数控机床的机械结构与传动课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《数控机床的机械结构与传动课件.ppt》由用户(三亚风情)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 数控机床 机械 结构 传动 课件
- 资源描述:
-
1、第五章 本章教学要点知识要点知识要点掌握程度掌握程度相关知识相关知识概述了解数控机床机械结构的特点;掌握对机械结构的基本要求。强力切削、高效加工;高刚度、高精度。数控机床的典型机械结构了解滚珠丝杠螺母结构;掌握齿轮传动间隙消除结构;了解机床导轨;掌握刀库与自动换刀装置;了解回转工作台与分度工作台。滚动摩擦;滑动摩擦;多工位加工;加工中心;动静摩擦系数。数控机床的主传动系统掌握基本要求和变速方式;了解主轴部件的结构;了解电主轴与高速主轴系统。主轴控制;旋转精度;高速主轴。数控机床的进给传动系统掌握对进给传动系统基本要求;熟悉进给传动系统的基本形式;了解直线电机高速进给单元。进给伺服控制;直线运动
2、精度;直线电动机。5.1.1 5.1.1 数控机床机械结构的特点数控机床机械结构的特点 数控机床本体结构是机床的主体部分,虽然也有普通机床所具有的床身、立柱、导轨、工作台、刀架等部件,但为了与数控加工的高精度、高速切削性能相匹配,数控机床在机械结构性能方面具有其自身的特点。数控机床的主体结构具有以下特点:1)简化机械传动、缩短传动链,多采用无级变速主轴及伺服传动系统。2)为适应连续自动化加工和提高生产效率,具有较高的静、动态刚度和阻尼精度,耐磨性,热变形小。3)为了减小摩擦、消除传动间隙和获得高加工精度,更多地采用高效传动部件,如滚珠丝杠螺母副、塑料导轨、滚动导轨、静压导轨等。4)为了改善劳动
3、条件、提高劳动生产率,采用多主轴、多刀架结构,刀具与工件的自动夹紧装置、自动换刀装置、自动排屑装置及自动润滑冷却装置等。5)为了保证机床精度的稳定性、获得可靠的加工质量,数控机床多采取减小热变形的措施。5.1 5.1 概述概述 数控机床与同类型的普通机床在结构上十分相似,事实上两者之间存在很大的差异,机械结构设计应满足以下要求:1.1.较高的机床静、动刚度及良好的抗振性较高的机床静、动刚度及良好的抗振性 机床刚度是机床结构抵抗变形的能力,机床在加工过程中承受多种外力的作用,根据所受载荷的不同,机床的刚度可分为静刚度和动刚度。静刚度是机床在稳定载荷作用下抵抗变形的能力,它与系统构件的几何参数及材
4、料弹性模量有关;动刚度是机床在交变载荷作用下阻止振动的能力,它与系统构件阻尼大小有关。为了提高机床机械结构的刚度,需采用合理的构建截面形状、封闭界面的床身等措施。为了提高机床各部件的接触刚度,增加机床的承载能力,需采用刮研的方法增加单位面积上的接触点,并在结合面之间施加足够大的预紧载荷,以增加接触面积。为了提高数控机床主轴的刚度,不但经常采用三支撑结构,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。5.1.2 5.1.2 数控机床对机械结构的基本要求数控机床对机械结构的基本要求5.1 5.1 概述概述5.1 5.1 概述概述在保证静态刚度的前提下,还必须
5、提高动态刚度。常用的措施主要有:提高系统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率等。试验表明,提高阻尼系数是改善抗振性的有效方法。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。因此,近年来在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,对提高抗振性具有较好的效果。3.3.减少运动件间的摩擦和消除传动间隙减少运动件间的摩擦和消除传动间隙数控机床的运动精度和定位精度与运动件的摩擦特性有关。用滚珠丝杠代替滑动丝杠可以明显减少摩擦阻力。执行件的摩擦阻力主要2.2.减少机床的热变形减少机床的热变形机床的主轴、工作台、刀架等运动部件,在工作中产生
