数控机床机械结构有许多特点在主传动系统方面

第4章数控机床机械结构的故障诊断与维修项目一数控机床的机械知识概述项目二数控机床机械故障诊断方法项目三主传动系统的诊断与维修项目四进给传动系统故障的诊断及维修项目五导轨副故障的诊断与维修项目六液压与气动系统故障诊断及维修项目七刀库及自动换刀装置故障诊断及维修项目一数控机床的机械知识概述一、常见数控机床类型1.数控车床(1)普通数控车床。普通数控车床是机械制造业拥有量较多的一种车床，通常称之为经济型数控车床，图4-1为CK6140经济型数控车床外形图。下一页返回项目一数控机床的机械知识概述(2)全机能数控车床。图4-2所示为45°倾斜床身的数控车床(去掉外壳等零部件)，具有回轮式刀塔，使用滚动导轨支承刀塔溜板，通常称之为全机能数控车床。(3)车削加工中心。车削加工中心是性能最好的数控车床，常用作精加工使用，其床身均为倾斜结构。下一页返回上一页项目一数控机床的机械知识概述2.数控镗铣床(1)数控铣床。数控铣床为三轴控制加工机床，与数控车床不同，其主运动由定尺寸刀具完成，加工过程所需的运动轨迹由X、Y、Z三轴共同运动实现，如图4-3所示。(2)镗铣加工中心。图4-4所示为FH4000卧式镗铣加工中心，为扩展机床的工艺范围，其上配备有多种动力铣头(角度铣头、直角铣头和加长铣头等)，根据加工过程需要，可以自动更换。下一页返回上一页项目一数控机床的机械知识概述二、数控机床机械结构的基本组成数控机床就其机械结构的组成而言，始终是处于一个逐步发展变化的过程中。早期的数控机床主要是对普通机床的进给系统进行了革新和改造，因此，早期数控机床的外形和结构与普通机床基本相同。下一页返回上一页项目一数控机床的机械知识概述近30年来，由于计算机、自动控制、信息处理、传感器、动力元件以及新材料等技术的飞速发展，以及为适应高产率的需要，数控机床的机械结构已从初期对普通机床局部结构的改进，逐步发展到形成数控机床的独特机械结构。1.机械结构基本组成(1)主传动系统，其功用是实现主运动。(2)进给系统，其功用是实现进给运动。下一页返回上一页项目一数控机床的机械知识概述(3)机床基础件(又称机床大件)，通常指床身、底座、立柱、滑座、工作台等，它们是整台机床的基础和框架，其功用是支承机床本体的其他零部件，并保证这些零部件在工作时或者固定在基础件上，或者在它的导轨上运动。(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、冷却以及防护、排屑等装置。下一页返回上一页项目一数控机床的机械知识概述(5)刀库、刀架及自动换刀装置。(6)自动托盘交换装置。(7)实现工件回转、分度定位的装置和附件，如回转工作台。(8)特殊功能装置，如刀具破损检测、精度检测和监控装置等。下一页返回上一页刀库主轴X轴Y轴Z轴操作显示单元机械手与普通机床相比，数控机床机械结构有许多特点。在主传动系统方面，具有下列特点：(1)目前数控机床的主传动电机已不再采用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机，它们已逐步被直流调速电机和新型的交流调速电机所代替。(2)转速高，功率大。(3)变速范围大。(4)主轴速度的变换迅速可靠。主轴提供切削功率、在高档数控机床中还具有C轴功能及定向功能电主轴数控车床主轴换挡控制普通交流鼠笼式异步电动机配变频器1-冷却液喷嘴；2-刀具；3-拉钉；4-主轴；5-弹性卡爪；6-喷气嘴7-拉杆；8-定位凸轮；9-碟形弹簧；10-轴套；11-固定螺母；12-旋转接头；13-推杆；14-液压缸；15-交流伺服电机；16-换挡齿轮图4-3ZHS-K63加工中心主轴内部刀具夹紧机构1.数控机床机械结构概述在进给传动系统方面，具有下列特点：（1）尽量采用低摩擦的传动副。采用静压导轨、滚动导轨和滚珠丝杠等，以减小摩擦力。（2）选用最佳的降速比，以达到提高机床分辨率，使工作台尽可能大地加速，以达到跟踪指令、系统折算到驱动轴上的惯量尽量小的要求。（3）缩短传动链及用预紧的方法提高传动系统的刚度。（4）尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。4.1概述1.数控机床机械结构概述进给部件：其作用是在伺服电机的驱动下完成直线运动的定位、进给。下图是滚珠丝杠、联轴节的实物照片。