现代数控车床知识讲义

第第3 3章章 数控车床数控车床(NC Lathe)(NC Lathe)3.1概述3.1.1数控车床工艺范围l 数控车床主要用于加工各种轴类、套筒类和盘类零件上的回转表面。3.1.2数控车床的分类l1按数控系统的功能分l(1)经济型数控车床 图3.1 经济型数控车床(2)(2)全功能型数控车床全功能型数控车床 图3.2 全功能型数控车床(3)(3)车削中心车削中心 图3.3 车削中心(4)FMC车床车床 图3.4 FMC车床2 2按主轴的配置形式分类按主轴的配置形式分类l(1)卧式数控车床 l(2)立式数控车床 l 还有具有两根主轴的车床，称为双轴卧式数控车床或双轴立式数控车床。3 3按数控系统控制的轴数分类按数控系统控制的轴数分类l(1)两轴控制的数控车床 l(2)四轴控制的数控车床 l 对于车削中心或柔性制造单元，还要增加其他的附加坐标轴来满足机床的功能。3.1.3数控车床的组成 1 1主机主机 主机是数控车床的机械部件，如图主机是数控车床的机械部件，如图3.53.5所示，是典型数控所示，是典型数控车床结构组成图。车床结构组成图。图3.5 典型数控车床结构组成图l 2数控装置 作为控制部分是数控车床的控制核心。l 3伺服驱动系统 伺服驱动系统是数控车床切削工作的动力部分，主要实现主运动和进给运动。l 4辅助装置 辅助装置是指数控车床的一些配套部件。l 数控车床主轴安装有脉冲编码器，主轴的运动通过同步齿形带11的传到脉冲编码器。3.1.4数控车床的布局形式l 卧式数控车床的布局可以产生单主轴单刀架、单主轴双刀架、双主轴双刀架等不同的结构变化，如下图所示。主轴ZX尾座刀架尾座主轴ZX刀架刀架XZC轴尾座NC2轴，前置刀架NC2轴，后置刀架NC3轴，车削中心NC4轴，双刀架刀架尾座X2Z2主轴刀架X1Z1刀架C轴尾座刀架NC5轴，双刀架X1Z1Z2X2Z1X1刀架主轴1Z2X2刀架NC5轴，双刀架主轴2Z3下面介绍卧式数控车床床身导轨和刀架布局。下面介绍卧式数控车床床身导轨和刀架布局。l1床身和导轨布局l 按照床身导轨面与水平面的相对位置，数控卧式车床床身导轨与水平面的相对位置有几种形式，如图3.7所示。图3.7 数控卧式车床床身导轨布局形式l (1)水平床身的工艺性好，便于导轨面的加工。水平床身配上水平放置的刀架可提高刀架的运动精度。l (2)水平床身配上倾斜放置的滑板，并配置倾斜式导轨防护罩。l (3)斜床身导轨倾斜角有30、45、60、75和90几种。倾斜角度小，排屑不便；倾斜角度大，导轨的导向性及受力情况差。斜床身和平床身斜床身和平床身斜滑板布局形式在数控车床中被广斜滑板布局形式在数控车床中被广泛采用，因为具备如下优点：泛采用，因为具备如下优点：l 容易实现机电一体化。l 机床外形整齐、美观，占地面积小。l 从工件上切下的炽热切屑不致于堆积在导轨上影响导轨精度。l 容易排屑和安装自动排屑器。l 容易设置封闭式防护装置。l 宜人性好，便于操作。l 便于安装机械手，实现单机自动化。2 2刀架布局刀架布局l 回转刀架在机床上有两种布局形式：一种是用于加工盘类零件的回转刀架，其回转轴垂直于主轴；另一种是用于加工轴类和盘类零件的回转刀架，其回转轴平行于主轴。目前两坐标联动数控车床多采用12工位回转刀架，也有采用6工位、8工位和10工位的，4工位方刀架主要应用于经济型前置刀架数控车床。l 随着机床精度的不同，数控车床的布局要考虑到切削力、切削热和切削振动的影响。