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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,数控技术基础,第一章,数控技术基础,1.1,概述,1.2,数控机床的机械结构,1.3 数控机床的数控系统,数控技术基础,1.1,概述,1.1.1,数控机床（,NC）,的组成及各部分的功能,图1-1 数控机床的组成,位置检测,速度检测,输入介质,数控装置,伺服系统,机床,反馈系统,适应控制,速度指令,位置指令,温度检测,受力检测,数控技术基础,1.1.1.1,输入介质功能,输入介质是人与数控机床建立联系的媒介物又叫信息载体。目前常用的存储介质有：,1.穿孔纸带,：其信息是以代码的形式按规定的格式存储在穿孔纸带上，所谓代码就是由一些小孔按一定规律排列的二进制图形，每一行代码分别代表一个十进制数字或一个字母或一个专用符号，目前常用的是,ISO,代码和,EIA,代码。,2.磁带,：原则上所有磁盘都可用于记录数控信息，但常用的是盒式磁带。,3.磁盘,：磁盘可同时存储许多数控程序，其容量有1.44,MB。,其输入的方式主要有人工输入（根据数控系统内部的程序系统及相应的辅助外置的情况，利用键盘输入数控程序是目前中小型数控机床最常用的输入方法），接口输入（在传递信息时，用专用接口输入外接计算机，一般用,V24,型接口）。,数控技术基础,1.1.1.2,数控装置,数控装置由输入装置、处理器和输出装置三部分组成，是数控机床的大脑，俗称脑袋。目前多数的数控机床由微型计算机控制，只有少数的用单片机控制，其组成框图如下：,它的功能是由输入装置接受到的工艺信息送到运算器和控制器进行信息处理，把处理的结果送入存储器，再送到输出装置，通过输出装置送入数控机床伺服系统驱动机床。,数控技术基础,图1,2 数控装置的组成,存贮器,穿孔带,孔带,阅读机,输入,装置,输出,装置,伺服,系统,运算器,控制器,数控技术基础,1.1.1.3,伺服驱动系统,伺服驱动系统是数控装置和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。一个数控系统的速度和精度等技术指标，主要由伺服系统决定，它包含了电子、电机、液压、机械等各种部件。它的功能是把来自数控装置的指令转换为机床运动部件的运动，使工作台按照规定的轨迹运动或精确定位，以致加工出符合零件图纸要求的工件，即是把来自数控装置的脉冲信号转化为机床的位移量。目前主要有0.01,mm/,脉冲、0.005,mm/,脉冲、0.001,mm/,脉冲等。,数控技术基础,1.1.1.4,反馈系统,反馈系统是把机床运动的实际位置、速度等的参数通过检测装置检测出来，再转换为电信号，反馈到数控机床的数控装置，使数控装置能随时跟踪机床的实际位置和校核机床的实际工作情况是否与所给的指令一致，并由数控装置发出指令纠正运动部件运动所产生的误差。,数控技术基础,1.1.1.5,机床本体,机床本体包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件，床身、底座、立柱、滑鞍、工作台、（刀架）导轨等与普通机床不同，主运动及各坐标轴的进给运动都是由单独的伺服电机驱动。所以它的传动链短，结构简单，把普通机床上复杂的光杠传动改为由计算机控制的各坐标轴的相对运动，使用滚珠丝杠和直线滚动导轨直接驱动，提高了刚度，减小了累积误差，提高了耐磨性。从而使数控机床较普通机床有较高的精度和高的生产率。另外，加工中心上还有刀库和自动换刀装置。及其相应的配套设施（自动排屑、对刀仪），以利于充分发挥数控机床的性能。,数控技术基础,1.1.2,数控机床的分类与加工对象,1.1.2.1,按运动方式分类,1.点位控制系统,点位控制系统的数控机床指的是机床移动部件只实现从一个位置到另一个位置的准确定位。在机床运动部件的运动过程中，不进行任何加工，机床运动的路线不影响加工的精度，数控系统只控制运动部件的终点坐标，不控制运动轨迹。因此，机床几个坐标轴之间相对独立，机床结构简单，价格低。这类机床主要有：数控钻床、数控镗床、数控冲床、数控点焊机、电火花加工机及数控折弯机等。,数控技术基础,2.点位直线控制系统,点位直线控制数控机床，除了前面要求的控制位移终点坐标外，还要求实现平行于坐标轴的直线切削加工，并且要求控制直线切削加工的进给速度。由于这种机床只能实现单坐标切削运动，不能实现复杂的轮廓加工，因此常用的有简单数控车床和数控铣床等。,数控技术基础,3.轮廓控制系统,轮廓控制系统数控机床是指各坐标轴的运动之间有着确定的函数关系，控制刀具以系统给定的速度和路径运动。