机械制造技术基础课件最新版第三章金属切削机床第2节

第二节 金属切削机床部件
2)闭环系统 在闭环系统中,使用位移测量元件测量机床执行部件的移(转)动量,将
执行部件的实际移(转)动量和控制量进行比较,比较后的差值用信号反馈给 控制系统,对执行部件的移(转)动进行补偿,直至差值为零。
图3-2 闭环系统 1—数控装置 2—伺服电动机 3—齿轮
4—丝杠 5—工作台 6—检测元件
图3-11 机床床身截面图 a)车床类床身 b)镗床、龙门刨床类床身 c)大型和重型机床类床身
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3.支承件的材料
(1)铸铁 一般支承件用灰铸铁制成,在铸铁中加入少量合金元素可提高耐磨性。铸铁
铸造性能好,容易获得复杂结构的支承件,同时铸铁的内摩擦力大,阻尼系数大,使振动 衰减的性能好,成本低。但铸件需要木模芯盒,制造周期长,有时产生缩孔、气泡等缺 陷,成本高,适于成批生产。
主轴的材料应根据载荷特点、耐磨性要求、热处理方法和热处理后 变形情况选择。普通机床主轴可选用中碳钢(如45钢),调质处理后,在主轴端 部、锥孔、定心轴颈或定心锥面等部位进行局部高频淬硬,以提高其耐磨性。 只有载荷大和有冲击时,或精密机床需要减小热处理后的变形时,或有其他特 殊要求时,才考虑选用合金钢。当支承为滑动轴承,则轴颈也需淬硬,以提高耐 磨性。
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(2)电气伺服进给系统驱动部件
➢步进电动机 ➢直流伺服电动机 ➢交流伺服电动机
1)步进电动机 步进电动机又称脉冲电动机,是将电脉冲信号变换成角位移(或线位
移)的一种机电式数-模转换器。它每接收数控装置输出的一个电脉冲信号, 电动机轴就转过一定的角度,称为步距角。步距角一般为0.5°~3°,角位移与 输入脉冲个数呈严格的比例关系,步进电动机的转速与控制脉冲的频率成正 比。
(2)刚度——主轴部件在外加载荷作用下抵抗变形的能力,通常以主轴前端产生单位 位移的弹性变形时,在位移方向上所施加的作用力来定义。
(3)抗振性——抵抗受迫振动和自激振动的能力。在切削过程中,主轴部件不仅受静 态力作用,同时也受冲击力和交变力的干扰,使主轴产生振动。
(4)温升和热变形——主轴部件运转时,因各相对运动处的摩擦生热,切削区的切削 热等使主轴部件的温度升高,形状尺寸和位置发生变化,造成主轴部件的所谓热变形。
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(3)按变速的连续性
➢分级变速传动（ 20~30级）：滑移齿轮变速 交换齿轮变速 离合器变速
✓优点：
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✓缺点：
✓应用：
•传递功率较大
•速度损失
•通用机床
•变速范围广
•不能在运转中变速
•尤其是中小型通用机床
•传动比准确
•工作可靠
➢无级变速传动：机械摩擦无级变速器 液压无级变速器 电气无级变速器
✓优点：连续改变转速 运转中变速 负载作用下变速
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2.进给传动系统
电气伺服系统——数控装置和机床之间的联系环节,是以机械位置或 角度作为控制对象的自动控制系统,其作用是接收来自数控装置发出的进给 脉冲,经变换和放大后驱动工作台按规定的速度和距离移动。
(1)电气伺服进给传动系统的控制类型
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2.主轴部件的传动方式 (1)齿轮传动——结构简单、紧凑,能传递较大的转矩,能适应变转速、变载荷 工作,应用最广。缺点是线速度不能过高,通常小于12~15m/s,不如带传动平稳。 (2)带传动——常用的有平带、V带、多楔带和同步带等。带传动的特点是 靠摩擦力传动(除同步带外)、结构简单、制造容易、成本低,特别适用于中 心距较大的两轴间传动。传动带有弹性可吸振,传动平稳,噪声小,适宜高速传 动。带传动在过载中会打滑,能起到过载保护作用,缺点是有滑动,不能用在速 比要求准确的场合。
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3)交流伺服电动机
采用新型的磁场矢量变换控制技术,对交流电动机作磁场的矢量控制;将 电动机定子的电压矢量或电流矢量作为操作量,控制其幅值和相位。它没有电 刷和换向器,因此可靠性好、结构简单、体积小、质量轻、动态响应好。
优点：输出功率高、质量轻、价格低、效率高、调速范围广、响应频 率高。
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三、机床支承件 1.支承件应满足的基本要求：
