數(shù)控機床結(jié)構(gòu)與維修 PPT課件

授課人 李恪方 數(shù)控機床結(jié)構(gòu)與維修 1 模塊一數(shù)控機床的工作原理及結(jié)構(gòu)模塊二安裝調(diào)試與檢測數(shù)控機床模塊三調(diào)試與維修數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)模塊四維修數(shù)控機床 2 模塊一數(shù)控機床的工作原理及結(jié)構(gòu) 學習目標 熟悉數(shù)控機床的組成和特點熟悉數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)特點熟悉數(shù)控銑床和加工中心的結(jié)構(gòu)特點掌握數(shù)控機床的裝拆方法 3 課題一認識數(shù)控機床 4 什么是數(shù)控機床 用計算機以數(shù)字指令方式控制的機床 數(shù)字化代碼 邏輯處理與運算 發(fā)出控制指令 機械動作 自動完成加工任 5 一 數(shù)控機床的種類 1 按工藝用途分類數(shù)控鉆床 數(shù)控銑床 數(shù)控鏜床 數(shù)控磨床 數(shù)控車床 數(shù)控此輪加工機床 數(shù)控雕刻機等 2 按運動方式分類a 點位控制 點到點的定位 b 二維輪廓控制 直線運動 c 三維輪廓控制 坐標聯(lián)動 6 3 按控制方式分類 開環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 7 三種控制方式的區(qū)別 開環(huán)控制系統(tǒng) 無檢測裝置 精度取決于伺服系統(tǒng)的性能 半閉環(huán)控制系統(tǒng) 位置檢測裝置不控制最終運動部件 精度取決于機械傳動部件的精度 閉環(huán)伺服系統(tǒng) 位置檢測裝置安裝在最終運動部件 具有很高的位置控制精度 8 二 數(shù)控機床的組成和特點 數(shù)控機床的組成輸入輸出設備 數(shù)控裝置 主軸和進給伺服單元及檢測裝置 伺服系統(tǒng)和反饋裝置 輔助控制裝置 機床本體等 9 數(shù)控機床各部分的組成和特點 信息輸入或輸出 數(shù)據(jù)的輸入 輸出數(shù)控裝置 數(shù)據(jù)編譯 運算和處理 輸出各種信息和指令 核心 伺服驅(qū)動及檢測裝置 測量執(zhí)行元件的位移速度和位移量 反饋信號并補償誤差 機床本體 機械結(jié)構(gòu)件 輔助控制機構(gòu) 進給傳動機構(gòu) 輔助機構(gòu)的指令信號接收和執(zhí)行 10 2 數(shù)控機床的特點 加工精度高具有復雜形狀加工能力加工生產(chǎn)效率搞 具有良好的經(jīng)濟效益高柔性自動化程度高 減輕勞動強度便于生產(chǎn)管理現(xiàn)代化 11 小結(jié) 數(shù)控機床的種類數(shù)控機床的組成和特點 12 拓展訓練 高速 高精度化高可靠性數(shù)控系統(tǒng)的智能化網(wǎng)絡化柔性制造系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng)開放性數(shù)控系統(tǒng) 13 課題二數(shù)控機床的工作原理和工作過程及主要技術指標 14 一 數(shù)控機床的工作原理和工作過程 數(shù)控機床的工作過程 圖樣分析 擬定工藝方案 確定工藝過程 工藝參數(shù)和道具位移數(shù)據(jù) 用規(guī)定代碼和格式編程程序輸入加工 15 數(shù)控機床的工作原理 譯碼 運算 發(fā)出信號 數(shù)控系統(tǒng)信號放大 發(fā)出運動指令 伺服系統(tǒng)執(zhí)行運動 實現(xiàn)切削加工 執(zhí)行元件 16 二 數(shù)控機床的主要技術參數(shù) 主要規(guī)格尺寸指標主軸系統(tǒng)指標進給系統(tǒng)指標刀具系統(tǒng)指標數(shù)控機床的精度指標數(shù)控機床的可靠性指標其他指標 17 小結(jié) 數(shù)控機床的工作過程數(shù)控機床的工作原理 18 課題三熟悉數(shù)控車床的結(jié)構(gòu) 19 一 數(shù)控車床的分類 組成及布局形式 數(shù)控車床 即用計算機數(shù)字控制的車床 主要用于對各種形狀不同的軸類或盤類回轉(zhuǎn)表面進行車削加工 在數(shù)控車床上可以進行鉆中心孔 車內(nèi)外圓 車端面 鉆孔 鏜孔 鉸孔 切槽 車螺紋 滾花 車錐面 車成形面 攻螺紋以及高精度的曲面及端面螺紋等的加工 數(shù)控車床上所使用的刀具有車刀 鉆頭 絞刀 鏜刀 螺紋刀具等孔加工刀具 20 1 數(shù)控車床的分類 1 按數(shù)控系統(tǒng)的功能分類 經(jīng)濟型數(shù)控車床經(jīng)濟型數(shù)控車床采用開環(huán)伺服系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)簡單 價格低廉 無刀尖圓弧半徑自動補償和恒線速切削等功能 如圖1 7所示 21 全功能型數(shù)控車床 全功能型數(shù)控車床 采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng) 可以進行多個坐標軸的控制 具有高剛度 高精度和高效率等特點 如圖1 8所示 22 車削中心 車削中心的主體是全功能型數(shù)控車床 