数控机床课程重点难点解析文本Word下载.docx
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1.1.3数控机床的基本组成
数控机床的基本组成:
控制介质、数控系统、伺服系统、机床本体、反馈装置和各类辅助装置等。
数控机床一般由控制介质、数控系统、伺服系统、机床本体、反馈装置和各类辅助装置组成。
1、控制介质:
信息载体
2、数控系统:
控制核心
3、伺服系统:
电传动联系环节
4、反馈装置:
反馈环节
5、辅助装置
6、机床本体:
结构实体
1.2数控机床的分类
1.2.1按工艺用途分类
(1)金属切削类数控机床
(2)金属成型类数控机床
(3)数控特种加工机床
(4)其它类型的数控机床
1.2.2按功能水平分类
高级型数控机床、普通型数控机床和经济型数控机床
分类依据:
主要技术参数、功能指标和关键部件的功能水平。
1.2.3按伺服控制的方式进行分类
(1)开环控制的数控机床:
特点:
只有控制信息的前向通道,没有检测装置,不具有反馈环节。
应用:
一般在经济型数控机床和旧设备的简易数控改造中采用。
(2)闭环控制的数控机床:
具有反馈环节,全闭环控制的数控机床的反馈装置安装在数控机床终端移动部件上。
主要是高精密的数控机床、加工中心等;
半闭环控制的数控机床:
反馈装置安装在伺服电动机或丝杠端部。
大部分数控机床中采用。
(3)混合控制数控系统:
常用形式:
开环补偿型和半闭环补偿型。
1.2.4按数控机床运动轨迹分类
(1)点位控制的数控机床
主要有数控钻床、数控镗床和数控冲床等。
(2)直线控制的数控机床
主要有简易的数控车床、数控铣床等。
(3)轮廓控制的数控机床:
数控系统应具有插补运算功能。
两轴以上联动的数控机床、加工中心均采用轮廓控制。
可控轴数:
是指机床数控装置能够控制的坐标数目,即数控机床有几个运动方向采用了数字控制。
联动轴数:
是指机床数控装置控制各坐标轴协调动作的坐标轴数目。
通常一台数控机床的联动轴数一般会小于或等于可控轴数。
1.3数控机床的发展历程和发展方向
1.3.1数控机床的发展历程
种类
发展阶段
数控系统构成方式
硬件数控(NC)
第一代
电子管
第二代
晶体管电路
第三代
集成电路
计算机数控(CNC)
第四代
大规模集成电路
第五代
微型电子计算机
第六代
开放式数控系统
数控机床采用开放式数控系统的优点:
使数控系统具有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性和可靠性,并向集成化、微型化、智能化、网络化方向大大发展。
突破传统机床结构的最新一代的数控机床:
并联机床(虚轴机床)。
1.3.2数控机床的发展方向
(1)高速度与高精度化
(2)多功能化
(3)智能化
(4)高的可靠性
第二章数控机床的机械结构辅导材料
(一)
(一)目的与要求
本章主要对数控机床的主要部件及其功能加以阐述,使学习者进一步了解数控机床的机械结构,为后续学习各种典型数控机床打好基础。
使学生掌握数控机床机械结构的组成和特点,对数控机床的主传动系统、进给传动系统、导轨、工作台、位置检测装置、自动换刀装置、辅助装置等重要组成部分有一定的认识。
(二)教学内容
1.数控机床机械结构组成及特点
2.数控机床的主传动系统
3.数控机床进给传动系统
4.数控机床的导轨
5.数控机床的工作台
6.数控机床的位置检测装置
7.数控机床的自动换刀装置
8.数控机床的辅助装置
(三)重点与难点
重点是数控机床机械结构组成及特点,主传动系统、进给传动系统的组成、特点、作用。
难点是主要部件的工作原理。
(四)教学要求
