數(shù)控機床結(jié)構(gòu)及應用(第3章)

數(shù)控機床結(jié)構(gòu)及應用 主講 江桂云 重慶大學機械學院 第三章數(shù)控銑床 一 概述二 數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)及總體布局三 數(shù)控銑床的傳動及其結(jié)構(gòu)特點四 數(shù)控銑床的輔助裝置 1概述 數(shù)控銑床的主要功能 數(shù)控銑床的分類 數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)特點 數(shù)控銑床適合于各種箱體類和板類零件的加工 它的機械結(jié)構(gòu) 除基礎部件外 還包括 主傳動系統(tǒng) 進給傳動系統(tǒng) 實現(xiàn)工件回轉(zhuǎn) 定位的裝置和附件 實現(xiàn)某些部件動作和輔助功能的系統(tǒng)和裝置 如液壓 氣動 潤滑 冷卻等系統(tǒng)和排屑 防護等裝置 特殊功能裝置 如刀具破損監(jiān)視 精度檢測和監(jiān)控裝置 為完成自動化控制功能的各種反饋信號裝置及元件 銑床基礎件稱為銑床大件 它是床身 底座 立柱 橫梁 滑座 工作臺等的總稱 銑床的其他零部件 或固定在基礎件上 或工作時在它的導軌上運動 銑床通常的分類方法是按主軸的軸線方向來分 若垂直于水平面則稱之為數(shù)控立式銑床 若平行于水平面則稱之為數(shù)控臥式銑床 還有立臥兩用的數(shù)控銑床 但較為少見 而數(shù)控立式銑床是數(shù)控銑床中數(shù)量最多的一種 應用范圍最為廣泛 小型數(shù)控銑床一般都采用工作臺移動 升降及主軸轉(zhuǎn)動方式 與普通立式升降臺銑床機構(gòu)相似 中型數(shù)控立式銑床一般采用縱向和橫向工作臺移動方式 且主軸沿垂直滑板上下運動 大型數(shù)控立式銑床 因要考慮到擴大行程 縮小占地面積及剛性等技術問題 往往采用龍門架移動式 其主軸可以在龍門架的橫向和垂直溜板上運動 而龍門架則沿床身作縱向運動 在使用數(shù)控銑床加工工件時 應該充分考慮數(shù)控銑床的各個功能 就能夠加工許多一般銑床很難加工的工件 與加工中心相比 數(shù)控銑床除了缺少自動換刀功能和刀庫外 其他方面均與加工中心相似 也可以對工件進行鉆 擴 鉸 锪 鏜以及攻螺紋等 但它主要還是用來進行型面的銑削加工 其主要加工對象有以下幾種 3 1 1數(shù)控銑床的主要功能 l 平面類零件如圖3 1所示為典型的平面類零件 其特點是 各加工單元面是平面或可以展開為平面 數(shù)控銑床加工的絕大多數(shù)零件屬于平面類零件 2 曲面類零件加工面為空間曲面的零件稱為曲面類零件 又稱立體類零件 其特點是 加工面不能展開為平面 加工面始終與銑刀點接觸 加工曲面類零件的數(shù)控銑床一般采用三坐標數(shù)控銑床 3 變斜角類零件加工面與水平面的夾角呈連續(xù)變化的零件稱為變斜角類零件 其特點是 加工面不能展開為平面 但在加工中 加工面與銑刀圓周接觸的瞬間為一條直線 加工這類零件最好采用四坐標或五坐標數(shù)控銑床擺角加工 數(shù)控銑床可以分為以下三類 l 立式數(shù)控銑床立式數(shù)控銑床一般可以進行三坐標聯(lián)動加工 目前三坐標數(shù)控立式銑床占大多數(shù) 此外 還有的機床主軸可以繞X Y 坐標軸中其中一個或兩個作數(shù)控回轉(zhuǎn)運動的四坐標和五坐標數(shù)控立式銑床 一般來說 機床控制的坐標軸越多 尤其是要求聯(lián)動的坐標軸越多 機床的功能 加工范圍及可選擇的加工對象也越多 但隨之而來的就是機床結(jié)構(gòu)更加復雜 對數(shù)控系統(tǒng)的要求更高 編程難度更大 設備的價格也更高 數(shù)控立式銑床也可以附加數(shù)控轉(zhuǎn)盤 采用自動交換臺 增加靠模裝置等來擴大它的功能 加工范圍及加工對象 進一步提高生產(chǎn)效率 3 1 2數(shù)控銑床的分類 2 臥式數(shù)控銑床該類數(shù)控銑床與通用臥式銑床相同 其主軸軸線平行于水平面 為了擴大加工范圍和擴充功能 臥式數(shù)控銑床通常采用增加數(shù)控轉(zhuǎn)盤或萬能數(shù)控轉(zhuǎn)盤來實現(xiàn)四 五坐標加工 如圖3 2所示 這樣不但工件側(cè)面上的連續(xù)回轉(zhuǎn)輪廓可以加工出來 而且可以實現(xiàn)在一次安裝中 通過轉(zhuǎn)盤改變工位 進行 四面加工 尤其是萬能數(shù)控轉(zhuǎn)盤可以把工件上各種不同的角度或空間角度的加工面擺成水平來加工 這樣 可以省去很多專用夾具或?qū)Ｓ媒嵌鹊某尚毋姷?對于箱體類零件或需要在一次安裝中改變工位的工件來說 選擇帶數(shù)控轉(zhuǎn)盤的臥式數(shù)控銑床進行加工是非常合適的 由于臥式數(shù)控銑床在增加了數(shù)控轉(zhuǎn)盤后很容易做到對工件進行 四面加工 在許多方面勝過帶數(shù)控轉(zhuǎn)盤的立式數(shù)控銑床 所以目前己得到很多用戶的重視 3 立 臥兩用數(shù)控銑床目前 這類銑床正在逐步增多 由于這類銑床的主軸方向可以更換 能達到在一臺機床上既可以進行立式加工 又可以進行臥式加工 使其應用范圍更廣 功能更全 選擇加工對象的余地更大 給用戶帶來了很大的方便 尤其是當生產(chǎn)批量小 品種多 又需要立 臥兩種方式加工時 用戶只需購買一臺這樣的機床就可以了 圖3 3表示出一臺立 臥兩用數(shù)控銑床的兩種使用狀態(tài) 圖3 