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数控机床各组成部分

发布时间:2020-09-11 13:44

  数控机床各组成部分_物理_自然科学_专业资料。数控机床各个组成部分的工作原理及结构 第一节 输入装置 第二节 数控装置 第三节 数控机床主传动系统 第四节 伺服系统 第五节 数控机床的自动换刀装置 第六节 数控机床常用位置检测装置 第一节 输

  数控机床各个组成部分的工作原理及结构 第一节 输入装置 第二节 数控装置 第三节 数控机床主传动系统 第四节 伺服系统 第五节 数控机床的自动换刀装置 第六节 数控机床常用位置检测装置 第一节 输入装置 输入装置是整个数控系统的初始工作机构,它将 准确可靠的接收信息介质上所记录的“工程语言”、 运算及操作指令等原始数据,转为数控装置能处理的 信息,并同时输送给数控装置。 输入信息的方式分手动输入和自动输入。手动输 入简单、方便但输入速度慢容易出错。现代数控机床 普遍采用自动输入,其输入形式有光电阅读机、磁带 阅读机及磁盘驱动器以及无带自动输入方式。 其它输入方式: 1.无带自动输入方式 在高档数控机床上,设置有自动编程系统和动态模拟显示 器(CRT)。将这些设备通过计算机接口与机床的数控系统相 连接,自动编程所编制的加工程序即可直接在机床上调用,无需 经制控制介质后再另行输入。 2.触针接触式阅读机输入方式 又称为程控机头或电报机头,结构简单,阅读速度较慢, 但输入可靠、价格低廉故在部分线切割机床加工中仍在用。 3.磁带、磁盘输入方式 磁带输入方式进行信息输入,其信息介质为“录音”磁带, 只不过录制的不是声音,而是各种数据。 加工程序等数据信息一方面由微机内的磁盘驱动器“写入” 磁盘上进行储存,另外也由磁盘驱动器进行阅读并通过微机接 口输入到机床数控装置中去。 第二节 数控装置 数控装置是数控机床的核心,数控机床几乎所有 的控制功能(进给坐标位置与速度,主轴、刀具、冷 却及机床强电等多种辅助功能)都由它控制实现。因 此数控装置的发展,在很大程度上代表了数控机床的 发展方向。 数控装置的作用是接收加工程序等送来的各种信 息,并经处理分配后,向驱动机构发出执行的命令, 在执行过程中,其驱动、检测等机构同时将有关信息 反馈给数控装置,经处理后,发出新的命令。 一、数控装置的 组成 1、数字控制的信息 1)几何信息——是指通过被加工零件的图样所获得的几何轮廓的 信息。 这些信息由数控装置处理后,变为控制各进给轴的指令脉冲, 最终形成刀具的移动轨迹。几何信息的指令,由准备功能G具体规 定。 2)工艺信息———通过工艺处理后所获得的各种信息。 包括工艺准备、刀具选择、加工方案(走刀路线、切削用量 等)及补偿方案等各方面信息。 加工实际经验的积累,也是获得工艺信息的有效途径。 3)辅助信息——泛指除几何、工艺信息之外的其它信息,其作用 主要为控制机床辅助动作。 如主轴的启、停与调速、换向,冷却液的开、关,零件的夹 紧与松开,以及找刀、换刀等各种信息。 3、数控机床用计算机简介 数控的实质是计算机控制。计算机技术的高速发展,开辟了数 字技术综合应用的新领域,促进了生产过程自动化的不断发展。 1)电子计算机的组成 电子计算机由软件和硬件两大部分组成。 硬件即指设备,它包括构成计算机的集成电路、存储器、接 口元件等。软件是以程序为中心的信息组合,软硬件结合,才能 实现所给定的功能。 ?电子计算机的基本结构 (硬件) 电子计算机的基本结构由中 央处理器(CPU)、存储器(PAM、 ROM和输入/输出部分(I/O) 三部分组成。 ?电子计算机的软件部分 上述计算机的基本结构式是指硬件部 分,但仅有硬件部分,只是具备了计算机或过程控制的可能性。 要使计算机真正能进行计算或过程控制,还必须软件的支持。