第3章 数控车床(NC Lathe)

第3章数控车床(NCLathe)3.1概述3.1.1数控车床工艺范围数控车床主要用于加工各种轴类、套筒类和盘类零件上的回转表面。3.1.2数控车床的分类1．按数控系统的功能分(1)经济型数控车床图3.1经济型数控车床(2)全功能型数控车床图3.2全功能型数控车床(3)车削中心图3.3车削中心(4)FMC车床图3.4FMC车床2．按主轴的配置形式分类(1)卧式数控车床(2)立式数控车床还有具有两根主轴的车床，称为双轴卧式数控车床或双轴立式数控车床。3．按数控系统控制的轴数分类(1)两轴控制的数控车床(2)四轴控制的数控车床对于车削中心或柔性制造单元，还要增加其他的附加坐标轴来满足机床的功能。3.1.3数控车床的组成1．主机主机是数控车床的机械部件，如图3.5所示，是典型数控车床结构组成图。图3.5典型数控车床结构组成图2．数控装置作为控制部分是数控车床的控制核心。3．伺服驱动系统伺服驱动系统是数控车床切削工作的动力部分，主要实现主运动和进给运动。4．辅助装置辅助装置是指数控车床的一些配套部件。数控车床主轴安装有脉冲编码器，主轴的运动通过同步齿形带1∶1的传到脉冲编码器。3.1.4数控车床的布局形式卧式数控车床的布局可以产生单主轴单刀架、单主轴双刀架、双主轴双刀架等不同的结构变化，如下图所示。主轴ZX尾座刀架尾座主轴ZX刀架刀架XZC轴尾座NC2轴，前置刀架NC2轴，后置刀架NC3轴，车削中心NC4轴，双刀架刀架尾座X2Z2主轴刀架X1Z1刀架C轴尾座刀架NC5轴，双刀架X1Z1Z2X2Z1X1刀架主轴1Z2X2刀架NC5轴，双刀架主轴2Z3下面介绍卧式数控车床床身导轨和刀架布局。1．床身和导轨布局按照床身导轨面与水平面的相对位置，数控卧式车床床身导轨与水平面的相对位置有几种形式，如图3.7所示。图3.7数控卧式车床床身导轨布局形式(1)水平床身的工艺性好，便于导轨面的加工。水平床身配上水平放置的刀架可提高刀架的运动精度。(2)水平床身配上倾斜放置的滑板，并配置倾斜式导轨防护罩。(3)斜床身导轨倾斜角有30°、45°、60°、75°和90°几种。倾斜角度小，排屑不便；倾斜角度大，导轨的导向性及受力情况差。斜床身和平床身—斜滑板布局形式在数控车床中被广泛采用，因为具备如下优点：①容易实现机电一体化。②机床外形整齐、美观，占地面积小。③从工件上切下的炽热切屑不致于堆积在导轨上影响导轨精度。④容易排屑和安装自动排屑器。⑤容易设置封闭式防护装置。⑥宜人性好，便于操作。⑦便于安装机械手，实现单机自动化。2．刀架布局回转刀架在机床上有两种布局形式：一种是用于加工盘类零件的回转刀架，其回转轴垂直于主轴；另一种是用于加工轴类和盘类零件的回转刀架，其回转轴平行于主轴。目前两坐标联动数控车床多采用12工位回转刀架，也有采用6工位、8工位和10工位的，4工位方刀架主要应用于经济型前置刀架数控车床。随着机床精度的不同，数控车床的布局要考虑到切削力、切削热和切削振动的影响。要使这些因素对精度影响最小，机床在布局上就要考虑到各部件的刚度、抗振性和在受热时使得热变形的影响在不敏感的方向。如卧式车床主轴箱热变形时，随着刀架的位置不同，而对尺寸的影响不同，如图3.8所示。图3.8主轴箱热变形对加工尺寸的影响3.1.5数控车床的特点数控车床与普通车床相比，有以下几个特点：1．高精度2．高效率3．高柔性4．高可靠性5．工艺能力强6．模块化设计3.2数控车床的传动与结构特点3.2.1主传动系统及主轴箱结构1．主传动系统数控车床的主运动传动链的两端部件是主电动机与主轴，它的功用是把动力源的运动及动力传递给主轴，使主轴带动工件旋转实现主运动，并满足主轴变速和换向的要求。主运动传动系统是数控车床的最重要组成部分之一，它的最高与最低转速范围、传递功率和动力特性决定了数控车床的最高切削加工工艺能力。数控车床的主传动系统现在一般采用交流主轴电动机，通过带传动或主轴箱内2～4级齿轮变速传动主轴。