具备轮廓控制系统的数控机床，可以加工各种形状复杂的零件，这类控制机床必须具备两坐标（至少两坐标）和两坐标以上的联动功能。为保证加工精度并且具有刀具半径补偿、长度补偿、累积误差补偿等功能，按照同时控制的坐标轴数目，可以有2轴控制（最基本）、2.5轴控制、3轴及3轴以上控制等。,数控技术基础,(1)2轴控制能实现两坐标轴的连续控制，如,XZ,轴数控车床、,XY,轴线切割机床等。,(2)2.5轴控制是指两轴能连续控制，第三轴为点位控制的机床。这种机床不能实现三轴联动，只能是第三轴点动到位后，再进行两轴连续控制加工，所以叫2.5轴控制机床。如简单数控铣床。,(3)3轴控制能实现,X.Y.Z,三轴连续控制，是三维控制机床。如数控铣床。,(4)多轴控制能实现,X.Y.Z,三坐标及辅助轴的联动，能加工复杂的曲面。如五轴联动加工中心。,数控技术基础,1.1.2.2,按控制方式分类,1.开环控制系统,开环控制系统机床是当机床的控制系统接受来自输入介质的信息后，编译成机床识别的机器代码（二进制代码），发送给电动机驱动单元，使伺服电机按要求作相应的运动，通过齿轮和丝杠带动工作台移动。对于每个脉冲，工作台移动一个脉冲当量的距离。因为开环控制系统主要使用步进电机作为伺服电机，这种控制系统只含有信号的放大和变换，不带有检测反馈装置。由于这种控制系统没有反馈检测部件，各部分的误差都折合成系统的位置误差，不能补偿。因此，开环系统的精度差，速度也有一定限制（主要是步进电机性能的限制）；但结构简单，调整容易，价格抵，在速度和精度要求不太高的场合下广泛使用，特别是中小型企业。,数控技术基础,2.闭环控制系统,与开环控制系统相对应的是闭环控制系统，它是在机床的移动部件工作台上安装位置检测反馈系统，把工作台的机械位移转变成电量，反馈到输入端与输入信号相比较，得到的差值经过放大和变换，最后驱动工作台向减少误差的方向移动，直到差值为零时才静止。因此闭环系统的定位误差取决于检测单元的误差，与放大和传动部分没有直接关系。由于应用了反馈控制的原理，闭环伺服系统多采用直流伺服电机和交流伺服电机，可以达到较高的速度和精度。因此在数控机床中得到了广泛的应用，特别是大型和精密的机床，但测量装置价格较高，安装和调整比较复杂，故障率也较高。,数控技术基础,图1-3 闭环控制系统,数控技术基础,3.半闭环控制系统,与闭环控制系统相比，把反馈检测装置安装在机床传动链的旋转部位-电动机轴上，测量旋转角度位移要比检测工作台的直线位移简单得多。为区别直接测量位移反馈的系统，把这种通过检测角度位移间接控制工作台位移的控制系统称为半闭环控制系统。由于半闭环控制系统在传动链的中间部位上取出反馈信号，只能补偿环路内部传动链的误差。因此，其加工精度要比闭环系统差一些，但由于这种系统结构简单，调整方便，所以广泛应用于各种中型数控机床。,数控技术基础,图1-4 半闭环控制系统,数控技术基础,1.1.2.3,按工艺用途分类,1.普通数控机床主要有数控钻床、车床、铣床、镗床、磨床、齿轮加工机床等。虽然这些机床在加工工艺方面有差别，控制方式也不同，但它们都适用于单件小批量零件的加工。,2.特种加工机床主要有火焰切割机，电火花加工机床，激光加工机床，超声波加工机床等，这种数控机床价格较贵，适用于一些特殊材料的加工。,3.加工中心机床，这种机床是带有刀库和自动换刀装置的数控加工机床。这种机床加工效率高，精度高，价格也高，维修复杂，但这种机床可减少零件的加工工序和减少车间占地面积，提高了自动化程度。,数控技术基础,1.1.2.4,按功能水平分类,1.经济型数控机床,经济型数控机床的特点主要是价格低廉，它的控制系统简单，通常以步进电机作为伺服驱动元件，使用开环控制，精度一般为0.01,mm，,进给速度(8,15),mm/min，,程序编制简单，主要用于数控车床，线切割机床及一些机床的数控化改造上使用。,2.普及型数控机床，这类数控机床是当前用的最多的一类数控机床，采用全功能数控系统控制，功能齐全，通常采用半闭环的直流伺服系统或交流伺服系统；也采用闭环伺服系统，精度达(0.005,mm0.01mm)，,进给速度达(12,m/min20m/min)，,具有人机对话功能和直接数字控制,DNC（direct numerical control）,通信接口。,3.高级型数控机床，这类数控机床采用响应特性的伺服驱动系统，能实现多轴联动，精度达0.1,um,以下，进给速度100,m/min,以上，具有制造自动化通信接口，具有联网功能，具有远程故障诊断系统，现代的并联结构机床也属于此类。,数控技术基础,1.1.2.5,数控机床的加工对象,1.