计 算机运行的程序通过程序设计确定,使计算机完成指定的工作。 二、数控装置的工作原理 数控装置的工作原理就是指控制各进给坐标所需进给脉冲的 基本规律。通过插补原理和逐点比较法进行说明。 1、插补原理 1)脉冲当量 是数控机床的一个基本参数,数控系统每发出一个 进给脉冲,机床机械运动机构就产生一个相应的位移量,一个脉 冲所对应的位移量称为脉冲当量。它是脉冲分配计算中的基本单 位。用Q表示。 Q Li 3600 Q——脉冲当量(MM) θ——步距角(伺服电机在输入一个脉冲时所转过的角度) L——传动螺旋副的导程 i——伺服电机至螺旋副间的传动比 同理可得刀具位移的关系式:S=QN S——刀具运动的位移量(MM) N——脉冲个数 车床数控系统一般规定Z 轴的脉冲当量为0.01,X轴 的脉冲当量为0.005.在实 际应用中为了简便计算与 操作,X轴向的脉冲当量可 通过计算机自动进行乘2 处理,使系统的设定值为 0.01。 2)插补的概念 ?插补运动的产生 将两个或两个以上的进给轴的直线运动合成,以实现所需轮廓的运动轨迹。在 数控技术中这种合成的复杂运动称为插补运动。数控装置为了完成机床所需插 补运动而进行的一系列运算,即称为插补运算;在其插补运动过程中,每一个 单位脉冲(即每一步)所到达的终点,称为插补点。 ?插补运动轨迹分析 ?插补运动轨迹分析 通过举例分析可得如下结论: 插补运动的实际轨迹始终不可能与其理想轨迹完全相同,插补 点一般也不会落在理想轨迹上。 当进给运动的轨迹不与坐标轴平行时,则经数控插补后的实际 轨迹均由很多线段组成,其折线交点即插补点不能与理想轨迹重 合,每一个交点的位置将由数控系统确定并控制。 因为数控系统所进行的插补运算,是以最小设定单位为插补单 位的,所以在完成加工的零件上,看不出实际插补轨迹的折线形 状。实际终点与理想终点的误差,一般不超过半个脉冲。 数控系统的脉冲当量越小,插补运动的实际轨迹就越接近理想 轨迹,加工精度就越高。 ?插补概念——根据给定的信息,在理想轮廓(或轨迹)上的已 知两点之间,确定一些中间点的一种方法。 ?插补原理——通过插补计算的结果,对各进给坐标所需 进给脉冲个数、频率及方向进行分配,以实现进给轨迹控 制,这就是插补原理。 插补原理是数控技术中的基本原理之一,它广泛应用 在除点位控制机床以外的各种机床数控装置中。 ?插补的类型 插补的类型由其给定的信息的类型决定,给定信息为一次函 数时计算机进行的插补类型为直线插补;二次函数时根据二次曲 线的不同类型又有圆弧、抛物线、椭圆、渐开线及螺旋线等插补 类型。它们都可以通过计算机软件方式实现。 2、逐点比较法 应用插补原理的方法有很多种,如逐点比较法、数 字积分法及单步追踪法等。在对平面曲线进行插补的各 种方法中,最常用的是逐点比较法。采用这种方法进行 插补的优点是运算直观,插补误差小于一个脉冲当量, 输入脉冲的速度变化小,以及调节方便、简便易行。 1)逐点比较法的工作节拍 逐点比较法是一种边判别边逼近的方法,帮又称为 逼近法或区域判别法。在逐点比较法的应用中,插补点 在主运动的坐标轴方向每进一步都必须经过偏差判别、 刀具进给、偏差计算并判别、终点判别四个工作节拍。 第三节 数控机床主传动系统 一、主传动系统的要求 1、宽调速、无极调速 2、高刚度、低噪声 3、高抗振性、高热稳定性 二、主传动的变速方式 1、经皮带和变速齿轮的主传动 传动方式特点: ?可扩大恒功率调速范围。 ?扩大主轴出转距。 ?具有齿轮传动缺点。 2、齿轮变速方式 主轴正反转、启停与制动均是靠直接制动电机 来实现,而 齿轮的变速操纵常采用液压拨叉与电磁离合器来实现。 带 传 动 与 齿 轮 传 动 的 传 动 系 统 图 2、经带传动的主传动 由无极变速的主轴电机经皮带传动直接带动 主轴运转的主运动形式。这种变速方式一般用于 中小型数控机床,用于调速范围不大,转距也不 需太高的场合。