第八章++数控机床机械结构专题.pptx
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16:
10,1,衢州学院,主讲:
周建强,电话:
13957028415,第八章机床运动系统与典型部件,16:
10,2,8.1概述,8.2数控机床主传动及其实现,8.3数控机床进给传动及其实现,8.4思考与练习,第八章机床运动系统与典型部件,16:
10,3,8.1.1数控机床的结构特点,8.1概述,8.1.2数控机床的结构要求,16:
10,4,)数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度和阻尼精度,较高的耐磨性而且热变形小。
)采用高性能的无级变速主轴及伺服传动系统,数控机床的机械传动结构大为简化,传动链也大大缩短。
8.1.1数控机床的结构特点,16:
10,5,)采用了刀具自动夹紧装置、刀库与自动换刀装置及自动排屑装置等辅助装置,3)采用高效传动部件,如滚珠丝杆副和滚动导轨,消隙齿轮传动副等。
8.1.1数控机床的结构特点,16:
10,6,数控机床机械结构具有以下结构要求:
1)较高的机床静、动刚度2)良好的热稳定性好3)运动导轨副具有良好的摩擦特性4)机床的寿命高和精度保持性好5)辅助时间短,操作性很好,8.1.2数控机床的结构要求,16:
10,7,1)较高的机床静、动刚度,为了减少移动部件因位置变动造成的机床变形采用液力平衡和重块平衡。
为提高数控机床主轴的刚度,不但经常采用三支承结构,而且选用刚性很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承,以减小主轴的径向和轴向变形。
为了提高机床大件的刚度采用封闭截面的床身,
(1)静刚度,8.1.2数控机床的结构要求,16:
10,8,在结合面之间施加足够大的预加载荷也能够增加接触面积,提高接触刚度。
为了提高机床各部件的接触刚度增加机床的承载能力,采用刮研的方法可以增加单位面积上的接触点。
(2)接触刚度,1)较高的机床静、动刚度,8.1.2数控机床的结构要求,16:
10,9,提高系统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率,(3)动态刚度,近年来在一数控机床上采用了钢板焊接结构的床身、立柱、横梁和工作台。
封砂铸件也有利于振动衰减,它对提高抗振性也有较好的效果。
钢板的焊接结构既可以增加静刚度,减轻结构重量,又可以增加构件本身的阻尼。
必须把各处机械结构部件产生的弹性变形控制在最小限度内,以保证所要求的加工精度与表面质量。
结论:
8.1.2数控机床的结构要求,16:
10,10,2)机床的热稳定性好,()控制温升通过良好的散热和冷却来控制温升,以减少热源的影响。
有效的方法是在机床的发热部位进行强制冷却,也可以在机床低温部分通过加热的方法,使机床各点的温度趋于一致,这样可以减少由于温差造成的翘曲变形。
()减少发热机床内部发热是产生热变形的主要热源,应当尽可能地将热源从主机中分离出去。
8.1.2数控机床的结构要求,16:
10,11,()改善机床结构,单立柱结构有可能被双柱结构所代替;对于数控车床的主轴箱,应尽量使主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上。
8.1.2数控机床的结构要求,16:
10,12,截面形状采用封闭式箱体结构,加大了床身截面的外轮廓尺寸,使该床身具有很高的抗弯刚度和抗扭刚度。
正确选择床身的截面形状和尺寸、合理选择和布置筋板、提高构件的局部刚度和采用焊接结构。
如图所示为数控车床的床身截面,床身导轨的倾斜布置可有效的改善排屑条件。
8.1.2数控机床的结构要求,16:
10,13,如图abc所示,卧式加工中心的主轴箱单面悬挂在立柱侧面,切削力将使立柱产生弯曲和扭转变形;而采用图d的布局,加工中心的主轴箱置于立柱对称平面内,切削力引起的变形将显著减小。
这就相当于提高了机床的刚度.,8.1.2数控机床的结构要求,16:
10,14,此外,丝杠容易发热。
热伸长所造成的后果是严重的将会使进给系统丧失定位精度,目前某些机床用预拉的方法来减少丝杠的热变形。
8.1.2数控机床的结构要求,16:
10,15,3)运动导轨副的摩擦特性好,数控机床工作台位移量是以脉冲当量作为它的最小单位,通常又要求能以极低的速度运动。
数控机床常用的的导轨有滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。
8.1.2数控机床的结构要求,16:
10,16,滑动导轨之“低速爬行”现象解释:
启动时,FfN,则被传动的工作台并不能立即运动,作用力只能使一连串的动传元件(如步进电机、齿轮、丝杠及螺母等)产生弹性变形,并储存了能量;,8.1.2数控机床的结构要求,16:
10,17,当FfN,弹性变形恢复,使工作台突然向前运动,由静摩擦力变为动摩擦力,其数值就明显减小,使工作台产生加速运动。
由于工作台的惯性,使它冲过了平衡点而使工作强偏离了给定的位置。
8.1.2数控机床的结构要求,16:
10,18,由于滚动导轨和静压导轨的静摩擦力较小,而且很接近于动摩擦力,还由于润滑油的作用,使它们的摩擦力随着速度的提高而增大,这就有效地避免了低速爬行,从而提高了定们精度和运动平稳性。
结论:
数控机床普遍采用滚动导轨和静压导轨,8.1.2数控机床的结构要求,16:
10,19,4)机床的寿命高和精度保持性好,为了提高机床的寿命和保持性,在设计时应充分考虑数控机床零部件的耐磨性,尤其是机床的导轨、进给丝杠及主轴部件等影响精度的主要零件的耐磨性。
在使用过程中,保证数控机床各部件润滑良好。
8.1.2数控机床的结构要求,16:
10,20,5)辅助时间减少,操作性良好,在数控机床的单件加工时间中,辅助时间(非切削时间)占有较大的比重。
目前已经有很多数控机床采用了多主轴、多刀架以及带刀库的自动换刀装置等,来减少换刀时间。
对于切屑数量较大的数控机床,其床身结构必须有利于排屑。
8.1.2数控机床的结构要求,16:
10,21,8.1.2数控机床的结构要求,16:
10,22,在加工中心上最早使用的是交换工作台,即双工作台,当一个工件在工作台上还在被加工时,另一个工作台则处于装卸工件的位置,如图所示。
8.1.2数控机床的结构要求,16:
10,23,8.2数控机床主传动及其实现,数控机床的主传动运动是指产生切削的传动运动。
例如数控车床上主轴带动工件的旋转运动,立式加工中心上主轴带动铣刀、镗刀或砂轮等的旋转运动。
数控机床的主传动运动是通过主传动电机驱动的。
16:
10,24,由于主运动采用了调速电机直接自动无级变速,在大型数控车床上车削端面时就可实现恒速切削控制,以便进一步提高生产效率和表面质量。
目前,数控机床的主传动电机普遍采用交流变频调速电机和直流调速电机。
数控机床主传动主要有以下四种配置方式:
8.2.1主传动运动的变速系统,16:
10,25,1)带有变速齿轮的主传动,大、中型数控机床采用较多的一种方式,通过少数几对齿轮降速,扩大了输出扭矩,以满足主轴的输出扭矩特性的要求。
8.2.1主传动运动的变速系统,16:
10,26,2)通过皮带传动的主传动,主要应用在小型数控机上,可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声,8.2.1主传动运动的变速系统,16:
10,27,3)由调速电机直接驱动的主传动,简化了主轴箱体与主轴的结构,有效地提高了主轴部件的刚度,但主轴输出扭矩小,电机发热对主轴的精度影响较大。
8.2.1主传动运动的变速系统,16:
10,28,4)用两个电动机分别驱动的主传动系统,如图所示,这是上述两种方式的混合传动。
高速时电动机通过带传动使主轴旋转,传动平稳,低速时,另一个电动机通过二级齿轮降速,扩大变速范围,使恒功率区增大,克服了低速时转距不够且电动机功率不能充分利用的缺陷,但结构较为复杂。
8.2.1主传动运动的变速系统,16:
10,29,车削中心的主传动系统与数控车床基本相同,只是增加了主轴的C轴的坐标功能,以实现主轴的定向停车和圆周进给,并在数控装置控制下实现C轴、Z轴联动插补,或C轴、X轴联动插补,以进行圆柱面上或端面上任意部位的钻削、铣削、攻螺纹及曲面的加工,如图所示。
CH6144车削中心的C轴传动系统简图。
8.2.1主传动运动的变速系统,16:
10,30,(a)让C轴分度定位在圆柱面或端面上铣直槽;(b)让C轴、Z轴插补进给在圆柱面上铣螺旋槽;,CH6144车削中心的C轴传动系统简图。
(c)让C轴、X轴插补进给在端面上铣螺旋槽;(d)让C轴、X轴插补进给在在圆柱面或端面上铣直线和平面,8.2.1主传动运动的变速系统,16:
10,31,CH6144车削中心的C轴传动系统简图,C轴分度采用可啮合和脱开的精密蜗轮蜗杆副结构,由伺服电动机驱动蜗杆1及主轴上的蜗轮3,当机床处于铣削和钻削状态时,即主轴需通过C轴回转或分度时,蜗杆与蜗轮啮合。
C轴的分度精度由脉冲编码器7保证,分度精度为0.01。
8.2.1主传动运动的变速系统,16:
10,32,8.2.2数控机床主轴部件,数控机床主轴部件的精度、刚度和热变形对加工质量有着直接的影响,由于数控机床在加工过程中不进行人工调整,这些影响就更为严重。
16:
10,33,1)自动换刀数控加工中心主轴部件,1-刀夹2-拉钉3-主轴4-拉杆5-碟形弹簧6-活塞7-液压缸8、10-行程开关9-压缩空气管接头11-弹簧12-钢球13-端面键,主轴具有准确周向定位的功能,8.2.2数控机床主轴部件,16:
10,34,8.2.2数控机床主轴部件,16:
10,35,2)主轴轴承组合形式,前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60角接触双列向心推力球轴承组合,后支承采用成对向心推力球轴承;,目前数控机床的主轴轴承组合形式主要有以下三种:
8.2.2数控机床主轴部件,16:
10,36,主轴的综合刚度大幅度提高,可以满足强力切削的要求,因此普遍应用于各类数控机床的主轴。
2)主轴轴承组合形式,8.2.2数控机床主轴部件,16:
10,37,前支撑轴承采用高精度双列向心推力球轴承;,向心推力球轴承具有良好的高速性能,主轴最高转速可达4000r/min,但是它的承载能力小,因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。
2)主轴轴承组合形式,8.2.2数控机床主轴部件,16:
10,38,双列和单列圆锥滚子轴承,这种轴承径向和轴向刚度高,能承受重载荷,尤其能承受较强的动载荷,安装与调整性能好。
但是这种轴承方式限制了主轴的最高转速和精度因此适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。
2)主轴轴承组合形式,8.2.2数控机床主轴部件,16:
10,39,8.3数控机床进给传动及其实现,8.3.1数控机床对进给运动的要求8.3.2数控机床进给传动机构8.3.3数控机床导轨,16:
10,40,8.3.1数控机床对进给运动的要求,设计和选用进给系统应充分注意减少摩擦阻力、提高传动精度和刚度、消除传动间隙以及减少运动件的惯性。
)减少运动件的摩擦阻力摩擦阻力主要来自丝杠和导轨,因此,丝杠和导轨结构的滚动化是减少摩擦的重要措施之一,16:
10,41,)提高传动精度和刚度,预紧支承丝杠的轴承以提高支承的结构刚度;消除齿轮、蜗轮等传动件的间隙。
在进给传动链中加入减速齿轮,可以减小脉冲当量提高传动精度;,采用合理的预紧来消除滚珠丝杠螺母副的轴向传动间隙;,8.3.1数控机床对进给运动的要求,16:
10,42,)减少运动惯量,进给系统中每个元件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有直接的影响。
尤其是处于高速运转的零件,其惯性的影响更大。
在满足传动强度和刚度的要求下应尽可能将各元件进行合理的配置并减少它们的惯量。
8.3.1数控机床对进给运动的要求,16:
10,43,)稳定性好、寿命长,组成进给机构的各传动部件应选择合适的材料及合理的加工工艺与热处理方法,对于滚珠丝杠及传动齿轮必须具有一定的耐磨性和适宜的润滑方式,以延长其寿命。
8.3.1数控机床对进给运动的要求,16:
10,44,)使用维护方便,数控机床属于高精度自动控制机床,主要用于单件、中小批量、高精度及复杂件的生产加工,机床的开机率相应就高,因而进给系统的结构设计应便于维护和保养,最大限度地减小维修工作量,以提高机床的利用率。
8.3.1数控机床对进给运动的要求,16:
10,45,8.3.2数控机床进给传动机构,机械传动装置是位置控制环中的一个重要环节。
这里所说的机械传动装置,是指将驱动源旋转运动变为工作台直线运动的整个机械传动链,包括减速装置、丝杠螺母副等中间传动机构,如下图所示:
16:
10,46,
(1)进给传动的机械装置构成,8.3.2数控机床进给传动机构,16:
10,47,1)减速机构,一是将高转速低转矩的伺服电机(如步进电机,直流或交流伺服电机等)的输出,改变为低转速大转矩的执行件的输出;,二是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中占有较小的比重。
此外,对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。
在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个:
8.3.2数控机床进给传动机构,16:
10,48,在数控机床进给传动链中采用齿轮减速装置,与采用同步齿形带相比,更易产生低频振荡,因此减速机构中常配置阻尼器来改善其动态性能。
8.3.2数控机床进给传动机构,16:
10,49,2)同步齿形带,同步齿形带传动,同步齿形带传动,是一种新型的带传动。
它利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传递运动或动力,因而兼有带传动,齿轮传动及链传动的优点;,1强力层;2带齿;3包布层;4带背,8.3.2数控机床进给传动机构,16:
10,50,无相对滑动,平均传动比准确,传动精度高,而且齿形带的强度高,厚度小,重量轻,故可用于高速传动;齿形带无需特别张紧,故作用在轴和轴承等上的载荷小,传动效率高,在数控机床上应用广泛。
1强力层;2带齿;3包布层;4带背,主要特点:
8.3.2数控机床进给传动机构,16:
10,51,3)滚珠丝杠螺母副,滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上没有什么差别,通过施加预载可以消除反向间隙并有助于提高定位精度和刚度。
行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副(Ballscrew)。
滚珠丝杠由专门工厂制造,可以外购。
图8-4滚珠丝杠原理图,8.3.2数控机床进给传动机构,16:
10,52,图8-4滚珠丝杠原理图,滚珠丝杠的工作原理与特点,在丝杠3和螺母1之间都有半圆弧形的螺旋槽,当它们装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。
螺母上有滚珠回路滚道b将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成循环滚道,并在滚道内装满滚珠2。
当丝杆旋转时,迫使螺母(或丝杆)轴向移动。
8.3.2数控机床进给传动机构,16:
10,53,滚珠丝杆螺母副特点:
不能自锁,有可逆性,丝杆立式使用时应增加制动装置。
摩擦损失小,传动效率高,可达0.900.96;,丝杆螺母之间预紧后,可以完全消除间隙,提高了传动刚度;,摩擦阻力小,几乎与运动速度无关,动静摩擦力之差极小,能保证运动平稳,不易产生低速爬行现象。
磨损小、寿命长、精度保持性好;,8.3.2数控机床进给传动机构,16:
10,54,滚珠丝杆的循环方式,外循环:
螺母体上轴向相隔数个半导程处钻两个孔与螺旋槽相切,作为滚珠的进口与出口。
