第3章数控机床机械结构故障诊断与维修.ppt
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1、第3章数控机床机械结构故障诊断与维修项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识概述一、常见数控机床类型一、常见数控机床类型 (1)普通数控车床。普通数控车床是机械制造业拥有量较多普通数控车床。普通数控车床是机械制造业拥有量较多的一种车床,通常称之为经济型数控车床,图的一种车床,通常称之为经济型数控车床,图3-1为为CK6140经济型数控车床外形图。经济型数控车床外形图。下一页返回项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识概述 (2)全机能数控车床。图全机能数控车床。图3-2所示为所示为45倾斜床身的数控车床倾斜床身的数控车床(去掉外壳等零部件去掉外壳等零部件),具有回轮
2、式刀塔,使用滚动导轨支承刀,具有回轮式刀塔,使用滚动导轨支承刀塔溜板,通常称之为全机能数控车床。塔溜板,通常称之为全机能数控车床。(3)车削加工中心。车削加工中心是性能最好的数控车床,车削加工中心。车削加工中心是性能最好的数控车床,常用作精加工使用,其床身均为倾斜结构。常用作精加工使用,其床身均为倾斜结构。下一页返回上一页项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识概述 (1)数控铣床。数控铣床为三轴控制加工机床,与数控车床数控铣床。数控铣床为三轴控制加工机床,与数控车床不同,其主运动由定尺寸刀具完成,加工过程所需的运动轨不同,其主运动由定尺寸刀具完成,加工过程所需的运动轨迹由迹由X
3、、Y、Z三轴共同运动实现,如图三轴共同运动实现,如图3-3所示。所示。(2)镗铣加工中心。图镗铣加工中心。图3-4所示为所示为FH4000卧式镗铣加工中心,卧式镗铣加工中心,为扩展机床的工艺范围,其上配备有多种动力铣头为扩展机床的工艺范围,其上配备有多种动力铣头(角度铣头、角度铣头、直角铣头和加长铣头等直角铣头和加长铣头等),根据加工过程需要,可以自动更换。,根据加工过程需要,可以自动更换。下一页返回上一页项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识概述二、数控机床机械结构的基本组成二、数控机床机械结构的基本组成 数控机床就其机械结构的组成而言,始终是处于一个逐步数控机床就其机械结构
4、的组成而言,始终是处于一个逐步发展变化的过程中。早期的数控机床主要是对普通机床的进发展变化的过程中。早期的数控机床主要是对普通机床的进给系统进行了革新和改造,因此,早期数控机床的外形和结给系统进行了革新和改造,因此,早期数控机床的外形和结构与普通机床基本相同。构与普通机床基本相同。下一页返回上一页项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识概述 近近30年来,由于计算机、自动控制、信息处理、传感器、年来,由于计算机、自动控制、信息处理、传感器、动力元件以及新材料等技术的飞速发展,以及为适应高产率动力元件以及新材料等技术的飞速发展,以及为适应高产率的需要,数控机床的机械结构已从初期对普
5、通机床局部结构的需要,数控机床的机械结构已从初期对普通机床局部结构的改进,逐步发展到形成数控机床的独特机械结构。的改进,逐步发展到形成数控机床的独特机械结构。(1)主传动系统,其功用是实现主运动。主传动系统,其功用是实现主运动。(2)进给系统,其功用是实现进给运动。进给系统,其功用是实现进给运动。下一页返回上一页项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识概述 (3)机床基础件机床基础件(又称机床大件又称机床大件),通常指床身、底座、立柱、,通常指床身、底座、立柱、滑座、工作台等,它们是整台机床的基础和框架,其功用是滑座、工作台等,它们是整台机床的基础和框架,其功用是支承机床本体的其
6、他零部件,并保证这些零部件在工作时或支承机床本体的其他零部件,并保证这些零部件在工作时或者固定在基础件上,或者在它的导轨上运动。者固定在基础件上,或者在它的导轨上运动。(4)实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置,如液压、实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置,如液压、气动、润滑、冷却以及防护、排屑等装置。气动、润滑、冷却以及防护、排屑等装置。下一页返回上一页项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识概述 (5)刀库、刀架及自动换刀装置。刀库、刀架及自动换刀装置。(6)自动托盘交换装置。自动托盘交换装置。(7)实现工作回转、分度定位的装置和附件,如回转工作台。实现工作回转、分度定位