多品种小批量生产的零件,单件小批量品种单一，适用于通用机床，大批量适合于专用机床，而多品种小批量生产适合用数控机床。不需要专用工装，只要改变程序即可。,2.结构复杂的零件,普通机床不能加工，专用机床设计专用夹具太复杂，有的可能不能实现，使用数控机床就较为简单。,3.需要频繁改型的零件,使用数控机床加工频繁改型的零件，不需要多次改换工装，只要改变程序即可，这是数控机床不同于普通机床的优势。,4.价格昂贵不允许报废的关键零件,5.需要最少生产周期的急需零件,数控机床的最大优势就是使零件的设计和加工周期大大缩短，对急需零件特别适用。,6.个性化需求的零部件,根据厂家的想法而需要加工出的零件先建模型，交付满意后再生产加工，周期要短，周期长了竞争力就差。,数控技术基础,1.1.3,数控机床的发展阶段与发展方向,1.1.3.1,数控机床的产生,1.1.3.2 数控机床的发展阶段,1.1.3.3 数控机床的发展方向,1.高速、高效、高精度、高可靠性,2.模块化、智能化、柔性化和集成化,3.开放性,4.出现新一代数控加工工艺与装备,数控技术基础,1.2,数控机床的机械结构,1.2.1,数控机床对机床的要求,1.2.1.1,提高数控机床的静刚度和动刚度,1.提高数控机床主轴的刚度。对主轴采用多支承结构以及增加双排圆珠滚子轴承和角接触向心推力轴承，减少主轴径向与轴向变形。,2.使用加强筋板提高机床大件的刚度。,3.合理设计机床刀架结构。,增大刀架底座尺寸。,使刀具外件部分尽可能短。,4.提高机床各部件间的接触刚度。,增加各部件间的接触面积。,预加载荷。,数控技术基础,5.提高机床的抗振性,提高机床的阻尼系数。采用焊接结构钢板及封砂铸件等切断材料的连续性提高阻尼。,调整机床物件的质量，改变系统的自振频率，使之远离系统的强迫振动频率。,对机床中的旋转零件进行良好的动平衡。,隔离振源。用吸振材料隔离地基周围或用吸振材料填充。,远离振源，合理放置位置。,数控技术基础,1.2.1.2,减少机床的热变形,1.减少数控机床各部件的发热,改善机床各部件的摩擦特性和滑动特性。,减少主轴轴承的发热。改变主轴轴承，变滚动轴承为静压轴承。精密的机床采用静压轴承或磁悬浮轴承等，以减少轴承发热。,减少切屑带给机床部件的热量。使用切削液，在导轨上装设隔热板等，以减少机床发热。,减少液压传动系统及润滑油的热量对机床的影响。把润滑油池和液压油池移出机床外部。,数控技术基础,2.控制温升,使用散热和冷却装置来控制温升。,使用对机床低温部分加热的方法来平衡温升。,3.改善机床结构,采用对称结构。如采用双立柱代替单立柱结构。,改变热变形方向。设计机床结构，使其热变形向零件不重要的方向伸长。如数控车床向,Z,轴方向伸长，减少直径方向误差。,对滚珠丝杠进行预拉伸。用滚珠丝杠中的拉应力抵消加工中的热伸长。,采用特殊的调节元件来消除热位移。,数控技术基础,1.2.1.3,减少运动件的摩擦和消除传动间隙,1.用滚动导轨或静压导轨代替传统机床中的滑动导轨以减少摩擦系数。,2.用滚珠丝杠螺母副代替传统传动，减少摩擦。,3.减少传动链级数。用步进电机直接驱动滚珠丝杠，或用直线电机直接驱动工作台进行无间隙传动。,数控技术基础,1.2.1.4,提高机床的寿命和精度保持性,1.减少机床电气和机械故障。,2.提高机床部件的耐磨性（如导轨、进给丝杠、主轴部件）。用滚动导轨、滚珠丝杠、陶瓷轴承、空气静压轴承、磁悬浮轴承等零部件来提高耐磨性。,3.保证机床各部件的良好润滑。,1.2.1.5,减少辅助时间，改善操作性,1.采用多主轴。,2.采用多刀加工。,3.采用自动换刀装置。,4.设置紧急停车装置。,数控技术基础,1.2.2,主传动变速系统与主轴,1.2.2.1,数控机床主传动特点,1.数控机床与普通机床所用电机不同,普通机床主要使用普通的交流,异,步电动机，通过主轴箱进行调速，而数控机床大都采用直流调速电机和交流调速电机，通过变频调速器直接进行无级变速，也有用机械和变调共同调速。,2.转速高、功率大,为实现数控机的高速切削性能与强力切削性能，实现高效率，采用大功率高速电机。,数控技术基础,3.调速范围大,数控机床的主传动系统要求有较大的变速范围，以便根据加工时的状态（精加工还是粗加工）合理选择切削速度，使数控机床始终处在最佳的转速下进行切削加工，这是与普通机床不同的。,4.数控机床主传动系统具有高的刚度和精度，抗振性好传动平稳，且噪声低。,为满足加工精度和生产率的需求，要求数控机床主传动具有比普通机床更高的刚度和精度抗振性。,5.主传动系统变速要迅速准确可靠。,为实现刀具的快速及自动装卸，工件自动装夹等，必须要求主轴有定向准停和主轴孔内的切屑清除装置。