數(shù)控技術(shù)第七講

1、金成柱 主講 聯(lián)系電話：86878554,數(shù)控技術(shù),3.3.2 數(shù)據(jù)采樣法直線插補(bǔ),1 直線插補(bǔ)過程,（1）插補(bǔ)準(zhǔn)備。主要是計(jì)算輪廓步長(zhǎng)l=FT及 其相應(yīng)的坐標(biāo)增量，可以采用不同方法計(jì)算。 （2）插補(bǔ)計(jì)算。實(shí)時(shí)計(jì)算出各插補(bǔ)周期中的 插補(bǔ)點(diǎn)（動(dòng)點(diǎn)）坐標(biāo)值。,2 插補(bǔ)算法,（1）直接函數(shù)法,插補(bǔ)準(zhǔn)備：,插補(bǔ)計(jì)算：,第三章 計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的插補(bǔ)原理,（2）進(jìn)給速率法（擴(kuò)展DDA法）,（3）方向余弦法一,（4）方向余弦法二,（5）一次計(jì)算法,3.3.3 數(shù)據(jù)采樣法圓弧插補(bǔ),1 直線函數(shù)法（弦線法）,2 擴(kuò)展DDA法數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ),優(yōu)點(diǎn)：該方法計(jì)算方便、速度較高 精度比弦線法高。,3 遞歸函數(shù)計(jì)算法(RF

2、B),1) 一階遞歸函數(shù)插補(bǔ),2) 二階遞歸函數(shù)插補(bǔ),數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu),第一節(jié) 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)要求 第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)及主軸部件 第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng),第一節(jié) 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)要求,一、模塊化和機(jī)電一體化 二、提高機(jī)床的靜、動(dòng)剛度 三、減少機(jī)床的熱變形 四、減少運(yùn)動(dòng)件的摩擦和消除傳動(dòng)間隙 五、提高機(jī)床的壽命和精度保持性 六、減少輔助時(shí)間，改善操作性,一、模塊化和機(jī)電一體化,1）通用型數(shù)控機(jī)床雖然能夠很好地滿足各類用戶的需求，但由于機(jī)床功能 過于齊全，使銷售價(jià)提高，用戶不得不為多余的功能承擔(dān)額外的費(fèi)用，成本 的上升必然會(huì)消弱產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力； 2）專用型數(shù)控機(jī)床對(duì)某具體的零件雖然具

3、有良好的經(jīng)濟(jì)性，但它限制了 加工對(duì)象的品種變化，使生產(chǎn)柔性下降。 3）模塊化設(shè)計(jì)思想正是為解決上述矛盾而提出的，它具有靈活的機(jī)床配置,數(shù)控機(jī)床的機(jī)電一體化是對(duì)總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出的重要要求。它是指 在整個(gè)數(shù)控機(jī)床的功能的實(shí)現(xiàn)以及總體布局方面必須綜合考慮機(jī)械和電氣 方面的有機(jī)結(jié)合,機(jī)床的模塊設(shè)計(jì)總體方案 基于模塊的機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)可以歸結(jié)為兩個(gè)相反的過程，即分解和組 合。分解是根據(jù)被加工對(duì)象的工藝信息和用戶的功能要求定義機(jī)床總功能和 性能指標(biāo)，確定機(jī)床總體方案形式和主要性能參數(shù)、特性參數(shù)值，并將其分 解成一系列易于實(shí)現(xiàn)的子功能；組合是根據(jù)子功能要求選擇出所有滿足要求 的模塊，并通過模塊綜合，組

4、合出多個(gè)可實(shí)現(xiàn)的機(jī)床總體方案。由于機(jī)床功 能結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，難以從整體上直接完成其設(shè)計(jì)任務(wù)的求解，因此，設(shè)計(jì)任 務(wù)的分解是必須的，分解出的子功能可由相應(yīng)的模塊完成。基于模塊的機(jī)床 總體方案設(shè)計(jì)基本步驟如下： （1）根據(jù)機(jī)床總功能和性能參數(shù)將總?cè)蝿?wù)分解成一些相對(duì)簡(jiǎn)單的子功能； （2）根據(jù)子功能的性能參數(shù)的要求查出滿足要求的模塊； （3）由于滿足某一子功能要求的模塊往往不止一個(gè)，故可形成多個(gè)組合方案； （4）進(jìn)行模塊接口分析，確定可實(shí)現(xiàn)的組合方案； （5）建立方案的裝配模型。,二、提高機(jī)床的靜、動(dòng)剛度,由于數(shù)控機(jī)床是由程序控制加工的，由機(jī)床床身、導(dǎo)軌、工作臺(tái)、刀架和主軸箱 幾何精度與變形所產(chǎn)生的定位