1.熟练掌握数控机床机械结构组成及特点。
2.了解提高数控机床结构刚度的措施。
3.了解减少机床热变形影响的常用措施。
4.掌握数控机床主传动系统的特点。
5.掌握数控机床主轴的变速方法及其特点。
6.了解主轴轴承配置形式。
7.掌握主轴的定向停止装置、刀具自动装卸及切屑清除装置的作用。
8.掌握高速主轴单元的类型。
9.掌握进给传动系统的作用和机械传动链的基本组成,以及数控机床对进给传动系统的要求。
10.掌握传动齿轮间隙消除的方法。
11.掌握滚珠丝杠螺母副的特点、结构和工作原理。
12.掌握滚珠丝杠螺母副的作用,以及其轴向间隙调整的方法。
13.掌握数控机床对导轨的要求。
14.掌握数控机床常用导轨的形式及其特点。
15.掌握数控机床常用工作台的形式。
16.了解位置检测装置的功能及分类。
17.掌握光栅和旋转变压器的特点和应用
18.掌握自动换刀装置常用刀库类型、换刀形式和选刀方式
19.了解常用数控机床辅助装置的作用。
(五)内容提要及学习指导
2.1数控机床机械结构组成及特点
2.1.1数控机床机械结构的主要组成
组成:
1.主传动系统2.进给传动系统3.基础支承件4.辅助装置
。
2.1.1数控机床机械结构的主要特点
1.高的静、动刚度及良好的抗振性能
提高数控机床结构刚度的措施有:
(1)提高数控机床构件的静刚度和固有频率
(2)改善数控机床结构的阻尼特性
(3)采用新材料和钢板焊接结构
2.良好的热稳定性
减少机床热变形影响的常用措施有:
(1)改善机床布局和结构。
采用:
1)热对称结构;
2)倾斜床身和斜滑板结构;
3)热平衡措施等。
(2)控制温度。
1)对热源采取液冷、风冷等方法来控制温升;
2)对切削部位采取强冷措施等。
(3)热位移补偿。
3.高的灵敏度
4.高效化装置、高人性化操作
2.2数控机床的主传动系统
1.作用:
产生不同的主轴切削速度以满足不同的加工条件要求。
2.组成:
主要包括电动机、传动系统和主轴部件。
2.2.1数控机床主传动系统的特点
(1)转速高、功率大
(2)变速范围宽
(3)主轴变换迅速可靠
(4)主轴组件的耐磨性高
2.2.2数控机床主传动系统的变速方式
1.带有变速齿轮的主传动
特点:
通过少数几对齿轮降速,扩大输出扭矩,以满足主轴低速时对输出扭矩特性的要求。
大、中型数控机床采用这种变速方式。
2.通过带传动的主传动
电动机本身的调速就能够满足要求,不用齿轮变速,可以避免齿轮传动引起的振动与噪声。
它适用于高速、低转矩特性要求的主轴。
常用的是三角带和同步齿形带。
应用:
8这种传动主要应用在转速较高、变速范围不大的机床。
3.用两个电动机分别驱动主轴
这是上述两种方式的混合传动,具有上述两种性能。
高速时电动机通过皮带轮直接驱动主轴旋转,低速时,另一个电动机通过两级齿轮传动驱动主轴旋转,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。
克服了低速时转矩不够且电动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.由调速电动机直接驱动的主传动
调速电机与主轴用联轴器同轴联接,这种方式大大简化了主传动系统的结构,有效地提高了主轴部件的刚度,但主轴输出扭矩小,电机发热对主轴精度影响较大。
5.内装式电主轴:
即主轴与电机转子合二为一。
优点是主轴部件结构更紧凑,重量轻,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。
缺点同样是热变形问题。
2.2.3数控机床的主轴部件
1.主轴轴承配置形式
(1)前、后支承采用不同轴承
普遍应用于各种数控机床,其综合刚度高,可以满足强力切削要求。
