数控技术 第五章 数控机床的结构与传动

1第五章数控机床的典型部件5.1概述5.2数控机床的主轴系统5.3数控机床的进给系统5.4床身与立柱5.5机床导轨5.6自动换刀装置5.7自动排屑装置5.1概述5.1.1对数控机床机械机构的要求1.机床的性能要求（1）机床的工艺范围●机床可完成加工工序种类；●加工零件类型；●材料和尺寸范围，毛坯种类。（2）加工精度●尺寸、形状和位置精度。●机床精度：几何精度、运动精度和定位精度。（3）注意低速运动的平稳性。●导轨的材料和结构●进给系统的刚性和动态特性2.满足机床刚度和抗振性的要求●具有抵抗外载荷的能力；●抵抗受迫和自激振动的能力；●改善机床机构。3.减少热变形要求●减少发热●控制温升●改善机床机构4.机床可靠性要求5.人机要求●数控车床的结构●加工中心的结构数控车床加工中心5.2数控机床的主轴系统5.2.1数控机床主轴系统是数控机床的主运动传动系统。数控机床主轴运动是机床成型运动之一。它的精度决定了零件的加工精度。数控机床是具有高效率的机床，因此它的主轴系（1）具有更大的调速范围并实现无级调速。数控机床为了保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得更高的生产率、加工精度和表面质量，必须要求能在较大的调速范围内实现无级调速。一般要求主轴具备1∶（100～1000）的恒转矩调速范围和1∶10的恒功率调速范围。(2)具有较高的精度与刚度，传递平稳，噪声低。数控机床加工精度的提高，与主轴系统具有较高的精度密切相关。为此，要提高传动件的制造精度与刚度，就要对齿轮齿面高频感应加热淬火，以增加耐磨性；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用精度高的轴承及合理的支撑跨距等，以提高主轴组件的刚性。（3）良好的抗振性和热稳定性。数控机床加工时，可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自振等原因引起的冲击力的干扰，会使主轴产生振动，从而影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至可能破坏刀具和主轴系统中的零件，使其无法工作。主轴系统发热使其中的零部件产生热变形，降低传动效率，破坏零部件之间的相对位置精度和运动精度，造成加工误差。为此，主轴组件要有较高的固有频率，实现动平衡，保持合适的配合间隙并进行循环润滑等。（4）在车削中心上，要求主轴具有C轴控制功能。在车削中心上，为了使之具有螺纹车削功能，要求主轴与进给驱动实行同步控制，即主轴具有旋转进给轴(C轴)的控制功能。（5）在加工中心上，要求主轴具有高精度的准停功能。在加工中心上自动换刀时，主轴须停止在一个固定不变的方位上，以保证换刀位置的准确以及某些加工工艺的需要，即要求主轴具有高精度的准停功能。(6)具有恒线速度切削控制功能。利用车床和磨床进行工件端面加工时，为了保证端面加工时粗糙度的一致性，要求刀具切削的线速度为恒定值，随着刀具的径向进给，切削直径的逐渐减小，应不断提高主轴转速，并维持线速度为常数。此外，为了获得更高的运动精度，要求主运动传动链尽可能短，同时，由于数控机床特别是加工中心通常配备有多把刀具，要求能够实现主轴上刀具的快速及自动更换。5.2.2数控机床主运动调速范围很宽，其主轴的传动方式主要有以下几种。图5－1(a)齿轮变速；(b)带传动；(c)两个电机分别驱动；(d)调速电机直接驱动1．如图5－1（a）所示，这是大中型数控机床较常采用的配置方式，通过少数几对齿轮传动，扩大变速范围，确保低速时有较大的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。滑移齿轮的移位大多采用液压拨叉或直接由液压缸驱动齿轮来实现。2．通过带传动的主轴传动如图5－1（b）所示，这种传动主要用在转速较高、变速范围不大的小型数控机床上。电机本身的调整就能够满足要求，不用齿轮变速，可以避免由齿轮传动所引起的振动和噪声。它适用于高速低转矩特性的主轴，常用的有多楔带和同步齿形带。多楔带数控机床上应用的多楔带又称为复合三角带，其横向断面呈多个楔形，楔角为40°。多楔带综合了V带和平带的优点，运转时振动小、发热少、运转平稳、重量小，因此可在40m／s的线速度下使用。