并配置刀庫 換刀裝置 分度裝置 銑削動力頭 機械手等 可實現(xiàn)多工序的車 銑復合加工 在工件一次裝夾后 它可完成對回轉(zhuǎn)體類零件的車 銑 鉆 鉸 攻螺紋等多種加工工序 其功能全面 加工質(zhì)量和速度都很高 但價格也較貴 如圖1 9所示 23 24 FMC車床 FMC FlexibleManufacturingCell 車床實際上是一個由數(shù)控車床 機器人等構(gòu)成的柔性加工單元 它能實現(xiàn)工件搬運 裝卸的自動化和加工調(diào)整準備的自動化 如圖1 10所示 25 26 2 按主軸的配置形式分類 臥式數(shù)控車床 即主軸軸線處于水平位置的數(shù)控車床 如圖1 7和圖1 8所示 立式數(shù)控車床 即主軸軸線處于垂直位置的數(shù)控車床 如圖1 11所示 此外 還有雙軸臥式數(shù)控車床或雙軸立式數(shù)控車床 如圖1 12所示 27 圖1 11立式數(shù)控車床 28 圖1 12雙主軸車床 29 3 按數(shù)控系統(tǒng)控制的軸數(shù)分類 兩軸控制的數(shù)控車床 機床上只有一個回轉(zhuǎn)刀架 可實現(xiàn)兩坐標軸控制 四軸控制的數(shù)控車床 機床上有兩個獨立的回轉(zhuǎn)刀架 可實現(xiàn)四軸控制 30 4 其他分類方法 按加工零件的基本類型分為卡盤式數(shù)控車床 頂尖式數(shù)控車床 按數(shù)控系統(tǒng)的不同控制方式分為直線控制數(shù)控車床 輪廓控制數(shù)控車床等 按性能可分為多主軸車床 雙主軸車床 縱切式車床 刀塔式車床 排刀式車床等 31 2 數(shù)控車床的組成 1 主機主機是數(shù)控車床的機械部件 主要包括床身 主軸箱 刀架 尾座 進給傳動機構(gòu)等 2 數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控車床的控制核心 其主體是一臺計算機 包括CPU 存儲器 CRT等 32 3 伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)是數(shù)控車床切削工作的動力部分 主要實現(xiàn)主運動和進給運動 由伺服驅(qū)動電路和伺服驅(qū)動裝置兩大部分組成 驅(qū)動裝置主要有主軸電動機 進給系統(tǒng)的步進電動機或交 直流伺服電動機等 4 輔助裝置 輔助裝置是數(shù)控車床中一些為加工服務的配套部分 如液壓 氣動裝置 冷卻 照明 潤滑 防護 排屑裝置等 33 總體看數(shù)控車床其結(jié)構(gòu)由床身 主軸箱 刀架 進給傳動系統(tǒng) 液壓 冷卻 潤滑系統(tǒng)等部分組成 數(shù)控車床采用伺服電動機 步進電動機 經(jīng)滾珠絲杠傳到滑板和刀架 以連續(xù)控制刀具實現(xiàn)縱向 Z向 和橫向 X向 進給運動 數(shù)控車床主軸安裝有脈沖編碼器 主軸的運動通過同步齒形帶1 1的傳到脈沖編碼器 34 3 數(shù)控車床的布局形式 1 床身和導軌的布局 數(shù)控車床的床身導軌與水平面的相對位置有多種形式 如圖1 13所示 它有4種布局形式 圖1 13 a 所示為水平床身 圖1 13 b 所示為斜床身 圖1 13 c 所示為平床身斜滑板 圖1 13 d 所示為立床身 35 圖1 13數(shù)控車床布局 36 水平床身配置水平滑板 其工藝性能好 便于導軌面的加工 斜床身配置斜滑板 這種結(jié)構(gòu)的導軌傾斜角度多采用30 45 60 75 和90 傾斜角度小 排屑不便 傾斜角度大 導軌的導向性及受力情況差 平床身斜滑板配置傾斜放置的滑板 通常配置有傾斜式的導軌防護罩 一方面具有水平床身工藝性好的特點 另一方面機床寬度方向的尺寸較水平配置滑板的要小 且排屑方便 一般被中小型數(shù)控車床所普遍采用 立床身配置90 的滑板 即導軌傾斜角度為90 的滑板結(jié)構(gòu)稱為立床身 37 2 刀架的布局刀架作為數(shù)控車床的重要部件 安裝各種切削加工工具 其結(jié)構(gòu)和布局形式對機床整體布局及工作性能影響很大 圖1 14轉(zhuǎn)塔式刀架 數(shù)控車床的刀架分為轉(zhuǎn)塔式和排刀式刀架兩大類 轉(zhuǎn)塔式刀架是普遍采用的刀架形式 它通過轉(zhuǎn)塔頭的旋轉(zhuǎn) 分度 定位來實現(xiàn)機床的自動換刀工作 兩種形式 一種主要用于加工盤類零件 其回轉(zhuǎn)軸線垂直于主軸 另一種主要用于加工軸類零件 其回轉(zhuǎn)軸與主軸平行 兩坐標連續(xù)控制的數(shù)控車床 一般采用6 12工位轉(zhuǎn)塔式刀架 如圖1 14所示 排刀式刀架主要用于小型數(shù)控車床 適用于短軸或套類零件加工 如圖1 15所示 38 圖1 14轉(zhuǎn)塔式刀架圖 39 圖1 15排刀式刀架 40 四坐標軸控制的數(shù)控車床 床身上安裝有兩個獨立的滑板和回轉(zhuǎn)刀架 稱為雙刀架四坐標數(shù)控車床 其上每個刀架的切削進給量是分別控制的 因此 兩刀架可以同時切削同一工件的不同部位 既擴大了加工范圍 又提高了加工效率 適合于加工曲軸 飛機零件等形狀復雜 批量較大的零件 41 二 數(shù)控車床的結(jié)構(gòu) 一 數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)具備性能 主傳動系統(tǒng)應具有較大的調(diào)速范圍 