它可避免齿轮传动时引起的振动 与噪声,从而大提高主轴的运转精度。 随现代主轴伺服电动机的发展,出现了能实 现宽范围无极调速的宽域主电动机,使主的输出 特性得到很好的改善,扩大了恒功率的调速范围, 并提高了输出转距。在避免齿轮传动不足的情况 下,又能保持齿轮传动带来的优点。使数控机床 在机械结构上朝着优化的方向前进了一大步。 为保证皮带传动平稳,一般用多楔带为宜。 南汽培训中心 经 带 传 动 的 主 传 动 系 统 图 3、由调速电机直接驱动的主传动 这种电动机是将主电动机直接与主轴连接,带动主轴转动, 大大简化了主轴箱体结构,有效提高了主轴刚度。 缺点:减少了皮带降速传动,其主轴的输出转矩更小,而且主 电动机的发热对主轴精度的影响更大。 直接驱动主轴 近年来,出现了一种内装式电动机主轴,即主轴 与电动机的转子合为一体,而电动机的定子则与主轴 箱体固定 。这种形式使主轴部件的结构紧凑、重量轻、 惯量小,可提高主轴的启动、停止响应特性,有利于 控制振动和噪声,主轴的最高转速可达20000r/rain 以上.但是,这种传动方式最大的缺点是主电动机运 转时产生的热量易使主轴产生热变形.因此,采用内 装式主电动机方式时,温度的控制与冷却是一个关键 的问匣.通常,这种数控机床自带特定的冷却系统, 如风冷、水冷、空调降温等装置. 3.主轴头部刀具自动夹紧机构 在带有刀库的自动换刀数控机床中,为实现刀具在主轴 上的自动装卸,其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构。 3.主轴头部刀具自动夹紧机构 当数控系统发出装刀信号后,刀具则由机械手或其他方法 装插入主轴孔后,其刀柄及 后部的拉钉1便被送到与主轴固定 的前端套筒5内。随即数控系统发出刀具夹紧信号,此 时拉杆 3在后端碟形弹簧(图中略)的弹力作用下,呈紧紧拉伸(图2—8 中往右方向) 的状态。与拉杆固定连接的套筒4内的一组钢球2, 在套筒5的锥孔逼迫下,收缩分布直 径,随即将刀柄拉钉1紧 紧拉住,从而完成了刀具定位工作;反之,如需要松开刀具时, 数控系统发出松刀信号后,在主轴拉杆3后端的油缸(图中略)作 用下,便可克服碟形弹 簧的弹力,放松对拉杆3的拉伸,即拉 杆3往左移而呈压缩状态。这时套筒5前端的喇叭 口使钢球2的 分布直径变大,随即松开刀柄后的拉钉1,即可卸下用过的刀 具为进一步换 新刀做准备。 另外,自动清除主轴孔中的切屑和灰尘是换刀时一个不容忽 视的问题。通常采用在换 刀的同时,从主轴内孔喷射压缩空 气的方法来解决,以保证刀具准确地定位。 4. 主轴的准停装置 在自动换刀的数控铣镗类机床上,必须具有主轴准确的周向 定位功能,这个功能称为 主轴准停。这是由于刀具装在主轴 锥孔内,在切削时的切削转矩不能完全靠锥孔的摩擦力 来传 递,通常在主轴前端设置一个凸键,称为端面键。当刀具装入 主轴时,刀柄上的键槽 必须与凸键对准相配,为保证自动换 刀,主轴必须停止在某一固定角度的位置上,准停装置就是为 保证主轴换刀时准确停止在换刀位置而设置的。 目前准停装置有很多形式,就其基本原理有以下三种,机械 方式一种、电气方式两种。 第四节 伺服系统 一、伺服系统的作用及分类 1、伺服系统的作用 伺服系统位于数控装置与机床主体之间,它的作用是将从 数控装置输出线路接收到的微弱电信号(脉冲电压约5V左右, 脉冲电流为毫安级),经功率放大等电路放大为较强的电信号 (驱动电压约几十伏至几百伏,电流可达几十安培)然后将接 收的上述数字量信息转换成模拟量(执行电机轴的角位移和角 速度)信息,从而驱动执行电机带动机床运动部件按约定的速 度和位置进行运动。 二、数控进给伺服系统的要求 与普通机床相比,对数控机床进给系统的设计要求, 除了具有较高的定位精度之外,还应具有良好的动态响应 特性,系统跟踪指令信号的响应要快,稳定性要好,可概 括为以下几点要求: 1.