3a所示是機床處于臥式加工狀態(tài) 圖3 3b所示是機床處于立式加工狀態(tài) 立 臥兩用數(shù)控銑床的主軸方向的變換有手動和自動兩種方式 采用數(shù)控萬能主軸頭的立 臥兩用數(shù)控銑床 其主軸頭可以任意變換方向 可以加工出與水平面呈各種不同角度的工件表面 當立 臥兩用數(shù)控銑床增加數(shù)控轉(zhuǎn)盤后 就可以實現(xiàn)對工件的 五面加工 即除了工件與轉(zhuǎn)盤接觸的定位面外 其他表面都可以在一次安裝中進行加工 因此 其加工性能非常優(yōu)越 l 高剛度和高抗振性銑床剛度是銑床的技術性能之一 它反映了銑床結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力 根據(jù)銑床所受載荷性質(zhì)的不同 銑床在靜態(tài)力作用下所表現(xiàn)的剛度稱為銑床的靜剛度 銑床在動態(tài)力作用下所表現(xiàn)的剛度稱為銑床的動剛度 在銑床性能測試中常用銑床柔度來說明銑床的該項性能 柔度是剛度的倒數(shù) 為滿足數(shù)控銑床高速度 高精度 高生產(chǎn)率 高可靠性和高自動化的要求 與普通銑床比較 數(shù)控銑床應有更高的靜 動剛度 更好的抗振性 提高數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)剛度的措施主要有以下幾種 3 1 3數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)特點 提高銑床構(gòu)件的靜剛度和固有頻率 改善薄弱環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)或布局 以減少所承受的彎曲負載和轉(zhuǎn)矩負載 例如 數(shù)控銑床的主軸箱或滑枕等部件 可采用卸荷裝置來平衡載荷 以補償部件引起的靜力變形 常用的卸荷裝置有重錘和平衡液壓缸 改善構(gòu)件間的接觸剛度和銑床與地基連結(jié)處的剛度等 2 改善數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)的阻尼特性 在大件內(nèi)腔充填泥芯和混凝土等阻尼材料 在振動時因相對摩擦力較大而耗散振動能量 也可采用阻尼涂層法 即在大件表面噴涂一層具有高內(nèi)阻尼和較高彈性的粘滯彈性材料來增大阻尼比 3 采用新材料和鋼板焊接結(jié)構(gòu) 2 減少銑床熱變形的影響銑床的熱變形是影響銑床加工精度的重要因素之一 由于數(shù)控銑床主軸轉(zhuǎn)速 進給速度遠高于普通銑床 而大切削量產(chǎn)生的熾熱切屑對工件和銑床部件的熱傳導影響遠比普通銑床嚴重 而熱變形對加工精度的影響往往難以修正 因此 操作者應特別重視減少數(shù)控銑床熱變形的影響 常用措施有以下幾種 l 改進銑床布局和結(jié)構(gòu) 采用熱對稱結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)相對熱源是對稱的 在產(chǎn)生熱變形時 其工件或者刀具回轉(zhuǎn)中心對稱線的位置基本保持不變 因而可以減少對加工件的精度影響 采用傾斜床身和斜滑板結(jié)構(gòu) 采用熱平衡措施 2 控制溫度 對銑床發(fā)熱部位 如主軸箱等 采用散熱 風冷和液冷等控制溫升的辦法來吸收熱源發(fā)出的熱量 這是各類數(shù)控銑床上廣泛采用的一種減少熱變形影響的對策 3 對切削部位采取強冷措施 在大切削量切削加工時 落在工作臺 床身等部件上的熾熱切屑是重要的熱源 現(xiàn)在數(shù)控銑床普遍采用多噴嘴 大流量冷卻液來冷卻并排出這些熾熱的切屑 并對冷卻液用大容量循環(huán)散熱或用冷卻裝置制冷以控制溫升 熱位移補償 預測熱變形規(guī)律 建立數(shù)學模型存入計算機中進行實時補償 3 傳動系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)簡化數(shù)控銑床的主軸驅(qū)動系統(tǒng)和進給驅(qū)動系統(tǒng) 分別采用交流 直流主軸電動機和伺服電動機驅(qū)動 這兩類電動機調(diào)速范圍大 并可無級調(diào)速 因此使主軸箱 進給變速箱及傳動系統(tǒng)大為簡化 箱體結(jié)構(gòu)簡單 齒輪 軸承和軸類零件數(shù)量大為減少甚至不用齒輪 由電動機直接帶動主軸或進給滾珠絲杠 4 高傳動效率和無間隙傳動裝置數(shù)控銑床在高進給速度下 工作要求平穩(wěn) 并有高定位精度 因此 對進給系統(tǒng)中的機械傳動裝置和元件要求具有高壽命 高剛度 無間隙 高靈敏度和低摩擦阻力的特點 目前 數(shù)控銑床進給驅(qū)動系統(tǒng)中常用的機械裝置主要有三種 滾珠絲杠副 靜壓蝸桿 蝸輪條機構(gòu)和預加載荷雙齒輪 齒條 5 低摩擦系統(tǒng)的導軌銑床導軌是銑床的基本結(jié)構(gòu)之一 銑床加工精度和使用壽命在很大在程度上決定于銑床導軌的質(zhì)量 表現(xiàn)在高速進給時不振動 低速進給時不爬行 靈敏度高 能在重載下長期連續(xù)工作 耐磨性要高 精度保持性要好等 現(xiàn)代數(shù)控銑床使用的導軌 和普通銑床的導軌類似 主要采用滑動導軌 滾動導軌和靜壓導軌三種 但在材料和結(jié)構(gòu)上已發(fā)生了質(zhì)的變化 數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)及總體布局 總布局與工件形狀 尺寸和重量的關系 