数控技术第5章(华科版).ppt
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数控技术,湖南科技大学机电工程学院,1,第5章运动系统与典型机构,5.1概述5.2数控机床的主运动5.3数控机床的进给运动5.4数控机床的换刀运动,2,5.1概述,机床运动系统:
主运动系统实现机床主轴运动;进给运动系统实现机床工作台的直线运动与转动;换刀运动实现加工中心更换刀具连续加工所需的运动。
3,主轴转速更高;变速范围更宽;提供的动力更强。
1.数控机床的主运动系统性能要求:
主运动的自动变速、准停;C轴控制;同步速度控制。
2.数控机床的主运动系统功能:
5.1概述,4,5.1概述,3.数控机床进给运动系统的性能特点:
调速范围要宽,而且在整个调速范围内输出的运动要有良好的稳定性;输出的位移要有足够的精度,即实际位移量与指令位移量之差要小;负载特性要硬,当负载变化时,输出的速度应基本不变;动态响应要快,且动态误差要小,能适应频繁启动、停止以及正转、反转的需求。
5,换刀时间短、刀具重复定位精度高;刀具储存量足够、结构紧凑;换刀动作安全可靠。
4.数控机床自动换刀系统的性能特点:
5.1概述,6,主轴转速n(r/min):
主轴的最低和最高转速:
r/min,主轴调速范围:
r/min,r/min,
(1)主轴转速和调速范围,5.2.1主运动参数,5.2数控机床的主运动,7,
(2)主运动的功率、转矩特性,kw,PZ主切削力(N)v切削速度(m/min)T切削扭矩(Nm)n主轴转速(r/min),主运动所需输出的功率:
主运动的转矩特性:
最大功率(或扭矩)与运动速度之间的关系。
5.2数控机床的主运动,8,恒扭矩输出:
常用于一些特殊工序加工,如光车、攻大直径螺纹、铰大直径孔、精镗、成形铣削等,需要的输出功率较小的情况。
5.2数控机床的主运动,9,5.2数控机床的主运动,5.2.2主运动的传动形式,
(1)带有简单变速机构的主传动,优点:
能满足各种切削运动的转矩输出,且具有大范围调节速度的能力。
缺点:
结构复杂,需要润滑及温度控制装置;成本较高;制造和维修难。
应用:
一般大中型铣床多采用这种结构。
10,
(2)通过皮带传动的主传动,优点:
结构简单,安装调试方便,传动平衡,在一定条件下能满足转速与转矩的输出要求。
缺点:
调速范围比(恒功率调速范围与恒扭矩调速范围之比)受电机调速范围比的约束。
应用:
低扭矩输出要求的小型数控机床主轴上。
5.2数控机床的主运动,11,(3)电机直接驱动的主轴结构(两种类型),电机通过精密联轴器与主轴联接。
特点:
结构紧凑、传动效率高的,主轴的特性完全与电机输出特性一致,因而在使用上受到一定限制。
主轴与电机转子为一体,称电主轴。
特点:
结构紧凑,惯量小,响应快。
制造和控制要求高。
如主轴的散热、动平衡、支承、润滑及控制等。
造价高。
应用:
多用于高速加工。
5.2数控机床的主运动,12,5.2.3主轴典型控制功能,1.主轴准停装置,机械式准停装置:
功能:
当特殊加工或自动换刀,主轴能实现准确的停止在一个固定位置上。
1-无触点开关2-感应块3-凸轮定位盘4-定位液压缸5-定向滚轮6-定位活塞,机械准停装置比较准确可靠,但结构较复杂。
5.2数控机床的主运动,13,电气式准停装置:
1-主轴2-同步感应器3-主轴电动机4-永久磁铁5-磁传感器,磁力传感器准停装置工作原理:
数控装置发出主轴停转指令时,主轴电动机3立即降速,当永久磁铁4对准磁传感器5时,磁传感器发出准停信号,由定向电路使电动机准确地停止在规定的周向位置上。
