数控机床结构、部件拆装、精度检测

数控机床结构部件拆装精度检测武汉华中数控股份有限公司一、数控机床的构成与分类•（一）.数控机床的构成•数控机床一般由下列几个部分组成•1.主机是数控机床的主体，包括床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。•2.CNC装置是数控机床的核心，包括硬件和相应的软件等部分。•3.驱动装置是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给驱动单元、主轴电机、进给电机等等。•4.数控机床的辅助装置指数控机床的一些必须的配套部件，用以保证数控机床的正常运行。如液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和分度头，还包括刀具及监控检测装置等•5.编程机及其他一些附属装置。（二）.数控机床的分类•目前，为了研究数控机床，可从不同的角度对数控机床进行分类•1.按控制系统的特点分类•1）.点位控制数控机床如坐标钻床、坐标镗床以及冲床等都可以采用点位控制系统，此类系统相对简单而且价格低廉。•2）.直线控制数控机床这一类数控机床包括数控铣床、数控车床、加工中心等。一般情况下这类数控机床有二到三个可控制轴，但同时控制轴只有一个。为了能在刀具磨损或更换刀具后可得到合格的零件，这类机床的数控系统常常具有刀具半径补偿功能、刀具长度补偿功能和主轴转速控制的功能。•3）.轮廓控制的数控机床更多的数控机床具有轮廓控制的功能，即可以加工曲线或者曲面的零件。这类机床有二坐标及二坐标以上数控铣床，可以加工曲面的数控车床、加工中心等。这类数控机床应能同时控制两个或两个以上的轴，具有插补功能，可对位移和速度进行严格的不间断控制。•2.按照可联动（同时控制）轴数分按照可联动（同时控制）且相互轴数，可以分为2轴控制、2.5轴控制、3轴控制、4轴控制、5轴控制等。•3.按执行机构的伺服系统类型分类•1）.开环伺服系统数控机床•2）.半闭环伺服系统数控机床•3）.闭环伺服系统数控机床•4.按数控装置类型分类1）.硬件式数控机床，即NC机床。这类数控机床数控装置的通用性较差，因其全部由硬件组成，所以功能和灵活性也较差。2）.软件式数控机床，即CNC机床。这类数控机床数控装置的主要功能几乎可全由软件来实现，对不同的数控机床只需编制不同的软件就可以实现，而且硬件几乎可以通用。这为降低生产成本、保证产品质量、缩短生产周期等提供了条件，所以现代数控机床都采用CNC装置控制。5.按加工方式分类1）.金属切削类机床。如数控车床、数控铣床、加工中心、数控钻床、数控磨床等。2）.金属成型类机床。如数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。3）.数控特种加工机床。如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床等。4）.其他类型的数控机床。如火焰切割机、数控三坐标测量机等。•6.按功能水平分按功能水平可以把数控机床分为高、中、低（经济型）三类。•二.数控机床的机械结构•（—）.数控机床机械结构的主要组成•数控机床的机械结构，除机床基础件外，由下列各部分组成：•1.主传动系统；•2.进给系统；•3.实现工件回转、定位的装置和附件；•4.实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置如液压、气动、润滑；冷却等系统和排屑、防护等装置；•5.刀架或自动换刀装置(ATC)；•6.自动托盘交换装置(APC)；•7.特殊功能装置如刀具破损监控、精度检测和监控装置等：•8.为完成自动化控制功能的各种反馈信号装置及元件。•机床基础件或称机床大件，通常是指床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台等。它是整台机床的基础和框架。机床的其他零、部件，或者固定在基础件上，或者工作时在它的导轨上运动。其他机械结构组成则按机床的功能需要选用。如一般的数控机床除基础件外，还有主传动系统，进给系统以及液压、润滑、冷却等其他辅助装置，这是数控机床机械结构的基本构成。