6、热量,为减小热变形,要求各运动部件的发热量尽量少。为此,机床结构根据热对称的原则设计,并改善主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动导轨副的摩擦特性。对于产生大量切屑的数控机床,一般都带有良好的自动排屑装置等。来自导轨,数控机床通常采用塑料滑动导轨、滚动导轨或静压导轨来减少摩擦副之间的摩擦力,避免低速爬行。数控机床,尤其是开环伺服系统的数控机床,加工精度在很大程度上取决于进给传动链的精度。除了减少传动齿轮和滚珠丝杠的加工误差之外,另一个重要措施是采用无间隙滚珠丝杠传动和无间隙齿轮传动,也可提高数控机床的传动精度。4.4.提高机床的寿命和精度保持性提高机床的寿命和精度保持性为了提高机床的寿命和精度保持性,
7、在设计时应充分考虑数控机床零部件的耐磨性,尤其是机床导轨、进给传动丝杠以及主轴部件等影响加工精度的主要零部件的耐磨性。在使用过程中,应保证数控机床各运动部件间的润滑良好。5.5.操作方便安全可靠操作方便安全可靠将机床设计成全封闭结构,只在工作区留有可以自动开闭的安全门窗,用于观察和装卸工件,防止切屑与冷却液飞溅。机床结构布局要合理、紧凑,人性化设计,操作简单,维修方便,外型美观。5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构5.2.1 滚珠丝杠螺母结构滚珠丝杠螺母结构丝杠螺母副是机床上常用的将旋转运动转换为直线运动的传动机构。按丝杠与螺母的摩擦性质不同,常
8、用的丝杠螺母运动副有滑动丝杠螺母副、滚动丝杠螺母副、静压丝杠螺母副。滚动丝杠螺母副摩擦损失小,形成了专业化、系列化产品,在数控机床中得到广泛应用,这里只对其进行介绍。1 1滚珠丝杠螺母副的工作原理滚珠丝杠螺母副的工作原理滚珠丝杠螺母副的结构原理如图5-1所示。在丝杠3和螺母1上都有半圆弧形的螺旋槽,当它们套装在一起时便形成了滚珠2的螺旋滚道。a为滚珠出口,c为滚珠入口,螺母上有滚珠回路管道b,将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道,并在滚道内装满滚珠2。当丝杠旋转时,滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动,迫使螺母轴向移动。图图 5-1 滚珠丝杠滚珠丝杠螺母副的结构原理螺母副的结构原理1-
9、螺母螺母 2-滚珠滚珠 3-丝杠丝杠2 2滚珠丝杠螺母副的循环方式滚珠丝杠螺母副的循环方式滚珠在滚道内的循环方式有两种:滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环;滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触的称为内循环。1)外循环。图5-2所示为常用的一种外循环方式,这种结构是在螺母体上轴向相隔数个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。另外在螺母内进口、出口处各装一挡珠器,并在螺母外表面装一套筒,这样构成封闭的循环滚道。外循环结构制造工艺简单,使用较广泛。其缺点是滚道接缝处很难做得平滑,影响滚珠滚动的平稳性,甚至发生卡珠现象,噪声也较大。图图 5