滚珠丝杠螺母副机构滚珠丝杠螺母副是一种新型的传动机构，它的结构特点是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动件，以减小摩擦，如图4-4所示。1.数控机床机械结构概述滚珠丝杠螺母副（2）滚珠循环方式。目前国内外生产的滚珠丝杠螺母副，可分为外循环和内循环两类。如图4-7所示为外循环螺旋槽式滚珠丝杠副如图4-8所示为内循环滚珠丝杠螺母副。数控机床的进给系统图4-7外循环螺旋槽式滚珠丝杠副图数控机床的进给系统图4-8内循环滚珠丝杠螺母副数控机床的进给系统常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有以下3种。（a）垫片调隙式（图4-9）1、2-单螺母；3-螺母座；4-调整垫片图4-9垫片调隙式数控机床的进给系统（b）螺纹调隙式（图4-10）1、2-单螺母；3-平键；4-调整螺母图4-10螺纹调隙式数控机床的进给系统（c）齿差调隙式（图4-11）。1、4-内齿圈；2、3-单螺母图4-11齿差调隙式数控机床的进给系统图4-14滚珠丝杠在机床上的支承方式滚珠丝杠齿形带及带轮丝杠母润滑油管伺服电机数控机床用导轨（1）滑动导轨。在数控机床上常用的滑动导轨有液体静压导轨、气体静压导轨和贴塑导轨。①液体静压导轨。在两导轨工作面间通入具有一定压力的润滑油，形成静压油膜，使导轨工作面间处于纯液态摩擦状态，摩擦系数极低。②气体静压导轨。在两导轨工作面间通入具有恒定压力的气体，使两导轨面形成均匀分离，以得到高精度的运动。③贴塑导轨。在动导轨的摩擦表面上贴上一层由塑料等其他化学材料组成的塑料薄膜软带。数控机床用导轨（2）滚动导轨。滚动导轨的最大优点是摩擦系数小，一般为0.0025～0.005近年来数控机床愈来愈多地采用由专业厂家生产的直线滚动导轨副或滚动导轨块。这种导轨组件本身制造精度很高，对机床的安装基面要求不高，安装、调整都非常方便。数控机床用导轨如图4-16所示为一种滚动导轨块组件，其特点是刚度高、承载能力大、导轨行程不受限制。当运动部件移动时，滚珠3在支承部件的导轨与本体6之间滚动，同时绕本体6循环滚动。每一导轨上使用导轨块的数量可根据导轨的长度和负载的大小确定。1-防护板；2-端盖；3-滚珠；4-导向片；5-保护架；6-本体图4-16滚动导轨块组件自动换刀装置数控车床的转塔刀架、加工中心的刀库及换刀机构，能够使工件一次装夹后不用再拆卸工件就可完成多工序的加工。自动换刀装置一、自动换刀装置的形式1.回转刀架换刀数控车床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置，根据不同加工对象，可以设计成四方刀架和六角刀架等多种形式。数控车床回转刀架动作的要求是刀架抬起、刀架转位、刀架定位和刀架夹紧。自动换刀装置如图4-17所示为数控车床六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。1－活塞2－刀架体3、7－齿轮4－齿圈5－空套齿轮6－活塞8－齿条9－固定插销10－活动插销11－推杆12－触头自动换刀装置2.转塔头式换刀装置一般数控机床常采用转塔头式换刀装置，如数控车床的转塔刀架，数控钻镗床的多轴转塔头等。在转塔的各个主轴头上，预先安装有各工序所需要的旋转刀具，当发出换刀指令时，各种主轴头依次转到加工位置，并接通主运动，使相应的主轴带动刀具旋转，而其他处于不同加工位置的主轴都与主运动脱开。自动换刀装置1-主轴；2-端盖；3-螺母；4-套筒；5、6、15-齿轮；7、8-鼠齿盘；9、11-推力轴承；10-转塔刀架；12-活塞13-中心液压缸；14-操纵杆；16-顶杆；17-螺钉；18-轴承图4-18卧式八轴转塔头自动换刀装置3.车削中心用动力刀架如图4-19(a)所示为意大利Baruffaldi公司生产的适用于全功能数控车床及车削中心的动力转塔刀架。如图4-19(b)所示为该转塔刀架的传动示意图。图4-19动力转塔刀架自动换刀装置二、带刀库的自动换刀系统自动换刀数控机床多采用刀库式自动换刀装置。带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成，它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀方法。整个换刀过程较为复杂，首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上，在进行尺寸预调整之后，按一定的方式放入刀库，换刀时先在刀库中进行选刀，并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具。