高的精度要求 2.宽的调速范围 3.快的响应速度 4.好的稳定性 5.大的转矩输出 1.高的精度要求 数控机床是按预定的程序自动加工零件的,不可能像普通机 床那样可用手动操作来调整和补偿各种误差,因此它要求有很 高的定位精度和重复定位精度,所谓精度是指伺服系统的输出 量跟随输入量的精确程度。伺服系统接收一个指令脉冲驱动工 作台移动的距离称为一个脉冲当量。脉冲当量越小,机床的精 度就越高。为此,消除进给传动链的间隙,是保证高精度的重 要措施之一,一般脉冲当量应达到0.01~0.001mm。 2.宽的调速范围 由于数控机床加工要适应各种工件材料、尺寸和刀具等变化 的需要,伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下,应具有 很宽的调速范围。既要高到为缩短辅助时间、提高加工效率的 快速移动速度要求,如10一30m/min;也要能满足在完成高精 度定位的低速度 (如0.1 mm/min)时,均匀、稳定、无爬行地工 作。对于一般数控机床的调速范围1:24 000就可以了,较先进 的数控机床可以获得更宽的调速范围。 3.快的响应速度 所谓响应速度是指伺服系统跟随指令信号的响应速度快,使 工作台能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令,保证轮 廓切削的形状精度和良好的加工表面精度。一般反应时间要求 在200ms,甚至几十毫秒内。要保证如此高的响应速度,进给 传动工作台的刚度、间隙、摩擦、转动惯量等都是必须考虑的 问题。 4.好的稳定性 要有较强的抗干扰能力,保证电源、环境、负载等所产生的 波动对其影响较小,有较好的调速机械特性,外加负载变化的 适应能力强,以保证加工稳定地进行。 5.大的转矩输出 机床加工大多在低速时进行重切削,则要求低速时进给系统 要有大的转矩输出。为此,需缩短进给系统传动链,简化机械 结构,增强系统刚度,提高传动精度。 三、数控进给系统的伺服驱动装置 数控机床的伺服系统一般由驱动装置与机械传动执 行件等组成,对于半闭环、闭环控制系统还包括位置检 测环节。而驱动装置是由驱动元件电动机和电动机驱动 控制单元两部分组成,通常它们由同一生产厂家配套提 供给机床制造厂。进给伺服驱动装置用于数控机床各坐 标轴的进给运动,进给驱动用的伺服电动机主要有步进 电动机和交流、直流调速电动机,电动机作为驱动元件 是伺服系统的关键之一。 四、数控进给传动结构 进给传动结构是进给伺服系统的主要组成部分,它是 将伺服电动机的旋转运动转化为执行部件的直线移动或回 转运动,以保证刀具与工件相对位置关系为目的。在数控 机床中,进给运动是数字控制系统的直接控制对象。无论 是开环还是闭环伺服进给系统,工件的精度均要受到进给 运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此,数控机 床的进给系统应力求做到减少摩擦力,提高传动精度与刚 度,消除传动间隙以及减少运动件的惯量等。目前,在数 控机床进给驱动系统中常用的机械传动装置主要有:滚珠 丝杠螺母副、静压蜗杆-蜗母条、预加载荷双齿轮-齿条 及双导程蜗杆等。 1.滚珠丝杠螺母副传动 为了提高数控机床进给系统的快速响应性能和运动精度,必须 减少运动件的摩擦阻力和动静摩擦力之差。为此,在中小型数控机床 中,滚珠丝杠螺母副是采用最普遍的结构。 (1)滚珠丝杠副的 工作原理。滚珠丝 杠副是回转运动与 直线运动相互转换 的新型传动装置, 是在丝杠和螺母之 间以滚珠为滚动体 的螺旋传动元件。 1-滚珠丝杆2-滚珠螺母3-滚珠 4-滚珠返回装置5-滚道 (2)滚珠丝杠副的特点 滚珠丝杠副的丝杠与螺母之间是通过滚珠来传递运动的,使之成为滚动 摩擦,这是滚珠丝杠区别于普通滑动丝杠的关键所在,其特点主要有以下几 点: 1)传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率高达95%~98%,是普通梯形丝杠 的3~4倍,功率消耗减少2/3~3/4。 