1)应具有足够的刚度和较高的刚度-质量比。
2)应具有较好的动态特性,包括较大的位移阻抗(动刚度)和阻尼;整机的低阶 频率较高,各阶频率不致引起结构共振;不会因薄壁振动而产生噪声。
3)热稳定性好,热变形对机床加工精度的影响较小。
4)排屑畅通、吊运安全,并具有良好的结构工艺性。
动部件动作灵敏、低惯量、定位精度好,具有适宜的阻尼比及传动机构不能 有反向间隙。
图3-6 滚珠丝杠螺母副的结构 1—密封环 2、3—回珠器 4—丝杠 5—螺母 6—滚珠
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二、主轴部件 1.主轴部件应满足的基本要求 1)旋转精度——装配后,在无载荷、低速转动条件下,在安装工件或刀具的主轴部位 的径向和轴向跳动。
主轴部件主支承常用滚动轴 承有角接触球轴承、双列短圆柱滚子 轴承、圆锥滚子轴承、推力轴承、陶 瓷滚动轴承等。
图3-10 典型的主轴轴承 a)、b)双列短圆柱滚子轴承 c)双列空心圆锥滚子轴
承 d)单列空心圆锥滚子轴承 e)圆锥轴承 f)双列圆锥轴承 g)双向推力角接触球
轴承 h)角接触球轴承 1、4—内圈 2—外圈 3—隔套
图3-7 同步带传动 a)同步带传动 b)同步带结构 1—包步层 2—带齿 3—带背 4—承载绳
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(3)电动机直接驱动方式——如果主轴转速不算太高,采用普通异步电动机直 接带动主轴,如平面磨床的砂轮主轴。如果转速很高,可将主轴与电动机制成 一体,成为主轴单元。主轴单元大大简化了结构,有效地提高了主轴部件的刚 度,降低了噪声和振动;有较宽的调速范围;有较大的驱动功率和转矩;便于组 织专业化生产。因此广泛地用于精密机床、高速加工中心和数控车床中。
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一、传动系统 1.主传动系统
(1)按驱动主传动的电动机类型
单速交流电动机驱动 ➢交流电动机驱动
调速交流电动机驱动
➢直流电动机驱动
多速交流电动机 无级调速交流电动机驱动(变频调速)
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(2)按传动装置类型 ➢机械传动装置 ➢液压传动装置 ➢电气传动装置 ➢上述组合装置
图3-8 高速内圆磨床的主轴单元
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3.主轴部件结构 (1)主轴的支承形式
多数机床的主轴采用前、后两个支承。这种方式结构简单,制造装配 方便,容易保证精度。为提高主轴部件的刚度,前后支承应消除间隙或预紧。
为提高刚度和抗振性,有的机床主轴采用三个支承。三个支承中可以 前、后支承为主要支承,中间支承为辅助支承;也可以前、中支承为主要支承, 后支承为辅助支承。三支承方式对三支承孔的同心度要求较高,制造装配较 复杂。主支承也应消除间隙或预紧,“辅助”支承则应保留一定的径向游隙或 选用较大游隙的轴承。
➢闭环控制可以消除整个系统的误差、间隙和失动,其定位精度取决于检测 装置的精度,其控制精度、动态性能等较开环系统好;但系统比较复杂,安装、 调整和测试比较麻烦,成本高,多用于精密型数控机床上。
➢半闭环系统的精度比闭环差。由于惯性较大的工作台在闭环之外,系统稳 定性较好。与闭环相比,半闭环系统结构简单、调整容易、价格低,所以应用 较多。
图3-3 半闭环系统 a)伺服电动机反馈 b)、c)从动杠反馈 1—反馈装置 2—伺服电动机 3—齿轮
4—丝杠螺母传动 5—工作台
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➢开环伺服系统的精度取决于步进电动机的步距角精度、步进电动机至执行 部件间传动系的传动精度。这类系统定位精度较低（ (±0.01~±0.02)mm ）, 但系统简单,调试方便,成本低,适用于精度要求不高的数控机床中。
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(2)主轴的构造 主轴的构造和形状主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、
轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法等。主轴一般为空心阶梯 轴,前端径向尺寸大,中间径向尺寸逐渐减小,尾部径向尺寸最小。
图3-9 车床主轴简图
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(3)主轴的材料和热处理
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3)半闭环系统 如果检测元件不是直接安装在执行部件上,而是安装在进给传动系中