在进行刀具交换之后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放入刀库。常见的刀库形式有3种，即盘形刀库，链式刀库，格子箱刀库等。自动换刀装置1.直接在刀库与主轴（或刀架）之间换刀的自动换刀装置这种换刀装置只具备一个刀库，刀库中储存着加工过程中需使用的各种刀具，利用机床本身与刀库的运动实现换刀过程。如图4-20所示为自动换刀数控立式车床示意图。1-工作台；2-工件；3-立柱4-横梁；5-刀架滑座6-刀架滑枕；7-刀库图4-20自动换刀数控立式车床示意图自动换刀装置1-刀库；2-换刀机械手；3、4-刀具主轴；5-转塔头；6-工件；7-工作台图4-22机械手和转塔头配合刀库换刀的自动换刀过程自动换刀装置刀具交换装置数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式通常分为由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换和采用机械手交换刀具两类。自动换刀装置1.利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的装置此装置在换刀时必须首先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不可能同时进行，如图4-23所示的数控立式镗铣床就是采用这类刀具交换方式的实例。1-工件；2-刀具；3-主轴4-主轴箱；5-刀库图4-23数控立式镗铣床自动换刀装置图4-24双臂机械手常用机构自动换刀装置如图4-25所示是双刀库机械手换刀装置图4-25双刀库机械手换刀装置自动换刀装置根据各类机床的需要，自动换刀数控机床所使用的刀具的刀柄有圆柱形和圆锥形两种。为了使机械手能可靠地抓取刀具，刀柄必须有合理的夹持部分，而且应当尽可能使刀柄标准化。如图4-26所示是常用的两种刀柄结构。V形槽夹持结构（图4-26(a)）适用于图4-24的各种机械手法兰盘夹持结构（图4-26(b)）适用于钳式机械手装夹图4-26刀柄结构自动换刀装置四、机械手机械手的形式常见的有如图4-27所示的几种形式。图4-27各种形式的机械手自动换刀装置1.单臂单爪回转式机械手这种机械手的手臂可以回转不同的角度，进行自动换刀，手臂上只有一个卡爪，不论在刀库上或是在主轴上，均靠这一个卡爪来装刀及卸刀，因此换刀时间较长，见图4-27a。2.单臂双爪回转式机械手这种机械手的手臂上有两个卡爪，两个卡爪有所分工，一个卡爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务。另一个卡爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务，其换刀时间较上述单爪回转式机械手要少，见图4-27b。自动换刀装置3.双臂回转式机械手这种机械手的两臂各有一个卡爪，两个卡爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转180o后又同时将刀具放回刀库及装入主轴。换刀时间较以上两种单臂机械手均短，是最常用的一种形式。图4-27c右边的一种机械手在抓取或将刀具送入刀库及主轴时，两臂可伸缩。4.双机械手这种机械手相当于两个单臂单爪机械手，互相配合起来进行自动换刀。其中一个机械手从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个机械手由刀库取出“新刀”装入机床主轴，见图4-27d。自动换刀装置5.双臂往复交叉式机械手这种机械手的两手臂可以往复运动，并交叉成一定角度。一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库取出“新刀”装入机床主轴。整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转，以实现刀库与主轴间的运刀工作，见图4-27e。6.双臂端面夹紧式机械手这种机械手只是在夹紧部位上与前几种不同。前几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面以抓取刀具，这种机械手则夹紧刀柄的