運動分配與部件的布局 總布局與銑床的結(jié)構(gòu)性能 銑床的使用要求與總布局 數(shù)控銑床加工工件時 與普通銑床一樣 由刀具或者工件進行主運動 由刀具與工件進行相對的進給運動 以加工一定形狀的工件表面 不同的工件表面 往往需要采用不同類型的刀具與工件一起作不同的表面成形運動 因而就產(chǎn)生了不同類型的數(shù)控銑床 銑床的這些運動 必須由相應的執(zhí)行部件 如主運動部件 直線或圓周進給部件 以及一些必要的輔助運動 如轉(zhuǎn)位 夾緊 冷卻及潤滑 部件等來完成 數(shù)控銑床由上述的各類部件組成 但是在決定它們的相互關系 即確定銑床的總體布局時 需要考慮多方面的問題 一方面是要從銑床的加工原理即銑床各部件的相對運動關系 結(jié)合考慮工件的形狀 尺寸和重量等因素 來確定各主要部件之間的相對位置關系和配置 另一方面還要全面考慮銑床的外部因素 例如外觀形狀 操作維修 生產(chǎn)管理和人機關系等問題對銑床總布局的要求 多數(shù)數(shù)控銑床的總體布局與和它類似的普通銑床的總布局是基本相同或相似的 并且已經(jīng)形成了傳統(tǒng)的 經(jīng)過考驗的固定形式 只是隨著生產(chǎn)要求與科學技術的發(fā)展 還會不斷有所改進 數(shù)控銑床的總體布局是銑床設計中帶有全局性的問題 它的好壞對銑床的制造和使用都有很大的影響 然而 由于銑床的種類繁多 使用要求各異 加之對銑床有不同的認識 即使是同一用途的銑床 其結(jié)構(gòu)形式與總布局的方案也可以是多種多樣的 因此 要歸納一些系統(tǒng)的與普遍適用的數(shù)控銑床總布局的規(guī)律是較困難的 下述的一些問題 可以作為數(shù)控銑床總體布局設計時的參考 加工工件所需要的運動僅僅是相對運動 因此 對部件的運動分配可以有多種方案 有的可以由工件來完成主運動而由刀具來完成進給運動 有的正好相反 由刀具完成主運動而由工件完成進給運動 而銑削加工時 進給運動可以由工件運動也可以由刀具運動來完成 或者部分由工件運動 部分由刀具運動來完成 這樣就影響到了部件的配置和總體關系 當然 這就取決于被加工工件的尺寸 形狀和重量 3 2 1總布局與工件形狀 尺寸和重量的關系 如圖 所示 同是用于銑削加工的銑床 根據(jù)工件的重量和尺寸的不同 可以有四種不同的布置方案 圖3 4a是加工件較輕的升降臺銑床 由工件完成三個方向的進給運動 分別由工作臺 滑鞍和升降臺來實現(xiàn) 當加工件較重或者尺寸較高時 則不宜由升降臺帶著工件作垂直方向的進給運動 而是改由銑頭帶著刀具來完成垂直進給運動 如圖3 4b所示 這種布局方案銑床的尺寸參數(shù)和加工尺寸范圍可以取得大一些 圖3 4c所示龍門式數(shù)控銑床 工作臺載著工件作一個方向的進給運動 其他兩個方向的進給運動由多個刀架即銑頭部件在立柱與橫梁上移動來完成 這樣的布局不僅適用于重量大的工件加工 而且由于增多了銑頭 使銑床的生產(chǎn)效率得到很大的提高 加工更大更重的工件時 由工件作進給運動 在結(jié)構(gòu)上是難于實現(xiàn)的 因此 采用如圖3 4d所示的布局方案 全部進給運動均由銑頭運動來完成 這種布局形式可以減小銑床的結(jié)構(gòu)尺寸和重量 數(shù)控銑床的運動數(shù)目 尤其是進給運動數(shù)目的多少 直接與表面成形運動和銑床的加工功能有關 運動的分配與部件的布局是銑床總布局的中心問題 以數(shù)控鏜銑床為例 一般都有四個進給運動的部件 要根據(jù)加工的需要來配置這四個進給運動部件 3 2 2運動分配與部件的布局 如果需要對工件的頂面進行加工 則銑床主軸應布置成立式的 如圖3 5a所示 在三個直線進給坐標之外 再在工作臺上加一個既可立式也可臥式安裝的數(shù)控轉(zhuǎn)臺或分度工作臺作為附件 如果需要對工件的多個側(cè)面進行加工 則主軸應布局成臥式的 同樣是在三個直線進給坐標之外 以便在一次裝夾時集中完成多面的銑 鏜 鉆 鉸 攻螺紋等多工序加工 如圖3 5b c所示 在數(shù)控銑床上用面銑刀加工空間曲面型工件 是一種最復雜的加工情況 除主運動以外 一般需要有三個直線進給坐標X Y Z 以及兩個回轉(zhuǎn)進給坐標 以保證刀具軸線向量處與被加工表面的法線重合 這就是所謂的五軸聯(lián)動的數(shù)控銑床 由于進給運動的數(shù)目較多 而且加工工件的形狀 大小 重量和工藝要求差異也很大 因此 這類數(shù)控銑床的布局形式更是多種多樣 很難有某種固定的布局模式 在布局時可以遵循的原則是 獲得較好的加工精度 表面粗糙度和較高的生產(chǎn)率 轉(zhuǎn)動坐標的擺動中心到刀具端面的距離不要過大 這樣可使坐標軸擺動引起的刀具切削點直角坐標的改變量小 最好是能布局成擺動時只改變刀具軸線向量的方位 而不改變切削點的坐標位置 工件的尺寸與重量較大時 擺角進給運動由裝有刀具的部件來完成 其目的是要使擺動坐標部件的結(jié)構(gòu)尺寸較小 重量較輕 兩個擺動坐標的合成矢量應能在半個空間范圍的任意方位變動 同樣 布局方案應保證銑床各部件或總體上有較好的結(jié)構(gòu)剛度 抗振性和熱穩(wěn)定性 由于擺動坐標帶著工件或刀具擺動的結(jié)果 將使加工工件的尺寸范圍有所減少 這一點也是在總布局時需要考慮的問題 數(shù)控銑床的總體布局應能同時保證銑床具有良好的精度 剛度 抗振性和熱穩(wěn)定性等結(jié)構(gòu)性能 圖3 6所示的幾種數(shù)控臥式銑床 其運動要求與加工功能是相同的 但是結(jié)構(gòu)的總體布局卻各不相同 因而其結(jié)構(gòu)性能是有差異的 