1)利用主轴上光电脉冲产生准停信号。
2)利用磁力传感器检产生准停信号。
5.2数控机床的主运动,14,3.C轴控制与同步速度控制,主轴的回转位置(转角)控制可进给伺服电机实现,也可以由主轴电机实现,此时主轴的位置(角度)由装于主轴上(不是主轴电机)上的高分辨率编码器检测,主轴作为进给伺服轴工作。
对应Z轴的回转轴(即绕主轴回转)为C轴。
C轴与进给轴(Z轴或X轴)联动进行插补控制,可以实现任意曲线的加工。
如:
螺纹,端面曲线,非圆柱或圆锥的异形回转表面等。
C轴控制与同步速度控制的功能:
C轴的控制方式:
5.2数控机床的主运动,15,5.2.4电主轴,结构紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高具备精确的主轴定位及C轴传动功能。
易实现高速化,其动态精度和动态稳定性更好。
主轴运行平稳,使主轴轴承的寿命得到延长。
主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是关键。
电主轴具有如下特点:
5.2数控机床的主运动,16,
(1)电主轴电机的类型,根据电主轴内装式电机的控制方法,普通交流变频电主轴结构简单,成本低,但存在低速输出功率不稳的问题,难以满足低速大扭矩的要求。
交流伺服电主轴特点:
低速输出性能好,可实现闭环控制,经常用于加工中心等要求主轴定位或有C轴功能传动的数控机床。
根据电主轴内装式电机的输出特性,恒转矩电主轴转矩是恒定的,输出功率与转速成正比。
适合于磨削及高速钻削,电主轴的转速越高,输出功率越大。
5.2数控机床的主运动,17,恒功率电主轴在低速段的输出是恒转矩,高速段则是恒功率。
主要用于镗、铣、车削等切削范围广、工况变化大的场合。
(2)解决电主轴的振动问题的措施,电主轴的最高转速:
一般在10000/min以上,甚至高达60000100000r/min。
电主轴的振动类型:
电主轴的谐振、电磁振荡和机械振动。
关键问题:
提高电主轴的动平衡。
5.2数控机床的主运动,18,电主轴上零件精密加工、装配和调校。
电主轴上机构必须遵守对称性原则,键连接和螺纹连接在电主轴上是被禁止的。
电主轴上的转子应与主轴装配后,以主轴、后轴径为定位支撑,配作转子的精车工序。
在电机转子的两个端盖上,对称地加工1624个直径略有不同的螺纹孔(M4或M6),根据动平衡测试结果,旋入相应的动平衡螺钉并调节旋入深度,进行动平衡的调节,用环氧树脂将这些螺钉固化。
主要措施:
5.2数控机床的主运动,19,(3)电主轴的散热措施,电主轴的热源:
电动机的发热和轴承的发热。
动机的发热:
采用外循环油水冷却系统进行冷却;轴承的发热:
采用角接触陶瓷轴承,滚珠用Si3N4材料制成,直径比同规格球轴承小1/3;同时,采用强制循环油冷却的方式对主轴轴承进行冷却;设计电主轴组件时,电主轴上零件,最好采用同样密度、同样比热的材料,以保证整个电主轴组件运转的热平衡性。
5.2数控机床的主运动,20,(4)电主轴的支承,滚动轴承支承:
高速性能好,支承刚性好、价格适中、便于维修更换的优点,应用广泛。
高速精密电主轴一般采用小钢球精密角接触球轴承。
复合陶瓷轴承:
发展较快的一种支撑形式。
其耐磨耐热,能满足在一些特殊工作条件下的要求,寿命是传统轴承的数倍。
气压和液压的动、静压轴承支承,电磁悬浮轴承:
其内外圈小接触,理论上寿命无限长,结构简单并能达到很高的转速。
电磁轴承价格较高,主要应用在超高速加工等高科技设备上,而动、静压轴承在多种精密、高速设备中应用非常普遍。