2)灵敏度高、传动平稳。由于是滚动摩擦,动静摩擦系数相差极小。因 此低速不易产生爬行。 3)定位精度高、传动刚度高。用多种方法可以消除丝杠螺母的轴向 间隙,使反向无空行程,定位精度高,适当预紧后,还可以提高轴向刚度。 4)不能自锁、有可逆性。既能将旋转运动转换成直线运动,也能将直线 运动转换成旋转运动。因此丝杠在垂直状态使用时,应增加制动装置或平衡 块。 5)制造成本高。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度及表面粗糙度等要求高, 制造工艺较复杂,成本高。 (3)滚珠丝杠副的循环方式 常用的循环方式有两种:滚珠在循环反向过程中,与丝杠滚 道脱离接触的称为外循环;而在整个循环过程中,滚珠始终与丝 杠各表面保持接触的称为内循环。 外循环 1一插管 2一滚珠 3一外循环螺母 4—滚珠丝杠 5一反向器 6一内循环螺母 内循环 (4)滚珠丝杠副的使用防护 滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动元件一样,如有硬质的灰 尘或切屑等脏物落进滚道,就会妨碍滚珠的运转并加速磨损, 因此有效地防护密封和保持润滑油的清洁就显得十分必要.常 用的防尘密封装置由密封圈和防护罩相结合,密封圈装在滚珠 螺母的两端,和丝杠直接接触,其材料有毛毡、耐油橡皮或尼 龙等,防尘效果好。但有接触压力、摩擦力矩增加的现象,所 以有时采用非接触式、由聚氯乙烯等塑料制成的迷宫密封圈。 对于暴露在外面的丝杠一般采用伸缩套筒式、折叠式的塑 料或人造革等形式的防护罩,以防止空气中尘埃粘附在丝杠表 面。 滚珠丝杠副和普通滑动丝杠螺母副一样,要用润滑剂来提 高耐磨性及传动效率。润滑剂可分为润滑油或润滑脂两大类。 润滑油可采用一般机械油、90~180号透平油或140号主轴油, 经过壳体上的油孔而注入螺纹的空间内。润滑脂可采用锂基油 脂,油脂加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内。 2.其他进给传动机构 (1)静压蜗杆一蜗母条传动 蜗杆-蜗母条机构是丝杠螺母机构的一种特殊形式蜗杆可 看作长度很短的丝杠,蜗母条则可看作一个很长的螺母沿轴向 剖开后的一部分。 液体静压蜗杆一蜗 母条机构是在蜗杆一蜗 母条的啮合齿面间注入 压力油,以形成一定厚 度的油膜,使两啮合面 形成液体摩擦,特别适 宜重型数控机床的进给 传动系统。进给伺服电 动机通过联轴器与蜗杆 相连,产生旋转运动。 蜗母条与运动部件(工 作台)相连,以获得往 复直线运动。这种形式 常用于龙门铣床的工作 台进给驱动。 (2)双齿轮一齿条传动 齿轮一齿条是行程较长的大型数控机床上常用的进给传动 形式,适用于传动刚性要求高,传动精度不太高的场合。 采用齿轮一齿 条传动时,必须采 取消除齿侧间隙的 措施。通常采用两 个齿轮2,3与齿条 啮合的方法,专用 的预加载机构使两 齿轮以相反方向预 转过微小的角度, 使两齿轮分别与齿 条的两侧齿面贴紧, 从而消除间隙。 (3)双导程蜗杆传动。 为了扩大工艺范围,提高生产效率,数控机床除了直线进给运动之外, 还有圆周进给运动。圆周进给运动可由回转工作台来实现,其进给传动一般 采用蜗轮一蜗杆传动。 五、数控进给传动导轨 导轨是伺服进给系统的重要环节之一,它对数控机床的 刚度、精度与精度保持性等有着重要的影响,现代数控机床 的导轨,对导向精度、精度保持性、摩擦特性、运动平稳性 和灵敏度都有更高的要求,在材料和结构上有了“质”的变 化,明显不同于普通机床的导轨。 1.