3 2 3總布局與銑床的結(jié)構(gòu)性能 圖3 6a與圖3 6b的方案采用了T形床身布局 前床身橫置與主軸軸線垂直 立柱帶著主軸箱一起作Z坐標進給運動 主軸箱在立柱上作Y向進給運動 T形床身布局的優(yōu)點是 工作臺沿前床身方向作X坐標進給運動 在全部行程范圍內(nèi)工作臺均可支承在床身上 故剛性較好 提高了工作臺承載能力 易于保證加工精度 而且可用較長的工作行程 床身 工作臺及數(shù)控轉(zhuǎn)臺為三層結(jié)構(gòu) 在相同的臺面高度下 比圖3 6c和圖3 6d十字形工作臺的四層結(jié)構(gòu) 更易保證大件的結(jié)構(gòu)剛性 而且在圖3 6c和圖3 6d的十字形工作臺的布局方案中 當工作臺帶著數(shù)控轉(zhuǎn)臺在橫向 即X向 作大距離移動和下滑板作Z向進給時 Z向床身的一條導軌要承受很大偏載 在圖3 6a b的方案中就沒有這一問題 圖3 6a d中 主軸箱裝在框式立柱中間 設計成對稱型結(jié)構(gòu) 圖3 6b和c中 主軸箱懸掛在單立柱的一側(cè) 從受力變形和熱穩(wěn)定性的角度分析 這兩種方案是不同的 框式立柱布局要比單立柱布局少承受一個扭轉(zhuǎn)力矩和一個彎曲矩 因而受力后變形小 有利于提高加工精度 框式立柱布局的受熱與熱變形對稱的 因此 熱變形對加工精度的影響小 所以 一般數(shù)控鏜銑床和自動換刀數(shù)控鏜銑床大都采用這種框式立柱的結(jié)構(gòu)形式 在這四種總布局方案中 都應該使主軸中心線與Z向進給絲杠布置在同一個平面XOY平面內(nèi) 絲杠的進給驅(qū)動與主切削抗力在同一平面內(nèi) 因而扭曲力矩很小 容易保證銑削精度和鏜孔加工的平行度 但是在圖3 6b c中 立柱將偏在Z向滑板中心的一側(cè) 而在圖3 6a d中 立柱和X向橫床身是對稱的 立柱帶著主軸箱作Z向進給運動的方案其優(yōu)點是能使數(shù)控轉(zhuǎn)臺 工作臺和床身為三層結(jié)構(gòu) 但是當銑床的尺寸規(guī)格較大 立柱較高較重 再加上主軸箱部件 將使z軸進給的驅(qū)動功率增大 而且立柱過高時 部件移動的穩(wěn)定性將變差 綜上所述 在加工功能與運動要求相同的條件下 數(shù)控銑床的總布局方案是多種多樣的 以銑床的剛度 抗振性和熱穩(wěn)定性等結(jié)構(gòu)性能作為評價指標 可以判別出布局方案的優(yōu)劣 數(shù)控銑床是一種全自動化的銑床 但是如裝卸工件和刀具 加工中心可以自動裝卸刀具 清理切屑 觀察加工情況和調(diào)整等輔助工作 還得由操作者完成 因此 在考慮數(shù)控銑床總體布局時 除遵循銑床布局的一般原則時 還應該考慮在使用方面的特定要求 3 2 4銑床的使用要求與總布局 l 便于同時操作和觀察數(shù)控銑床的操作按鈕和開關都放在數(shù)控裝置上 對于小型的數(shù)控銑床 將數(shù)控裝置放在銑床的近旁 一邊在數(shù)控裝置上進行操作 一邊觀察銑床的工作情況 還是比較方便的 但是對于尺寸較大的銑床 這樣的布置方案 因工作區(qū)與數(shù)控裝置之間距離較遠 操作與觀察會有顧此失彼的問題 因此 要設置吊掛按鈕站 可由操作者移至需要和方便的位置 對銑床進行操作和觀察 對于重型數(shù)控銑床這一點尤為重要 在重型數(shù)控銑床上 總是設有接近銑床工作區(qū)域 刀具切削加工區(qū) 并且可以隨工作區(qū)變動而移動的操作臺 吊掛按鈕站或數(shù)控裝置應放置在操作臺上 以便同時進行操作和觀察 2 數(shù)控銑床的刀具和工件的裝卸及夾緊松開 均由操作者來完成 要求易于接近裝卸區(qū)域 而且裝夾機構(gòu)要省力簡便 3 數(shù)控銑床的效率高 切屑多 排屑是個很重要的問題 銑床的結(jié)構(gòu)布局要便于排屑 近年來 由于大規(guī)模集成電路 微處理機和微型計算機技術的發(fā)展 使數(shù)控裝置和強電控制電路日趨小型化 不少數(shù)控裝置將控制計算機 按鍵 開關 顯示器等集中裝在吊掛按鈕站上 其他的電器部分則集中或分散與主機的機械部分裝成一體 而且還采用氣 液傳動裝置 省去液壓油泵站 這樣就實現(xiàn)了機 電 液一體化結(jié)構(gòu) 從而減少銑床占地面積 又便于操作管理 數(shù)控銑床一般都采用大流量與高壓力的冷卻和排屑措施 銑床的運動部件也采用自動潤滑裝置 為了防止切屑與切削液飛濺 避免潤滑外泄 將銑床做成全封閉結(jié)構(gòu) 只在工作區(qū)處留有可以自動開閉的門窗 用于觀察和裝卸工件 數(shù)控銑床的傳動及其結(jié)構(gòu)特點 數(shù)控銑床的主傳動系統(tǒng) 數(shù)控銑床的進給傳動系統(tǒng) 數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng) 是指將主軸電動機的原動力通過該傳動系統(tǒng)變成可供切削加工用的切削力矩和切削速度 為了適應各種不同材料的加工及各種不同的加工方法 要求數(shù)控銑床的主傳動系統(tǒng)要有較寬的轉(zhuǎn)速范圍及相應的輸出轉(zhuǎn)矩 此外 由于主軸部件直接裝夾刀具來對工件進行切削 因而對加工質(zhì)量 包括加工粗糙度 及刀具壽命有很大的影響 所以對主傳動系統(tǒng)的要求是很高的 為了能高效率地加工出高精度 低粗糙度的工件 必須要有一個具有良好性能的主傳動系統(tǒng)和一個具有高精度 高剛度 振動小 熱變形及噪聲均能滿足需要的主軸部件 3 3 1數(shù)控銑床的主傳動系統(tǒng) 