间部位的旋转部件上,称为半闭环系统。 图a所示是将检测元件安装在伺服电动机的端部;图b所示是将检测元
件安装到丝杠的端部,用测量丝杠的转动间接测量工作台的移动;图c所示是 将检测元件和伺服电动机一起安装在丝杠的端部。
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2)圆(环)形截面的抗扭刚度比方形好,而抗弯刚度比方形低。因此,以 承受弯矩为主的支承件的截面形状应取矩形,并以其高度方向为受弯方向;以 承受转矩为主的支承件的截面形状应取圆(环)形。
3)封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度,特别是抗扭刚度。设计 时应尽可能把支承件的截面做成封闭形状。但是为了排屑和在床身内安装 一些机构的需要,有时不能做成全封闭形状。
➢开环系统 ➢闭环系统 ➢半闭环系统
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1)开环系统 典型的开环伺服系统采用步进电动机。开环系统对工作台实际位移
量没有检测和反馈装置。数控装置发来的每一个进给脉冲由步进电动机直 接变换成一个转角(步距角),再通过齿轮(或同步带、滚珠丝杠螺母)带动工作 台移动。
图3-1 开环伺服系统
支承件的截面形状设计是应保证在最小质量条件下,具有最大静刚度。 静刚度主要包括弯曲刚度和扭转刚度,均与截面惯性矩成正比。支承件截面 形状不同,即使同一材料、相等的截面积,其抗弯和抗扭惯性矩也不同。一般 而言:
1)无论是方形、圆形或矩形,空心截面的刚度都比实心的大,而且同样 的断面形状和相同大小的面积,外形尺寸大而壁薄的截面,比外形尺寸小而壁 厚的截面的抗弯刚度和抗扭刚度都高。所以为提高支承件刚度,支承件的截 面应是中空形状,尽可能加大截面尺寸,在工艺可能的前提下壁厚尽量薄一些。 当然壁厚不能太薄,以免出现薄壁振动。
图3-4 直线伺服电动机的型式 a)短次级 b)短初级 1—初级 2—次级
图3-5 直线伺服电动机传动示意图 1—直线滚动导轨 2—床身 3—工作台 4—直流电动机动件(绕组) 5—直流电动机定件(永磁铁)
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(3)电气伺服进给系统中的机械传动部件 机械传动部件主要指齿轮(或同步齿轮带)和丝杠螺母传动副。 电气伺服进给系统中,运动部件的移动是靠脉冲信号来控制的,要求运
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2)直流伺服电动机 ➢小惯量直流电动机
优点：转子直径较小、轴向尺寸大。长径比约为5,故转动惯量小,仅 为普通直流电动机的1/10左右,因此响应时间快;
缺点：额定转矩较小,一般必须与齿轮降速装置相匹配。 应用：高速轻载的小型数控机床。
➢大惯量直流电动机（宽调速直流电动机） ✓电励磁 ✓永久磁铁励磁 优点：电动机频率高、定位精度好、调整简单、工作平稳。 缺点：转子温度高、转动惯量大、时间响应较慢。
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2.支承件的结构
1)箱形类。支承件在三个方向的尺寸上都相差不多,如各类箱体、底座、升降台等。
2)板块类。支承件在两个方向的尺寸上比第三个方向大得多,如工作台、刀架等。
3)梁支类。支承件在一个方向的尺寸比另两个方向大得多,如立柱、横梁、摇臂、 滑枕、床身等。
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对于高速、高效、高精度机床的主轴部件,热变形及振动等一直是国 内外研究的重点课题,特别是对高精度、超精密加工机床的主轴。据资料介 绍,目前出现了一种称为玻璃陶瓷(Zerodur)的材料,又称微晶玻璃的新材料,其 线胀系数几乎接近于零,是制作高精度机床主轴的理想材料。
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(4)主轴轴承 ➢滚动轴承 ➢液体动压轴承 ➢液体静压轴承 ➢空气静压轴承 ➢自调磁浮轴承
缺点：本身虽有较大的转矩-惯量比,但它带动惯性负载能力差,一般需 用齿轮减速装置,多用于中小型数控机床。
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4)直线伺服电动机 直线伺服电动机是一种能直接将电能转化为直线运动机械能的电力
驱动装置,是适应超高速加工技术发展的需要而出现的一种新型电动机。直 线伺服电动机驱动系统替换了传统的由回转型伺服电动机加滚珠丝杠的伺 服进给系统,从电动机到工作台之间的一切中间传动都没有了,可直接驱动工 作台进行直线运动,使工作台的加/减速提高到传统机床的10~20倍,速度提高 3~4倍。