多楔带与带轮的接触好、负载分布均匀，即使瞬时超载，也不会产生打滑，而传递功率比V带大20%～30%，因此能够满足主传动高速、大转矩和不打滑的要求。多楔带在安装时需要较大的张紧力，使得主轴和电机承受较大的径向负载，这是多楔带的一大缺点。同步齿形带同步齿形带传动是一种综合了带传动和链传动优点的新型传动方式。同步齿形带的带型有梯形齿和圆弧齿。通过带轮与轮齿相嵌合，进行无滑动的啮合传动。带内采用了加载后无弹性伸长的材料做强力层，以保持带的节距不变，可使主、从动带轮进行无相对滑动的同步传动。与一般带传动相比，同步齿形带传动具有如下优点：(1)传动效率高，可达98%(2)无滑动，(3)传动平稳，(4)使用范围较广，速度可达50m／s，速比可达10左右，(5)维修保养方便，(6)安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。3．用两个电机分别驱动主轴传动用两个电机分别驱动主轴传动如图5－1（c）所示，它是上述两种方式的混合传动，具有上述两种方式的性能。高速时，由一个电机通过带传动；低速时，由另一个电机通过齿轮传动，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，这样就使恒功率区增大，扩大了变速范围，避免了低速时转矩不够且电机功率不能充分利用的问题。但两个电机不能同时工作，也是一种浪费。4．调速电机直接驱动主轴传动由调速电机直接驱动主轴传动如图5－1（d）所示。这种主轴传动方式是由电机直接带动主轴旋转，即直接驱动式，如图5－4所示。它大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出的扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。图5－4直接驱动式图5－5日本研制的立式加工中心主轴组件近年来出现了一种新式的内装电机主轴，即主轴与电机转子合为一体。其优点是主轴组件结构紧凑、重量和惯量小，可提高启动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声；缺点是电机运转产生的热量易使主轴产生热变形。因此，温度控制和冷却是使用内装电机主轴的关键问题。图5－5所示为日本研制的立式加工中心主轴组件，其内装电机主轴最高转速可达180000r／min。5.2.3主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴的支撑和安装在主轴上的传动零件等。主轴部件质量的好坏直接影响到加工质量。1．主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在设计要求上，应能保证定位准确、安装可靠、联结牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。主轴端部的结构形状都已标准化，图5－6所示为普通机床和数控机床所通用的几种主轴端部的结构形式。图5－6(a)车床主轴端部；(b)铣、镗类机床主轴端部；(c)(d)内圆磨床砂轮主轴端部；(e)普通镗杆装在钻床主轴上的端部；(f)组合机床主轴端部2．1）滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围内稳定地工作。滚动轴承由专业化工厂生产，选购维修方便，在数控机床上被广泛采用。但与滑动轴承相比，滚动轴承的噪声大，滚动体数目有限，刚度是变化的，抗振性略差并且对转速有很大的限制。数控机床主轴组件在有可能的条件下，应尽量使用滚动轴承，特别是大多数立式主轴和主轴装在套筒内能够作轴向移动的主轴，这时滚动轴承可以用润滑脂润滑以避免漏油。图5－7为主轴常用的滚动轴承类型。图5－7(a)锥孔双列圆柱滚子轴承；(b)双列推力向心球轴承；(c)双列圆锥滚子轴承；(d)带凸肩的双列空心圆柱滚子轴承；(e)带预紧弹簧的单列圆锥滚子轴承；(f)角接触滚子轴承滚球：容易实现高精度，但是承载能力差；滚柱：精度稍差，但承载能力强。2）滑动轴承在数控机床上最常使用的是静压滑动轴承。静压滑动轴承的油膜压强是由液压缸从外界供给的，它和主轴转与不转、转速的高低无关（忽略旋转时的动压效应）。它的承载能力不随转速而变化，而且无磨损，启动和运转时摩擦阻力力矩相同，因此静压轴承的刚度大，回转精度高，但静压轴承需要一套液压装置，成本较高。图5－8主轴轴承常见的支撑形式(a)形式一；(b)形式二；(c)形式三3．