(2)前支承采用多个高精度向心推力球轴承
适用于高速轻载和精密数控机床。
(3)前、后支承采用单列和双列圆锥滚子轴承
适用于中等精度低速重载数控机床。
2.主轴的润滑与冷却
作用:
是控制主轴发热,保证主轴正常工作的必要手段。
3.刀具自动装卸装置及(主轴孔内的)切屑清除装置
用于带有刀具库的数控机床
4.主轴准停装置作用:
又称主轴定位功能。
即当主轴停止时,控制其停于固定的位置。
自动换刀所必须的功能。
2.2.4高速主轴单元
1.组成:
包括主轴动力源、主轴、轴承和机架等几个部分。
2.作用:
高速数控机床的工作性能,首先取决于高速主轴的性能。
高速主轴影响加工系统的精度、稳定性及应用范围,其动力学性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。
3.要求:
动平衡性高,刚性好,回转精度高,有良好的热稳定性,能传递足够的力矩和功率,能承受高的离心力,带有准确的测温装置和高效的冷却装置。
4.类型:
主要有电主轴、气动主轴、水动主轴等。
2.3数控机床进给传动系统
1.作用:
负责接受数控系统发出的脉冲指令,并经放大和转换后驱动机床运动执行件实现预期的运动。
进给传动系统的机械传动链中包括减速齿轮、连轴器、丝杠螺母副、丝杠支承、导轨副、传动数控回转工作台的蜗杆涡轮等。
图2.12为完成直线运动的进给传动系统的示意图。
图2.12
进给传动系统示意图
1-滚珠丝杠2-滚珠螺母3-滚动直线导轨4-工作台
5-支承轴承6-连轴器7-伺服电动机8-床身
2.3.1数控机床对进给系统的要求
1.运动件间的摩擦阻力小
2.消除传动系统中的间隙
3.传动系统的精度和刚度高
4.
减少运动惯性,具有适当的阻尼
2.3.2传动齿轮副
进给系统采用齿轮传动装置,是为了使丝杠、工作台的惯性在系统中占有较小比重;
同时可使高转速低转矩的伺服驱动装置的输出变为低转速大扭矩,从而适应驱动执行元件的需要;
另外,在开环系统中还可计算所需的脉冲当量。
2.缺点:
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。
3.消除齿轮传动间隙的措施:
(1)刚性调整法1)偏心轴套调整法;
2)锥度齿轮调整法。
(2)柔性调整法1)轴向压簧调整法;
2)周向弹簧调整法。
2.3.3滚珠丝杠螺母副
是将旋转运动转换为直线运动。
2.工作原理:
在丝杠和螺母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的螺旋滚道。
螺母上有滚珠回路管道,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。
当丝杠旋转时,滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动。
因而迫使螺母(或丝杠)轴向移动。
3.特点:
传动效率高、摩擦损失小;
通过预紧可消除间隙,提高传动刚度;
但制造成本高,不能自锁。
4.应用:
一般用于中小型数控机床的直线进给传动系统。
5.分类:
(1)外循环;
(2)内循环
6.滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整
常用的双螺母丝杠消除间隙方法有:
(1)垫片调隙式;
(2)齿差调隙式;
(3)螺纹调隙式。
第二章数控机床的机械结构辅导材料
(二)
2.4数控机床导轨
动导轨、支承导轨。
对运动部件起支承和导向作用。
2.4.1数控机床对导轨的基本要求
1.导向精度高
2.耐磨性能好
3.
足够的刚度
4.