7、的装置和附件,如回转工作台。(8)特殊功能装置,如刀具破损检测、精度检测和监控装置特殊功能装置,如刀具破损检测、精度检测和监控装置等。等。下一页返回上一页项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识概述 数控机床为了体现自身的特点,在功能和性能上较普通机数控机床为了体现自身的特点,在功能和性能上较普通机床有很大的增强和提高,正是由于功能和性能的变化,数控床有很大的增强和提高,正是由于功能和性能的变化,数控机床的机械结构在不断发展中也发生了重大变革。机床的机械结构在不断发展中也发生了重大变革。数控机床是按数控系统给出的指令自动地进行加工的,与数控机床是按数控系统给出的指令自动地进行加工
8、的,与普通机床在加工过程中需要人手动进行操作、调整的情况大普通机床在加工过程中需要人手动进行操作、调整的情况大不相同,这就要求数控机床的机械结构要适应自动化控制的不相同,这就要求数控机床的机械结构要适应自动化控制的需要。需要。下一页返回上一页项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识概述 数控机床不仅要求有很高的加工精度、加工效率以及稳定数控机床不仅要求有很高的加工精度、加工效率以及稳定的加工质量,而且还要求加工时能工序集中,一机多用,这的加工质量,而且还要求加工时能工序集中,一机多用,这就要求数控机床的机械结构不仅要有较好的刚度和抗振性,就要求数控机床的机械结构不仅要有较好的刚度
9、和抗振性,还要尽量减少热变形和运动部件的摩擦产生温差引起的热负还要尽量减少热变形和运动部件的摩擦产生温差引起的热负载。数控机床要充分满足工艺复合化和功能集成化的要求。载。数控机床要充分满足工艺复合化和功能集成化的要求。所谓所谓“工艺复合化工艺复合化”,简单地说就是,简单地说就是“一次装夹,多工序加工一次装夹,多工序加工”。而而“功能集成化功能集成化”则是指工件的自动定位,机内对刀,刀具破则是指工件的自动定位,机内对刀,刀具破损监控,机床与工作精度检测和补偿等功能。损监控,机床与工作精度检测和补偿等功能。下一页返回上一页项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识概述三、数控机床机械结
10、构的主要特点和要求三、数控机床机械结构的主要特点和要求 1.高静、动刚度高静、动刚度 机床的刚度是指在切削力和其他力的作用下,反抗变形的机床的刚度是指在切削力和其他力的作用下,反抗变形的能力。机床在静态力能力。机床在静态力(如运动部件和工作的自重如运动部件和工作的自重)作用下所表现作用下所表现的刚度称为机床的静刚度,机床在动态力的刚度称为机床的静刚度,机床在动态力(如切削力、驱动力、如切削力、驱动力、加速和减速所引起的惯性力、摩擦阻力等加速和减速所引起的惯性力、摩擦阻力等)作用下所表现的刚作用下所表现的刚度称为机床的动刚度。度称为机床的动刚度。下一页返回上一页项目一项目一 数控机床的机械知识概
11、述数控机床的机械知识概述 由于机床机械结构的情况复杂,一般很难对机床的结构刚由于机床机械结构的情况复杂,一般很难对机床的结构刚度进行精确的理论计算,设计者往往只能对部分构件度进行精确的理论计算,设计者往往只能对部分构件(如轴、如轴、丝杠等丝杠等)用计算方法求算其刚度,而对于床身、立柱、工作台用计算方法求算其刚度,而对于床身、立柱、工作台等零部件的弯曲和扭转变形、接合面的接触变形等,只能简等零部件的弯曲和扭转变形、接合面的接触变形等,只能简化进行近似计算,计算结果往往与实际相差很大,故只能作化进行近似计算,计算结果往往与实际相差很大,故只能作定性分析的参考。即使采用有限元法来进行计算,通常仍需定
12、性分析的参考。即使采用有限元法来进行计算,通常仍需对模型、实物或类似的样机进行试验、分析和对比以确定合对模型、实物或类似的样机进行试验、分析和对比以确定合理的结构方案。理的结构方案。下一页返回上一页项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识概述 但一般来说,对普通机床和同类型的数控机床在刚度方面但一般来说,对普通机床和同类型的数控机床在刚度方面的要求是一致的,只是要求的程度应该是有差异的。数控机的要求是一致的,只是要求的程度应该是有差异的。数控机床为获得高效率而具有的大功率和高速度,使它所承受的各床为获得高效率而具有的大功率和高速度,使它所承受的各种外力负载情况更加恶劣,而且对加工