,数控技术基础,1.2.2.2,数控机床主轴变速方式,1.带有变速齿轮的主传动变速方式,适合于大中型的数控机床，通过少数几对齿轮降速，扩大输出以满足主轴低速时输出扭转的要求，这种主转动系统，主轴箱结构复杂，一般用液压拔叉或直接由液压缸带动滑移齿轮实现变速。,2.通过带传动的主传动变速方式,适合于高转速低扭转的小型数控机床，变速范围小，传动平稳，噪声低，主轴箱结构较复杂，由于皮带有过载打滑的特性，对电机起过载保护，但只适用于低扭矩的数控机床。,3.调速电机直接驱动的主传动变速方式,只适用于小型数控机床，这种主传动系统大大简化了主轴体与主轴的结构，调速范围宽，还有的数控机床直接在电机内装主轴，刚度高，但输出扭矩小，故只适用于小型数控机床。,数控技术基础,1.2.2.3,主轴部件,1.主轴部件的结构,大部分数控机床的主轴部件都采用空心液压自动夹紧结构。,2.主轴轴承的类型,普通主轴轴承。为适应数控机床高刚度高精度的要求，采用双列圆柱滚子轴承，推力角接触球轴承及滚子轴承。,高速主轴轴承。适应数控机床高速加工要求，主要有滚珠高速轴承（1.1,2.6）,10,6,r/min、,液体静压轴承、空气静压轴承2.7,10,6,r/min,等。,气浮轴承、磁悬浮轴承4,10,6,r/min,等。,数控技术基础,1.2.2.4,主轴控制方式,1.主轴系统进行开关控制方式,数控装置通过,PLC,对主轴系统进行起停控制，手动时接收按钮指令，自动时在加工程序中通过辅助功能,M,指令控制。,2.伺服主轴,自动时速度是由数控装置的加工程序中的,S,指令给出的，手动时是按照机床数据设定的速度进行的。主轴控制装置采用双闭环控制系统，数控装置通过测量模块接收编码器反馈回来的速度信号，译码后在屏幕上显示实际值，如果与指令值不符，则系统产生报警。此外，在主轴上安装编码器，可以实现主轴定位或者对主轴分度。,数控技术基础,1.2.3,进给系统与传动元件,1.2.3.1 数控机床进给系统的特点和要求,为保证数控机床进给系统的传动精度和工作稳定性，要求进给系统无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高抗震性等。在设计时主要采取的措施如下：,1.采用低摩擦的传动副。如采用静压导轨、滚动导轨、滚珠丝杠螺母副等。,2.选用最佳的降速比，以满足机床的最大升降速性能。,3.缩短传动链，提高传动系统刚度。如采用直线电机直接驱动工作台和大扭转调速电机，直接与滚珠丝杠连接等。,4.消除传动间隙，减少反向死区误差。采用有消除间隙的传动副及位置反馈误差补偿功能。,数控技术基础,1.2.3.2,导轨的基本类型及特点,1.数控机床对导轨的要求,导向精度高。导向精度是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线性和准确性。因为导轨上要放置刀架或工作台，而加工过程就是依靠刀具与工件的相对运动而形成工件的轮廓，所以导向精度直接决定了工件的形状误差，为保证工件的精度，要求导轨有足够的精度。导轨精度主要与制造精度、结构、装配、质量及其支承件的刚度、受热变形有关。,耐磨性好。耐磨性是导轨在长期工作中是否保持精度一致性的重要指标。耐磨性好，使用时间长，精度保持性就好。,刚度高。导轨受力变形后会影响各部件之间的导向精度和相对位置精度，因而要求导轨有足够的刚度。数控机床常用加大导轨面的尺寸和添加辅助导轨的方法来提高刚度。,低速运动平稳性好。低速工作时无爬行现象。,结构简单，工艺性好。在使用时便于调整和维护，在设计时要考虑便于制造和维修。,数控技术基础,2.导轨的类型及特点,滑动导轨。,特点：结构简单，抗振性好，制造方便，刚度高；但静摩擦系数大，在低速（60,mm/min),时易出现爬行现象，从而降低运动部件的定位精度。为提高滑动导轨的耐磨性和降低摩擦，在原来金属导轨的基础上粘贴摩擦系数低耐磨吸振的塑料材料变为贴塑导轨。另外，还有以工程塑料制造的导轨，主要有聚四氯乙烯（,PTFE）,为基体的塑料导轨，以环氧树脂为基体的塑料导轨等。适用于中小型数控机床。,数控技术基础,静压导轨。,静压导轨是在运动导轨表面开设油腔，通入压力油形成压力油膜，浮起运动导轨。在工作时，油压依靠外载荷大小自动调整，保证导轨面间的油压润滑支承，常用的有开式静压导轨和闭式静压两种方式，数控机床常用闭式，它的摩擦系数小，导轨不磨损（因油压支承）具有吸振作用，但因加入供油系统而结构复杂，故障多，主要适用于中大型数控机床。,数控技术基础,滚动导轨。,目前大部分数控机床采用滚动导轨，在导轨面之间放置滚动体（滚珠或滚针），变导轨面的滑动摩擦为滚动摩擦，减少摩擦系数。