良好的摩擦特性
5.工艺性好
2.4.2数控机床导轨的类型与特点
一.滑动导轨
1.优点:
具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等。
是静摩擦系数大,且动摩擦系数随速度变化而变化,摩擦损失大,低速时易出现爬行现象,降低了运动部件的定位精度。
3.目前多数采用贴塑导轨。
贴塑导轨的优点:
贴塑滑动导轨的特点是摩擦特性好、耐磨性好、运动平稳、减振性好、工艺性好。
二.滚动导轨
(1)灵敏度高,运动平稳,低速移动时不易出现爬行现象;
(2)定位精度高;
(3)摩擦阻力小,移动轻便,磨损小,精度保持性好,寿命长。
抗振性较差,对防护要求较高,结构复杂,制造比较困难,成本较高。
3.三种结构形式:
(1)滚珠导轨;
(2)滚柱导轨;
(3)滚针导轨。
三.静压导轨
不产生磨损,机械效率高,精度保持性好,摩擦因数小,低速不易产生爬行,抗震性好。
2.分类:
液体静压导轨和气体静压导轨。
液体静压导轨缺点:
结构复杂,液压装置比较大,且需要专门的供油系统。
气体静压导轨缺点:
防尘要求高。
2.5数控机床的工作台
2.5.1工作台
应用:
直线进给运动。
2.5.2回转工作台
圆周进给运动。
2.5.3摆动工作台
摆动进给运动。
2.5.4直接驱动的回转工作台
是伺服驱动电动机与回转工作台的集成。
2.优点:
减少传动环节、简化机床的结构等。
2.6数控机床的位置检测装置
1.检测装置的作用:
在闭环数控系统中,必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来,与给定的控制值(指令信号)进行比较,从而控制驱动元件准确运转,使工作台(或刀具)按规定的轨迹和坐标移动。
它的精度直接影响数控机床的定位精度和加工精度。
2.对位置检测装置的要求:
(1)高可靠性和高抗干扰性;
(2)满足精度和速度要求;
(3)使用维护方便,适合机床运行环境;
(4)成本低,寿命长。
2.6.1检测装置的分类
1.根据安装的位置及耦合方式分为:
直接测量和间接测量两种。
2.按测量方法分为:
增量式和绝对式两种。
3.按检测信号的类型分为:
模拟式和数字式两大类。
4.根据运动型式分为:
回转型和直线型检测装置。
直线型位置检测装置作用:
用来检测运动部件的直线位移量。
旋转型位置检测装置作用:
用来检测回转部件的转动位移量。
2.6.2光栅
1.分类:
长光栅(光栅尺)和圆光栅。
长光栅用来测量直线位移;
圆光栅用来测量角度位移。
2.特点:
响应速度快,精度高。
3.应用:
高精度数控机床。
2.6.3旋转变压器
一种常用的转角检测元件。
结构简单,动作灵敏,对环境无特殊要求,维护方便,输出信号幅度大,抗干扰性强,工作可靠等特点,且精度能满足一般的检测要求。
3.分类:
旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构。
有刷式旋转变压器特点:
结构简单,体积小,可靠性差,寿命也较短。
无刷式旋转变压器特点:
提高了可靠性及使用寿命,但其体积、质量、成本均有所增加。
2.7数控机床的自动换刀装置(ATC)
自动储存、更换刀具,使工件在一台机床一次装夹可完成多道工序或全部工序加工。
要求:
换刀时间短,刀具重复定位精度高,足够的刀具储备量,占地面积小,安全可靠等。
2.7.1刀库
1、刀库容量:
刀库存放刀具的数量,一般根据加工工艺要求而定。
2、刀库类型
分类:
(1)鼓轮式刀库;
(2)链式刀库;
(3)格子箱式刀库;
(4)直线式刀库等。
(1)鼓轮式刀库
占地小,结构紧凑,容量大,但选刀、取刀动作复杂。
(2)链式刀库
结构紧凑,容量大,链环的形状也可随机床布局制成各种形式而灵活多变,还可将换刀位突出以便于换刀。
(3)格子箱式刀库结构紧凑,容量大,刀库空间利用率高,换刀时间长,辅助装置较复杂。
(4)直线式刀库结构简单,容量小。
3、选刀方式