13、过程的自动化也使得种外力负载情况更加恶劣,而且对加工过程的自动化也使得加工误差无法由人工干预来修正和补偿。所以数控机床的变加工误差无法由人工干预来修正和补偿。所以数控机床的变形对加工精度的影响会更为严重。为保证数控机床在自动化、形对加工精度的影响会更为严重。为保证数控机床在自动化、高效率的切削条件下获得稳定的高精度,其机械结构往往要高效率的切削条件下获得稳定的高精度,其机械结构往往要求具有更高的抗振性。有标准规定数控机床的刚度系数应比求具有更高的抗振性。有标准规定数控机床的刚度系数应比类似的普通机床高类似的普通机床高50%。下一页返回上一页项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识
14、概述 机床工作时可能产生两种形态的振动机床工作时可能产生两种形态的振动:强迫振动和自激振动。强迫振动和自激振动。机床的抗振性指的就是机床抵抗这两种振动的能力。机床的抗振性指的就是机床抵抗这两种振动的能力。下一页返回上一页项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识概述 强迫振动是在各种动态力强迫振动是在各种动态力(如高速回转部件的不平衡力,高如高速回转部件的不平衡力,高速往复运动部件的换向冲击力,断续切削时变动的切削力等速往复运动部件的换向冲击力,断续切削时变动的切削力等)作用下被迫产生的振动。如振源频率与机床某主要部件作用下被迫产生的振动。如振源频率与机床某主要部件(如主如主轴部件
15、、床身轴部件、床身)的某一振型的固有频率重合,还将发生共振。的某一振型的固有频率重合,还将发生共振。此时振幅增大,零件表面的加工质量严重下降,甚至使切削此时振幅增大,零件表面的加工质量严重下降,甚至使切削过程自身激发振动。自激振动的频率接近或略高于机床主振过程自身激发振动。自激振动的频率接近或略高于机床主振型的低阶固有频率,振幅比较大,会对加工过程产生极为不型的低阶固有频率,振幅比较大,会对加工过程产生极为不利的影响。利的影响。下一页返回上一页项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识概述 数控机床的性能决定了它在工作时常需采用高速、高效的数控机床的性能决定了它在工作时常需采用高速
16、、高效的切削方式,而高速、高效的切削又是产生动态力和大切削宽切削方式,而高速、高效的切削又是产生动态力和大切削宽度度(影响自激振动的主要因素影响自激振动的主要因素)的直接原因,并且切削过程的自的直接原因,并且切削过程的自动化又使得振动难以由人工来控制和消除,所以数控机床只动化又使得振动难以由人工来控制和消除,所以数控机床只有靠自身机床结构的高抗振性来减小和克服振动对加工精度、有靠自身机床结构的高抗振性来减小和克服振动对加工精度、加工过程的影响。因此,在设数控机床机械结构时,要采取加工过程的影响。因此,在设数控机床机械结构时,要采取措施提高机床的抗振性。常用的方法有措施提高机床的抗振性。常用的方
17、法有:提高机床的静态刚度,提高机床的静态刚度,增强构件或结构的阻尼,减小机床的内部振源等。增强构件或结构的阻尼,减小机床的内部振源等。下一页返回上一页项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识概述 数控机床的精度比普通机床高,因而运动部件应具有高灵数控机床的精度比普通机床高,因而运动部件应具有高灵敏度。要实现这一点,从机械结构方面来说,最重要的是要敏度。要实现这一点,从机械结构方面来说,最重要的是要选好所用的导轨副,因为运动部件所受的摩擦阻力主要来自选好所用的导轨副,因为运动部件所受的摩擦阻力主要来自导轨副。现代数控机床上广泛采用滚动导轨、静态导轨、贴导轨副。现代数控机床上广泛采用
18、滚动导轨、静态导轨、贴塑导轨等,这些导轨都有一个共同的优点,即动、静摩擦系塑导轨等,这些导轨都有一个共同的优点,即动、静摩擦系数很小,并且其差值也很小。采用这些导轨可能保证运动部数很小,并且其差值也很小。采用这些导轨可能保证运动部件在高速进给时不振动,低速进给时不爬行,并且有较高的件在高速进给时不振动,低速进给时不爬行,并且有较高的灵敏度。灵敏度。下一页返回上一页项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识概述 另一方面,驱动运动部件的动力源选择直流或交流伺服电另一方面,驱动运动部件的动力源选择直流或交流伺服电机,配以具有高传动效率、无间隙的末级传动装置。如静压机,配以具有高传动效率
19、、无间隙的末级传动装置。如静压蜗轮蜗杆副、预载双齿轮齿条副、滚珠丝杠螺母副等,也是蜗轮蜗杆副、预载双齿轮齿条副、滚珠丝杠螺母副等,也是保证运动部件的高灵敏度的一个强有力的条件。再者,数控保证运动部件的高灵敏度的一个强有力的条件。再者,数控机床广泛采用伺服电机,调速范围大,并可无级调速,这就机床广泛采用伺服电机,调速范围大,并可无级调速,这就使得主轴箱、进给变速箱及其传动系统大为简化,箱体结构使得主轴箱、进给变速箱及其传动系统大为简化,箱体结构简单。齿轮、轴承和轴类零件的数量大为减少甚至不用齿轮,简单。齿轮、轴承和轴类零件的数量大为减少甚至不用齿轮,由电动机直接带动主轴或进给滚珠丝杠,对提高数控