較高的精度與剛度 并盡可能降低噪聲與熱變形 從而獲得最佳的生產(chǎn)率 加工精度和表面質(zhì)量 組成 數(shù)控車床的主運動是主軸帶動工件的旋轉(zhuǎn)運動 是通過主軸電動機拖動的 數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)包括主軸電動機 傳動系統(tǒng) 主軸組件等 42 1 數(shù)控車床對主傳動系統(tǒng)的要求 1 調(diào)速范圍寬 并實現(xiàn)無級調(diào)速 2 高精度與剛度 低噪聲 3 動態(tài)響應性好 4 功率大 5 旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動功能 6 恒線速度切削功能 43 2 數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的特點 1 較高的主軸轉(zhuǎn)速和較寬的調(diào)速范圍并實現(xiàn)無級調(diào)速 2 較高的精度和較大的剛度 3 良好的抗振性和熱穩(wěn)定性 44 3 數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)類型 1 經(jīng)過一級變速的主傳動 圖1 16 a 所示原理 一級變速目前多用V帶或同步帶來完成 電動機與主軸通過同步齒帶傳動 不用齒輪傳動 可以避免齒輪傳動引起的振動和噪聲 適用范圍 適用于高速 低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸 45 如圖1 16 b 所示原理 通過少數(shù)幾對齒輪降速 使之成為分段無級變速 增大輸出轉(zhuǎn)矩 以滿足主軸低速時對輸出轉(zhuǎn)矩特性的要求 滑移齒輪的移動大都采用液壓缸加撥叉 或直接由液壓缸帶動齒輪來實現(xiàn) 帶有變速齒輪的主傳動一般在大 中型數(shù)控車床中應用較多 適用范圍 大 中型數(shù)控車床 2 帶有變速齒輪的主傳動 46 如圖1 16 b 所示原理 通過少數(shù)幾對齒輪降速 使之成為分段無級變速 增大輸出轉(zhuǎn)矩 以滿足主軸低速時對輸出轉(zhuǎn)矩特性的要求 滑移齒輪的移動大都采用液壓缸加撥叉 或直接由液壓缸帶動齒輪來實現(xiàn) 帶有變速齒輪的主傳動一般在大 中型數(shù)控車床中應用較多 適用范圍 大 中型數(shù)控車床 2 帶有變速齒輪的主傳動 47 如圖1 16 b 所示原理 通過少數(shù)幾對齒輪降速 使之成為分段無級變速 增大輸出轉(zhuǎn)矩 以滿足主軸低速時對輸出轉(zhuǎn)矩特性的要求 滑移齒輪的移動大都采用液壓缸加撥叉 或直接由液壓缸帶動齒輪來實現(xiàn) 帶有變速齒輪的主傳動一般在大 中型數(shù)控車床中應用較多 適用范圍 大 中型數(shù)控車床 2 帶有變速齒輪的主傳動 48 3 電動機與主軸直聯(lián)的主傳動 如圖1 16 c 所示原理 電動機與主軸直聯(lián)傳動 適用范圍 不常用 這種傳動方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊 但主軸轉(zhuǎn)速的變化及轉(zhuǎn)矩的輸出和電動機的輸出特性不一致 因而使用上受到一定限制 49 4 電主軸 如圖1 17所示原理 數(shù)控車床電主軸就是主軸箱和電動機融為一體 電動機轉(zhuǎn)子就是主軸 適用范圍 作為現(xiàn)代機電一體化的功能部件 安裝在高速數(shù)控車床上特點 制造維護困難 承載小 發(fā)熱大 主軸容易變形 50 圖1 17電主軸結(jié)構(gòu)原理圖 51 4 主傳動的機械結(jié)構(gòu) 主傳動的機械結(jié)構(gòu)主要是主軸部件 主軸部件作為數(shù)控機床的一個關鍵部件 它包括主軸 主軸的支承 安裝在主軸上的傳動件和密封件等 52 1 主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀 要求 主軸端部用于安裝夾持工件的夾具 在設計要求上 應能保證定位準確 安裝可靠 連接牢固 裝卸方便 并能傳遞足夠的轉(zhuǎn)矩 主軸端部已經(jīng)標準化 如圖1 18所示為數(shù)控車床上通用的結(jié)構(gòu)形式 結(jié)構(gòu) 卡盤靠前端的短圓錐面和凸緣端面定位 用撥銷傳遞轉(zhuǎn)矩 卡盤裝于主軸端部時 螺栓從凸緣上的孔中穿過 轉(zhuǎn)動快卸卡板將數(shù)個螺栓同時卡住 再擰緊螺母將卡盤固牢在主軸端部 主軸為空心 前端有莫氏錐度孔 用以安裝頂尖或心軸 53 圖1 18主軸部件的通用結(jié)構(gòu)形式 54 2 主軸部件的支承 目前數(shù)控車床的主軸軸承配置有3種形式 如圖1 19所示 a 如圖1 19 a 所示 前支承采用雙列圓柱滾子軸承和60 角接觸雙列向心推力球軸承 后支承采用成對向心推力球軸承 此種結(jié)構(gòu)普遍應用于各種數(shù)控車床 其綜合剛度高 可以滿足強力切削的要求 55 b 如圖1 19 b 所示 前支承采用雙列 或三列 高精度角接觸球軸承 后支承采用單列 或雙列 角接觸球軸承 這種配置具有良好的高速性能 但它的承載能力較小 適用于高速輕載和精密的車床主軸部件 c 如圖1 19 c 所示 前支承為雙列圓錐滾子軸承 后支承為單列圓錐滾子軸承 其徑向和軸向剛度高 能承受重載荷 