这种导轨的特点是：灵敏度高，摩擦阻力小，运动均匀，低速移动不易爬行，定位精度高，达0.1,um，,牵引力小，移动轻便磨损小，精度保持性好，寿命长；但缺点是抗振性差，刚度低，对防护要求较高，结构复杂，制造比较困难，成本高。由于数控机床主要是利用其高精度和高生产率，而且利用了滚动导轨的优点，所以是目前数控机床用的最广泛的一种导轨形式。滚动导轨的结构形式，按滚动体的种类分为：,滚珠导轨：它承载能力小，刚度低，适用于运动的工作部件重量不大和切削力不大的数控机床。,滚柱导轨：承载能力小，刚度较大，适用于载荷较大的机床，是目前数控机床用得较多的一种形式。,滚针导轨：导轨尺寸小，结构紧凑，适用于导轨尺寸受限制的小型数控机床。,数控技术基础,1.2.3.3,滚珠丝杠螺母副,滚珠丝杠螺母副的工作原理及特点：滚珠丝杠螺母副是一种新型的传动机构，它的结构特点是螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动件以减少摩擦，当丝杠回转，滚珠相对螺母上的滚道滚动，因此丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦，为了防止在相对运动过程中滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能循环流动。,数控技术基础,1.滚珠丝杠螺母副的特点,传动效率高，摩擦损失小，传动效率为,=0.920.96，,比常规的丝杠螺母副提高(34)倍。,给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的间隙；反向时可消除行程死区，定位精度高，刚性好。,运动平稳，无爬行现象，传动精度高。,运动具有可逆性，既可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，丝杠和螺母都可以作为主动件。,磨损小，使用寿命长。,制造工艺复杂，滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度高，表面粗糙度要求高，制造成本高。,不能自锁，特别对于垂直丝杠，由于自重惯性力的作用，当传动切断后，不能立刻停止运动，需要添加制动装置。,数控技术基础,2.滚珠丝杠副的结构,滚珠丝杠的螺纹滚道法向截面有单圆弧和双圆弧两种不同的形状，单圆弧结构工艺简单，双圆弧性能好。如下图所示,a),单圆弧,b),双圆弧,图1-5 螺纹截面形状,数控技术基础,滚珠丝杠内的滚珠有两种循环方式：,外循环：,滚珠在返回过程中，与丝杠脱离接触的称为外循环；按滚珠循环时的返回方式，主要有插管式和螺旋槽式。插管式需要另外附加插管作为返回管道，结构工艺性好，但由于管道突出螺母外，径向尺寸大，目前用的较少；螺旋槽式是在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道，这种结构径向尺寸小，但制造复杂。,内循环：,滚珠在循环过程中，与丝杠始终接触的循环为内循环。在螺母的侧孔中装有圆柱凸键式反向器，滚珠从螺纹滚道进入反向器，借助反向器迫使滚珠越过丝杠牙顶进入相邻滚道实现循环。一般一个螺母上装有24个反向器，反向器沿螺母圆周等份分布。优点是径向尺寸紧凑，刚性好摩擦损失小，缺点是反向器加工困难。,数控技术基础,a),插管式,b),螺旋槽式,图1-6 外循环,数控技术基础,图1-7 内循环,数控技术基础,3.滚珠丝杠螺母副的参数及标记方法,参数,基本导程,L,0,：,丝杠相对与螺母旋转2,弧度时螺母上的基准点的轴向位移。,接触角,：,滚珠与滚道在接触点处的公法线与螺纹轴线的垂直线间的夹角，理想接触角,=45,0,。,另外还有丝杠螺纹大径,d；,丝杠螺纹小径,d,1,；,螺纹全长,L；,滚珠直径,d,b,；,螺母螺纹大径,D；,螺母螺纹小径,D,1,；,滚道园弧半径,R,等参数。导程的大小决定于机床的加工精度，精度高，导程,L,0,小，但,L,0,小，,d,b,也小，使滚珠丝杠副的承载能力降低；若,d,b,不变，,L,0,减少，则,角减少，传动效率低。故应在满足加工精度要求的情况下取大值。公称直径,d,0,与承载能力有关，一般取,d,0,=(20180)mm；,滚珠的工作圈数,J,由试验结果可知，在每一个循环回路中，滚珠所受的轴向负载不均匀。第一圈滚珠承受总负载的50%左右，第二圈30%，第三圈为20%。滚珠丝杠副中的每个循环回路的滚珠工作圈数取为,J=(2.53.5),圈，同时在一个循环回路中，滚珠数应小于150个，且不得超过3.5圈。