5、誤差取決于它們的結(jié)構(gòu)剛度。 為了提高數(shù)控機(jī)床的主軸的剛度，除了經(jīng)常采用三支承結(jié)構(gòu)以外，還可以選用 剛性很好的雙列短圓柱滾子軸承和角接觸向心推力軸承，以減小主軸的徑向和 軸向變形。 加強(qiáng)肋板的結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)床大件的剛度有明顯的影響。,在大型數(shù)控機(jī)床中，利用重塊平衡 結(jié)構(gòu)減少移動(dòng)載荷給機(jī)床的變形帶 來的對(duì)橫梁變形的影響。,也可以把橫梁的導(dǎo)軌加工 成中凸形抵消變形,提高機(jī)床各部件的接觸剛度能夠增加 機(jī)床的承載能力，采用刮研的方法可以增加單位面積上的接觸點(diǎn)。 在結(jié)合面之間施加足夠大的預(yù)加載荷也能夠增加接觸面積，提高接觸剛度。,數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)功率比同類型普通機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)功率大得多，在保證靜 剛度的前提下，還

6、必須提高其動(dòng)剛度。 切削中的振動(dòng)不僅直接影響工件的加工精度和表面質(zhì)量，還會(huì)降低刀具壽 命，甚至使加工無法繼續(xù)。,改善動(dòng)態(tài)特性的方法主要是： 提高系統(tǒng)的靜剛度、增加阻尼以及調(diào)整構(gòu)件的質(zhì)量和自身頻率。 鋼板的焊接結(jié)構(gòu)既可以增加靜剛度，減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，又可以增加構(gòu)件本身的阻尼。 封砂鑄件有利于振動(dòng)的衰減，提高抗振性。 設(shè)計(jì)機(jī)床構(gòu)件時(shí)，還可以通過調(diào)整質(zhì)量來改變系統(tǒng)的自振頻率。 數(shù)控機(jī)床中的旋轉(zhuǎn)零部件應(yīng)盡可能進(jìn)行良好的動(dòng)平衡，以減少強(qiáng)迫振動(dòng)源。 或者用彈性材料將振源隔離，以減少振源對(duì)機(jī)床的影響。,三、減少機(jī)床的熱變形,1）數(shù)控機(jī)床在內(nèi)外熱源的影響下，各部件將發(fā)生不同程度的熱變形，使工件與 刀具之間的相對(duì)運(yùn)

7、動(dòng)關(guān)系遭到破壞，也使機(jī)床精度下降。 2）機(jī)床熱變形產(chǎn)生的主要原因是熱源及機(jī)床各部分的溫差。 3）熱源通常包括加工中的切屑、運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)、傳動(dòng)件的摩擦以及 機(jī)床外部的熱輻射等。 4）機(jī)床零件的材料、結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸的不一致也是產(chǎn)生熱變形的重要因素。,如圖a，主軸箱內(nèi)的傳動(dòng)件所產(chǎn)生的熱量使立柱向上變形，產(chǎn)生偏差Y1 如圖b，在液壓油泵及其它傳動(dòng)元件發(fā)熱的影響下，床身沿縱向產(chǎn)生中間 凸起的變形,(a),(b),如圖c，床身縱向的伸長(zhǎng)使支撐絲杠的軸承向左移動(dòng)，產(chǎn)生偏差X 如圖d，由于電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生熱量，使立柱傾斜，造成偏差Y2,(c),(d),減少機(jī)床的熱變形的措施,1、減少發(fā)熱,機(jī)床內(nèi)部發(fā)熱