塑料滑动导轨 为了进一步降低普通滑动导轨的摩擦系数,防止低速爬行, 提高定位精度,在数控机床上普遍采用塑料作为滑动导轨的 材料,使原来铸铁一铸铁的滑动变为铸铁一塑料或钢一塑料 的滑动。 (1)塑料软带 (2)塑料涂层 (1)塑料软带也称聚四氟乙烯导轨软带,导轨材料是以聚四氟乙烯为基体, 加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结,并做成软带状,厚度约 1.2mm。由于这类导轨软带采用粘贴的方法,习惯上也称为“贴塑导轨” (2)塑料涂层 是以环 氧树脂为基体,加入铁粉、二 硫化钼和胶体石墨,并加入增 塑剂,混合成液膏状为一组分, 另一组分为固化剂,双组分组 成塑料涂层。涂层的厚度在 1~1.5mm之间。 由于这类涂层导轨采用涂 刮或注入膏状塑料的方法,习 惯上也称为“涂塑导轨”或 “注塑导轨”。 (3)塑料导轨的特点 1)摩擦特性好 铸铁一淬火钢或铸铁一铸铁导轨副的动、静摩擦系数相差较大,近 一倍。而金属一聚四氟乙烯导轨软带(Turcite—B,TSF)的动、静摩擦系 数基本不变,而且摩擦系数很低。这种良好的摩擦特性能防止低速爬行, 使机床运行平稳,以获得高的定位精度。 各 种 导 1一铸铁一铸铁(30#机油) 轨 摩 2一Turcite--B--铸铁(干摩擦) 擦 系 3一Turcte--B--铸铁(30#机油) 数 曲 4一TSF--铸铁(干摩擦) 线)耐磨性好。 除摩擦系数低外,塑料材料中含有青铜、二硫化钼和石 墨,因此其本身具有自润滑作用,对润滑油的供油量要求不 高,采用间歇式供油即可。另外,塑料质地较软,即使嵌入 细小的金属碎屑、灰尘等,也不至于损伤金属导轨面和软带 本身,可延长导轨的使用寿命。 3)减振性好。 塑料的阻尼性能好,其减振消声的性能对提高摩擦副的 相对运动速度有很大的意义。 4)工艺性好。 可降低与塑料结合的金属基体的硬度和表面质量,而且 塑料易于加工(铣、刨、磨、刮),使导轨副接触面获得良好 的表面质量。 2.滚动导轨 滚动导轨是在导轨工作面之间安装滚动体(滚珠、滚柱和滚针),与滚珠丝杠的工作原理 类似,使两导轨面之间形成的摩擦为滚动摩擦。动、静摩擦系数相差极小,几乎不受运动 速度变化的影响。优点是:摩擦系数小,运动轻便灵活,灵敏度高;低速运动平稳性好, 不会产生爬行现象,定位精度高;耐磨性好,磨损小,精度保持性好;且润滑系统简单。 缺点:滚动导轨的抗振性较差,结构复杂,对脏物较敏感,必须要有良好的防护措施。 直线滚动导 轨外形 l一导轨体 2,5一密封垫 3一滚动体保持器 卜滚动体 6一端盖 7一滑块 8一润滑油杯 直线.静压导轨 静压导轨又分为液体静压导轨和气体静压导轨两种。 1)液体静压导轨 是在两个相对运动的导轨面间通人压力油,使运动件浮起。 工作过程中,导轨面上油腔中的油压能随着外加负载的变化自 动调节,以平衡外负荷,保证导轨面始终处于纯液体摩擦状态。 由于其导轨工作面完全处于纯液体摩擦状态,故工作时的摩擦 系数极低,一般为十万分之几,无“爬行”现象,吸振性好, 寿命长但结构复杂,主要用于在大、重型的数控机床。 2)气体静压导轨 是利用恒定压力的空气膜,使两导轨间呈悬浮状态,其摩 擦系数比液体静压还小,并完全避免了运动副的热变形。用于 数控坐标磨床和三坐标测量仪。 第五节 数控机床的自动换刀装置 在零件的加工制造过程中,大量的时间用于更换刀具、 装卸、测量和搬运零件等非切削时间上,切削加工时间占整 个工时中较小的比例。为了进一步压缩非切削时间,数控机 床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的方向发展。 这就是近年来带有自动换刀装置的多工序数控机床得以迅速 发展的原因。为此,更进一步发展和完善各类刀具自动更换 装置,扩大换刀数量,以便实现更为复杂的换刀操作。