5.2数控机床的主运动,21,(5)润滑方式,油脂润滑、油雾润滑和油气润滑等。
目前国际上最流行的是油气润滑。
其原理是用微量泵定时打出定量小油滴,经通过净化冷却的干燥空气润滑每个轴承的润滑点。
润滑系统先于主轴启动而后于主轴停止运行。
油雾润滑、油气润滑时需注意压缩空气的干燥及洁净程度。
润滑的注意事项:
5.2数控机床的主运动,22,(6)电主轴发展趋势,高速度、高刚度、高精度、高可靠性;高速大功率、低速大转矩;电主轴内装电机性能和形式多样化;轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化;刀具接口提高刀具在高速下的应用性能;电主轴的多功能和智能化。
5.2数控机床的主运动,23,传动系统对数控机床的影响:
传动系统的刚度和惯量,影响进给系统的稳定性和灵敏度。
传动部件的精度与传动系统的非线性,影响系统的位置精度和轮廓加工精度,在闭环系统中还影响系统的稳定性。
5.3数控机床的进给运动,24,数控机床对机械传动系统的要求:
刚度好;惯量小;间隙小;摩擦小。
5.3数控机床的进给运动,25,5.3.1数控机床进给传动系统的基本结构,进给传动系统组成,传动机构传动齿轮或同步带,运动变换机构丝杠螺母副、蜗杆蜗轮副、齿轮齿条副等,导向机构滑动导轨、滚动导轨、静压导轨、轴承,执行件工作台,5.3数控机床的进给运动,26,数控车床的进给传动系统简图,5.3数控机床的进给运动,27,5.3.2齿轮传动副,齿轮传动设计主要考虑问题:
1齿轮副的传动级数和速比分配,齿轮传动的传动级数和速比分配,一方面影响传动件的转动惯量大小,同时还影响执行件的传动效率。
增加传动级数,可以减小传动惯量,但导致传动装置的结构复杂,降低了传动效率,增大噪声,同时加大了传动间隙和摩擦损失,对伺服系统不利。
5.3数控机床的进给运动,28,工作原理:
丝杆(螺母)旋转,滚珠在封闭滚道内沿滚道滚动、迫使螺母(丝杆)轴向移动,5.3.2滚珠丝杠螺母副,5.3数控机床的进给运动,29,滚珠丝杠螺母副具有传动效率高达85%96%,约为一般滑动丝杠副的24倍;启动时无颤振,低速时无爬行;静、动摩擦系统几乎相等;寿命长,磨损小、精度保持性好;可预紧消隙,提高系统的刚度。
滚珠丝杠螺母副特点:
5.3数控机床的进给运动,30,滚珠在循环过程中回珠时与丝杠脱离接触的结构;采用弧形铜管形成滚珠返回通道,由弯管的端部引导滚珠;其工作圈数是2.5圈或3.5圈,12列。
2.滚珠丝杠螺母副的分类,
(1)外循环,5.3数控机床的进给运动,31,
(2)内循环,1-丝杠2-螺母3-滚珠4-反向器,滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触的结构。
采用圆柱凸键反向器实现滚珠循环,反向器嵌入螺母内。
工作圈数是3列。
5.3数控机床的进给运动,32,3滚珠丝杠螺母副轴向间隙调整,轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时,丝杠和螺母之间的最大轴向窜动量。
(1)双螺母垫片调隙式,5.3数控机床的进给运动,33,
(2)双螺母齿差调隙式,1-内齿轮2-外齿轮,5.3数控机床的进给运动,34,4滚珠丝杠螺母副的支承方式,一端推力轴承结构,一端止推轴承,另一端向心球轴承结构,两端止推轴承结构,两端止推轴承及向心球轴承结构,5.3数控机床的进给运动,35,5滚珠丝杠螺母副的润滑与密封,毛毡圈密封。