要使这些因素对精度影响最小，机床在布局上就要考虑到各部件的刚度、抗振性和在受热时使得热变形的影响在不敏感的方向。如卧式车床主轴箱热变形时，随着刀架的位置不同，而对尺寸的影响不同，如图3.8所示。图图3.83.8主轴箱热变形对加工尺寸的影响主轴箱热变形对加工尺寸的影响3.1.5数控车床的特点l数控车床与普通车床相比，有以下几个特点：l1高精度l2高效率 l3高柔性l4高可靠性 l5工艺能力强 l6模块化设计 3.2数控车床的传动与结构特点l3.2.1主传动系统及主轴箱结构l 1主传动系统l 数控车床的主运动传动链的两端部件是主电动机与主轴，它的功用是把动力源的运动及动力传递给主轴，使主轴带动工件旋转实现主运动，并满足主轴变速和换向的要求。主运动传动系统是数控车床的最重要组成部分之一，它的最高与最低转速范围、传递功率和动力特性决定了数控车床的最高切削加工工艺能力。l 数控车床的主传动系统现在一般采用交流主轴电动机，通过带传动或主轴箱内24级齿轮变速传动主轴。主轴电动机在额定转速时可输出全部功率和最大转矩，随着转速的变化，功率和转矩将发生变化。下面以HTC2050型数控车床为例来介绍主传动系统，如图3.9所示。图图3.93.9数控车床的传动系统图数控车床的传动系统图100160l 其中主传动系统由功率为11kW的变频电动机驱动，经一级58的带传动带动主轴旋转，使主轴在454000rmin的转速范围内实现无级调速。当电动机转速在15006000rmin时，为恒功率输出；当电动机转速在701500rmin时，为恒转矩输出。主轴功率特性如图3.10所示，主轴转矩特性如图3.11所示。主轴转速1614121086主轴功率kW4000200030002094045000连续工作区(11kW)50%工作区(15kW)45(r/min)图3.10 主轴转速和功率特性50%工作区连续工作区500040940020300020004000转矩 Nm608010012014016045主轴转速(r/min)图3.11 主轴转速和转矩特性2 2主轴箱结构主轴箱结构（1 1）HTC2050HTC2050型数控车床的主轴箱展开图，如下图所示。型数控车床的主轴箱展开图，如下图所示。10 6 7 3 9 8 11124 1 2 5 l 主轴前支承是三个角接触球轴承7020ACTBTP4，前面两个大囗向外(朝向主轴前端)，后面一个大口朝里(朝向主轴后端)，形成背靠背组合形式。轴承由压块锁紧圆螺母9预紧，预紧量在轴承制造时已调好，为了防止圆螺母9回松用圆螺母8锁紧。后支承是二个角接触球轴承7018CDBP4，形成背靠背组合形式，轴承由压块锁紧圆螺母5预紧。主轴脉冲编码器11是由主轴通过带轮1、带轮2和齿形带及联轴器12带动，和主轴同步运转，实现螺纹切削和主轴每转进给量。l （2）CK7815型数控车床主轴箱展开图，如图3.13所示，电动机经二级塔形带轮1、2和三联V带带动主轴，带轮2直接安装在主轴上，为了加强刚性，主轴后支承为双列向心短圆柱滚子轴承。主轴脉冲发生器4是由主轴通过一对带轮和齿形带带动的，和主轴同步运转，齿形带的松紧由螺钉5来调节。l 这种结构的特点是可选择主轴高速档或者低速档，通过低速档来提高主轴扭矩，因此适合低速车削。