8、是產(chǎn)生熱變形的主要熱源，應(yīng)當(dāng)盡可能地將熱源從主機(jī)中分離出去。 主軸部件上采用精密滾動(dòng)軸承；進(jìn)行油污潤(rùn)滑；還可采用靜壓軸承；避免使用 摩擦離合器。 加工時(shí)的切屑是一個(gè)熱源，可以在工作臺(tái)或?qū)к壣涎b設(shè)隔熱板；使用切屑液時(shí) 控制切屑液的溫度。 潤(rùn)滑油在傳動(dòng)件之間流過，帶走摩擦熱，所以需要將油池移出機(jī)床，多對(duì)油池 進(jìn)行溫度控制。 液壓油泵及其油池也是機(jī)床上的又一熱源，需選擇合理的供油量；供油量變化 的系統(tǒng)采用變量泵。,2、控制溫升,在減少熱源之后，還必須通過良好的散熱和冷卻來控制溫升，以減少熱源影響。 方法一是，在機(jī)床的發(fā)熱部位進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。但制冷系統(tǒng)的冷卻能力必須適當(dāng)。 方法二是，在機(jī)床低溫部分通過加

9、熱的方法，使機(jī)床各點(diǎn)的溫度趨于一致。,3、改善機(jī)床結(jié)構(gòu),1)數(shù)控機(jī)床過去采用的單立柱結(jié)構(gòu)有可能被雙立柱結(jié)構(gòu)所取代。 對(duì)于數(shù)控車床的主軸箱，應(yīng)盡量使主軸的熱變形發(fā)生在刀具切入的垂直方向上。,2)對(duì)于數(shù)控機(jī)床中的滾珠絲杠，可以用預(yù)拉的方法減少絲杠的熱變形。,該方法是在加工滾珠絲杠時(shí)，使螺距略小于名義值，裝配時(shí)對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸， 使其螺距達(dá)到名義值。當(dāng)絲杠工作而受熱時(shí)，絲杠中的拉應(yīng)力補(bǔ)償了熱應(yīng)力，即 減少了熱伸長(zhǎng)的影響，又提高了絲杠的剛度。 3)另外，還可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果，由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出補(bǔ)償脈沖加以修正。也可以采用 特殊的調(diào)解元件消除熱位移。,數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度和定位精度不僅受到機(jī)床零部件的加工精度、

10、裝配精度、 剛度及熱變形的影響，而且與運(yùn)動(dòng)件的摩擦特性有關(guān)。,四、減少運(yùn)動(dòng)件的摩擦和消除傳動(dòng)間隙,數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)或托板的位移量是以脈沖當(dāng)量作為它的最小單位，通常要求 既能以高速又能以極低的速度運(yùn)動(dòng)。,目前使用的滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌在摩擦阻尼方面存在著明顯的差別。 如圖所示為不同的摩擦力和運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系。,圖a的滑動(dòng)導(dǎo)軌，初始作用力用于克服傳動(dòng)元件 （電動(dòng)機(jī)、齒輪、絲杠、螺母等）彈性變形的 能量，作用力超過靜摩擦力時(shí)，彈性變形恢復(fù)， 工作臺(tái)突然運(yùn)動(dòng)，靜摩擦力變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦力，工 作臺(tái)加速運(yùn)動(dòng)，慣性力使工作臺(tái)偏離給定位置。,圖b和c的摩擦力較小，而且很接近于動(dòng)摩擦力， 加上潤(rùn)滑油的作用，摩擦

11、力隨著速度的提高而 增大，避免了“低速爬行”,提高定位精度和運(yùn)動(dòng) 平穩(wěn)性。數(shù)控機(jī)床多采用滾動(dòng)和靜壓導(dǎo)軌。,近二十多年來，廣泛采用了聚四氟乙烯制成的貼塑導(dǎo)軌，具有更為良好的 摩擦特性，耐磨性和吸振作用。,在進(jìn)給系統(tǒng)中用滾珠絲杠代替滑動(dòng)絲杠也可以收到同樣的效果。用脈沖補(bǔ) 償裝置進(jìn)行螺距精度補(bǔ)償,除了減少傳動(dòng)齒輪和滾珠絲杠的加工誤差之外，另一個(gè)重要措施是采用無 間隙傳動(dòng)副，用同步帶傳動(dòng)代替齒輪。,五、提高機(jī)床的壽命和精度保持性,為了縮短數(shù)控機(jī)床投資的回收時(shí)間，務(wù)必使機(jī)床保持很高的開動(dòng)性（一般比 普通機(jī)床高23倍），因此必須提高機(jī)床的壽命和精度保持性。,首先，必須設(shè)計(jì)上就充分考慮數(shù)控機(jī)床零部件的耐磨性