,数控技术基础,图1,8 滚珠丝杠副的基本参数,数控技术基础,滚珠丝杠螺母副的标记方法,滚珠丝杠螺母副标准标记如下：,精度等级,类型（,P,或,T）,负荷滚珠圈数,螺纹旋向,公称导程,公称直径,结构特征,预紧方式,循环方式,图19 滚珠丝杠螺母副代号的含义,左旋者为,LH，,P,类为定位滚珠丝杠螺母副，,T,类为传动滚珠丝杠螺母副，用于传递动力。,数控技术基础,表1-1 循环方式,循环方式,标记代号,内循环,浮动式,F,固定式,G,外循环,插管式,C,数控技术基础,表1-2 预紧方式,预紧方式,标记代号,单螺母变位导程预紧,B,双螺母垫片预紧,D,双螺母齿差预紧,C,双螺母螺纹预紧,L,单螺母无预紧,W,数控技术基础,表1-3 结构特征,结构特征,代号,导珠管埋入式,M,导珠管凸出式,T,如,CDM6008-3-P3,表示外循环插管式双螺母垫片预紧导珠管埋入式的滚珠丝杠副，公称直径为60,mm，,基本导程8,mm，,螺纹旋向为右旋，负荷总圈数为3圈，精度等级为3级。,数控技术基础,4.滚珠丝杠螺母副的支承与制动,滚珠丝杠主要承受轴向载荷，它的径向载荷是丝杠的自重。为提高支承的轴向刚度，应选择合适的支承方式（一端固定，一端自由式适用于短丝杠；一端推力球轴承，一端深沟球轴承式，适用于刚度与精度要求低的场合；两端各一对推力球轴承和深沟球轴承式，适用于长丝杠；两端各两对推力球轴承和深沟球轴承支承式，适用于长丝杠）,为了保证垂直布置的滚珠丝杠螺母副得到稳定的定位，防止滚珠丝杠不能自锁而下滑，必须增加制动装置。工作原理是：主轴上、下移动时电磁铁线圈通电，吸住弹簧，打开摩擦离合器，电动机经齿轮传动带动滚珠丝杠螺母副主轴箱沿垂直方向上下移动。主轴箱停止不动时，电磁铁线圈断电，在弹簧力作用下压紧摩擦离合器，电机停止转动，滚珠丝杠不能自由转动，主轴箱不会因自重而下滑。,数控技术基础,1、电磁铁线圈 2、弹簧 3、摩擦离合器 4、主轴,图1,10 滚珠丝杠制动装置,数控技术基础,5.滚珠丝杠螺母副的润滑与密封。,滚珠丝杠螺母副用润滑剂来提高耐磨性及传动效率，润滑可分为润滑油和润滑脂两类。润滑油为一般机油或(90,180)号透平油或190号主轴油。润滑脂可采用锂基油脂，润滑脂放在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，是目前滚珠丝杠副用的较多的润滑方式，而润滑油经过壳体上的油孔滚入螺母空间内。,数控技术基础,滚珠丝杠副的密封常用防尘密封圈和防护罩。,密封圈是装在滚珠螺母的两端，分接触式和非接触式两种。接触式的弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙材料制成，其内孔制成与丝杠螺纹滚道相配合的形状，接触式密封圈的防尘效果好，但摩擦力矩大。非接触式的密封圈用聚氯乙烯等材料制成，其内孔形状与丝杠螺纹滚道相反，并略有间隙，又称迷宫式密封圈。,防护罩能防止尘土及硬性杂质进入滚珠丝杠，其形式有锥形套管伸缩套管或折叠式人造革防护罩；还有用螺旋式钢带制成的防护罩，连接在滚珠丝杠的支承及滚珠螺母的端部，其材料必须防腐蚀及耐油。,数控技术基础,6.滚珠丝杠螺母间隙的调整,为保证传动精度必须消除滚珠丝杠螺母副的反向传动间隙，主要有三种方法。,双螺母垫片调间隙方式：通过修磨垫片的厚度调整间隙，结构简单，刚性好，拆卸方便。,双螺母齿差调间隙方式：调整两个螺母转过一个或几个齿的位置，使螺母在轴向移动相应的距离。结构复杂，径向尺寸大，但调整方便，精度高，用于高精度机床。,双螺母螺纹调间隙方式：拧动圆螺母使滚珠螺母沿轴向移动，消除间隙后再锁紧，结构简单，调整方便。,数控技术基础,图1-11 垫片调隙式,数控技术基础,图1-12 齿差调隙式,数控技术基础,图1-13 螺纹调隙式（1，2，3，4,螺母）,数控技术基础,1.2.3.4,进给系统传动间隙的调整,进给系统的齿轮传动会造成进给系统的反向滞后，对于圆柱齿轮传动，常采用刚性调整法和柔性调整法进行间隙调整。,1.刚性调整法又分偏心套调整法和轴向调整法，特点是齿侧间隙不动，自动补偿，齿轮加工精度高，传动刚度高，但调整麻烦。,2.柔性调整法分轴向压簧法和周向拉簧调整法，特点是轴向尺寸大，结构复杂，传动刚度低，但能进行间隙自动补偿。,数控技术基础,1.2.4,辅助装置的功能及介绍,1.2.4.1,回转工作台,数控回转工作台的作用有两个：一是使工作台进行圆周运动，二是使工作台进行分度运动。按照控制系统的指令，在需要时分别完成以上两种运动。,数控机床回转工作台主要用于数控钻床、镗床和数控铣床，其外形和普通机床的分度工作台无多大区别，但其内部都具有数控进给驱动机构的许多特点。它的作用是使工作台进行圆周进给，以完成切削工作（如切削螺旋曲面），并使工作台进行分度。