主轴电动机在额定转速时可输出全部功率和最大转矩，随着转速的变化，功率和转矩将发生变化。下面以HTC2050型数控车床为例来介绍主传动系统，如图3.9所示。图3.9数控车床的传动系统图φ100φ160其中主传动系统由功率为11kW的变频电动机驱动，经一级5∶8的带传动带动主轴旋转，使主轴在45～4000r／min的转速范围内实现无级调速。当电动机转速在1500～6000r／min时，为恒功率输出；当电动机转速在70～1500r／min时，为恒转矩输出。主轴功率特性如图3.10所示，主轴转矩特性如图3.11所示。主轴转速1614121086主轴功率kW4000200030002094045000连续工作区(11kW)50%工作区(15kW)45(r/min)图3.10主轴转速和功率特性50%工作区连续工作区500040940020300020004000转矩N·m608010012014016045主轴转速(r/min)图3.11主轴转速和转矩特性2．主轴箱结构（1）HTC2050型数控车床的主轴箱展开图，如下图所示。106739811124125主轴前支承是三个角接触球轴承7020ACTBTP4，前面两个大囗向外(朝向主轴前端)，后面一个大口朝里(朝向主轴后端)，形成背靠背组合形式。轴承由压块锁紧圆螺母9预紧，预紧量在轴承制造时已调好，为了防止圆螺母9回松用圆螺母8锁紧。后支承是二个角接触球轴承7018CDBP4，形成背靠背组合形式，轴承由压块锁紧圆螺母5预紧。主轴脉冲编码器11是由主轴通过带轮1、带轮2和齿形带及联轴器12带动，和主轴同步运转，实现螺纹切削和主轴每转进给量。（2）CK7815型数控车床主轴箱展开图，如图3.13所示，电动机经二级塔形带轮1、2和三联V带带动主轴，带轮2直接安装在主轴上，为了加强刚性，主轴后支承为双列向心短圆柱滚子轴承。主轴脉冲发生器4是由主轴通过一对带轮和齿形带带动的，和主轴同步运转，齿形带的松紧由螺钉5来调节。这种结构的特点是可选择主轴高速档或者低速档，通过低速档来提高主轴扭矩，因此适合低速车削。图3.13CK7815型数控车床主轴箱（3）TND360型数控车床主轴箱展开图，如图3.14所示，主电动机通过电动机轴上齿数为27的同步齿形带轮，经同步齿形带将运动传到主轴箱Ⅰ轴上齿数为48的同步齿形带轮，Ⅰ轴上安装有一双联滑移齿轮，齿轮齿数分别为29和84，主轴上装有两个圆柱齿轮，齿数为86和60，双联滑移齿轮由液压缸带动拨叉驱动。图3.14TND360型数控车床主轴箱3．卡盘结构卡盘是数控车床的主要夹具，为了减少数控车床装夹工件的的辅助时间，广泛采用液压动力自定心卡盘，卡盘的松夹是靠用拉杆连接的液压卡盘和液压夹紧油缸的协调动作来实现的，如图3.15所示。(a)图3.15液压卡盘结构简图1—回转‘液压缸；2—拉杆；3—连接套；4—滑套；5—接套；6—活塞；(b)如图3.15(a)所示，液压卡盘固定安装在主轴前端，回转液压缸1与接套5用螺钉7连接，接套通过螺钉与主轴后端面连接，使回转液压缸随主轴一起转动。卡盘的夹紧与松开由回转液压缸通过一根空心拉杆2来驱动，拉杆后端与液压缸内的活塞6用螺纹连接，连接套3的两端螺纹分别与拉杆2和滑套4连接。图3.15(b)为卡盘内楔形机构示意图，当液压缸内的压力油推动活塞和拉杆向卡盘方向移动时，滑套4向右移动，由于滑套上楔形槽的作用，使得卡爪座11带着卡爪12沿径向向外移动，则卡盘松开。反之使卡盘夹紧工件。4．主轴编码器主轴编码器采用与主轴同步的光电脉冲发生器。该装置可以通过中间轴上的齿轮（如图3.14所示）或同步带轮（如图3.12所示）1∶1与主轴同步转动，也可以通过弹性联轴器与主轴同轴安装。利用主轴编码器检测主轴的运动信号，一方面可实现主轴调速的数字反馈，另一方面可用于进给运动的控制，例如车螺纹时，控制主轴与刀架之间的准确运动关系。3.2.2进给传动系统1．