第四章數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)與部件和數(shù)控機床編程及加工

zw主編第一章數(shù)控機床概述

第二章數(shù)控機床的程序編制

第三章計算機數(shù)控(CNC)系統(tǒng)

第四章數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)與部件

第五章伺服驅(qū)動系統(tǒng)

第六章數(shù)控機床用可編程序控制器

第七章數(shù)控機床的使用與維修

附錄第四章數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)與部件第一節(jié)數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)組成及特點

第二節(jié)數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)及主軸部件

第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件

第四節(jié)自動換刀裝置

第五節(jié)分度工作臺和回轉(zhuǎn)工作臺第一節(jié)數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)組成及特點一、數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的主要組成

二、數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的主要特點

(1)機床剛度的基本概念機床剛度是機床的技術(shù)性能之一，它反映了機床結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。

(2)提高數(shù)控機床結(jié)構(gòu)剛度的措施

1)提高機床構(gòu)件的靜剛度和固有頻率，改善薄弱環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)或布局，以減少所承受的彎曲負(fù)載和扭矩負(fù)載。

2)改善數(shù)控機床結(jié)構(gòu)的阻尼特性。

3)采用新材料和鋼板焊接結(jié)構(gòu)。

(1)改進機床布局和結(jié)構(gòu)第一節(jié)數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)組成及特點1)采用熱對稱結(jié)構(gòu)。

2)采用傾斜床身和斜滑板結(jié)構(gòu)。

3)采用熱平衡措施。

(2)控制溫度對機床發(fā)熱部位(如主軸箱等)采用散熱、風(fēng)冷和液冷等控制溫升的辦法來吸收熱源發(fā)出的熱量，這是各類數(shù)控機床廣泛采用的一種減少熱變形影響的對策。

(3)對切削部位采取強冷措施在大切削量切削加工時，落在工作臺、床身等部件上的熾熱切屑是重要的熱源。

(4)熱位移補償預(yù)測熱變形規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型存入計算機中進行實時補償。第一節(jié)數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)組成及特點圖4-1熱變形自動補償裝置

a)軸向補償b)立柱熱平衡補償?shù)谝还?jié)數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)組成及特點圖4-2傳動系統(tǒng)比較

a)某普通車床b)某數(shù)控車床第一節(jié)數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)組成及特點

(1)塑料滑動導(dǎo)軌傳統(tǒng)的鑄鐵－鑄鐵滑動導(dǎo)軌，除經(jīng)濟型數(shù)控機床外，在其他數(shù)控機床上已不采用，取而代之的是鑄鐵—塑料或鑲鋼—塑料滑動導(dǎo)軌。

1)聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶。

①摩擦特性好：其動、靜摩擦因數(shù)基本不變，而且摩擦因數(shù)很低，能防止低速爬行，運動平穩(wěn)，能獲得高的定位精度。普通導(dǎo)軌副的動、靜摩擦因數(shù)相差較大，幾乎近一倍。第一節(jié)數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)組成及特點②耐磨性好：聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶材料中含有青銅、二硫化鉬和石墨，本身具有自潤滑作用，對潤滑油的供油量要求不高，采用間歇供油即可。此外塑料質(zhì)地較軟，即使嵌入金屬碎屑、灰塵等，也不至損壞金屬導(dǎo)軌和軟帶本身。

③減振性好：塑料的阻尼性能好，其減振消聲性能對提高摩擦副的相對運動速度有很大的意義。

④工藝性好：可降低對粘貼塑料的金屬基體的硬度和表面質(zhì)量的要求，而且塑料易于加工(銑、刨、磨、刮)，能獲得優(yōu)良的導(dǎo)軌表面質(zhì)量。第一節(jié)數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)組成及特點圖4-3加工中心工作臺和滑座的橫剖面圖

1—床身2—工作臺3—下壓板4—導(dǎo)軌軟帶5—粘導(dǎo)軌軟帶的鑲條第一節(jié)數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)組成及特點圖4-4軟帶導(dǎo)軌粘合

1—粘結(jié)層厚度2—粘結(jié)材料3—導(dǎo)軌軟帶第一節(jié)數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)組成及特點2)環(huán)氧型耐磨涂層。圖4-5注塑后的導(dǎo)軌示意圖