(1)顺序选刀;
(2)任意选刀。
(1)顺序选刀
是在加工前,将加工所需刀具依工艺次序插入刀库刀套中,顺序不能有差错,加工时按顺序调刀。
工件变更时,需重调刀具顺序,操作烦琐,且加工同一工件中刀具不能重复使用。
(2)任意选刀
刀库中的刀具的排列顺序与工件的加工顺序无关,相同的刀具可重复使用。
2.7.2数控车床的自动换刀装置
主要采用回转刀盘。
2.7.3加工中心的自动换刀装置及刀库类型
1.转塔式换刀装置
(1)垂直转塔式;
(2)水平转塔式
2.刀库式换刀装置
(1)无机械手换刀方式;
(2)机械手换刀方式;
(3)机械手和刀具运送器。
3.成套更换方式换刀装置
(1)更换转塔头;
(2)更换主轴箱;
(3)更换刀库。
2.8数控机床的辅助装置
2.8.1数控机床液压和气压装置
1.定义:
用压力油或加压空气作为传递能量的载体实现传动与控制。
2.特点:
(1)液压传动装置
机构输出力大,机械结构更紧凑、动作平稳可靠,易于调节和噪声较小,但要配置液压泵和油箱,当油液渗漏时污染环境。
(2)气压装置
装置结构简单,工作介质不污染环境,工作速度快和动作频率高,适合于完成频繁启动的辅助工作,过载时比较安全,不易发生过载损坏机件等事故。
3.辅助作用:
(1)自动换刀所需的动作。
(2)机床运动部件的平衡。
(3)机床运动部件的制动和离合器的控制,齿轮拨叉挂档等。
(4)机床的润滑冷却。
(5)机床防护罩、板、门的自动开关。
(6)工作台的松开夹紧,交换工作台的自动交换动作。
(7)夹具的自动松开、夹紧。
(8)工件、工具定位面和交换动作台的自动吹屑、清理定位基面等。
4.构成:
1)动力装置;
2)执行装置;
3)控制与调节装置;
4)辅助装置;
5)传动介质。
2.8.2自动排屑装置
自动分离并收集切削液和切屑,以便自动加工顺利进行和减少数控机床的发热。
常见的排屑装置:
(1)平板链式排屑装置;
(2)刮板式排屑装置;
(3)螺旋式排屑装置。
2.8.3工件自动交换系统
减少工件安装调整时间。
1.托盘交换装置
(1)托盘交换装置的作用:
自动交换加工的托盘与托盘系统中备用的托盘,以提高交换工件的效率。
(2)托盘系统的功能:
存储、运送功能,自动检测功能,工件、刀具归类功能,切削状态监视功能等。
2.自动运输小车
由多台机床组成柔性生产线时,工件在它们间的传送方式有有轨小车和无轨小车。
第三章数控机床电气控制系统辅导材料
使学生掌握数控机床电气控制系统的组成及其各部分的作用、特点、选型。
(二)重点与难点
重点是数控系统的基本组成,PLC在数控机床上的作用;
难点是数控系统的插补原理和伺服驱动电动机的选型方法。
(三)教学内容
1.数控系统的组成
2.数控系统的功能和特点
3.数控系统的插补原理
4.典型数控系统及其应用
5.数控机床上的可编程控制器
6.伺服系统
1.掌握数控系统的基本组成并了解其基本工作原理。
2.掌握数控系统的特点和功能。
3.了解数控系统的插补方法。
4.了解典型数控系统的应用。
5.了解可编程控制器在数控机床中的作用和常用配置方式。
6.掌握数控机床对伺服系统的要求。
7.掌握伺服系统对伺服电的要求。
8.了解伺服电机的特性和选型方法。
(五)内容提要和学习指导
3.1概述
3.1.1数控系统的组成
1.组成:
由人机界面、数字控制以及机床逻辑控制这三个相互依存的功能部件构成。
人机界面:
是数控机床操作人员与数控系统进行信息交换的窗口。
数字控制:
是数控系统核心,数字控制包括了轨迹运算和位置调节两大主要功能,以及各种相关的控制,比如加速度控制、刀具参数补偿、零点偏移、坐标旋转与缩放等。
逻辑控制:
也叫做可编程控制器机床接口或PLC,是用来完成机床的逻辑控制。
3.1.2数控系统的数据流
数据转换流程:
译码→准备→插补→位置控制。
3.2数控系统的功能和特点
3.2.1计算
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