安裝與調(diào)整性能好 但限制了主軸的轉(zhuǎn)速和精度的提高 適用于中等精度 低速與重載荷的數(shù)控車床主軸 56 圖1 19主軸支承方式 57 裝配主軸軸承 采用選配定向法進行裝配可提高主軸部件的精度 并且盡可能使主軸支承孔與主軸軸頸的偏心量和軸承內(nèi)圈與滾道的偏心量接近 并使其方向相反 在維修機床拆裝主軸軸承時 因原生產(chǎn)廠家已調(diào)整好軸承的偏心位置 所以要在拆卸前做好軸向位置記號 主軸滾動軸承的預緊 所謂軸承的預緊 是使軸承滾道預先承受一定的載荷 消除間隙并使得滾動體與滾道之間發(fā)生一定的變形 增大接觸面積 軸承受力時變形減小 抵抗變形的能力增大 58 將滾動軸承進行適當預緊 使?jié)L動體與內(nèi)外圈滾道在接觸處產(chǎn)生預變形 使受載后承載的滾動體數(shù)量增多 受力趨向均勻 從而提高承載能力及剛度和抗振性 有利于減少主軸回轉(zhuǎn)軸線的漂移 提高主軸部件的回轉(zhuǎn)精度 若過盈量太大 軸承磨損加劇 承載能力將顯著下降 主軸組件必須具備軸承間隙的調(diào)整結(jié)構(gòu) 機床主軸部件在裝配時對軸承進行預緊 使用一段時間以后 間隙或過盈有了變化 還得重新調(diào)整 所以要求預緊結(jié)構(gòu)應便于調(diào)整 滾動軸承間隙的調(diào)整或預緊 通常是使軸承內(nèi) 外圈相對軸向移動來實現(xiàn) 常用的方法有以下幾種 59 a 軸承內(nèi)圈移動 如圖1 20所示 這種方法適用于錐孔雙列圓柱滾子軸承 用螺母通過套筒推動內(nèi)圈在錐形軸頸上做軸向移動 使內(nèi)圈變形漲大 在滾道上產(chǎn)生過盈 從而達到預緊的目的 如圖1 14 a 所示 結(jié)構(gòu)簡單 但預緊量不易控制 常用于輕載機床主軸部件 如圖1 20 b 所示 用右端螺母限制內(nèi)圈的移動量 易于控制預緊量 如圖1 20 c 所示 在主軸凸緣上均勻分布數(shù)個螺釘以調(diào)整內(nèi)圈的移動量 調(diào)整方便 但是用幾個螺釘調(diào)整 易使墊圈歪斜 60 圖1 20滾動軸承的預緊 61 如圖1 20 d 所示 將緊靠軸承右端的墊圈做成兩個半環(huán) 可以徑向取出 修磨其厚度可控制預緊量的大小 調(diào)整精度較高 調(diào)整螺母一般采用細牙螺紋 便于微量調(diào)整 而且在調(diào)好后要能鎖緊防松 b 修磨座圈或隔套 如圖1 21 a 所示為軸承外圍寬邊相對 背對背 安裝 這時修磨軸承內(nèi)圈的內(nèi)側(cè) 圖1 21 b 所示為外圍窄邊相對 面對面 安裝 這時修磨軸承外圈的窄邊 在安裝時按圖示的相對關系裝配 并用螺母或法蘭蓋將兩個軸承軸向壓攏 62 圖1 21修磨軸承座圈 63 使兩個修磨過的端面貼緊 這樣使兩個軸承的滾道之間產(chǎn)生預緊 另一種方法是將兩個厚度不同的隔套放在兩軸承內(nèi) 外圈之間 同樣將兩個軸承軸向相對壓緊 使?jié)L道之間產(chǎn)生預緊 如圖1 22 a b 所示 3 主軸部件結(jié)構(gòu) 機床主軸部件的結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的機床有較大的差別 圖1 23和圖1 24所示為兩種臥式車床的主軸部件結(jié)構(gòu)示意圖 在圖1 23中 主軸和電動機間采用的是皮帶聯(lián)結(jié)的定傳動比傳動方式 圖1 24所示為采用了電主軸 64 圖1 22隔套的應用 65 圖1 23車床主軸部件圖 66 圖1 23所示的主軸部件的最大特點是 傳動件 軸承 擋圈等均采用先進的熱套工藝進行安裝和調(diào)整 因而主軸上無鍵槽和螺紋 既增強了主軸的剛度 又最大限度地降低了主軸的不平衡量 主軸采用雙支承方式 前支承采用了成組角接觸球軸承 后支承為雙列圓柱滾子軸承 前端的3個角接觸軸承中 前兩個軸承的大端向主軸前端 另一個軸承的大端向主軸后端 前支承可以同時承受徑向和軸向力 向左的軸向力由主軸前端 通過軸承17 軸承13 擋圈11 軸承10的外圈傳到箱體上 67 向右的軸向力由熱調(diào)整套8 擋圈9 軸承10的內(nèi)圈 球 外圈 擋圈1l 軸承13和軸承17的外圈 聯(lián)接盤14 螺釘15傳到箱體上 當軸承間隙過大時 需卸下主軸部件 通過修磨2個擋圈11和12 調(diào)整熱調(diào)整套的軸向位置進行 熱調(diào)整套的內(nèi)孔與主軸外圓以一很小錐度配合 以便調(diào)整 后支承為雙列圓柱滾子軸承 其調(diào)整可通過熱套工藝 調(diào)整帶輪聯(lián)接盤2的軸向位置和修磨擋圈7來實現(xiàn) 68 圖1 24所示為內(nèi)裝電主軸的主軸部件結(jié)構(gòu) 電主軸主要由空心轉(zhuǎn)子1 帶繞組的定子2和位置檢測器 圖中未示出 三部分組成 由于主軸4與電動機合為一體 電動機的轉(zhuǎn)子軸就是主軸本身 電動機定子與主軸箱體連接 所以 主軸傳動不僅結(jié)構(gòu)簡單 而且降低了噪聲和共振 主軸部件經(jīng)過嚴格的動平衡 故可以在高速下運行 為了防止主軸高速運轉(zhuǎn)時的發(fā)熱 主軸軸承 電主軸均通入冷卻水進行強制冷卻 主軸前端結(jié)構(gòu)與圖1 23相同 69 圖1 24內(nèi)裝電主軸的主軸部件結(jié)構(gòu) 70 4 主軸的同步運行功能 脈沖編碼器與同步運轉(zhuǎn)的功能 