1—滑座2—膠條3—注塑層第一節(jié)數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)組成及特點(2)滾動導(dǎo)軌滾動導(dǎo)軌具有摩擦因數(shù)低，一般是0.003左右；動、靜摩擦因數(shù)相差小，幾乎不受運動速度變化的影響；定位精度和靈敏度高，精度保持性好等優(yōu)點。圖4-6滾柱式滾動導(dǎo)軌塊第一節(jié)數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)組成及特點1)滾動導(dǎo)軌塊。

2)單元式直線滾動導(dǎo)軌。圖4-7單元式直線滾動導(dǎo)軌第一節(jié)數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)組成及特點圖4-8直線滾動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

1—導(dǎo)軌體2—側(cè)面密封墊3—保持器4—滾珠5—端部密封墊6—端蓋7—滑塊8—潤滑油環(huán)(3)靜壓導(dǎo)軌靜壓導(dǎo)軌是在兩個相對運動的導(dǎo)軌面間通入壓力油，使運動件浮起。第二節(jié)數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)及主軸部件一、數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)

圖4-9數(shù)控機床主傳動

系統(tǒng)分類第二節(jié)數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)及主軸部件二、主傳動系統(tǒng)分類

圖4-10二級齒輪變速主軸結(jié)構(gòu)第二節(jié)數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)及主軸部件

三、典型主傳動系統(tǒng)及部件

圖4-11TND360型主軸箱傳動系統(tǒng)第二節(jié)數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)及主軸部件圖4-12TND360型車床主軸結(jié)構(gòu)

1、2—后軸承3—軸承4、5—前軸承第二節(jié)數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)及主軸部件圖4-13液壓動力卡盤液壓缸結(jié)構(gòu)圖

1—引油導(dǎo)套2—液壓缸體3—活塞4—法蘭盤第二節(jié)數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)及主軸部件圖4-14動力卡盤結(jié)構(gòu)圖

1—盤體2—拉桿3—滑體4—卡爪滑座5—Ｔ形滑塊6—卡爪第二節(jié)數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)及主軸部件圖4-15C軸的功能簡圖

a)在圓柱面或端面上銑槽b)在圓柱面上銑螺旋槽c)在端面上銑螺旋槽d)銑直線和平面第二節(jié)數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)及主軸部件圖4-16MOC200MS3的C軸傳動系統(tǒng)

a)主軸結(jié)構(gòu)簡圖b)C軸傳動及主傳動系統(tǒng)簡圖

1—蝸桿2—主軸3—蝸輪4、6—齒形帶5—主軸電動機7—脈沖編碼器8—C軸伺服電動機第二節(jié)數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)及主軸部件圖4-17CH6144的C軸傳動系統(tǒng)

1～４—傳動齒輪5—滑移齒輪6—換位液壓缸7—主軸齒輪8—主軸9—主軸箱10—制動液壓缸

11—V帶輪12—主軸制動盤13—同步帶帶輪14—脈沖編碼器

15—C軸伺服電動機16—C軸控制箱第二節(jié)數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)及主軸部件圖4-18S3-317型車削中心的C軸傳動系統(tǒng)

1—C軸伺服電動機2—滑移齒輪3—主軸4—分度齒輪5—插銷連桿6—壓緊液壓缸第二節(jié)數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)及主軸部件圖4-19XH754型加工中心主軸

1—活塞2—螺旋彈簧3—磁感應(yīng)傳感器4—永久磁鐵5、10—帶輪6—鋼球7—拉桿

8—碟形彈簧9—V帶11—交流調(diào)速電動機12、13—行程開關(guān)第二節(jié)數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)及主軸部件圖4-20用磁力軸承的高速主軸部件

1—刀具系統(tǒng)2、9—軸承3、8—傳感器4、7—徑向軸承5—軸向止推軸承

6—高頻電動機10—冷卻水管路11—氣液壓力放大器第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件一、對進給系統(tǒng)的性能要求

二、滾珠絲杠副

圖4-21滾珠絲杠副的原理圖第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件圖4-23外循環(huán)滾珠絲杠副

a)插管式b)螺旋槽式第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件圖4-24內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件表4-1循環(huán)方式第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件表4-2結(jié)構(gòu)特征