图图3.13 CK78153.13 CK7815型数控车床主轴箱型数控车床主轴箱l （3）TND360型数控车床主轴箱展开图，如图3.14所示，主电动机通过电动机轴上齿数为27的同步齿形带轮，经同步齿形带将运动传到主轴箱轴上齿数为48的同步齿形带轮，轴上安装有一双联滑移齿轮，齿轮齿数分别为29和84，主轴上装有两个圆柱齿轮，齿数为86和60，双联滑移齿轮由液压缸带动拨叉驱动。图图3.14 TND3603.14 TND360型数控车床主轴箱型数控车床主轴箱3 3卡盘结构卡盘结构l 卡盘是数控车床的主要夹具，为了减少数控车床装夹工件的的辅助时间，广泛采用液压动力自定心卡盘，卡盘的松夹是靠用拉杆连接的液压卡盘和液压夹紧油缸的协调动作来实现的，如图3.15所示。(a)图图3.153.15液压卡盘结构简图液压卡盘结构简图11回转回转液压缸；液压缸；22拉杆；拉杆；33连接套；连接套；44滑套；滑套；55接套；接套；66活塞；活塞；(b)l 如图3.15(a)所示，液压卡盘固定安装在主轴前端，回转液压缸1与接套5用螺钉7连接，接套通过螺钉与主轴后端面连接，使回转液压缸随主轴一起转动。卡盘的夹紧与松开由回转液压缸通过一根空心拉杆2来驱动，拉杆后端与液压缸内的活塞6用螺纹连接，连接套3的两端螺纹分别与拉杆2和滑套4连接。图3.15(b)为卡盘内楔形机构示意图，当液压缸内的压力油推动活塞和拉杆向卡盘方向移动时，滑套4向右移动，由于滑套上楔形槽的作用，使得卡爪座11带着卡爪12沿径向向外移动，则卡盘松开。反之使卡盘夹紧工件。4 4主轴编码器主轴编码器l 主轴编码器采用与主轴同步的光电脉冲发生器。该装置可以通过中间轴上的齿轮（如图3.14所示）或同步带轮（如图3.12所示）11与主轴同步转动，也可以通过弹性联轴器与主轴同轴安装。利用主轴编码器检测主轴的运动信号，一方面可实现主轴调速的数字反馈，另一方面可用于进给运动的控制，例如车螺纹时，控制主轴与刀架之间的准确运动关系。3.2.23.2.2进给传动系统进给传动系统l1进给传动系统的特点进给传动系统的特点l 数控车床的进给传动系统是控制数控车床的进给传动系统是控制X、Z坐标轴的伺坐标轴的伺服系统的主要组成部分，它将伺服电动机的旋转运动服系统的主要组成部分，它将伺服电动机的旋转运动转化为刀架的直线运动，而且对移动精度要求很高，转化为刀架的直线运动，而且对移动精度要求很高，X轴最小移动量为轴最小移动量为0.0005 mm(直径编程直径编程)，Z轴最小移轴最小移动量为动量为0.001 mm。采用滚珠丝杠螺母传动副，可以。采用滚珠丝杠螺母传动副，可以有效地提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行。有效地提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行。另外，消除丝杠螺母的配合间隙和丝杠两端的轴承间另外，消除丝杠螺母的配合间隙和丝杠两端的轴承间隙，也有利于提高传动精度。隙，也有利于提高传动精度。2进给传动方式进给传动方式l (1)滚珠丝杠与伺服电动机轴端通过联轴器直接滚珠丝杠与伺服电动机轴端通过联轴器直接连接，如图连接，如图3.16所示。所示。l (2)滚珠丝杠通过同步齿形带及带轮与伺服电动滚珠丝杠通过同步齿形带及带轮与伺服电动机连接机连接(见图见图3.17)，这种结构连接特点是通过带轮降，这种结构连接特点是通过带轮降速，提高驱动扭矩，且安装精度要求不高。速，提高驱动扭矩，且安装精度要求不高。