數(shù)控車床的進給系統(tǒng)是直接用伺服電動機通過滾珠絲杠來驅(qū)動溜板和刀架實現(xiàn)進給運動 數(shù)控車床上能加工各種螺紋 這是因為安裝了與主軸同步運轉(zhuǎn)的脈沖編碼器 以便發(fā)出檢測脈沖信號 使主軸電動機的旋轉(zhuǎn)與切削進給同步 從而實現(xiàn)螺紋的切削 71 主軸脈沖編碼器的安裝方式與作用 a 主軸脈沖編碼器的安裝方式 一種是主軸脈沖編碼器可通過一對齒輪或同步齒形帶與主軸聯(lián)系起來 由于主軸要求與編碼器同步旋轉(zhuǎn) 所以此連接必須做到無間隙 圖1 25所示MJ 50型數(shù)控車床主軸箱結(jié)構(gòu)簡圖中 與主軸同軸的同步帶16 通過同步帶2和同步帶輪3把主軸的旋轉(zhuǎn)與脈沖編碼器4聯(lián)系起來 另一種方法是通過中間軸上的齒輪1 1地同步傳動 72 b 主軸脈沖編碼器的作用 在主軸與進給軸關聯(lián)控制中都要使用脈沖編碼器 它是精密數(shù)字控制與伺服控制設備中常用的角位移數(shù)字化檢測器件 具有精度高 結(jié)構(gòu)簡單 工作可靠等優(yōu)點 增量式編碼器一般可輸出兩個相位相差90 的A B信號和一個零位C信號 如圖1 26所示 其中A B信號既可以用來計算角位移的大小 同時利用它們相位超前 73 或滯后的相對關系還可以辨別旋轉(zhuǎn)方向 例如A信號超前B信號表示正轉(zhuǎn)的話 那么 B信號超前A信號就表示反轉(zhuǎn) 脈沖編碼器中的透光盤內(nèi)圈的一條刻線與光擋上條紋C重合時輸出的脈沖數(shù)為同步 起步 又稱零位 脈沖 C信號是每轉(zhuǎn)一周發(fā)出一個脈沖 可以當作一周的零位信號 為A信號或B信號提供了計數(shù)的基準 例如 加工螺紋時可利用這個零位脈沖作為同步信號 74 圖1 25MJ 50型數(shù)控車床主軸箱結(jié)構(gòu)簡圖 75 圖1 26增量式編碼器輸出的A B信號和零位C信號 主軸轉(zhuǎn)動與進給運動聯(lián)系的同步運行 數(shù)控機床主軸的轉(zhuǎn)動與進給運動之間 沒有機械方面的直接聯(lián)系 在數(shù)控車床上加工圓柱螺紋時 要求主軸的轉(zhuǎn)速與刀具的軸向進給保持一定的協(xié)調(diào)關系 無論該螺紋是等距螺紋還是變距螺紋都是如此 為此 通常在主軸上安裝脈沖編碼器來檢測主軸的轉(zhuǎn)角 相位 零位等信號 76 在主軸旋轉(zhuǎn)過程中 與其相連的脈沖編碼器不斷發(fā)出脈沖 由A B相檢測到的脈沖 送給數(shù)控裝置 控制插補速度 根據(jù)插補計算結(jié)果 控制進給坐標軸伺服系統(tǒng) 使進給量與主軸轉(zhuǎn)速保持所需的比例關系 實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)動與進給運動相聯(lián)系的同步運行 從而車出所需的螺紋 通過改變主軸的旋轉(zhuǎn)方向可以加工出左螺紋或右螺紋 而主軸方向是通過脈沖編碼器發(fā)出正交的A相和B相脈沖信號相位的先后順序判別出來的 77 圖1 26增量式編碼器輸出的A B信號和零位C信號 78 二 數(shù)控車床的進給系統(tǒng) 數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)常用伺服進給系統(tǒng)來工作 伺服進給系統(tǒng)的作用是根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)傳來的指令信息 進給放大以后控制執(zhí)行部件的運動 不僅控制進給運動的速度 同時還要精確控制刀具相對于工件的移動位置和軌跡 因此 數(shù)控機床進給系統(tǒng) 尤其是輪廓控制系統(tǒng) 必須對進給運動的位置和運動的速度兩個方面同時實現(xiàn)自動控制 一個典型的數(shù)控機床閉環(huán)控制的進給系統(tǒng) 通常由位置比較 放大元件 驅(qū)動單元 79 機械傳動裝置和檢測反饋元件等部分組成 而其中的機械傳動裝置是控制環(huán)中的一個重要環(huán)節(jié) 機械傳動裝置 是指將驅(qū)動源 即電動機 的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)楣ぷ髋_或刀架直線運動的整個機械傳動鏈 包括齒輪傳動副 滾珠絲杠螺母副 減速裝置和蝸桿蝸輪等中間傳動機構(gòu) 如圖1 27所示 由于滾珠絲杠 伺服電機及其控制單元性能的提高 很多數(shù)控機床的進給系統(tǒng)中已去掉減速機構(gòu)而直接用伺服電機與滾珠絲杠聯(lián)結(jié) 因而整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 減少了產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié) 80 圖1 27數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械部分的基本組成 81 1 對數(shù)控車床進給傳動系統(tǒng)的要求 數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)承擔了數(shù)控機床各直線坐標軸 回轉(zhuǎn)坐標軸的定位和切削進給 進給系統(tǒng)的傳動精度 靈敏度和穩(wěn)定性直接影響被加工件的最后輪廓精度和加工精度 