主轴轴承的支撑形式主要取决于主轴转速特性的速度因素和对主轴刚度的要求。主轴轴承常见的支撑形式有以下三种，如图5－8所示。（1）前支撑采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力球轴承组合，后支撑采用成对向心推力球轴承(见图5－8（a）)。此配置可提高主轴的综合刚度，满足强力切削的要求。它普遍用于各类数控机床主轴。（2）前支撑采用高精度双列向心推力球轴承(见图5－8（b）)。向心推力轴承有良好的高速性，主轴最高转速可达4000r／min，但它的承载能力小，适于高速、轻载、高精密的数控机床主轴。（3）前后支撑分别采用双列和单列圆锥滚子轴承(见图5－8（c）)。这种轴承的径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其是可承受较强的动载荷。其安装、调整性能好，但这种支撑方式限制了主轴转速和精度，因此可用于中等精度、低速、重载的数控机床的主轴。4．滚动轴承存在较大间隙时，载荷将集中作用于受力方向上的少数滚动体上，使得轴承刚度下降，承载能力下降，旋转精度变差。将滚动轴承进行适当预紧，使滚动体与内外圈滚道在接触处产生一定量的预变形，就可使受载后承载的滚动体数量增多，受力趋向均匀，从而提高轴承承载能力和刚度，有利于减少主轴回转轴线的漂移，提高旋转精度。但过盈量不宜太大，否则会使轴承的摩擦磨损加剧，承载能力显著下降。公差等级、轴承类型和工作条件不同的主轴组件，其轴承所需的预紧量各有所不同。因此，主轴组件必须具备轴承间隙的调整机构。5．滚动轴承的精度主轴部件所用滚动轴承的精度有高级E、精密级D、特精级C和超精级B。前支撑的精度一般比后支撑的精度高一级，也可以用相同的精度等级。普通精度的机床通常前支撑取C，D级，后支撑用D，E级。特高精度的机床前后支撑均用B级。Standards精度等级precisionGrade中国标准GBP0（G）P6（E）P5（D）P4（C）P2（B）国际标准ISONormalClassClass6Class5Class4Class2美国标准ANSIABEC1ABEC3ABEC5ABEC7ABEC9德国标准DINP0P6P5P4P2日本标准JIS0级6级5级4级2级5.2.4主轴准停功能又称为主轴定位功能，即当主轴停止时，控制其停于固定位置，这是自动换刀所必需的功能。在自动换刀的镗铣加工中心上，切削的转矩通常是通过刀杆的端面键来传递的，这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的功能。主轴准停换刀如图5－5所示。当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时，为防止刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面，必须先让刀，再退刀，因此，刀具就必须具有定位功能。主轴准停阶梯孔或精镗孔如图5－10所示。图5－5主轴准停换刀示意图图5－10主轴准停阶梯孔或精镗孔示意图图5－11为典型的V形槽轮定位盘机械准停原理示意图。带有V形槽的定位盘与主轴端面保持一定的关系，以确定定位位置。当准停指令到来时，首先使主轴减速至某一可以设定的低速转动，当无触点开关有效信号被检测到后，立即使主轴电动机停转并断开主轴传动链，此时主轴电动机与主轴传动件依惯性继续空转，同时准停油缸定位销伸出并压向定位盘。当定位盘V形槽与定位销正对时，由于油缸的压力，定位销插入V形槽中，准停到LS2信号有效，表明准停动作完成。这里LS1为准停释放信号。采用这种准停方式，必须有一定的逻辑互锁，即LS2有效时才能进行下面诸如换刀等动作。而只有当LS1有效时才能启动主轴电动机正常运转。上述准停功能通常可由数控系统所配的可编程控制器完成。图5－11典型的V形槽轮定位盘机械准停原理示意图1．机械准停控制2．目前国内外中高档数控系统均采用电气准停控制。采用电气准(1)简化机械结构。与机械准停相比，电气准停只需在这种旋转部件和固定部件上安装传感器即可。（2）缩短准停时间。准停时间包括在换刀时间内，而换刀时间是加工中心的一项重要指标。若采用电气准停，即使主轴在高速转动时，也能快速定位于准停位置。（3）可靠性增加。由于无需复杂的机械、开关和液压缸等装置，也没有机械准停所形成的机械冲击，因此准停控制的寿命与可靠性大