10、-2 外循环方式示意图外循环方式示意图5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构2)内循环。内循环均采用反向器实现滚珠循环,反向器有两种形式。图5-3(a)所示为圆柱凸键反向器,反向器的圆柱部分嵌入螺母内,端部开有反向槽2。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键1定位,以保证对准螺纹滚道方向。图5-3(b)为扁圆镶块反向器,反向器为一半圆头平键形镶块,镶块嵌入螺母的切槽中,其端部开有反向槽3,用镶块的外廓定位。两种反向器比较,后者尺寸较小,从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。但这种反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。内循环反向器和外循环反向器相比,其结构紧凑,定位可靠
11、,刚性好,且不易磨损,返回滚道短,不易发生滚珠堵塞,摩擦损失也小。其缺点是反向器结构复杂,制造较困难,且不能用于多头螺纹传动。(a)(b)图图5-3 两种形式的内循环方式示意图两种形式的内循环方式示意图5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构3 3滚珠丝杠螺母副的选用滚珠丝杠螺母副的选用滚珠丝杠螺母副的选择包括其精度、尺寸规格、支承方式等几个方面。根据机床精度选用丝杠副的精度,根据机床载荷来选定丝杠直径,对细长而又承受轴向压缩载荷的滚珠丝杠,需核算压杆稳定性;对转速高,支承距离大的滚珠丝杠副需校核临界转速;对精度要求高的滚珠丝杠需校核刚度。1)精度等级的选择目前我国滚珠丝杠
12、螺母副的精度标准为4级:普通级P、标准级B、精密级J和超精密级C。各级精度所规定的各项允差可查有关手册。一般的数控机床可选用标准级B,精密数控机床可选精密级J或超精密级C。2)结构尺寸的选择滚珠丝杠副的结构尺寸主要有:丝杠的名义直径D0、螺距t、长度L、滚珠直径d0等。名义直径与刚度直接相关,直径越大,承载能力和刚度越大,但直径大转动惯量也随之增加,使系统的灵敏度降低。应兼顾这两个方面。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构(1)名义直径D0。滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。对于小型加工中心采用名义直径D0为32mm、40mm,中型加工中心选用名义
13、直径D0为40、50mm,大型加工中心采用名义直径D0为50mm、63mm的滚珠丝杠,但通常应大于L/35L/30。(2)螺距t。常用的螺距t为4mm、5mm、6mm、8mm、10mm、12mm,t越小,螺旋升角越小,摩擦力矩小,分辨率高,但传动效率低,承载能力低。(3)丝杆长度L。一般为“工作行程螺母长度(510)mm”。(4)滚珠直径d0。滚珠直径d0越大,承载能力越高,尽量取大值。一般取d0=0.6t。(5)(5)滚珠的工作圈数j、列数K和工作滚珠总数N对丝杆工作特性影响较大。一般工作圈数j为2.53.5圈,列数K为23列,工作滚珠总数一般N小于150粒。5.2 5.2 数控机床的典型机
14、械结构数控机床的典型机械结构3)验算 当有关结构参数选定后,还应根据有关规范进行扭转刚度、临界转速和寿命的校验。(1)刚度验算。数控机床的滚珠丝杠是精密传动元件,它在轴向力的作用下将产生伸长或缩短,受扭矩会引起扭转变形,这将引起丝杠的导程发生变化,从而影响其传动精度及定位精度,因此滚珠丝杠应验算满载时的变形量。(2)临界转速验算。对于数控机床来说,滚珠丝杠的最高转速是指快速移动时的转速,此时的转速应小于临界转速。同时丝杠转速应避开丝杠自身的自振频率,避免产生共振。(3)寿命验算。滚珠丝杠副的寿命,主要是指疲劳寿命,滚珠丝杠副的寿命可根据有关经验公式校核,应保证总时间寿命Lt20000小时。5.