(1)墊片調(diào)隙式如圖4-25所示，調(diào)整墊片厚度使左右兩螺母產(chǎn)生方向相反位移，使兩個螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個相反的側(cè)面上，即可消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力。第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件(2)螺紋調(diào)隙式如圖4-26所示，右螺母4外端有凸緣，而左螺母1左端是螺紋結(jié)構(gòu)，用兩個圓螺母2、3把墊片壓在螺母座上，左、右螺母和螺母座上加工有鍵槽，采用平鍵聯(lián)結(jié)，使螺母在螺母座內(nèi)可以軸向滑移而不能相對轉(zhuǎn)動。圖4-25墊片調(diào)隙式第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件(3)齒差調(diào)隙式如圖4-27所示，在左、右兩個螺母的凸緣上各加工有圓柱外齒輪，分別與左、右內(nèi)齒圈相嚙合，內(nèi)齒圈緊固在螺母座左、右端面上，所以左、右螺母不能轉(zhuǎn)動。圖4-27齒差調(diào)隙式第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件(4)單螺母變位螺距式如圖4-28所示，它是在螺母體內(nèi)的兩列循環(huán)內(nèi)螺旋滾道之間的軸向產(chǎn)生一個ΔL0的導(dǎo)程變量，從而使兩列滾珠在軸向錯位實現(xiàn)預(yù)緊。圖4-28單螺母變位螺距式第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件表4-3預(yù)緊方式第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件表4-4精度等級標(biāo)號及選擇第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件圖4-29滾珠絲杠副的基本參數(shù)第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件1)公稱直徑d0：用于標(biāo)識的尺寸值(無公差)。

2)節(jié)圓直徑DPW：滾珠與滾珠螺母體及滾絲杠位于理論接觸點時滾珠球心包絡(luò)的圓柱直徑。

3)導(dǎo)程Ph：滾珠螺母相對滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)2π弧度時的行程。

4)接觸角α：滾道與滾珠間所傳遞的負(fù)荷矢量與滾珠絲杠軸線的垂直面之間的夾角，如圖4-29b所示,理想接觸角α＝45°。

第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件圖4-30滾珠絲杠在機床上的支承方式

a)僅一端裝推力軸承b)一端裝推力軸承，另一端裝深溝球軸承

c)兩端裝推力軸承d)兩端裝推力軸承和深溝球軸承1)圖4-30ａ所示為僅一端裝推力軸承。

2)圖4-30ｂ所示為一端裝推力軸承，另一端裝深溝球軸承。第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件3)圖4-30ｃ所示為兩端裝推力軸承。

4)圖4-30ｄ所示為兩端裝推力軸承和深溝球軸承。

三、進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除

圖4-31偏心軸套式消除間隙的結(jié)構(gòu)

1—偏心套2—電動機第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件圖4-33雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法

1、2—薄片齒輪3—短圓柱4—彈簧第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件

圖4-34斜齒輪墊片調(diào)整法

1、2—薄片齒輪3—墊片4—寬齒輪第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件圖4-36錐齒輪軸向壓簧調(diào)整法

1、2—錐齒輪3—壓簧4—螺母5—傳動軸第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件4.預(yù)加負(fù)載雙齒輪——齒條傳動圖4-38預(yù)加負(fù)載雙齒輪-齒條無間隙傳動機構(gòu)

a)工作原理b)液壓預(yù)加負(fù)載式

1—小齒輪2—齒條3—調(diào)整軸4—進給電動機軸5—右旋齒輪6—加載彈簧7—左旋齒輪第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件圖4-39蝸桿—蝸輪條傳動機構(gòu)

1—蝸輪條2—蝸桿第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件圖4-40蝸桿—蝸輪條機構(gòu)工作原理

1—油箱2—過濾器3—油泵4—電動機5—溢流閥6—粗過濾器

7—精過濾器8—壓力表9—壓力繼電器10—節(jié)流器第三節(jié)數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械傳動部分元件1)摩擦阻力小，起動摩擦因數(shù)小于0.0005，功率消耗少，傳動效率高，可達(dá)0.94～0.98，在很低的速度下運動也很平穩(wěn)。