由于数控回转工作台的精度完全由控制系统发出的指令控制，就要求必须定位准确无间隙，所以开环系统中的数控工作台由传动系统间隙消除装置及蜗轮夹紧装置组成。闭环系统由于有位置反馈装置，无需加间隙消除装置。,数控技术基础,图1-14 数控回转工作台,1,电液脉冲马达 2、4,齿轮 3,偏心环 5,楔形拉紧销 6,压块 7,螺母 8,锁紧螺钉9,蜗杆 10,蜗轮 11,调整套 12、13,夹紧瓦 14,夹紧液压缸 15,活塞 16,弹簧 17,钢球 18,光栅 19,撞块 20-感应块,数控技术基础,1.2.4.2,分度工作台,数控机床的分度工作台与数控回转工作台不同，只完成分度运动而不能完成圆周进给运动，在需要分度时，按照数控系统的指令将工作台及其工件回转一定角度 （45度或60度或90度等）以改变工件相对于主轴的位置，以便加工工件的各个表面，由于机床上的分度传动机构难于保证工作台分度的高精度定位要求，因此需要外加定位机构，分度工作台按照其定位机构的不同，分为鼠牙盘式和定位销式工作台两类。,数控技术基础,1.鼠牙盘式分度工作台，这种分度工作台是目前应用较多的一种精密的分度定位机构，可与数控机床联成一体，也可以作为附件使用。,结构组成：主要由工作台、夹紧油缸、及鼠牙盘零件，鼠牙盘是保证分度定位的关键零件，每个齿盘的端面均有相同齿数的三角齿形，一般为120个或180个，两齿盘啮合时能自动确定相对位置。,分度准备：工作台,抬,起，鼠牙盘脱离咬合。,分度：液压换向阀换位，工作台转位，分度速度控制。,定位夹紧：液压换向阀换位，定位夹紧，鼠牙盘重新咬合。,复位：液压换向阀换位，复位。,优点是重复定位精度高，分度精度高。,数控技术基础,图1,15 鼠牙盘式分度工作台,1、2、15、16,推杆 3,下齿盘 4,上齿盘 5、13,推力轴承 6,活塞 7,工作台 8,齿条活塞 9,升降液压缸上腔 10,升降液压缸下腔 11,齿轮 12,齿圈 14、17,挡块 18,分度液压缸右腔 19,分度液压缸左腔 20、21,分度液压缸进回油管道 22、23,升降液压缸进回油管道,数控技术基础,2.定位销式分度工作台，这种工作台的定位分度主要靠定位销和定位孔来实现定位，如图1-16所示是数控卧式镗铣床分度工作台。定位销式分度工作台分度运动时，其工作过程分三步。松开锁紧机构并拔出定位销；工作台回转分度；工作台下降并锁紧。定位销式分度工作台的分度精度主要由定位销和定位孔的尺寸精度及坐标精度决定，可达,5，为提高分度精度，应尽可能提高分度销孔的坐标精度。,数控技术基础,图1-16 定位销式分度工作台,1,分度工作台 2,锥套 3,螺钉4,支座5,消隙液压缸 6,定位孔衬套 7,定位销 8,锁紧液压缸 9,齿轮 10,长方工作台 11,锁紧缸活塞 12,弹簧 13、14、19、20,轴承 15,螺栓16,活塞 17,中央液压缸 18,油管 21,底座 22,挡块,数控技术基础,1.2.4.3,排屑装置,1.排屑装置的作用,数控机床是高效率高精度机床，在单位时间内切除金属的余量也大，因而切屑也多，这些切屑如果不及时运走，有很多副作用产生（热量传递给机床工件造成热变形误差，堆积过多，影响各部件的运动，可能发生飞溅危险等）。这就需要一种迅速把切屑运走的装置，因此排屑装置作为数控机床的必备附件应运而生。排屑装置是一种具有独立功能的部件，它的工作可靠性和自动工作程度随着数控机床技术的发展而不断提高，并趋向标准化。,2.典型排屑装置,安装在尽可能靠近刀具切屑区域的位置上，以简化机床和排屑装置结构，减少机床占地面积，提高排屑效率。常见排屑装置如图1-17所示，有平板链式排屑装置、刮板式排屑装置、螺旋式排屑装置等。,数控技术基础,图1-17 排屑装置,a),平板链式,b),刮板式,c),螺旋式,数控技术基础,1.2.4,自动换刀装置,1.自动换刀装置有如下要求：,自动换刀装置应当换刀时间短；,刀具重复定位精度高；,刀库有足够的刀具储存量；,安全可靠，并占用空间小；,2.自动换刀装置的形式,回转刀架换刀：,一般用在数控机床上，回转刀架换刀是一种最简单的自动换刀方式。一般有四方刀架和六,角,刀架等几种形式，并按照数控系统发出的指令换刀。回转刀架的换刀过程分四步：小刀架抬起、刀架转位、刀架压紧和转位油缸复位。现在小型数控机床采用电机-马氏机构转位和鼠齿盘定位并已形成标准化。,数控技术基础,更换主轴头换刀：,主要对带有旋转刀具的数控机床而言（如数控钻床、镗床等），更换主轴头是一种比较简单的换刀方式，分卧式和立式两种。