进给传动系统的特点数控车床的进给传动系统是控制X、Z坐标轴的伺服系统的主要组成部分，它将伺服电动机的旋转运动转化为刀架的直线运动，而且对移动精度要求很高，X轴最小移动量为0.0005mm(直径编程)，Z轴最小移动量为0.001mm。采用滚珠丝杠螺母传动副，可以有效地提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行。另外，消除丝杠螺母的配合间隙和丝杠两端的轴承间隙，也有利于提高传动精度。2．进给传动方式(1)滚珠丝杠与伺服电动机轴端通过联轴器直接连接，如图3.16所示。(2)滚珠丝杠通过同步齿形带及带轮与伺服电动机连接(见图3.17)，这种结构连接特点是通过带轮降速，提高驱动扭矩，且安装精度要求不高。3．X轴进给传动装置12345678121191013图3.16HTC2050数控车床X轴进给装置简图3．X轴进给传动装置图3.16是HTC2050数控车床X轴进给传动装置的结构简图。伺服电动机经联轴器7带动滚珠丝杠12回转，其上螺母带动刀架沿滑板3的导轨移动，实现X轴的进给运动。滚珠丝杠有前后两个支承。前支承由两个角接触球轴承组成，其中一个轴承大口向前一个轴承大囗向后，承受双向的轴向载荷。前支承的轴承由螺母进行预紧，其后支承为一个深沟球轴承。3．X轴进给传动装置由于刀架为倾斜布置，而滚珠丝杠又不能自锁，回转刀架的自身重力使其下滑，这个问题可由伺服电动机的电磁制动来解决。4．Z轴进给传动装置1234567812119101516141317II2∶1图3.17HTC2050数控车床Z轴进给装置简图4．Z轴进给传动装置图3.17是HTC2050数控车床Z轴进给传动装置简图。伺服电动机12经同步带轮10和8以及同步带9传动到滚珠丝杠3，由螺母带动床鞍连同刀架沿床身17的矩形导轨移动，实现Z轴的进给运动。滚珠丝杠的右支承由二个角接触球轴承5组成，其中右边一个轴承与左边一个轴承的大口相对布置，由调整螺母6进行预紧。滚珠丝杠的左支承2为一个深沟球轴承，只用于承受径向载荷。滚珠丝杠的支承形式为右端固定，左端支持，留有丝杠受热膨胀后轴向伸长的余地。3.2.3尾座图3.18HTC2050型数控车床尾座结构3.2.3尾座在调整机床时，可以手动控制尾座套简移动。在机床自动工作循环中，可通过加工程序由数控系统控制尾座套筒的移动。当数控系统发出尾座套筒伸出的指令后，液压电磁阀动作，压力油进入液压缸的右腔，推动尾座套筒3伸出。当数控系统指令其退回时，压力油进入液压缸的左腔，从而使尾座套筒退同。3.2.4刀架数控机床为了能在工件一次装夹中完成多个工步，以缩减辅助时间和减少多次安装工件所引起的误差，通常带有自动换刀系统。自动换刀系统由控制系统和换刀装置组成。数控车床的刀架是机床的重要组成部分，用于夹持切削用的刀具，它的结构直接影响机床的切削性能和切削效率。下面介绍AK31系列回轮刀架工作原理。现以AK31系列回轮刀架为例介绍其换刀过程，图3.19所示为AK31系列回轮刀架外观图图3.19AK31刀架外观图图3.20所示为AK31系列回轮刀架结构图，本刀架采用三联齿盘作为分度定位元件。3.3车削中心3.3.1车削中心的工艺范围3.3.2车削中心的C轴1．自驱动力刀具在刀架上备有刀具主轴电动机，自动无级变速，通过传动机构驱动装在刀架上的刀具主轴。2．增加了主轴的C轴坐标功能机床主轴旋转除作为车削的主运动外，还作分度运动(即定向停车)和圆周进给，图3.22为C轴功能示意图。图3.22C轴功能a)C轴定向，在圆柱或端面上铣槽b)C轴、Z轴进给，在柱上铣螺旋槽c)C轴、X轴进给、在端面上铣槽d)C轴、X轴进给，铣直线和平面3.3.3车削中心的主传动系统1．精密蜗轮副C轴结构图3.23为车削柔性加工单元的主传动系统结构和C轴传动及主传动系统简图。3.3.3车削中心的主传动系统图2.23C轴传动系统之一2．经滑移齿轮控制的C轴传动图3.24所示为车削中心的C轴传动系统图，由主轴箱和C轴控制箱两部分组成。