3X轴进给传动装置轴进给传动装置12345678121191013 图图3.16 HTC2050数控车床数控车床X轴进给装置简图轴进给装置简图 3X轴进给传动装置轴进给传动装置l 图图3.16是是HTC2050数控车床数控车床X轴进给传动装置的轴进给传动装置的结构简图。伺服电动机经联轴器结构简图。伺服电动机经联轴器7带动滚珠丝杠带动滚珠丝杠12回回转，其上螺母带动刀架沿滑板转，其上螺母带动刀架沿滑板3的导轨移动，实现的导轨移动，实现X轴轴的进给运动。滚珠丝杠有前后两个支承。前支承由两的进给运动。滚珠丝杠有前后两个支承。前支承由两个角接触球轴承组成，其中一个轴承大口向前一个轴个角接触球轴承组成，其中一个轴承大口向前一个轴承大囗向后，承受双向的轴向载荷。前支承的轴承由承大囗向后，承受双向的轴向载荷。前支承的轴承由螺母进行预紧，其后支承为一个深沟球轴承。螺母进行预紧，其后支承为一个深沟球轴承。3X轴进给传动装置轴进给传动装置l 由于刀架为倾斜布置，而滚珠丝杠又不能自锁，由于刀架为倾斜布置，而滚珠丝杠又不能自锁，回转刀架的自身重力使其下滑，这个问题可由伺服电回转刀架的自身重力使其下滑，这个问题可由伺服电动机的电磁制动来解决。动机的电磁制动来解决。4Z轴进给传动装置轴进给传动装置1234567812119101516141317II21图图3.17 HTC2050数控车床数控车床Z轴进给装置简图轴进给装置简图4Z轴进给传动装置轴进给传动装置l 图图3.17是是HTC2050数控车床数控车床Z轴进给传动装置简轴进给传动装置简图。伺服电动机图。伺服电动机12经同步带轮经同步带轮10和和8以及同步带以及同步带9传动传动到滚珠丝杠到滚珠丝杠3，由螺母带动床鞍连同刀架沿床身，由螺母带动床鞍连同刀架沿床身17的的矩形导轨移动，实现矩形导轨移动，实现Z轴的进给运动。滚珠丝杠的右轴的进给运动。滚珠丝杠的右支承由二个角接触球轴承支承由二个角接触球轴承5组成，其中右边一个轴承组成，其中右边一个轴承与左边一个轴承的大口相对布置，由调整螺母与左边一个轴承的大口相对布置，由调整螺母6进行进行预紧。滚珠丝杠的左支承预紧。滚珠丝杠的左支承2为一个深沟球轴承，只用为一个深沟球轴承，只用于承受径向载荷。滚珠丝杠的支承形式为右端固定，于承受径向载荷。滚珠丝杠的支承形式为右端固定，左端支持，留有丝杠受热膨胀后轴向伸长的余地。左端支持，留有丝杠受热膨胀后轴向伸长的余地。3.2.33.2.3尾座尾座图图3.18 HTC2050型数控车床尾座结构型数控车床尾座结构3.2.33.2.3尾座尾座l 在调整机床时，可以手动控制尾座套简移动。在在调整机床时，可以手动控制尾座套简移动。在机床自动工作循环中，可通过加工程序由数控系统控机床自动工作循环中，可通过加工程序由数控系统控制尾座套筒的移动。当数控系统发出尾座套筒伸出的制尾座套筒的移动。当数控系统发出尾座套筒伸出的指令后，液压电磁阀动作，压力油进入液压缸的右腔，指令后，液压电磁阀动作，压力油进入液压缸的右腔，推动尾座套筒推动尾座套筒3伸出。当数控系统指令其退回时，压伸出。当数控系统指令其退回时，压力油进入液压缸的左腔，从而使尾座套筒退同。力油进入液压缸的左腔，从而使尾座套筒退同。3.2.43.2.4刀架刀架l 数控机床为了能在工件一次装夹中完成多个工步，数控机床为了能在工件一次装夹中完成多个工步，以缩减辅助时间和减少多次安装工件所引起的误差，以缩减辅助时间和减少多次安装工件所引起的误差，通常带有自动换刀系统。