15、2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构4 4滚珠丝杠的支承形式滚珠丝杠的支承形式 为提高传动刚度,不仅应合理确定滚珠丝杠螺母副的参数,螺母座的结构,丝杠两端的支承形式,以及它们与机床的连接刚度也有很大影响。因此,螺母座的孔与螺母之间必须有良好的配合,保证孔与端面的垂直度,螺母座宜增添加强筋,加大螺母座和机床结合面的接触面积,均可提高螺母座的局部刚度和接触刚度。为了提高螺母支承的轴向刚度,选择适当的滚动轴承及其支承方式是十分重要的。常用的支承方式如图5-4所示。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构图图5-4 5-4 常用的几种支承方式常用的几种支承方式
16、5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构1)一端装止推轴承如图(a)所示。这种安装方式的承载能力小,轴向刚度低,仅适应于短丝杠,如数控机床的调整环节或升降台式数控铣床的垂直移动环节。2)一端装止推轴承,另一端装向心球轴承如图(b)所示。滚珠丝杠较长时,一端装止推轴承固定,另一自由端装向心球轴承。为了减少丝杠热变形的影响,止推轴承的安装位置应远离热源(如液压马达)及丝杠上的常用段。3)两端装止推轴承如图(c)所示。将止推轴承装在滚珠丝杠的两端,并施加预紧拉力,有助于提高传动刚度。但这种安装方式对热伸长较为敏感。4)两端装止推轴承及向心轴承如图(d)所示。为了提高刚度,丝杠两端
17、采用双重支承,如止推轴承和向心球轴承,并施加预紧拉力。这种结构方式可使丝杠的热变形转化为止推轴承的预紧力,但设计时要注意提高止推轴承的承载能力和支架刚度。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构5 5滚珠丝杠的制动滚珠丝杠的制动 滚珠丝杠螺母副传动效率很高,但不能自锁,用在垂直传动或水平放置的高速大惯量传动中,必须装有制动装置。常用的制动方法有超越离合器、电磁摩擦离合器或者使用具有制动装置的伺服驱动电动机。6 6滚珠丝杠螺母副的轴向间隙消除和预紧滚珠丝杠螺母副的轴向间隙消除和预紧 滚珠丝杠副对轴向间隙有严格的要求,以保证反向时的运动精度。所谓轴向间隙是指丝杠和螺母无相对转动
18、时,丝杠和螺母之间最大轴向窜动。它除了结构本身的游隙之外,还包括在施加轴向载荷之后弹性变形所造成的窜动。因此要把轴向间隙完全消除比较困难,通常采用双螺母预紧的方法,把弹性变形控制在允许的限度内。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构1)用锁紧螺母预紧 图5-5所示为利用双螺母来调整间隙实现预紧的结构,滚珠丝杠左右两螺母以平键与外套相连,其中右边一个螺母的外伸端没有凸缘并制有螺纹。用两个圆螺母1、2可使右端螺母相对于丝杠作轴向移动,在消除间隙后将其锁紧。这种调整方法具有结构紧凑、调整方便等优点,故应用广泛,但调整位移量不易精确控制。图图5-5锁紧螺母调间隙式滚珠丝杠副锁紧螺
19、母调间隙式滚珠丝杠副1-圆螺母圆螺母 2-锁紧螺母锁紧螺母5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构2)修磨垫片调间隙 如图5-6所示,通过修磨垫片的厚度,使滚珠丝杠的左右螺母产生轴向位移,实现预紧。这种方式结构简单、刚性好,调整间隙时需卸下调整垫片修磨,为了装卸方便,最好将调整垫片做成半环结构。图图5-6 修磨垫片调间隙式滚珠丝杠副修磨垫片调间隙式滚珠丝杠副5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构3)齿差式调整 图5-7为齿差式调整间隙结构。Z1和Z2相差一个齿。两个齿轮分别与两端相应的内齿圈相啮合。内齿圈紧固在螺母座上,预紧时脱开两个内齿圈,使两个螺母