1 主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點數(shù)控銑床的主傳動系統(tǒng)一般采用直流或交流主軸電動機 通過帶傳動和主軸箱的變速齒輪帶動主軸旋轉(zhuǎn) 由于這種電動機調(diào)速范圍廣 又可無級調(diào)速 使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡化 主軸電動機在額定轉(zhuǎn)速時輸出全部功率和最大轉(zhuǎn)矩 隨著轉(zhuǎn)速的變化 功率和轉(zhuǎn)矩將發(fā)生變化 在調(diào)壓范圍內(nèi) 從額定轉(zhuǎn)速調(diào)到最低轉(zhuǎn)速 為恒轉(zhuǎn)矩 功率隨轉(zhuǎn)速成正比例下降 在調(diào)速范圍內(nèi) 從額定轉(zhuǎn)速調(diào)到最高轉(zhuǎn)速 為恒功率 轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高成正比例減小 這種變化規(guī)律是符合正常加工要求的 即低速切削所需轉(zhuǎn)矩大 高速切削消耗功率大 同時也可以看出電動機的有效轉(zhuǎn)速范圍并不一定能完全滿足主軸的工作需要 所以主軸箱一般仍需要設置幾檔變速 2 4檔 機械變檔一般采用液壓缸推動滑移齒輪實現(xiàn) 這種方法結(jié)構(gòu)簡單 數(shù)控銑床 性能可靠 一次變速只需1s 有些小型的或者調(diào)速范圍不需太大的也常采用由電動機直接帶動主軸或用帶傳動使主軸旋轉(zhuǎn) 為了滿足主傳動系統(tǒng)的高精度 高剛度和低噪聲的要求 主軸箱的傳動齒輪都要經(jīng)過高速滑移齒輪 一般都用花鍵傳動 采用內(nèi)徑定心 側(cè)面定心的花鍵對降低噪聲更為有利 因為這種定心方式傳動間隙小 接觸面大 但加工需要專門的刀具和花鍵磨床 帶傳動容易產(chǎn)生振動 在傳動帶長度不一致的情況下更嚴重 因此 在選擇傳動帶時 應盡可能縮短帶的長度 如因結(jié)構(gòu)限制 帶長度無法縮短時 可增設壓緊輪 將帶張緊 以減少振動 2 主傳動系統(tǒng)的分類為了適應不同的加工要求 目前主傳動系統(tǒng)大致可以分為三類 l 二級以上變速的主傳動系統(tǒng)變速裝置多采用齒輪變速結(jié)構(gòu) 圖3 7a所示是使用滑移齒輪實現(xiàn)二級變速的主傳動系統(tǒng) 滑移齒輪的移位大都采用液壓缸和撥叉或直接由液壓缸帶動齒輪來實現(xiàn) 因數(shù)控銑床使用可調(diào)無級變速交流 直流電動機 所以經(jīng)齒輪變速后 實現(xiàn)分段無級變速 調(diào)速范圍增加 其優(yōu)點是能夠滿足各種切削運動的轉(zhuǎn)矩輸出 且具有較大范圍調(diào)節(jié)速度的能力 但由于結(jié)構(gòu)復雜 需要增加潤滑及溫度控制裝置 成本較高 此外制造和維修也比較困難 圖3 8所示是一種典型的二級齒輪變速主軸結(jié)構(gòu) 2 一級變速器的主傳動系統(tǒng)目前多采用帶 同步齒形帶 傳動裝置 如圖3 7b所示 其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單 安裝調(diào)試方便 且在一定條件下能滿足轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的輸出要求 但系統(tǒng)的調(diào)速范圍與電動機一樣 受電動機調(diào)速范圍的約束 這種傳動方式可以避免齒輪傳動時引起的振動與噪聲 適用于低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸 3 調(diào)速電動機直接驅(qū)動的主傳動系統(tǒng)如圖3 7c所示 其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊 占用空間少 轉(zhuǎn)換頻率高 但是主軸轉(zhuǎn)速的變化及轉(zhuǎn)矩的輸出和電動機的輸出特性完全一致 因而使用受到限制 3 主軸部件結(jié)構(gòu) l 對數(shù)控銑床主軸部件的要求數(shù)控銑床的主軸部件是銑床重要組成部分之一 除了與普通銑床一樣要求其具有良好的旋轉(zhuǎn)精度 靜剛度 抗振性 熱穩(wěn)性及耐磨性外 由于數(shù)控銑床在加工過程中不進行人工調(diào)整 且數(shù)控銑床要求的轉(zhuǎn)速更高 功率更大 所以數(shù)控銑床的主軸部件在上述幾方面要求更高 更嚴格 2 主軸軸承常用配置形式1 采用雙列圓柱滾軸承和角接觸球軸承組合 如圖3 9a所示 此配置形式使主軸綜合剛度大大提高 可滿足強力切削的要求 普遍應用于各類數(shù)控銑床 2 前軸承采用高精度調(diào)心球軸承 如圖3 9b所示 具有較好的高速性能 主軸最高轉(zhuǎn)速可達4000r min 但承載能力小 適用于高速 輕載和精密的主軸部件 3 雙列和單列圓錐滾子軸承作為主軸前后支承 如圖3 9c所示 徑向和軸向剛度高 可承受重載荷 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)控銑床主軸 另外 對精密 超精密銑床主軸 數(shù)控磨床主軸 可采用液體靜壓軸承和動壓軸承 對于要求更高轉(zhuǎn)速的主軸 可以采用空氣靜壓軸承 這種軸承可達每分種幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速 