自动换刀系统由控制系统和通常带有自动换刀系统。自动换刀系统由控制系统和换刀装置组成。数控车床的刀架是机床的重要组成部换刀装置组成。数控车床的刀架是机床的重要组成部分，用于夹持切削用的刀具，它的结构直接影响机床分，用于夹持切削用的刀具，它的结构直接影响机床的切削性能和切削效率。下面介绍的切削性能和切削效率。下面介绍AK31系列回轮刀系列回轮刀架工作原理。架工作原理。现以现以AK31系列回轮刀架为例介绍其换刀过系列回轮刀架为例介绍其换刀过程，图程，图3.19所示为所示为AK31系列回轮刀架外观图系列回轮刀架外观图 图图3.19 AK31刀架外观图刀架外观图 图图3.20所示为所示为AK31系列回轮刀架结构图，本刀架采系列回轮刀架结构图，本刀架采用三联齿盘作为分度定位元件。用三联齿盘作为分度定位元件。3.33.3车削中心车削中心3.3.1车削中心的工艺范围车削中心的工艺范围3.3.23.3.2车削中心的车削中心的C C轴轴l 1自驱动力刀具自驱动力刀具 在刀架上备有刀具主轴电动机，在刀架上备有刀具主轴电动机，自动无级变速，通过传动机构驱动装在刀架上的刀具自动无级变速，通过传动机构驱动装在刀架上的刀具主轴。主轴。l 2增加了主轴的增加了主轴的C轴坐标功能轴坐标功能 机床主轴旋转除机床主轴旋转除作为车削的主运动外，还作分度运动作为车削的主运动外，还作分度运动(即定向停车即定向停车)和和圆周进给，图圆周进给，图3.22为为C轴功能示意图。轴功能示意图。图图3.22 C轴功能轴功能a)C轴定向，在圆柱或端面上铣槽轴定向，在圆柱或端面上铣槽 b)C轴、轴、Z轴进给，在柱上铣螺旋槽轴进给，在柱上铣螺旋槽c)C轴、轴、X轴进给、在端面上铣槽轴进给、在端面上铣槽 d)C轴、轴、X轴进给，铣直线和平面轴进给，铣直线和平面3.3.33.3.3车削中心的主传动系统车削中心的主传动系统l1精密蜗轮副精密蜗轮副C轴结构轴结构 图图3.23为车削柔性加工单元为车削柔性加工单元的主传动系统结构和的主传动系统结构和C轴传动及主传动系统简图。轴传动及主传动系统简图。3.3.33.3.3车削中心的主传动系统车削中心的主传动系统图图2.23 C轴传动系统之一轴传动系统之一 2经滑移齿轮控制的经滑移齿轮控制的C轴传动轴传动 图图3.24所示为车削中所示为车削中心的心的C轴传动系统图，由主轴箱和轴传动系统图，由主轴箱和C轴控制箱两部分组成。轴控制箱两部分组成。图图3.24 C轴传动系统之二轴传动系统之二 图图3.25所示所示C轴传动也是通过安装在伺服电动机轴上轴传动也是通过安装在伺服电动机轴上的滑移齿轮带动主轴旋转的，可以实现主轴旋转进给和的滑移齿轮带动主轴旋转的，可以实现主轴旋转进给和分度。分度。图图3.25 C轴传动系统之三轴传动系统之三3.3.43.3.4车削中心自驱动力刀具典型结构车削中心自驱动力刀具典型结构1变速传动装置变速传动装置 图图3.26是动力刀具的传动装置。是动力刀具的传动装置。图图3.26 自驱动力刀具的传动装置自驱动力刀具的传动装置 2自驱动力刀具附件自驱动力刀具附件 自驱动力刀具附件有许多种，自驱动力刀具附件有许多种，下面列举两例。下面列举两例。l图图3.27所示是高速钻孔附件。所示是高速钻孔附件。图图3.27 高速钻孔附件高速钻孔附件图图3.28所示是铣削附件，分为两部分。所示是铣削附件，分为两部分。图图3.28 铣削附件铣削附件l作业作业 3.2 3.3