20、同向转动相同的齿数,然后再合上内齿圈,两螺母的轴向相对位置发生变化从而实现间隙的调整和施加预紧力。当Z1=99,Z2=100,t=10mm,两齿轮沿同一方向各转过一个齿时其轴向位移量为s=1/99-1/1001m。这种方法使两个螺母相对轴向位移最小,可达1m,调整精度高,调整准确可靠,但结构复杂。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构 图图5-7 齿差调间隙式滚珠丝杠副齿差调间隙式滚珠丝杠副 1-左螺母左螺母 2-滚珠滚珠 3-套筒套筒 4-丝杠丝杠 5-右螺母右螺母 6-内齿圈内齿圈5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构5.2.2 齿轮传动间隙消除
21、结构齿轮传动间隙消除结构 由于数控机床进给系统的传动齿轮副存在间隙,在开环系统中会造成进给运动的位移值滞后于指令值;反向时,会出现反向死区,影响加工精度。在闭环系统中,由于有反馈作用,滞后量虽可得到补偿,但反向时会使伺服系统产生振荡而不稳定。为了提高数控机床伺服系统的性能,因此,在设计时必须采取相应的措施,控制间隙在允许范围内,通常采取下列方法消除间隙。1 1刚性整调法刚性整调法 刚性调整法是调整后齿侧间隙不能自动补偿的调整法。因此,齿轮的周节公差及齿厚要严格控制,否则影响传动的灵活性。这种调整方法结构比较简单,且有较好的传动刚度。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构1
22、)偏心轴调整法。如图5-8所示,小齿轮1装在偏心轴套2上,调整偏心轴套2可以改变小齿轮1和大齿轮3之间的中心距,从而消除了齿侧间隙。图图5-8 偏心轴调整法偏心轴调整法1-小齿轮小齿轮 2-偏心轴套偏心轴套 3-大齿轮大齿轮5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构2)轴向垫片调整法。如图5-9所示,一对啮合着的圆柱齿轮,若它们的节圆直径沿着齿厚方向制成一个较小的锥度,只要改变3的厚度就能改变齿轮2和齿轮1的轴向相对位置,从而消除了齿侧间隙。图图5-9 轴向垫片调整法轴向垫片调整法1-小齿轮小齿轮 2-大齿轮大齿轮 3-调整垫片调整垫片5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数
23、控机床的典型机械结构3)双片斜齿轮垫片调整法。如图5-10所示,在两个薄片斜齿轮3和4之间加一垫片2,将垫片厚度增加或减少t,薄片齿轮3和4的螺旋线就会错位,分别与厚齿轮1的齿槽左、右侧面都可贴紧,消除了间隙。垫片厚度的增减量t与齿侧间隙的关系,可用下式表示:cost式中,为斜齿轮螺旋角。垫片的厚度采用测试法确定,一般要经过几次修磨垫片厚度,直至消除齿侧间隙,使齿轮转动灵活为止。这种调整法结构简单,但调整麻烦,齿侧间隙不能自动补偿,同时,无论正、反向旋转时,分别只有一薄齿轮承受载荷,故齿轮的承载能力较小。图图5-10 双片斜齿轮调垫片整法双片斜齿轮调垫片整法1-厚斜齿轮厚斜齿轮 2-调整垫片调
24、整垫片 3-薄片斜齿轮薄片斜齿轮 4-薄片斜齿轮薄片斜齿轮5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构2 2柔性调整法柔性调整法柔性调整法是调整之后齿侧间隙仍可自动补偿的调整法。这种方法一般都采用调整压力弹簧的压力来消除齿侧间隙,并在齿轮的齿厚和调节有变化的情况下,也能保持无间隙啮合,但这种结构较复杂,轴向尺寸大、转动刚度底,同时,传动平稳性也差。1)轴向压簧调整法如图5-11所示,两个薄片斜齿轮1和2用键4滑套在轴6上,用螺母5来调节压缩弹簧3的轴向压力,使齿轮1和2的左、右齿面分别与厚斜齿轮7齿槽的左右侧面贴紧。弹簧力需调整适当,过松消除不了间隙,过紧则齿轮磨损过快。2)周
25、向弹簧调整法如图5-12所示,两个齿数相同的薄片齿轮1和2与另一个厚齿轮相啮合,齿轮1空套在齿轮2上,可以相对回转。每个齿轮端面分别均匀装有四个螺纹凸耳3和8,齿轮1的端面还有四个通孔,凸耳8可以从中穿过,弹簧4分别钩在调节螺钉7和凸耳3上。旋转螺母5和6可以调整弹簧4的拉力,弹簧的拉力可以使薄片齿轮错位,即两片薄齿轮的左、右齿面分别与宽齿轮齿槽的右、左贴紧,消除了齿侧间隙。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构图图5-11 轴向压簧调整法轴向压簧调整法1-薄片斜齿轮薄片斜齿轮 2-薄片斜齿轮薄片斜齿轮 3-压缩弹簧压缩弹簧 4-键键 5-螺母螺母 6-轴轴 7-厚斜齿轮
展开阅读全文