20、机床的由电动机直接带动主轴或进给滚珠丝杠,对提高数控机床的灵敏度是极有好处的。对于主轴而言,由于既要在高转速下灵敏度是极有好处的。对于主轴而言,由于既要在高转速下回转,又要有高刚度、高灵敏度,因而在考虑其机械结构时,回转,又要有高刚度、高灵敏度,因而在考虑其机械结构时,多数采用滚动轴承或静压轴承。多数采用滚动轴承或静压轴承。下一页返回上一页项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识概述 热膨胀是各种金属和非金属材料的固有特性。机床工作时,热膨胀是各种金属和非金属材料的固有特性。机床工作时,切削过程、电动机、液压系统和机械摩擦都会发热,这些产切削过程、电动机、液压系统和机械摩擦都会发
21、热,这些产生热量的部件和部位称为热源。热源产生的热量一部分由切生热量的部件和部位称为热源。热源产生的热量一部分由切屑和冷却液带走,另一部分通过传导、对流、辐射传递给机屑和冷却液带走,另一部分通过传导、对流、辐射传递给机床的各个部件,引起温升,产生热膨胀。机床的热变形是影床的各个部件,引起温升,产生热膨胀。机床的热变形是影响加工精度的重要因素。响加工精度的重要因素。下一页返回上一页项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识概述 热变形影响加工精度的原因,主要是由于热源分布不均匀,热变形影响加工精度的原因,主要是由于热源分布不均匀,热源产生的热量不等,各处零件的质量不均,形成各部位的热
22、源产生的热量不等,各处零件的质量不均,形成各部位的温升不一致,从而产生不均匀的温度场和不均匀的热膨胀变温升不一致,从而产生不均匀的温度场和不均匀的热膨胀变形,以致影响刀具与工件的正确相对位置。数控机床的主轴形,以致影响刀具与工件的正确相对位置。数控机床的主轴和运动部件常在高速状态下工作,会因采用大切削量而带来和运动部件常在高速状态下工作,会因采用大切削量而带来大量的炽热切削,其发热远较普通机床严重。由于热变形是大量的炽热切削,其发热远较普通机床严重。由于热变形是在机床工作过程中产生的,对加工精度的影响往往很难由机在机床工作过程中产生的,对加工精度的影响往往很难由机床操作者修正,所以在考虑数控机
23、床机械结构时,应对如何床操作者修正,所以在考虑数控机床机械结构时,应对如何减小机床的热变形予以特别重视。减小机床的热变形予以特别重视。下一页返回上一页项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识概述 另外,对于滚珠丝杠结构还可采用预拉伸方式来减小丝杠的另外,对于滚珠丝杠结构还可采用预拉伸方式来减小丝杠的热变形。其原理是热变形。其原理是:在加工滚珠丝杠时,使螺距略小于名义值,在加工滚珠丝杠时,使螺距略小于名义值,装配时对丝杠进行预拉伸,从而使其螺距值达到名义值,当装配时对丝杠进行预拉伸,从而使其螺距值达到名义值,当丝杠工作受热,丝杠中的拉应力补偿了热应力,从而减小了丝杠工作受热,丝杠中
24、的拉应力补偿了热应力,从而减小了热伸长。热伸长。下一页返回上一页项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识概述 数控机床自身的精度是很高的,因此可获得较高的加工精数控机床自身的精度是很高的,因此可获得较高的加工精度。为保证高生产效率,数控机床常在高速或强力切削下满度。为保证高生产效率,数控机床常在高速或强力切削下满载工作。为保证机床具有稳定的加工精度,就要求数控机床载工作。为保证机床具有稳定的加工精度,就要求数控机床具有很高的精度保持性。要做好这一点,在设计时除了对各具有很高的精度保持性。要做好这一点,在设计时除了对各主要部件、零件要正确选择材料,防止使用中的变形和快速主要部件、零
25、件要正确选择材料,防止使用中的变形和快速磨损外,还要求采用新工艺、新技术以及加强特定的工艺措磨损外,还要求采用新工艺、新技术以及加强特定的工艺措施。施。下一页返回上一页项目一项目一 数控机床的机械知识概述数控机床的机械知识概述 如淬火和磨削导轨、粘贴抗磨塑料导轨等,以提高运动部如淬火和磨削导轨、粘贴抗磨塑料导轨等,以提高运动部件的耐磨性,从而达到具有较高的精度保持性的目的。数控件的耐磨性,从而达到具有较高的精度保持性的目的。数控机床是根据数控程序自动进行加工,尤其在柔性制造系统机床是根据数控程序自动进行加工,尤其在柔性制造系统(FMS)中的数控机床,可在一定时间内实现无人管理,因此中的数控机床
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