用转塔的转位来更换主轴头实现自动换刀，转塔各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，各主轴头依次地转到加工位置并接通主运动，使相应的主轴带动刀具旋转，而其它处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开，其主要优点在于省去了自动松夹、卸刀、装刀以及刀具搬运等一系列复杂的操作，从而提高了换刀的可靠性，并显著地缩短了换刀时间。但由于装夹刀具较少，只适用于较简单的回转类零件的加工。,数控技术基础,带刀库的自动换刀系统：,带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构两部分组成，是目前数控机床（加工中心）应用最广泛的换刀方法。换刀过程如下：首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装到标准的刀柄上，在机外进行尺寸预调整后，按一定的方式放入刀库。换刀时先在刀库中按数控指令要求选刀，刀库回转到位，并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，在进行刀具交换后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放回刀库，完成一次换刀动作。优点是由于另外设置刀库，可以放置多把不同刀具，完成多工序复杂零件的加工；缺点是增加了换刀工序（拔刀、换刀和放刀），延长了非切削加工时间，同时由于加入刀库及自动换刀装置，使数控机床系统变得更为复杂，降低了工作可靠性，维修困难。,数控技术基础,1.3,数控机床的数控系统,1.3.1,数控机床的检测装置,1.3.1.1,数控机床对检测装置有以下要求,1.要满足数控机床高精度和高速度,要求数控机床的检测装置在满足机床最大位移速度的前提下，有一定的检测精度和小的累积误差，因为现在数控机床的发展趋势是高精高速化。如数控机床的检测装置达不到要求，则很难实现机床的高速高精化。,2.工作可靠，抗干扰能力强,由于数控机床控制系统多，有多种电磁感应元件，同时还有润滑油、切削液及温度变化等干扰，要求数控机床的检测装置必须有强抗电磁干扰能力和耐腐蚀能力，还要有高的热稳定性等功能。,3.维修方便，便于安装,安装精度合理，要有较好的防尘、防油雾、防切屑措施,要安装方便。,数控技术基础,4.方便处理检测位置的信号,一般使用数字式测量装置，较少使用模拟式测量装置。,5.成本低,在满足使用要求的前提下，尽量使用精度低的检测装置，数控机床的位置检测系统有三种，即前面所说的开环、半闭环和闭环控制系统。,开环直接由步进电机脉冲控制位移量，不带检测反馈装置。精度低，误差大，要求有反向消差装置。,半闭环控制主要把检测装置安装到电机轴或滚珠丝杠上，通过检测工作台的角位移来间接控制位置位移精度。,闭环控制把检测装置直接安装到机床工作台上，直接检测数控机床的直线位移，其精度最高，现在的高精度机床多用闭环控制检测反馈装置。,数控技术基础,1.3.1.2,检测装置的分类,1.按测量对象分：有直接位移测量和角度位移测量。直接位移测量是将检测装置直接安装在机床工作台上，直接测量机床坐标的直线位移量；角度位移测量是将检测装置安装在驱动电动机轴上或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的位移。,2.按检测信号分：数字式测量和模拟式测量。,3.按测量的相对值不同分：增量式测量和绝对式测量。增量式测量是测量相对位移量，测量装置简单，任意选定一个点作为测量的起点，测量的位移由测量信号累加所得，只要基点选得好，计数简单，但缺点是一旦计数有误，则结果完全错误。绝对式测量是被测量的任意一点位置都是由固定的零点算起开始计数，如果要求分辨精度高，量程大则结构复杂。,数控技术基础,1.3.1.3,分度检测装置的结构和工作原理,1.光电盘与编码器,光电盘是一种光电式转角测量元件，如图所示：,图1-18 光电盘,数控技术基础,由图可见：在一个圆盘周围分成相等的透明与不透明部分，当圆盘与工作轴一起转动时，光电元件接受时续的光，产生近似的正弦信号，经放大整形后成脉冲信号被送到计数器，根据脉冲的数目或频率可测出工作轴的转角及转速，所以可以用作脉冲发生器，当然亦可以由测得的转角求出相应的直线位移。,在结构上除上述光电式外，还有接触式或电感式的。接触式的圆盘是由导电部分和绝缘部分相间而成，通过导电环取得信号，感应式则是在圆盘周围嵌入等距离的直径为(1.42),mm,的永久磁铁，利用霍尔元件磁效应取得信号，这类测量装置对要
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