再在螺母的外表面上铣出回珠槽并沟通两孔。
另外在螺母内进出口处各装一挡珠器,并在螺母外表面装一插管1,这样构成了封闭的循环滚道。
8.3.2数控机床进给传动机构,16:
10,55,内循环,靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道,使滚珠成单圈循环。
8.3.2数控机床进给传动机构,16:
10,56,滚珠丝杆副的选用和标注,公称直径d0:
滚珠得工作圈数j和列数R。
主要技术参数:
公称直径d0(或丝杠外径d)、基本导程L0、滚珠的工作圈数j、列数R。
d0愈大,丝杆的承载能力和刚度愈大。
增加滚珠工作圈数和列数可以提高承载能力及刚度,8.3.2数控机床进给传动机构,16:
10,57,位移精度要求高时,应将基本导程取得小些,这样在一定的轴向力的作用下,丝杆的摩擦阻力距小,基本导程L0,8.3.2数控机床进给传动机构,16:
10,58,滚珠丝杠副的标注,滚珠丝杠副的标注方法采用汉语拼音字母、数字及汉字结合标注法。
8.3.2数控机床进给传动机构,16:
10,59,滚珠丝杠副标注示例:
WD30053.5*1/B左800*1000,表示外循环垫片调隙式的双螺母滚珠丝杠副,名义直径为30mm,基本导程为5mm,一个螺母工作滚珠3.5圈,单列,B级精度,左旋,丝杠的螺纹部分长度为800mm,丝杠的总长度为1000mm,8.3.2数控机床进给传动机构,16:
10,60,
(1)导轨的基本要求,导轨的功用概括为起导向和支撑作用,在设计导轨时应考虑以下问题:
1)有一定的导向精度,2)有良好的精度保持性,3)有足够的刚度,4)低速运动平稳性,8.3.3数控机床的导轨,16:
10,61,
(2)导轨的分类和特点,机床上常用的导轨,可分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨三大类。
1)滑动导轨数控机床使用的导轨,尽管仍然是滑动导轨、滚动导轨和静压导轨,但在导轨材料和结构上与普通机床有着显著的不同,数控机床所采用的滑动导轨是铸铁塑料或镶钢塑料滑动导轨(统称为贴塑导轨)。
8.3.3数控机床的导轨,16:
10,62,滑动导轨结构,8.3.3数控机床的导轨,16:
10,63,2)滚动导轨,滚动导轨由于摩擦系数(f=0.00250.005),动摩擦、静摩擦系数很接近,且几乎不受运动速度变化的影响,因而运动轻便灵活,所需驱动功率小。
8.3.3数控机床的导轨,16:
10,64,3)静压导轨,静压导轨是在导轨工作面间通入具有一定压强的润滑油,使运动件浮起,导轨面间充满润滑油形成的油膜,因而始终处于纯液体摩擦状态。
8.3.3数控机床的导轨,16:
10,65,静压导轨主要应用于大重型数控机床上,它的优点是摩擦系数极小,运动灵敏,位移精度和定位精度高,导轨精度保持性好,寿命长。
油膜具有误差均化作用,导向精度高。
油膜承载能力高,刚度高,吸振性好。
缺点是结构复杂,需要相应的液压设备。
8.3.3数控机床的导轨,16:
10,66,1滚珠丝杠付的滚珠循环方式分和两种。
2机床的刚度是指。
当机床的刚度不足时,会影响和。
3.通常可采用、以及的方法来提高接触刚度,例如数控机床上的、及滚动导轨等都必须预紧。
4.机床刚度是指机床在载荷作用下抵抗变形的能力,影响机床刚度的主要因素是和()5.滚珠丝杠副消除轴向间隙的目的主要是。
6数控机床的机械结构中,导轨的功用是和导轨性能的好坏直接影响机床的、和等。
8.4思考和练习,一、填空题,16:
10,67,1减少机床热变形及其影响的措施有哪些?
2提高数控机床进给系统传动精度和刚度的方法有哪些?
3与普通机床相比,数控机床在结构上具有哪些要求?
4分析机床产生热变形的原因,并说明减少机床热变形的具体措施。
5数控机床对进给传动系统有什么要求?
二、简答与分析,8.4思考和练习,16:
10,68,2016年3月,谢谢听讲!
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