2)使用壽命長。

3)抗振性能好。

4)有足夠的軸向剛度。

5)蝸輪條能無限接長，因此，運動部件的行程可以很長，不像滾珠絲杠受結(jié)構(gòu)的限制。第四節(jié)自動換刀裝置一、數(shù)控車床刀架

圖4-41數(shù)控車床方刀架結(jié)構(gòu)

1—電動機2—聯(lián)軸器3—蝸桿軸4—蝸輪5—刀架底座6—粗定位盤

7—刀架體8—球頭銷9—轉(zhuǎn)位套10—電刷座11—發(fā)信體

12—螺母13、14—電刷15—定位銷第四節(jié)自動換刀裝置圖4-42回轉(zhuǎn)刀架

1—刀架2、3—端面齒盤4—滑塊5—蝸輪6—軸7—蝸桿8、9、10—傳動齒輪

11—電動機12—微動開關(guān)13—小軸14—圓環(huán)15—壓板16—楔鐵第四節(jié)自動換刀裝置圖4-43動力轉(zhuǎn)塔刀架

a)刀架外形b)傳動示意圖第四節(jié)自動換刀裝置二、加工中心自動換刀系統(tǒng)

圖4-44鼓輪式刀庫之一

a)徑向取刀形式b)軸向取刀形式第四節(jié)自動換刀裝置圖4-45鼓輪式刀庫之二

a)刀具徑向安裝b)成一定角度分布的結(jié)構(gòu)第四節(jié)自動換刀裝置圖4-46各種鏈?zhǔn)降稁?/p>

a)單環(huán)鏈?zhǔn)絙)多環(huán)鏈?zhǔn)絚)折疊鏈?zhǔn)降谒墓?jié)自動換刀裝置圖4-47編碼刀柄示意圖

1—編碼環(huán)2—鎖緊螺母3—拉緊螺桿第四節(jié)自動換刀裝置圖4-48光電識別方法

1—刀座2—刀具3—投光器

4—機械手5—屏板第四節(jié)自動換刀裝置圖4-49換刀過程第四節(jié)自動換刀裝置(1)無機械手換刀無機械手換刀的方式是利用刀庫與機床主軸的相對運動實現(xiàn)刀具交換。圖4-50刀庫轉(zhuǎn)位機構(gòu)

1、2—齒輪3—蝸桿4—蝸輪5—壓蓋6—轉(zhuǎn)動套7—螺母第四節(jié)自動換刀裝置圖4-51刀庫液壓缸結(jié)構(gòu)圖

1—刀庫2—液壓缸3—立柱頂面第四節(jié)自動換刀裝置(2)機械手換刀采用機械手進行刀具交換的方式應(yīng)用得最為廣泛，這是因為機械手換刀有很大的靈活性，而且可以減少換刀時間。圖4-52換刀分解動作示意圖第四節(jié)自動換刀裝置圖4-53機械手臂和刀爪

1、3—彈簧2—鎖緊銷4—活動銷5—刀爪6—活動銷第五節(jié)分度工作臺和回轉(zhuǎn)工作臺一、分度工作臺

圖4-54端面齒盤式分度工作臺

1、2、15、16—推桿3—下齒盤4—上齒盤5、13—推力軸承6—活塞7—工作臺8—齒條活塞

9—升降液壓缸上腔10—升降液壓缸下腔11—齒輪12—齒圈14、17—擋塊18—分度液壓缸右腔

19—分度液壓缸左腔20、21—分度液壓缸進回油管道22、23—升降液壓缸進回油管道第五節(jié)分度工作臺和回轉(zhuǎn)工作臺圖4-55定位銷式分度工作臺的結(jié)構(gòu)

1—分度工作臺2—錐套3—螺釘4—支座5—消隙液壓缸6—定位孔襯套7—定位銷8—鎖緊液壓缸

9—齒輪10—長工作臺11—鎖緊缸活塞12—彈簧13—油槽14、19、20—軸承

15—螺栓16—活塞17—中央液壓缸18—油管21—底座22—擋塊第五節(jié)分度工作臺和回轉(zhuǎn)工作臺二、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺圖4-56數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺

1—電液脈沖馬達(dá)2、4—齒輪3—偏心環(huán)5—楔形拉緊圓柱銷6—壓塊7—螺母

8—鎖緊螺釘9—蝸桿10—蝸輪11—調(diào)整套12、13—夾緊瓦14—夾緊液壓缸

15—活塞16—彈簧17—鋼球18—光柵19—撞塊20—感應(yīng)塊第五節(jié)分度工作臺和回轉(zhuǎn)工作臺習(xí)題與思考題數(shù)控機床編程及加工機械工程實驗教學(xué)中心實驗?zāi)康耐ㄟ^數(shù)控機床的加工程序編制，掌握編程的方法及技巧；將在計算機上用OpenSoftCNC軟件模擬顯示加工過程校驗程序，然后在數(shù)控機床上對工件進行加工；結(jié)合機械加工工藝，實現(xiàn)最優(yōu)化編程，提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。機械工程實驗教學(xué)中心數(shù)控編程的基本原理數(shù)控編程的目的；數(shù)控編程的內(nèi)容；編程步驟。機械工程實驗教學(xué)中心數(shù)控編程的基本原理所謂編程，就是把零件的圖形尺寸、工藝過程、工藝參數(shù)、機床的運動以及刀具位移等內(nèi)容，按照數(shù)控機床的編程格式和能識別的語言記錄在程序單上的全過程。這樣編制的程序還必須按規(guī)定把程序單制備成控制介質(zhì)如程序紙帶、磁帶等，變成數(shù)控系統(tǒng)能讀懂的信息，再送入數(shù)控機床，數(shù)控機床的CNC裝置對程序經(jīng)過處理之后，向機床各坐標(biāo)的伺服系統(tǒng)發(fā)出指令信息，驅(qū)動機床完成相應(yīng)的運動。機械工程實驗教學(xué)中心數(shù)控編程的目的數(shù)控編程的基本原理①分析零件圖紙，確定加工工藝過程；②計算走刀軌跡，得出刀位數(shù)據(jù)；③編寫零件加工程序；④制作控制介質(zhì)；⑤校對程序及首件試加工。機械工程實驗教學(xué)中心數(shù)控編程的內(nèi)容數(shù)控編程的基本原理機械工程實驗教學(xué)中心數(shù)控編程的步驟零件圖紙分析零件圖紙制定工藝規(guī)程數(shù)學(xué)處理編寫程序文件制作控制介質(zhì)程序校驗及試切數(shù)控機床OpenSoftCNC軟件介紹OpenSoftCNC軟件包括數(shù)控車床模擬仿真和數(shù)控銑床模擬仿真系統(tǒng)，由軟件+標(biāo)準(zhǔn)硬件系統(tǒng)構(gòu)成，不要求專用硬件或運動控制卡，所有數(shù)控功能和邏輯控制功能均由軟件完成，操作界面由系統(tǒng)操作和機床控制兩大部分組成。機械工程實驗教學(xué)中心OpenSoftCNC軟件介紹機械工程實驗教學(xué)中心為例，軟件提供下列指令：以數(shù)控車床模擬仿真系統(tǒng)（OpenSoftCNC01T）組別指令功能編程格式模態(tài)

1G00快速線性移動G00X(U)_Z(W)_√G01直線插補G01X(U)_Z(W)_√G02順時針圓弧插補G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆時針圓弧插補G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺紋插補G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺紋插補G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X軸返回程序零點G27

G28Z軸返回程序零點G28

G92定義絕對坐標(biāo)系G92X_Z_√2G04延時G04E_

3M00暫停M00

M02程序結(jié)束M02

4M03主軸正轉(zhuǎn)M03√M04主軸反轉(zhuǎn)M04√M05主軸停M05√5M08開冷卻液M08√M09關(guān)冷卻液M09√

6M97程序跳轉(zhuǎn)M97P_

M98子程序調(diào)用M98P_L_

M99子程序返回M99

7M20自定義開關(guān)1有效M20√M21自定義開關(guān)1無效M21√8M22自定義開關(guān)2有效M22√M23自定義開關(guān)2無效M23√9S主軸轉(zhuǎn)速控制S00～S07；S0000～S9999√10T指定刀具T00～T05√11F指定速度F12～F4000