為了保證數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)的定位精度和動態(tài)性能 對數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)的要求主要有如下幾個方面 1 低慣量 2 低摩擦阻力 3 高剛度 4 高諧振 5 無傳動間隙 82 2 熟悉數(shù)控車床進給傳動系統(tǒng)的基本型式 數(shù)控車床進給驅(qū)動機構(gòu) 目前有下述幾種常見連接形式 電動機與滾珠絲杠直連 目前廣泛用于各類數(shù)控機床 如圖1 28所示 電動機與同步帶輪相連接 同步帶輪連接滾珠絲杠 應用在早期數(shù)控機床上 如圖1 29所示 83 圖1 28電動機與滾珠絲杠直連圖1 29電動機與同步帶輪相連接 同步帶輪連接滾珠絲杠 84 3 數(shù)控車床進給傳動系統(tǒng)的組成構(gòu)件 1 聯(lián)軸器所謂聯(lián)軸器就是用來連接不同機構(gòu)中的兩根軸 主動軸和被動軸 使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機械零件 聯(lián)軸器又可分為剛性的和彈性的 剛性的聯(lián)軸器又可分為固定式 套筒聯(lián)軸器 凸緣聯(lián)軸器等 和可移式 齒輪聯(lián)軸器 十字滑塊聯(lián)軸器 萬向聯(lián)軸器等 85 剛性聯(lián)軸器的特點 剛性聯(lián)軸器不具有補償被聯(lián)兩軸線相對偏移的能力 也不具有緩沖減振性能 但結(jié)構(gòu)簡單 價格便宜 只有在載荷平穩(wěn) 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定 能保證被聯(lián)軸線相對偏移極小的情況下 才可選用剛性聯(lián)軸器 彈性聯(lián)軸器的特點 有很好的緩沖性 減振性 承載力適中 更重要的是彈性聯(lián)軸器能夠允許主動軸和被動軸之間存在一定的安裝誤差 86 彈性聯(lián)軸器根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為以下幾種 波紋管式聯(lián)軸器 如圖1 30 a 所示 其特點 具有超強糾偏性 順 逆時針回轉(zhuǎn)特性完全相同 可耐高溫 免維護 適用于小扭矩傳動時 零回轉(zhuǎn)間隙 梅花連軸器 如圖1 30 b 所示 其特點 工作穩(wěn)定可靠 具有良好的減振 緩沖性能 具有較大的軸向 徑向和角向補償能力 高強度聚氨酯彈性元件耐磨耐油 承載能力大 使用壽命長 適用于中等扭矩傳動時的連接 87 膜片連軸器 如圖1 30 c 所示 其特點 承載能力大 適用范圍廣 傳遞扭矩范圍可達30 8100000N m 使用壽命長 工作溫度范圍大 最高可達 280 可在腐蝕介質(zhì)中工作 結(jié)構(gòu)簡單 易于加工制造 沒有磨損件 不需潤滑 易于維修 振動小 無噪聲 靠膜片的彈性變形來補償所聯(lián)兩軸的相對位移 其適用于中等以上扭矩傳動時 傳動精度高 可靠性高 可高溫下運轉(zhuǎn) 齒形聯(lián)軸器 如圖1 30 d 所示 內(nèi)齒和外齒嚙合 其適用于大扭矩傳動時 88 a 波紋管式聯(lián)軸器 b 梅花連軸器 c 膜片連軸器 d 齒形聯(lián)軸器圖1 30彈性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)形式 89 2 滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠作為數(shù)控機床進給傳動鏈中的重要組成部分 在整個傳動鏈中起著將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動的重要作用 數(shù)控機床常用滾珠絲杠螺母副如圖1 31所示 90 a b 圖1 31數(shù)控機床用滾珠絲杠螺母副 91 滾珠絲杠副的特點 圖1 32滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)原理示意圖a 傳動效率高 一般為0 92 0 98 傳動靈敏 摩擦力小 動靜摩擦力之差極小 能保證運動平穩(wěn) 不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象 b 具有可逆性 不僅可以將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動 也可將直線運動變成旋轉(zhuǎn)運動 c 軸向運動精度高 施加預緊力后 可消除軸向間隙 反向時無空行程 d 滾珠絲杠副的缺點是 制造工藝復雜 成本高 不能自鎖 垂直安裝時需有平衡裝置 92 圖1 32滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)原理示意圖 93 滾珠絲杠螺母副工作原理 在數(shù)控車床進給系統(tǒng)中 采用滾珠絲杠螺母副將旋轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)換 滾珠絲杠螺母副是一種在絲杠和螺母間裝有滾珠作為中間元件的絲杠副 其結(jié)構(gòu)原理如圖1 32所示 在絲杠3和螺母1上都有半圓弧形的螺旋槽 當它們套裝在一起時便形成了滾珠的螺旋滾道 