毛毡圈的厚度为螺距的23倍,而且内孔做成螺纹的形状,紧密地包住丝杠,并装入螺母或套筒两端的槽孔内。
耐油橡皮或尼龙材料密封。
为了避免密封圈增加滚珠丝杠副的摩擦阻力矩。
可采用由硬质塑料制成的非接触式迷宫密封圈,内孔做成与丝杠螺纹滚道相反的形状,并留有一定间隙。
(1)滚珠丝杠螺母副密封,5.3数控机床的进给运动,36,润滑油。
润滑油通过注油孔注油。
润滑脂。
一般在安装过程中放进滚珠螺母的滚道内,为定期润滑。
(2)滚珠丝杠螺母副常用的润滑,良好的润滑可提高耐磨性及传动效率,从而保持传动精度,延长使用寿命。
5.3数控机床的进给运动,37,5.3.3同步带,1.构成:
由梯形齿型带与有齿带轮组成。
5.3数控机床的进给运动,38,无相对滑动,传动比准确;齿型带薄而轻,惯量较小,可用于高速传动,圆周速度可达40ms;由于靠啮合传动,齿型带不需太大的预紧力小,减小了轴与轴承所受载荷,延长了齿型带和其它零件的使用寿命;因为啮合传动,小轮包角可减小,传动比大可达1020,传动功率可达200KW,传动效率可达98%左右;制造和安装精度高,中心距要求严格。
2.同步带传动与v带传动相比有以下特点:
5.3数控机床的进给运动,39,5.3.4数控机床的导轨,要求其在高速进给时不发生振动,低速进给时不出现爬行;灵活性高,耐磨性好;可在重载荷下长期连续工作;精度保持性好。
数控机床导轨的要求:
5.3数控机床的进给运动,40,1塑料滑动导轨,摩擦系数小,且动、静摩擦因数差很小,能防止低速爬行现象;耐磨性,抗撕伤能力强;加工性和化学稳定性好,工艺简单,成本低;有良好的自润滑和抗震性,经济效益显著等特点。
(1)塑料导轨的特点:
5.3数控机床的进给运动,41,
(2)塑料滑动导轨的分类:
贴塑导轨,1-床身2-工作台3-下压板4-导轨软带5-帖有塑料软带的镶条,5.3数控机床的进给运动,42,注塑导轨,用涂敷工艺或压注成形工艺将塑料预先加在成锯齿形的导轨上。
注塑导轨的材料是以环氧树脂和二硫化钥为基体,加入增塑剂,混合成膏状为一组分,固化剂为另一组分的双组份塑料,称为环氧树脂耐磨涂料。
5.3数控机床的进给运动,43,2滚动导轨,灵敏度高、摩擦系数小(一般在0.00250.005的范围内);动、静摩擦系数基本相同,因而运动平稳,不易出现爬行现象;定位精度高,重复定位误差可达0.2m;精度保持性好,寿命长。
滚动导轨抗振性能差,对防护要求高,结构复杂,制造比较困难,成本较高。
滚动导轨的特点是:
5.3数控机床的进给运动,44,滚动导轨常见结构类型:
滚动导轨块和直线滚动导轨。
(1)滚动导轨块,1-防护板2-端盖3-滚柱4-导向片5-保持器6-本体,5.3数控机床的进给运动,45,
(2)直线滚动导轨,滚动导轨组件形式、结构,5.3数控机床的进给运动,46,直线滚动导轨,5.3数控机床的进给运动,47,弧形滚动导轨,5.3数控机床的进给运动,48,两维直线滚动导轨,5.3数控机床的进给运动,49,组成结构,1、4、5、8-回珠(回柱);2、3、6、7-负载滚珠(滚柱)9-保持体10-端部密封垫11-滑块12-导轨体,5.3数控机床的进给运动,50,3静压导轨,1、4-滤油器2-油泵3-溢流阀5-节流阀6-运动部件7-固定部件8-油箱,5.3数控机床的进给运动,51,5.3.5回转工作台,分辨率高、定位精度高、运动平稳、动作迅速、转台刚性好;在多轴联动实现曲线和曲面的加工时,回转工作台必须能进行连续的圆周进给运动。
数控机床对回转工作台的要求:
5.3数控机床的进给运动,52,1.分度工作台,分度工作台只能实现分度运动。