加工中心则至少还应有ATC，有的还有双工位APC等。柔性制造单元(FMC)除ATC外还带有工位数较多的APC，有的甚至还配有用于上下料的工业机器人。数控机床可根据自动化程度、可靠性要求和特殊功能需要，选用各类刀具破损监控、机床与工件精度检测，补偿装置和附件等。有些特种加工数控机床，如电加工数控机床和激光切割机，其主轴部件不同于一般数控金属切削机床，但需要用伺服电机驱动机床运动部件实现进给运动，则是各类数控机床的共性。（二）.数控机床机械结构的特点•1.高刚度和高抗振性•1).机床刚度的基本概念机床的刚度是机床的技术性能之一，它反映了机床结构抵抗变形的能力。根据机床所受载荷性质的不同，机床在静态力作用下所表现的刚度称为机床的静刚度；机床在动态力作用下所表现的刚度称为机床的动刚度。•为满足数控机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化程度的要求，与普通机床比较，数控机床应有更高的静刚度、动刚度，更好的抗振性。有的国家规定数控机床的刚度系数比普通机床至少高50%以上。普通机床刚度的基本理论同样适用于数控机床。以及受力与变形分析、动刚度的动态特性分析，为提高机床静刚度和动刚度所采用的措施原则也同样适用于同类的数控机床。•2）.提高数控机床结构刚度的常用措施•（1）.提高机床构件的静刚度和固有频率。常用方法有合理布置的筋板结构；设置卸荷装置来平衡载荷以补偿有关零、部件的静力变形；改善构件间的接触刚度或构件与地基联结处的刚度等。•（2）.改善机床结构的阻尼特性。常用方法有大件内腔充填泥芯和混凝土等阻尼材料，在振动时利用相对摩擦来耗散振动能量；在大件表面采用阻尼涂层；充分利用接合面间的摩擦阻尼；采用新材料和钢板焊接结构等。•应该强调指出，数控机床的高刚度和高抗振性只是相对于普通机床而言，而不是刚度和抗振性愈高愈好。2.减少机床热变形的影响机床的热学特性是影响加工精度的重要因素之一。由于数控机床主轴转速、进给速度远高于普通机床，而大切削用量产生的炽热切削对工件和机床部件的热传导影响远较普通机床严重，而热变形对加工精度的影响往往难以由操作者修正。因此，减少数控机床热变形影响的措施应予特别重视。常用的措施有下列几种：•1）.改进机床布局和结构设计。如对热源来说比较对称的采用热对称结构；数控车床采用采用倾斜床身、平床身和斜滑板结构；某些重型数控机床由于结构限制采用热平衡措施。•2）.控制温升。对机床发热部分（如主轴箱、静压导轨液压油等）采取散热、风冷和液冷等控制温升的办法来吸收热源发出的热量，是在各类数控机床上使用较多的一种减少热变形影响的对策。•3）.对切削部位采取强冷措施。在大切削量切削时，落在工作台、床身等部件上的炽热切屑量一个重要的热源。现代数控机床，特别是加工中心和数控车床普遍采用多喷嘴、大流量冷却液来冷却并排除这些炽热的切屑，并对冷却液用大容量循环散热或用冷却装置致冷以控制温升。•4）.热位移补偿。预测热变形规律，建立数学模型存入计算机中进行实时补偿。热变形附加修正装置已在国外产品上作商品供货。3.传动系统机械结构大为简化数控机床的主轴驱动系统和进给驱动系统分别采用交、直流主轴电机和伺服电机驱动，这两类电机调速范围大，并可无级调速，因此使主轴箱、进给变速箱及传动系统大为简化，箱体结构简单、齿轮、轴承和轴类零件数量大为减少甚至不用齿轮，由电机直接带动主轴或进给滚珠丝杠。4.高传动效率和无间隙的传动装置和元件数控机床在高进给速度下，工作要平稳；并有高的定位精度。因此，对进给系统中的机械传动装置和元件要求具有高寿命、高刚度、无间隙、高灵敏度和低摩擦阻力的特点。目前数控机床进给驱动系统中常用的机械传动装置主要有三种，即滚珠丝杠副，静压蜗杠—蜗母条和预加载荷双齿轮—齿条。数控机床进给传动链组件之一——联轴器•作为数控机床进给驱动机构，目前有下述几种常见连接形式：•①电机与滚珠丝杠直连••（目前广泛用于各类数控机床）•②电机与同步带轮相连接，同步带轮连接滚珠丝杠。（早期数控机床）•③电机与蜗杆连接，蜗杆通过蜗轮副带动工作台回转。