螺母上有滾珠回路管道b 將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構(gòu)成封閉的循環(huán)滾道 并在滾道內(nèi)裝滿滾珠2 當絲杠3旋轉(zhuǎn)時 滾珠2在滾道內(nèi)沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動即自轉(zhuǎn) 迫使螺母軸向移動 滾珠絲杠副的循環(huán)方式 滾珠絲杠從循 94 環(huán)形式上可分為 內(nèi)循環(huán)式和外循環(huán)式 滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸稱為外循環(huán) 如圖1 33所示 始終與絲杠保持接觸稱為內(nèi)循環(huán) 如圖1 34所示 外循環(huán)式由絲杠1 滾珠2 回珠管3和螺母4組成 如圖1 33 b 所示 在絲杠1和螺母4上各加工有圓弧形螺旋槽 將它們套裝起來便形成螺旋形滾道 在滾道內(nèi)裝滿滾珠2 當絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)時 絲杠的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)滾珠推動螺母軸向移動 同時滾珠沿螺旋形滾道滾動 使絲杠和螺母之間的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L珠與絲杠 螺母之間的滾動摩擦 螺母螺旋槽的兩端用回珠管3連接起來 使?jié)L珠能夠從一端重新回到另一端 構(gòu)成一個閉合的循環(huán)回路 95 內(nèi)循環(huán)均采用反向器實現(xiàn)滾珠循環(huán) 反向器有兩種型式 圖1 34 b 所示為凸鍵反向器 反向器的圓柱部分嵌入螺母內(nèi) 端部開有反向槽2 反向槽圓柱外圓面由其上端的凸鍵1定位 以保證對準螺紋滾道方向 在螺母的側(cè)孔中裝有圓柱凸輪式反向器 反向器上銑有S形回珠槽 將相鄰兩螺紋滾道連接起來 滾珠從螺紋滾道進入反向器 借助反向器迫使?jié)L珠越過絲杠牙頂進入相鄰滾道 實現(xiàn)循環(huán) 圖1 34 c 所示為扁圓鑲塊反向器 反向器為一半圓頭平鍵形鑲塊 鑲塊嵌入螺母的切槽中 其端部開有反向槽 用鑲塊的外廓定位 96 圖1 33外循環(huán)滾珠絲杠 97 圖1 34內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠 98 滾珠絲杠螺母副的支承 常用的滾珠絲杠螺母副的支承形式有以下幾種 如圖1 35所示 99 圖1 35滾珠絲杠螺母副的支承形式 100 a 一端固定 一端自由的支承方式 G Z方式 如圖1 35 a 所示 這種安裝方式僅在一端裝可以承受雙向軸向載荷與徑向載荷的推力角接觸球軸承或滾針 推力圓柱滾子軸承 并進行軸向預緊 另一端完全自由 不作支撐 這種支承方式結(jié)構(gòu)簡單 但承載能力較小 總剛度較低 且隨著螺母位置的變化剛度變化較大 通常適用于絲杠長度 行程不長的情況 b 一端固定 一端游動的支承方式 G Y方式 如圖1 35 b 所示 這種安裝方式在一端裝可以承受雙向軸向載荷與徑向載荷的推力角接觸球軸承或滾針 推力圓柱滾子軸承 另一端裝向心球軸承 僅作徑向支撐 軸向游動 101 與G Z方式相比 提高了臨界轉(zhuǎn)速和抗彎強度 可以防止絲杠高速旋轉(zhuǎn)時的彎曲變形 其他方面與G Z方式相似 但可以適用于絲杠長度 行程較長的情況 c 兩端支承方式 J J方式 如圖1 35 c 所示 這種安裝方式是在滾珠絲杠的兩端裝推力軸承 并進行軸向預緊 有助于提高傳動剛度 但這種安裝方式在絲杠熱變形伸長時 將使軸承去載 產(chǎn)生軸向間隙 102 d 兩端固定的支承方式 G G方式 如圖1 35 d 所示 這種安裝方式在兩端都裝可以承受雙向軸向載荷與徑向載荷的推力角接觸球軸承或滾針 推力圓柱滾子軸承 絲杠兩端采用雙重支承 并進行預緊 提高了剛度 這種結(jié)構(gòu)方式可使絲杠的熱變形轉(zhuǎn)化為軸承的預緊力 但設計時要注意提高軸承的承載能力和支承剛度 3 導軌副 導軌主要用來支承和引導運動部件沿一定的軌道運動 在導軌副中 運動的一方叫做動導軌 不運動的一方叫做支承導軌 動導軌相對于支承導軌的運動 通常是直線運動或回轉(zhuǎn)運動 比較常用的直線導軌如圖1 36所示 103 a b 圖1 36數(shù)控機床直線導軌 104 數(shù)控機床通常采用的導軌形式有 滑動導軌 滾動導軌 靜壓導軌 氣浮導軌 滑動導軌 即運動導軌和支撐導軌之間是滑動摩擦形式 它們又細分為以下幾種 a 鑲鋼貼塑導軌 貼塑導軌的工作原理是在動導軌和支撐導軌之間粘貼摩擦系數(shù)很小的有機材料 并加油膜潤滑 使上 下導軌相對靈活移動 目前 廣泛采用鑲鋼貼塑結(jié)構(gòu)如圖1 37和圖1 38所示 目前 市場上采用的塑帶材料大都為聚四氟乙烯 105 圖1 37鑲鋼貼塑導軌結(jié)構(gòu) 106 圖1 38鑲鋼導軌與聚四氟乙烯貼塑帶 107 b 鑄鐵 貼塑面導軌 這種導軌的工作原理與鑲鋼貼塑導軌工作原理完全相同 只是結(jié)構(gòu)更加簡單 成本低 一般用于普通數(shù)控車床或中小型數(shù)控銑床 而鑄鐵 貼塑面導軌的結(jié)構(gòu)又廣泛的采用 一平一V 的形式 因為這種 V 