通常分度工作台的运动只能限于某些规定的角度,不能实现任意角度的分度。
常用的定位方式:
销定位、反靠定位、齿盘定位和钢球定位等。
立式数控回转分度盘,5.3数控机床的进给运动,53,工作台抬起。
压力油进入升降液压缸12下腔,带动工作台9也向上抬起;,回转分度。
液压马达通过蜗轮蜗杆副3、4和齿轮副5、6带动工作台9进行分度回转运动;,工作台下降定位夹紧。
压力油进入升降液压缸12上腔,推动活塞8带动工作台下降。
齿盘定位分度工作台的结构与工作原理:
5.3数控机床的进给运动,54,2数控回转工作台,数控回转工作台能按数控系统的指令,带动工件实现连续回转运动。
回转速度是无级、连续可调的,同时,能实现任意角度的分度定位。
按控制的性质可分为开环和闭环;按应用范围可分为立式和卧式。
数控回转工作台的分类:
5.3数控机床的进给运动,55,立式数控回转工作台,可倾斜数控回转工作台,5.3数控机床的进给运动,56,
(2)闭环数控回转工作台结构与工作原理,闭环回转工作台采用圆光栅或圆感应同步器,将实际转动角度反馈至系统,与指令值进行比较,通过差值控制回转工作台的运动,提高了圆周进给运动精度。
工作台的连续圆周进给运动。
回转工作台由伺服电动机15驱动,通过齿轮14、16及蜗杆12、蜗轮13带动工作台1回转。
工作台的转角位置由圆光栅9测量。
工作台的定位与夹紧。
当控制系统发出夹紧指令时,液压缸5上腔进压力油,活塞6向下移动,通过钢球8推开夹紧瓦3和4,从而将蜗轮13夹紧。
5.3数控机床的进给运动,57,5.4数控机床的换刀运动,5.4.1自动换刀装置的形式,1回转刀架换刀,四方刀架,58,刀架始起刀架压紧转位油缸复位发出信号换刀过程完成,1)回转刀架换刀过程,5.4数控机床的换刀运动,59,2)更换主抽换刀,脱开主轴传动;转塔头抬起;转塔头转位;转塔头定位压;主轴传动重新。
5.4数控机床的换刀运动,60,待用主轴箱推至上小车I;空车运行到更换位置(上);小车I运行到更换位置(下);用过的主轴箱1从动力头上推上小车;待用主轴箱从小车I推上机床动力头,并定位夹紧;两小车返回主轴箱库,将下次待换的主轴箱推上小车I;已用主轴箱从小车推入主轴箱库中的空位;等待下一次换箱。
3)更换主轴箱换刀,5.4数控机床的换刀运动,61,组成:
刀库、选刀机构、刀具交换机构及刀具在主轴上的自动装卸机构组成.,2带刀库的自动换刀系统,5.4数控机床的换刀运动,62,5.4.2刀库,1盘式刀库,盘式的结构简单,取刀也很方便,因此应用广泛,5.4数控机床的换刀运动,63,2.链式刀库,5.4数控机床的换刀运动,64,5.4.3刀具交换装置,1)由刀库和主轴的相对运动实现刀具交换,1.交换装置的形式,5.4数控机床的换刀运动,65,刀库和主轴的相对运动实现刀具的过程示意图,5.4数控机床的换刀运动,66,2)由机械手进行刀具交换,5.4数控机床的换刀运动,67,抓刀拔刀换刀插刀复位,钩刀机械手换刀过程:
5.4数控机床的换刀运动,68,2刀具交换装置,5.4数控机床的换刀运动,69,本机械手的特点:
能实现任意位置换刀,换刀时主轴箱不需要在换刀位置和加工位置之间来回移动,节约了空程时间,同时也减少了导轨副的磨损及重复定位误差,从而提高了镗阶梯孔的同心度;控制抓刀,拔、插刀油缸的四个电磁阀放在机械手本体上,并尽量采用构件内部配油,大大减少了油管数量,因而外观、布局较为匀称紧凑。
其缺点是结构较复杂,制造工艺要求高。
5.4数控机床的换刀运动,结束,
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