并有非常高的回轉(zhuǎn)精度 對于主軸夾持刀具回轉(zhuǎn)的數(shù)控機床 如數(shù)控銑床和鏜床及以鏜銑為主的加工中心等 為了實現(xiàn)刀具的快速或自動裝卸 主軸上往往裝有刀具自動裝卸 主軸準停和主軸孔內(nèi)切屑自動清除等裝置 4 數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)及主軸部件結(jié)構(gòu)實例圖3 10為銑床傳動系統(tǒng)圖 傳動系統(tǒng)包括主運動和進給運動兩部分 l 主運動XK5040A型數(shù)控銑床的主運動由7 5kw 1450r min的主電動機驅(qū)動 經(jīng)帶傳動I II軸間的三聯(lián)滑移齒輪變速組 II III軸間的三聯(lián)滑移齒輪變速組和III IV軸間雙聯(lián)滑移齒輪變速組傳至IV軸 再經(jīng)IV 軸間的一對錐齒輪副及V VI上的一對圓柱齒輪傳至主軸VI 使主軸獲得18級轉(zhuǎn)速 主運動的傳動路線表達式如下 2 進給運動進給運動有工作臺縱向 橫向和垂直三個方向的運動 l 縱向 橫向進給運動 有FB 直流伺服電動機驅(qū)動 經(jīng)圓柱齒輪傳動帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動 通過絲杠螺母機構(gòu)實現(xiàn) 2 垂直方向進給運動 由FB 25直流伺服電動機驅(qū)動 經(jīng)齒輪傳動帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動 實現(xiàn)垂向進給的伺服電動機帶制動器 當斷電時Z向剎緊 以防止升降臺因自重而下滑 升降臺自動平衡裝置結(jié)構(gòu)如圖3 11所示 由摩擦離合器和單向超越離合器構(gòu)成 其工作原理如下 當錐齒輪轉(zhuǎn)動時 通過錐銷帶動單向超越離合器的星輪2 工作臺上升時 星輪的轉(zhuǎn)向是使?jié)L子3和超越離合器的外殼4脫開的方向 外殼不轉(zhuǎn)摩擦片不起作用 當工作臺下降時 星輪的轉(zhuǎn)向使?jié)L子3楔在星輪和超越離合器的外殼4之間 超越離合器的外殼4隨著錐齒輪l一起轉(zhuǎn)動 經(jīng)過花鍵與外殼連在一起的內(nèi)摩擦片與固定的外摩擦片之間產(chǎn)生相對運動 由于內(nèi)外摩擦片之間由彈簧壓緊 有一定摩擦阻力 所以起到阻尼作用 上升與下降的力量得以平衡 因為滾珠絲杠無自鎖作用 在一般情況下 垂直放置的滾珠絲杠會因為部件的自重作用而自動下落 所以必須有阻尼或鎖緊機構(gòu) XK5040A型數(shù)控銑床選用了帶制動器的伺服電動機 阻尼力量的大小即摩擦離合器的松緊 可由螺母5調(diào)整 調(diào)整前應先松開螺母5的鎖緊螺釘6 1 對進給系統(tǒng)的性能要求進給系統(tǒng)即進給驅(qū)動裝置 驅(qū)動裝置是指將伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)楣ぷ髋_直線運動的整個機械傳動鏈 主要包括減速裝置 絲杠螺母副及導向元件等 數(shù)控銑床通常對進給系統(tǒng)的要求有三點 傳動精度 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應特性 靈敏度 傳動精度包括動態(tài)誤差 穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差 即伺服系統(tǒng)的輸入量與驅(qū)動裝置實際位移量的精確程度 系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在啟動狀態(tài)或受外界干擾作用下 經(jīng)過幾次衰減振蕩后 能迅速地穩(wěn)定在新的或原來的平衡狀態(tài)的能力 動態(tài)響應特性是指系統(tǒng)的響應時間以及驅(qū)動裝置的加速能力 3 3 2數(shù)控銑床的進給傳動系統(tǒng) 為確保數(shù)控銑床進給系統(tǒng)的傳動精度 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應特性 對驅(qū)動裝置機械結(jié)構(gòu)總要求是消除間隙 減少摩擦 減少運動慣量 提高部件精度和剛度 具體措施通常是采用低摩擦的傳動副 如減摩滑動導軌 滾動導軌及靜壓導軌 滾珠絲杠等 保證機械部件的精度 采用合理的預緊 合理的支承形式以提高傳動系統(tǒng)的剛度 選用最佳降速比以提高銑床的分辨率 并使系統(tǒng)折算到驅(qū)動軸上的慣量減少 盡量消除傳動間隙 減小反向死區(qū)誤差 提高位移精度等 2 滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副是回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)換的傳動裝置 在數(shù)控銑床上得到了廣泛應用 它的結(jié)構(gòu)特點是在具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動元件 以減少摩擦 工作原理如圖3 12所示 圖中絲杠和螺母上都加工有圓弧形的螺旋槽 當它們對合起來就形成了螺旋滾道 在滾道內(nèi)裝有滾珠 當絲杠與螺母相對運動時 滾珠沿螺旋槽向前滾動 在絲杠上滾過數(shù)圈以后通過回程引導裝置 逐個地又滾回到絲杠和螺母之間 