型槽有自動定位的功能 去掉了鑲條壓板等機構(gòu) c 其他形式的滑動導軌 除上述兩種情況之外 一些中小型數(shù)控機床的導軌還采用鑄鐵 鑄鐵 鑄鐵 巴士合金 錫青銅 非金屬涂層等多種滑動導軌 108 滾動導軌 即運動導軌和支撐導軌之間是滾動摩擦形式 它們又細分為以下幾種 a 直線導軌 直線滾動導軌主要由導軌體 滑塊 防塵刮板等組成 如圖1 39所示 b 滾動導軌 滾動導軌的另一種形式是在支撐導軌和動導軌之間通過滑塊滾動體作為介質(zhì)使支撐導軌和動導軌產(chǎn)生相對運動 滾動導軌塊的結(jié)構(gòu)如圖1 40所示 109 圖1 40滾動導軌塊結(jié)構(gòu) 110 靜壓導軌 液體靜壓導軌是將具有一定壓力的油液經(jīng)節(jié)流器輸送到導軌面的油腔 形成承載油膜 將相互接觸的金屬表面隔開 實現(xiàn)液體摩擦 這種導軌的摩擦因數(shù)小 約0 0005 機械效率高 由于導軌面間有一層油膜 吸振性好 導軌面不相互接觸 不會磨損 壽命長 而且在低速下運行也不易產(chǎn)生爬行 靜壓導軌按導軌形式可分為開式和閉式兩種 圖1 41和圖1 42所示分別為它們的原理圖 按供油方式分為恒壓 即定壓 供油和恒流 即定量 供油兩種 111 圖1 41開式液體靜壓導軌圖1 42閉式液體靜壓導軌 112 另外 還有以空氣為介質(zhì)的空氣靜壓導軌 也稱氣浮導軌 三 數(shù)控車床的自動換刀機構(gòu)數(shù)控車床上使用的回轉(zhuǎn)刀架是一種最簡單的自動換刀裝置 根據(jù)加工對象不同 有四方刀架 六角刀架和八 或更多 工位的圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式 回轉(zhuǎn)刀架上分別安裝四把 六把或更多刀具 并按數(shù)控裝置的指令換刀 113 回轉(zhuǎn)刀架按其工作原理可分為機械螺母升降轉(zhuǎn)位 十字槽輪轉(zhuǎn)位 凸臺棘爪式 電磁式 液壓式等多種工作方式 其換刀的過程一般均為刀架抬起 刀架轉(zhuǎn)位 刀架壓緊并定位等幾個步驟 1 四方回轉(zhuǎn)刀架圖1 43所示為一螺旋升降式四方刀架 其換刀過程如下 刀架抬起 當數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后 電動機23正轉(zhuǎn) 并經(jīng)聯(lián)軸器16 軸17 由滑鍵 或花鍵 帶動蝸桿19 蝸輪2 軸1 軸套10轉(zhuǎn)動 10的外圓上有兩處凸起 可在套筒9內(nèi)孔中的螺旋槽內(nèi)滑動 從而舉起與9相連的刀架8及上端齒盤6 使6與下端齒盤5分開 完成刀架抬起動作 114 圖1 43螺旋升降式四方刀架 115 刀架轉(zhuǎn)位 刀架抬起后 軸套10仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動 同時帶動刀架8轉(zhuǎn)過90 如不到位 刀架還可繼續(xù)轉(zhuǎn)位180 270 360 并由微動開關20發(fā)出信號給數(shù)控裝置 刀架壓緊 刀架轉(zhuǎn)位后 由微動開關發(fā)出的信號使電動機23反轉(zhuǎn) 銷13使刀架8定位而不隨軸套10回轉(zhuǎn) 于是刀架8向下移動 上下端齒盤合攏壓緊 蝸桿19繼續(xù)轉(zhuǎn)動則產(chǎn)生軸向位移 壓縮彈簧22 套筒21的外圓曲面壓縮開關20使電動機23停止旋轉(zhuǎn) 從而完成一次轉(zhuǎn)位 116 圖1 44數(shù)控車床六角回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu) 117 2 六角回轉(zhuǎn)刀架圖1 44所示為數(shù)控車床的六角回轉(zhuǎn)刀架 適用于盤類零件的加工 在加工軸類零件時 可以換成四方刀架 由于兩者底部的安裝尺寸相同 更換刀架十分方便 六角回轉(zhuǎn)刀架的全部動作由液壓系統(tǒng)通過電磁換向閥和順序閥進行控制 它的動作分為4個步驟 刀架抬起 當數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后 壓力油由A進入壓緊液壓缸的下腔 活塞1上升 刀架體2抬起使定位活動插銷10與固定插銷9脫開 同時 活塞桿下端的端齒離合器與空套齒輪5結(jié)合 118 刀架轉(zhuǎn)位 當?shù)都芴鹬?壓力油從C孔轉(zhuǎn)入液壓缸左腔 活塞6向右移動 通過連接板帶動齒條8移動 使空套齒輪5做逆時針方向轉(zhuǎn)動 通過端齒離合器使刀架轉(zhuǎn)過60 活塞的行程應等于齒輪5節(jié)圓周長的1 6 并由限位開關控制 刀架壓緊 刀架轉(zhuǎn)位之后 壓力油從B孔進入壓緊液壓缸的上腔 活塞1帶動刀架體2下降 零件3的底盤上精確地安裝著6個帶斜楔的圓柱固定插銷9 利用活動插銷10消除定位銷與孔之間的間隙 實現(xiàn)可靠定位 刀架體2下降時 定位活動插銷10與另一個固定插銷9卡緊 同時零件3與零件4的錐面 119 接觸 刀架在新的位置定位并壓緊 這時 端齒離合器與空套齒輪5脫開 轉(zhuǎn)位液壓缸復位 刀架壓緊之后 壓力油從D孔進入轉(zhuǎn)位液壓缸右腔 活塞6帶動齒條復位 由于此時端齒離合器已脫開 齒條帶動齒輪3在軸上空轉(zhuǎn) 如果定位和壓緊動作正常 推桿11與相應的觸頭12接觸 發(fā)出信號表示換刀過程已經(jīng)結(jié)束