12、，另外還要保證數(shù)控 機(jī)床各部件的良好潤(rùn)滑。,六、減少輔助時(shí)間，改善操作性,在數(shù)控機(jī)床的單件加工時(shí)間中，輔助時(shí)間占有較大的比例，要進(jìn)一步提高 機(jī)床生產(chǎn)率，就必須采取措施，最大限度地壓縮輔助時(shí)間。,由于微處理器的發(fā)展，使數(shù)控裝置日趨小型化。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)是把 數(shù)控裝置安裝到機(jī)床上，甚至把強(qiáng)電和弱電部分安排在一起。,第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)及主軸部件,一、數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn) 二、數(shù)控機(jī)床主軸的變速方式 三、主軸部件,一、數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床比較具有以下特點(diǎn)：,1）轉(zhuǎn)速高，功率大，它能使數(shù)控機(jī)床進(jìn)行大功率切削和高速切削，實(shí)現(xiàn) 高效率加工。,2）主軸轉(zhuǎn)速的變換迅速可靠，并能自

13、動(dòng)無級(jí)變速，使切削工作始終在最佳 狀態(tài)下進(jìn)行。（使用無級(jí)調(diào)速電機(jī)）,3）為實(shí)現(xiàn)刀具的快速自動(dòng)裝卸，主軸上必須設(shè)計(jì)有刀具自動(dòng)裝卸、主軸 定向停止和主軸腔內(nèi)的切屑清除裝置。,數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)要求較大的調(diào)速范圍，以保證加工時(shí)能選用合理的切削 用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。,二、數(shù)控機(jī)床主軸的變速方式,數(shù)控機(jī)床的變速是按照控制指令自動(dòng)進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng) 操作的要求。,因此，大多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用無極變速系統(tǒng)。,數(shù)控機(jī)床一般要求在中、高速段為恒功率傳動(dòng)，在低速段為恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)， 為了確保數(shù)控機(jī)床主軸低速時(shí)有較大的轉(zhuǎn)矩和主軸的變速范圍盡可能大， 有的數(shù)控機(jī)床在交流或直流電動(dòng)機(jī)無級(jí)

14、變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速，使之 成為分段無級(jí)變速,（1）帶有變速齒輪的主傳動(dòng),這種配置方式大、中型數(shù)控機(jī)床采用較多。 通過少數(shù)幾對(duì)齒輪降速，使之成為分段無級(jí)變速，確保低速時(shí)的扭矩。 以滿足主軸輸出扭矩特性的要求。但有一部分小型數(shù)控機(jī)床也采用這種 傳動(dòng)方式，以獲得強(qiáng)力切削時(shí)多需要的扭矩。 滑移齒輪的移位大都采用液壓撥叉或直接由液壓缸帶動(dòng)齒輪來實(shí)現(xiàn)。,數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)主要有以下三種配置方式。,（2）通過帶傳動(dòng)的主傳動(dòng),主要應(yīng)用在小型數(shù)控機(jī)床上，可以避免齒輪傳動(dòng)時(shí)引起的震動(dòng)和噪音，但 它只能適用于低扭矩特性要求的主軸。,同步帶傳動(dòng)是一種綜合了帶、鏈傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的新型傳動(dòng)。同步帶的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng) 如圖所示。

15、帶的工作面及帶輪外圓上均制成齒形，通過帶輪與輪齒相嵌合，作 無滑動(dòng)的嚙合傳動(dòng)。,（3）由調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng),這種主傳動(dòng)方式大大簡(jiǎn)化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的 剛度，但主軸輸出扭矩小，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸的精度影響較大。,三、主軸部件,機(jī)床的主軸部件是機(jī)床重要部件之一，它帶動(dòng)工件或刀具執(zhí)行機(jī)床運(yùn) 動(dòng)，因此數(shù)控機(jī)床主軸部件的精度，抗振性和熱變形對(duì)加工質(zhì)量有直影 響，由于數(shù)控機(jī)床在加工過程中不進(jìn)行人工調(diào)整，這些影響就更為重。,主軸在結(jié)構(gòu)上要處理好卡盤或刀具的裝卡，主軸的卸荷。 主軸軸承的定位和間隙調(diào)整，主軸部件的潤(rùn)滑和密封等一系列問題。 對(duì)于數(shù)控鏜銑床的主軸為實(shí)現(xiàn)刀具的快速自動(dòng)