構(gòu)成一個閉合的回路管道 滾珠絲杠副的優(yōu)點是摩擦因數(shù)小 傳動效率高 可達0 92 0 96 所需傳動轉(zhuǎn)矩小 靈敏度高 傳動平穩(wěn) 不易產(chǎn)生爬行 隨動精度和定位精度高 磨損小 壽命長 精度保持性好 可通過預緊和間隙消除措施提高軸向剛度和反向精度 運動具有可逆性 不僅可以將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動 也可將直線運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動 缺點是制造工藝復雜 成本高 在垂直安裝時不能自鎖 因而需附加制動機構(gòu) l 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)滾珠絲杠的螺紋滾道法向截面有單圓弧和雙圓弧兩種不同的形狀 如圖3 13所示 其中單圓弧加工工藝簡單 雙圓弧加工工藝較復雜 但性能較好 滾珠的循環(huán)方式有外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種 滾珠在返回過程中與絲杠脫離接觸的為外循環(huán) 滾珠在循環(huán)過程中與絲杠始終接觸的為內(nèi)循環(huán) 在內(nèi) 外循環(huán)中 滾珠在同一螺母上只有一個回路管道的叫單循環(huán) 有兩個回路管道的叫雙列循環(huán) 循環(huán)中的滾珠叫工作滾珠 工作滾珠所走過的滾道圈數(shù)叫工作圈數(shù) 外循環(huán)滾珠絲杠副按滾珠循環(huán)時的返回方式主要有插管式和螺旋槽式 圖3 14a所示為插管式 它用彎管作為返回管道 這種型式結(jié)構(gòu)工藝性好 但由于管道突出于螺母體外 徑向尺寸較大 圖3 14b所示為螺旋槽式 它是在螺母外圓上銑出螺旋槽 槽的兩端鉆出通孔并與螺紋滾道相切 形成返回通道 這種型式的結(jié)構(gòu)比插管式結(jié)構(gòu)徑向尺寸小 但制造上較為復雜 圖3 15為內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu) 在螺母的側(cè)孔中裝有圓柱凸鍵式反向器 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) 一般一個螺母上裝有2 4個反向器 反向器沿螺母圓周等分分布 其優(yōu)點是徑向尺寸緊湊 剛性好 因其返回滾道較短 摩擦損失小 缺點是反向器加工困難 2 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整滾珠絲杠的傳動間隙是軸向間隙 為了保證反向傳動精度和軸向剛度 必須消除軸向間隙 消除間隙的方法常采用雙螺母結(jié)構(gòu) 使兩個滾珠螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個相反的側(cè)面上 用這種方法預緊消除軸向間隙時 應注意預緊力不宜過大 預緊力過大會使空載力矩增加 從而降低傳動效率 縮短使用壽命 此外 還要消除絲杠安裝部分和驅(qū)動部分的間隙 常用的雙螺母絲杠消除間隙方法如下 l 墊片調(diào)隙式 如圖3 16所示 調(diào)整墊片厚度使左右兩螺母產(chǎn)生方向相反位移 使兩個螺母中的滾珠分別緊貼在螺旋滾道的兩個相反的側(cè)面上 即可消除間隙和產(chǎn)生預緊力 這種方法結(jié)構(gòu)簡單 剛性好 但調(diào)整不便 滾道有磨損時不能隨時消除間隙和進行預緊 2 螺紋調(diào)隙式 如圖3 17所示 右螺母4外端有凸緣 而左螺母1左端是螺紋結(jié)構(gòu) 用兩個圓螺母2 3把墊片壓在螺母座上 左 右螺母和螺母座上加工有鍵槽 采用平鍵聯(lián)接 使螺母在螺母座內(nèi)可以軸向滑移而不能相對運動 調(diào)整時 只要擰緊圓螺母3使左螺母1向左滑動 就可以改變兩螺母的間距 即可消除間隙并產(chǎn)生預緊力 螺母2是鎖緊螺母 調(diào)整完畢后 將螺母2和螺母3并緊 可以防止在工作中螺母松動 這種調(diào)整方法具有結(jié)構(gòu)簡單 工作可靠 調(diào)整方便的優(yōu)點 但調(diào)整預緊量不能控制 3 齒差調(diào)隙式 如圖3 18所示 在左 右兩個螺母的凸緣上各加工有圓錐齒輪 分別與左 右內(nèi)齒圈相嚙合內(nèi)齒圈緊固在螺母座左 右端面上 故左 右螺母不能轉(zhuǎn)動 兩螺母凸緣齒輪的齒數(shù)不相等 相差一個齒 調(diào)整時 先取下內(nèi)齒圈 讓兩個螺母相對于螺母座同方向都轉(zhuǎn)動一個齒 然后再插入內(nèi)齒圈并緊固在螺母座上 則兩個螺母便產(chǎn)生相對角位移 使兩螺母軸向間距改變 實現(xiàn)消除間隙和預緊 調(diào)整時 先取下內(nèi)齒圈 讓兩個螺母相對于螺母座同方向都轉(zhuǎn)動一個齒 然后再插入內(nèi)齒圈并緊固在螺母座上 則兩個螺母便產(chǎn)生相對角位移 使兩螺母軸向間距改變 實現(xiàn)消除間隙和預緊 設兩凸緣齒輪的齒數(shù)分別為 滾珠絲杠的導程為t 兩個螺母相對于螺母座同方向轉(zhuǎn)動一個齒后 其軸向位移量例如 滾珠絲杠的導程為t 6mm時 則 這種調(diào)整方法能精確調(diào)整預緊量 調(diào)整方便 可靠 但結(jié)構(gòu)尺寸較大 多用于高精度的傳動 4 單螺母變位螺距預加負荷 如圖3 19所示 