检测丝杠的回转角度，有利于系统精度的提高。齿形带的松紧由螺钉4来调整。床鞍上与纵向导轨配合的外表均采用贴塑导轨，并采用了3根镶条7、8、9调整间隙。横向运动的机械原点、加工原点和超程限位点由三个可在槽内滑动的挡块6来调整。第二节数控车床的传动与结构特点4、纵向驱动装置纵向驱动局部的结构见图，床鞍的纵向移动由FB-15直流伺服电动机1带动丝杠5来实现，丝杠5的前端支撑在成对的P5级角接触球轴承4上。后端支撑在成对的P5级深沟球轴承6上。前轴承由螺母3锁紧，后轴承用两个密封环用的套筒和轴用弹簧卡圈定位，丝杠的前端轴向是固定的，后端轴向那么是自由的，可以补偿由于温度引起的伸缩变形。滚珠丝杠螺母副为外循环式可以消除间隙的双螺母结构。丝杠前端与直流伺服电机1之间用精密十字滑块联轴器连接，可以消除电动机轴与丝杠的不同轴度的影响。伺服电机轴与十字滑块联轴器也采用锥环连接。第二节数控车床的传动与结构特点第二节数控车床的传动与结构特点5、传动方式及传动元件中小型数控车床的进给传动系统普遍采用滚珠丝杠副传动，伺服电机与滚珠丝杠的传动联结方式有两种〔1〕滚珠丝杠与伺服电动机轴端的锥环连接锥环连接是进给传动系统消除间隙的一种比较理想的联结方式。他主要靠内外锥环锥面压紧后产生的摩擦力传递动力，防止了键连接产生的间隙。这种连接方式在进给传动链的各个环节得到了广泛的应用。〔2〕滚珠丝杠通过同步齿形带与伺服电动机连接为了消除同步齿形带传动对精度的影响，将脉冲编码器1安装在滚珠丝杠4的端部，以便直接对滚珠丝杠4的旋转状态进行检测。这种结构允许伺服电机的轴端朝外安装，因此，可防止电动机外伸，加大机床的高度和长度尺寸，或影响机床的外形美观。第二节数控车床的传动与结构特点TND360数控车床尾座结构简图

TND360数控车床尾座结构与原理四、尾座第二节数控车床的传动与结构特点顶尖1与尾座套筒2用锥孔联结，尾座套筒可带动顶尖一起移动。在机床自开工作循环中，可通过加工程序由数控系统控制尾座套筒的移动。当数控系统发出尾座套筒伸出的指令后，液压电磁阀动作，压力油通过活塞杆4的内孔进入尾座套筒2的左腔，推动尾座套筒伸出。当数控系统令其退回时，压力油进入尾座套筒的右腔，从而使尾座套筒退回。

尾座套筒移动的行程，靠调整套筒外部联结的行程杆9上面的移动挡块5来完成。如图中所示，移动挡块的位置在右端极限位置时，套筒的行程最长。当套筒伸出到位时，行程杆上的移动挡块5压下确认开关8，向数控系统发出尾座套筒到位信号。当套筒退回时，行程杆上的固定挡块6压下确认开关7，向数控系统发出套筒退回确实认信号，停止套筒的运动。第二节数控车床的传动与结构特点第三节数控车床的自动换刀装置自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有以下几种

1、回转刀架换刀数控机床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。

一、自动换刀装置形式第三节数控车床的自动换刀装置

回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力和减少刀架在切削力作用下的位移变形，提高加工精度。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀架部位要进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后具有高的重复定位精度(一般为～0.005mm)。回转刀架按其工作原理可分为机械螺母升降转位、十字槽轮转位、凸台棘爪式、电磁式及液压式等多种工作方式。但其换刀的过程一般均为刀架抬起、刀架转位、刀架定位并压紧等几个步骤。第三节数控车床的自动换刀装置第三节数控车床的自动换刀装置〔1〕四方回转刀架上图为一螺旋升降式四方刀架，其换刀过程如下：①刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，电动机l启动正转，并经联轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动蜗轮丝杠4转动。刀架体7的内孔加工有螺纹，与蜗轮丝杠4连接，蜗轮丝杠4的蜗轮与丝杠为整体结构。当蜗轮丝杠4开始转动时，由于刀架底座5和刀架体7上的端面齿处于啮合状态，且蜗轮丝杠4轴向固定，因此刀架体7抬起。②刀架转位当刀架抬起至一定的距离后，端面齿脱开，转位套9用销钉与蜗轮丝杠4连接，随蜗轮丝杠4一起转动，当端面齿完全脱开时，转位套9正好转过160°，球头销8在弹簧力的作用下进入转位套9的槽中，带动刀架体7转位。第三节数控车床的自动换刀装置③刀架定位刀架体7转动时带动电刷座10转动，当转到程序指定的位置时，粗定位销15在弹簧力的作用下进入粗定位盘6的槽中进行粗定位，同时电刷13接触导体使电动机1反转。由于粗定位槽的限制，刀架体7不能转动，使其在该位置垂直落下，刀架体7和刀架底座5上的端面齿啮合，实现精确定位。④刀架压紧刀架精确定位后，电动机l继续反转，夹紧刀架，当两端面齿增加到一定夹紧力时，电动机停止转动，从而完成一次换刀过程。译码装置由发信体11、电刷13和14组成，电刷13负责发信，电刷14负责位置判断。当刀架定位出现过位或不到位时，可松开螺母12调好发信体ll与电刷14的相对位置。这种刀架在经济型数控车床及普通车床的数控化改造中得到广泛的应用。第三节数控车床的自动换刀装置第四节车削中心车削中心车削中心是在全功能型数控车床的根底上开展起来的一种复合加工机床，配备有刀库、自动换刀机构、分度装置、铣削动力头和机械手等部件，能实现多工序的复合加工。特点：工件在一次装夹后，不但能完成数控车床对回转型面的加工，还能完成回转零件上各个外表的加工，例如圆柱面或端面上铣槽或铣平面等。这就要求主轴除了能承受切削力的作用和实现自动变速控制外，主轴还要能绕z轴旋转作插补运动和分度运动，车削中心主轴的这种功能称为C轴功能。一、车削中心简介二、车削中心的工艺范围为了便于深入理解车削中心的结构原理，图2－18给出了车削中心能完成的除一般车削以外的工序。图2－18〔a〕为铣端面槽，加工时，机床主轴不转，装在刀架上的铣削主轴带着铣刀旋转。端