16、裝卸，主軸上還必須設(shè)計(jì)有 刀具的自動(dòng)裝卸，主軸定向停止和主軸孔內(nèi)的切屑清除裝置。,一）數(shù)控機(jī)床的主軸軸承配置形式,1）前支撐采用圓錐雙列圓柱滾子軸承和雙向推力角接觸球軸承組合，后支撐 采用成對(duì)角接觸球軸承。 這種配置形式使主軸的綜合剛度得到大幅度提高，可以滿足強(qiáng)力切削的要求， 所以目前各類數(shù)控機(jī)床的主軸普遍采用這種配置形式。,2）前軸承采用高精度雙列向心推力球軸承,角接觸球軸承具有較好的高速性能，但是這種軸承的承載能力小，因而 適用于高速、輕載和精密的數(shù)控機(jī)床主軸。,3）雙列圓錐滾子軸承和圓錐滾子軸承,這種軸承徑向和軸向剛度高，能承受重載荷，尤其能承受較大的動(dòng)載荷， 安裝與調(diào)整性能好。 但是，

17、這種軸承配置方式限制了主軸的最高轉(zhuǎn)速和精度，所以僅適用于 中等精度、低速與重載的數(shù)控機(jī)床主軸。,二）主軸的定向停止,為了將主軸準(zhǔn)確地停在某一固定位置上，以便在該處進(jìn)行換刀等動(dòng)作， 這就要求主軸定向控制。,第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng),一、對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的要求 二、滾珠絲杠螺母副 三、傳動(dòng)齒輪間隙消除機(jī)構(gòu),一、對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的要求,數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)字控制的直接對(duì)象。 被加工件的最后輪廓精度和加工精度都會(huì)受到進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)精度、 靈敏度和穩(wěn)定性的影響。 為此，對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)中的傳動(dòng)裝置和元件要求具有高的壽命，高的剛度， 無傳動(dòng)間隙，高的靈敏度和低摩擦阻力的特點(diǎn)。 如導(dǎo)軌必須具有較小的摩擦力，耐磨性要求，所

18、以一般采用滾動(dòng)導(dǎo)軌、 靜壓導(dǎo)軌和減磨導(dǎo)軌等。,提高進(jìn)給系統(tǒng)性能的措施,1、減少運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力：摩擦阻力主要來自絲杠螺母和導(dǎo)軌；對(duì)其 進(jìn)行滾動(dòng)化是重要措施。 2、提高傳動(dòng)精度和剛度： （1）保證進(jìn)給系統(tǒng)中滾珠絲杠螺母、蝸輪蝸桿和支撐結(jié)構(gòu)的加工精度， 提高傳動(dòng)精度和剛度。 （2）在進(jìn)給鏈中加入減速齒輪或同步帶傳動(dòng)，減小脈沖當(dāng)量，從設(shè)計(jì) 角度提高傳動(dòng)精度。 （3）采用預(yù)緊消除傳動(dòng)件間隙，提高傳動(dòng)精度。 3、減少慣量：高速運(yùn)轉(zhuǎn)零件的慣量影響伺服系統(tǒng)的啟動(dòng)和制動(dòng)特性。,二、滾珠絲杠螺母副,工作原理：在絲桿和螺母上加工有弧行螺旋槽，當(dāng)它們套裝在一起時(shí)便形成螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。而滾珠則沿滾道滾動(dòng)，并經(jīng)回珠管作周而復(fù)始的循環(huán)運(yùn)動(dòng)?；刂楣軆啥诉€起擋珠的作用，以防滾珠沿滾道掉出。,組成：主要由絲桿、螺母、滾珠和滾道、螺母座等組成,特點(diǎn)： 傳動(dòng)效率高：機(jī)械效率可高達(dá)92%98%。 摩擦力?。褐饕怯脻L珠的滾動(dòng)代替了普通絲桿螺母副的滑動(dòng)。 軸向間隙可消除：也是由于滾珠的作用，提高了系統(tǒng)的剛性。經(jīng)預(yù)緊后可消除間隙。 使用壽命長(zhǎng)、制造成本高：主要采用優(yōu)質(zhì)合金材料，表面經(jīng)熱處理后獲得高的硬度。,三、傳動(dòng)齒輪間隙消除機(jī)構(gòu),