这不 仅可以提高机床的生产效率,扩大数控机床的功能和使用范 围,而且,由于零件在一次安装中完成多工序加工,大大减 少了零件的装夹次数,进一步提高了零件的加工精度。 自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度 高、足够的刀具储存量、结构紧凑及安全可靠等要求。 一、回转刀架换刀装置 回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度,以承受粗加工时的切削抗力。 选择可靠的定位方案和合理的定位结构,以保证回转刀架在每次转位之后,具有 尽可能高的重复定位精度(一般为0.005~0.01mm)。 螺母升降转位刀架,电动机4经安全离合器5, 至蜗轮副6带动螺母7旋转,螺母7举起刀架3 使端齿盘的上齿盘2与下齿盘1分离,随即电 动机4带动刀架旋转到位,然后给系统发出 信号反转锁紧。 十字槽轮转位刀架,销子9每转一 周刀架转过—个工位,如四方刀架 为90 凸轮棘爪式刀架,蜗轮带动端面凸轮 14相对于相对的端面凸轮13转动, 使刀架的上下齿盘脱开,然后利用棘 轮机构推动刀架体12转过所需的工位, 最后利用电气元件发出电动机反转信 号而锁紧刀架。 电磁式刀架,利用线圈通电时的电 磁力使刀架定位锁紧 回转刀架中,十字槽轮转位刀架体积大,占用空间多,相对地减少了机床的切削 区域;凸轮棘爪式转位刀架不易做到可靠定位;电磁式转位刀架则需多一套控制电路, 并要有断电保护;螺母升降式转位刀架零件较多,但定位可靠,目前使用较多。 一般情况下,回转刀架的换刀动作主要包括刀架抬起、刀架转位、刀架压紧等几 个步骤。 1,10一下齿盘 2,11一上齿盘 3,8,12一刀架体 4,17一电动机 5一离合器 6一蜗轮副 7一丝杠螺母副 9一销钉 13,14一端面凸轮 15,16一棘轮副 二、多主轴转塔头换刀装置 这种机床的主轴转 带 塔头就是一个转塔刀库, 主 转塔头有卧式和立式两 轴 种。如图示为数控转塔 转 式镗铣床的外观图,每 次换刀包括转塔头脱开 塔 头 的 主轴传动、转塔头抬起、 数 转塔头转位和转塔头定 控 位压紧等步骤。由于空 间位置的限制,主轴部 机 床 件的结构不可能设计得 十分坚实,因而影响了 主轴系统的刚度。 转塔头 机床 主体 三、刀库一机械手自动换刀系统 这种自动换刀装置有一个专 做储存刀具用的刀库,机床只需 刀 一个夹持刀具进行切削的刀具主 库 轴,其刀具的交换方式通常分为 一 通过刀库与机床主轴的相对运动 来实现刀具交换,以及采用机械 手交换刀具两大类。前者换刀时 必须首先将用过的刀具送回刀库, 然后再从刀库中取出新刀具,这 两个动作不可能同时进行,因此 主 轴 自 动 换 换刀时间较长;而后者机械手换 刀 刀时有很大的灵活性,这种刀库 数 可储存较多的刀具,自动换刀时, 控 机械手把机床主轴已用过的刀具 机 送回刀库,同时从刀库中取出下 床 一工序所需刀具送往主轴,换刀 时间重叠,因而换刀时间短,加 工效率高 1一主轴箱 2一主轴 3一刀具 4一刀库 5一工件 配合换刀系统使用,并以合理方式存储较多刀具,及辅具的部件称为刀库 这种刀库可储 存较多的刀具,自 动换刀时,机械手 把机床主轴已用过 的刀具送回刀库, 同时从刀库中取出 下一工序所需刀具 送往主轴,换刀时 间重叠,因而换刀 时间短,·加工效率 高,适用于加工各 种较复杂的工件, 及所需刀具数量多 的自动换刀数控镗 铣床。 第六节 数控机床常用位置检测装 置 一、检测反馈装置的作用 检测反馈装置的作用是将其准确测得的直线位移 或角位移迅速反馈给数控装置,以便与加工程序给定 的指令值进行比较,如有误差,数控装置将向伺服系 统发出新的修正指令,从而控制驱动系统正确运转, 使工作台(或刀具)按规定的轨迹和坐标移动。 