它是在滾珠螺母體內(nèi)的兩列循環(huán)滾珠鏈之間使內(nèi)螺紋滾道在軸向產(chǎn)生一個的導程變量 從而使兩列滾珠在軸向錯位實現(xiàn)預緊 這種調(diào)隙方法結(jié)構(gòu)簡單 但導程變量需預先設定且不能改變 圖3 21 a 為僅一端裝推力軸承 這種安裝方式只適應于行程小的短絲杠 它的承載能力小 軸向剛度低 一般用于數(shù)控銑床的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)或升降臺式銑床的垂直坐標進給傳動結(jié)構(gòu) 圖3 21 b 為一端裝推力軸承 另一端裝向心球軸承 此種方法用于絲杠較長的情況 當熱變形造成絲杠伸長時 其一端固定 另一端能作微量的軸向浮動 為減少絲杠熱變形的影響 安裝時應使電動機熱源和絲杠工作時的常用段遠離止推端 圖3 21 c 為兩端裝推力軸承 把推力軸承裝在滾珠絲杠的兩端 并旋加預緊力 可以提高軸向剛度 但這種安裝方式對絲杠的的熱變形較為敏感 圖3 21 d 為兩端裝推力軸承及深溝球軸承 它的兩端均采用雙重支承并旋加預緊 使絲杠具有較大的剛度 這種方式還可使絲杠的溫度變形轉(zhuǎn)化為推力軸承的預緊力 但設計時要求提高推力軸承的承載能力和支架剛度 滾珠絲杠的保護滾珠絲杠副也可用潤滑劑來提高耐磨性及傳動效率 潤滑劑可分為潤滑油和潤滑脂兩大類 潤滑油一般為機械油或 號透平油或140號主軸油 潤滑脂可采用鋰基潤滑脂 潤滑脂一般加在螺紋滾道和安裝螺母的殼體空間內(nèi) 而潤滑油則經(jīng)過殼體上的油孔注入螺母的空間內(nèi) 滾珠絲杠副和其他滾動摩擦的傳動元件一樣 應避免灰塵或切屑污物進入 因此 必須有防護裝置 如果滾珠絲杠副在銑床上外露 應采取封閉的防護罩 如采用螺旋彈簧鋼帶套管 伸縮套管以及折疊式套管等 安裝時將防護罩的一端連接在滾珠螺母的端面 另一端固定在滾珠絲杠的支承座上 如果處于隱蔽的位置 則可采用密封圈防護 密封圈裝在滾珠螺母的兩端 接觸式的彈性密封圈用耐油橡膠或尼龍制成 其內(nèi)孔做成與絲杠螺紋滾道相配合的形狀 接觸式密封圈的防塵效果好 但因有接觸壓力 使摩擦力矩略有增加 非接觸式的密封圈又稱迷宮式密封圈 是用硬質(zhì)塑料制成 其內(nèi)孔與絲杠螺紋滾道的形狀相反 并稍有間隙 這樣可避免摩擦力矩 但防塵效果差 進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除數(shù)控銑床在加工過程中 經(jīng)常變換移動方向 當銑床的進給方向改變時 由于齒側(cè)存在間隙會造成指令脈沖丟失 并產(chǎn)生反向死區(qū)從而影響加工精度 因此 必須采取措施消除齒輪傳動中的間隙 l 直齒圓柱齒輪傳動圖3 22是最簡單的偏心軸套式消除間隙結(jié)構(gòu) 電動機2通過偏心套1安裝在殼體上 轉(zhuǎn)動偏心套使電動機中心軸線的位置向上 而從動齒輪軸線位置固定不變 所以兩嚙合齒輪的中心距減小 從而消除了齒側(cè)間隙 圖3 23是用軸向墊片來消除間隙的結(jié)構(gòu) 兩個嚙合著的齒輪1和2的節(jié)圓直徑沿齒寬方向制成略帶錐度形式 使其齒厚沿軸線方向逐漸變厚 裝配時 兩齒輪按齒厚相反變化走向嚙合 改變調(diào)整墊片3的厚度 使兩齒輪沿軸線方向產(chǎn)生相對位移 從而消除間隙 上述兩方法的特點是結(jié)構(gòu)簡單 能傳遞較大的動力 但齒輪磨損后不能自動消除間隙 圖3 24為雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法 在一對嚙合的齒輪中 其中一個寬齒輪 圖中未示出 另一個由兩薄片齒輪組成 薄片齒輪1和2上各開有周向圓弧糟 并在兩齒輪的槽內(nèi)各壓配有安裝彈簧4的短圓柱3 在彈簧4的作用下使齒輪l和2錯位 分別與寬齒輪的齒槽左 右側(cè)貼緊 消除了齒側(cè)間隙 但彈簧4的張力必須足以克服驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 由于齒輪1和2的軸向圓弧槽及彈簧的尺寸都不能太大 故這種結(jié)構(gòu)不宜傳遞轉(zhuǎn)矩 僅用于讀數(shù)裝置 2 斜齒圓柱齒輪傳動圖3 25為斜齒輪墊片調(diào)整法 其原理與錯齒調(diào)整法相同 斜齒輪1和2的齒形拼裝在一起加工 裝配時在兩薄片齒輪間裝入已知厚度為t的墊片3 這樣它的螺旋線便錯開了 使兩薄片齒輪分別與寬齒輪4的左 右齒面貼緊 消除了間隙墊片3的厚度t與齒側(cè)間隙 的關系可用下式表示 式中 螺旋角 圖3 26為軸向壓簧錯齒調(diào)整法 原理同上 其特點是齒側(cè)隙可以自動補償 但軸向尺寸較大 結(jié)構(gòu)不緊湊 3 錐齒輪傳動錐齒輪同圓柱齒輪一樣可用上述類似的方法來消除齒側(cè)間隙 圖3 27為軸向壓簧調(diào)整法 兩個嚙合著的錐齒輪1和2 其中在裝錐齒輪1的傳動軸5上裝有壓簧3 錐齒輪在彈簧力的作用下可稍作軸向移動 從而消除間隙 彈簧力的大小由螺母4調(diào)節(jié) 圖3 28為周向彈簧調(diào)整法 將一對嚙合錐齒輪中的一個齒輪做成大 小兩片l和2 在大片上制有三個圓弧槽 而在小片的端面上制有三個凸爪6 凸爪6伸入大片的圓弧槽中 彈簧4一端頂在凸爪6上 而另一端頂在鑲塊3上 為了安裝的方便 用螺釘5將大 小片齒圈相對固定 安裝完畢之后將螺釘卸去 利用彈簧力使大 小片錐齒輪稍微錯開 從而達到消除間隙的目的 4 預加負載雙齒輪 齒條傳動在大型數(shù)控銑床 如大型數(shù)控龍門銑床 中 工作臺的行程很長 因此 它的進給運動不宜采用滾珠絲杠副傳動