（用于转台驱动）•当采用连接形式①和③时，电机作为主动轴，而滚珠丝杠和蜗杆轴作为被动轴，如何将主动轴上的扭矩精准的传递到被动轴上？目前数控机床广泛采用“弹性联轴器”。•所谓联轴器就是用来连接不同机构中的两根轴（主动轴和被动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。•联轴器可分为刚性的、和弹性的。•刚性的又可分固定式（套筒联轴器、凸缘联轴器等）可移式（齿轮联轴器、十字滑块联轴器及万向联轴器等）•刚性联轴器的特点：刚性联轴器不具有补偿被联两轴线相对偏移的能力，也不具有缓冲减震性能；但结构简单，价格便宜。只有在载荷平稳，转速稳定，能保证被联轴线相对偏移极小的情况下，才可选用刚性联轴器。••弹性联轴器的特点：有很好的缓冲性、减震性，承载力适中，更重要的是弹性联轴器能够允许主动轴和被动轴之间存在一定的安装误差。•角度误差•平行度误差•间隙误差•弹性联轴器根据结构不同分为：•①波纹管式联轴器•特点：具有超强纠偏性。顺、逆时针回•转特性完全相同，可耐高温、免维护。•适用于小扭矩传动时，零回转间隙。•②梅花联轴器•特点：工作稳定可靠，具有良好的减振、•缓冲性能，具有较大的轴向、径向和角•向补偿能力，高强度聚氨酯弹性元件耐•磨耐油，承载能力大，使用寿命长。•适用于中等扭矩传动时的连接•③膜片联轴器•特点：承载能力大，适用范围广，传递•扭矩范围可达30-8100000N.m使用寿•命长，工作温度范围大(最高可达•+280℃)，可在腐蚀介质中工作构简单，•易于加工制造，没有磨损件，不需润滑，•易于维修，震动小、无噪声。靠膜片的•弹性变形来补偿所联两轴的相对位移。•其适用于中等以上扭矩传动时，传动精•度高，可靠性高，可高温下运转。•④齿形联轴器•内齿和外齿啮合，其适用于大扭矩传动时。•联轴器的连接•联轴器与轴相连时，又可分为不同连接形式。•主要有：•1.键连接•传动扭矩大，结构简单，成本低，空间尺•寸小，但高速旋转时，其动平衡不好。•键连接工作原理与普通机械设备键连接相同•2.夹紧式连接•结构简单，成本低，空间尺寸小。但锁紧•力不够时，会造成连轴器与轴之间轴向打滑。•卡紧连接是通过两端的紧固螺丝，将“开口”闭•合，增大卡持力矩。•3.胀环连接•传动力矩大，对相关加工尺寸要求高，结构•复杂，联轴器体积大。•账环夹紧工作原理为：通过端盖锁紧，当压紧•端盖时，同时压紧了胀环，胀环分内圈和外圈，•形状是成锥形的，所以当有压紧力时，它的内•圈会压紧在轴上，外圈压紧在联轴器套筒上。•这样完成了轴与联轴器的连接。•4.十字滑块式联轴器•当传递小扭矩时，通常采用十字滑块联轴器，十字滑块联轴器结构简单，体积小，安装容易。同时能够允许一定的轴线安装误差。目前FANUC脉冲编码器常采用十字滑块连接。联轴器的常见故障：•⑴弹性联接器•弹性联接器是数控机床广泛采用的联轴器，它能补偿因同轴度及垂直度误差引起的“干涉”现象。在结构允许的条件下，大部分数控机床的伺服进给系统都采用弹性联接器结构。但弹性联接器装配时很难把握锥套是否锁紧，如果锥形套胀开后摩擦力不足，就使丝杠轴头与电机轴头之间产生相对滑移扭转，造成数控机床工作运行中，被加工零件的尺寸呈现有规律的逐渐变化（由小变大或大变小），每次的变化值基本上是恒定的。如果调整机床快速进给速度后，这个变化量也会起变化，此时CNC系统并不报警，因为电动机转动是正常的，编码器的反馈也是正常的。一旦机床出现这种情况，单纯靠拧紧两端螺钉的方法不一定奏效。解决方法是设法锁紧联轴器的弹性锥形套，若锥形套过松，可将锥形套轴向切开一条缝，拧紧两端的螺钉后，就能彻底消除故障。•⑵刚性联轴器•刚性联轴器目前主要采用联轴套加锥销的联接方法，而且大多进给电机轴上都备有平键。这种连接，经过一段时间使用，圆锥销开始松动，键槽侧面间隙逐渐增大，有时甚至引起锥销脱落，造成零件加工尺寸不稳定。解决的方法有两种：••①采用特制的小头带螺纹的圆锥销，用螺母加弹性垫圈锁紧，防止圆锥销因快速转换而引起的松动。该方法能很好地解决圆锥销松动的问题，同时也减轻了平键所承受的扭矩。当然，这种方法因圆锥销小头有螺母，必须确保联轴器有一定的回转空间。•②采用两只一大一小的弹性销取代圆锥销连接，这种方法虽然没有圆锥销的连接方法