二、对检测反馈装置的基本要求 1、分辨率和制造精度高,工作可靠抗干扰能力强 2、反应快,测量灵敏 3、光栅等测量尺的温度系数小 4、使用和维护方便 三、位置检测装置的分类 不同类型的数控机床对于检测系统的精度与速度有不同的要求。一般来说, 对于大型数控机床以满足速度要求为主,而对于中小型和高精度数控机床以 满足精度要求为主。 1、按测量方法分类 (1)直接测量反馈装置(闭环) (2)间接测量反馈装置(半闭环) 2、按获得量值的方式分类 (1)增量式检测反馈装置 该装置通过测量尺发出一个个脉冲信号,每一个脉冲即 表示一个单位的位移,最后计数器显示出累计位移量。因该装置未设绝对测量零点故在开机后必 须先回零确认其测量起点 (2)绝对式检测反馈装置 该装置一般由绝对刻度尺(盘)为测量尺,通过 读数,即可直接得到测量结果。因该装置设有与机床固定原点相一至的绝对测量零点, 故装置开机后不用回零,就可测得有关位置,机床发生故障时,也易查到故障前所在位置 3、按测量元件的结构类型分类 (1)旋转型检测反馈装置 (2)直线、按检测信号的类型来分类 (同一种检测元件既可以做成数字式,也可以做成模拟式, 主要取决于使用方式和测量线)数字式检测反馈装置 是指将机械位移转变为数字脉冲的测量装置 (2)模拟式检测反馈装置 是指机械位移量转变为电压幅值或相位的测量装置。 目前,数控机床大多数采用数字式检测反馈装置。使用这种装置可在快速检测过程中避免模 拟量漂移,以及因受噪声污染而引起的误差,提高了可靠性。 因有时一种装置同属几类故对检测反馈装置 大多要进行综合分类: 方式 检测装置 结构类型 位置检测装置的分类 数字式 增量式 绝对式 模拟式 增量式 绝对式 直线型 长光栅 激光干涉仪 编码尺 直磁尺 容栅 直线感应同步器 绝对式磁尺 旋转型 圆光栅 光电编码器 绝对位置编码 器 圆磁尺 圆感应同步器 旋转变压器 多极旋转变压 器 四、常用位置检测装置 数控机床上常用的检测装置 主要有脉冲编码器、感应同步器、 旋转变压器、光栅和磁 尺等。 1.脉冲编码器 脉冲编码器也称脉冲发生器, 是一种角位移检测装置,它是把 机械转角变成电脉冲输出信号来 进行检测的。就其工作原理有光 电式、接触式和电磁感应式三种。 光电式编码器以其精度和可靠性 在数控机床上得到了普遍地使用。 按编码的方式,这种编码器又可 分为增量式和绝对式光电脉冲编 码器。通常说的脉冲编码器是指 增量式光电脉冲编码器。 2.光栅与磁栅 (1)光栅。计量光栅有长光栅和圆光栅两种,前述的增量式光电脉冲编码器实际上就 是属于一种圆光栅。通常的光栅尺是指长光栅。光栅尺是一种直线精密检测元件,在 数控机床上属于直接测量,用于直接测量工作台的移动,通常是全闭环控制系统用得 较多且历史悠久的测量装置。 光栅尺由标尺光栅和指示光栅组成。标尺光栅安装在机床移动部件上, 其有效长度即为工作台移动的全行程,光栅长度较长,也称长光栅。而指 示光栅安装在机床固定部件上,相当于一个读数头,也称短光栅。两光栅 均为长度不同的条形光学玻璃,其上刻有一系列均匀密集的刻纹,两块光 栅的刻纹密度相同,是根据所测精度决定的。通常每毫米刻50,100, 200,250等条纹。当两光栅平行放置且保持一定间隙(0.05~0.1 mm), 并将指示光栅在其自身平面内转过一个很小角度时(见图2 26),由于光的 衍射作用,就会产生明暗交替的干涉条纹,称为莫尔(横向)条纹,其方向 与光栅刻线几乎垂直。如果将标尺光栅在光栅长度方向上移动,则可看到 莫尔条纹也跟着移动,但方向与光栅移动方向垂直,当标尺光栅移动一个 条纹时,莫尔条纹也正好移动一个条纹。通过光敏元件可以测定莫尔条纹 的数目和频率,即可测出光栅移动的距离和速度。同光电编码器类似,用 相位差1/4周期的两个光敏元件,还可以测得工作台移动的方向。 制作光栅的材料除玻璃外,也可是金属镜面上利用光的反射现象形成光栅。 前者利用透射光的原理,称为透射光栅。后者利用反射原理,称为反射光 栅。