1、2 数控机床典型结构及其故障诊断数控机床典型结构及其故障诊断?1?数控机床根底件数控机床根底件 指床身、底座、立柱、横粱、滑指床身、底座、立柱、横粱、滑座、工作台等。座、工作台等。是整台机床的根底和是整台机床的根底和框架，机床的其他零、部件固定在根底框架，机床的其他零、部件固定在根底件上，或工作时在其导轨上运件上，或工作时在其导轨上运 动。动。?2?数控机床的机械结构数控机床的机械结构 主传动系统；主传动系统；进给传动系统；进给传动系统；实现某些部件动作和辅助功能的系统和装实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置。置。液压、气动，润滑、冷却等系统，排屑、液压、气动，润滑、冷却等系统，排屑、防护装
2、置，刀架和自动换刀装防护装置，刀架和自动换刀装 置，自动托盘置，自动托盘交换装置；交换装置；特殊功能装置特殊功能装置 刀具破损监控、精度检测和监控装置。刀具破损监控、精度检测和监控装置。主轴的作用主轴的作用 提供切削功率、在高档数控机床中还具有C轴功能及定向功能 进给部件：进给部件：其作用是在伺服电机的驱动其作用是在伺服电机的驱动下完成直线运动的定位、进给。下完成直线运动的定位、进给。以下图是滚珠丝杠、联轴节的实以下图是滚珠丝杠、联轴节的实物照片。物照片。位置检测装置：位置检测装置：完成位置信号的反响，反响精度决定完成位置信号的反响，反响精度决定了机床的加工精度。以下是：了机床的加工精度。以下
3、是：直线光栅尺、圆光栅等位置检测元件直线光栅尺、圆光栅等位置检测元件?3?3?加工中心加工中心 除上述组成局部外，至少还应除上述组成局部外，至少还应有自动换刀装置，有有自动换刀装置，有 的还有双工位工的还有双工位工件自动交换装置。件自动交换装置。?4?4?柔性制造单元柔性制造单元 带有工位数较多的工件自动交带有工位数较多的工件自动交换装置，换装置，带有上下料自开工业机器人。带有上下料自开工业机器人。第四周 08机电 第六周 08机械、机械师 自动换刀装置：自动换刀装置：数控车床的转塔数控车床的转塔刀架、加工中心的刀刀架、加工中心的刀库及换刀机构，能够库及换刀机构，能够使工件一次装夹后不使工件一
4、次装夹后不用再拆卸工件就可完用再拆卸工件就可完成多工序的加工。成多工序的加工。21 数控机床主传动数控机床主传动 将主电机的原动力变成可加工主轴将主电机的原动力变成可加工主轴 上刀上刀具切削加工的切削力矩和切削速度。具切削加工的切削力矩和切削速度。为适应各种不同的加工，数控机床的主为适应各种不同的加工，数控机床的主传动系统应传动系统应 具有较大的调速范围，以保证加具有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切割用量。工时能选用合理的切割用量。同时主传动系统还需要有较高精度和刚同时主传动系统还需要有较高精度和刚度，并尽可能降低噪声，从而获得最正确的生度，并尽可能降低噪声，从而获得最正确的生产率、
5、加工精度和外表质量。产率、加工精度和外表质量。T I A N J I NT I A N J I N 中德培训中心 刀库 主轴 X轴轴 Y轴轴 Z轴轴 操作显示单元 机械手 床身导轨床身导轨 该图是一个该图是一个加工中心的光机加工中心的光机 由由X、Y、Z及主及主轴头组成。轴头组成。导轨的作用：导轨的作用：支承和引导支承和引导运动部件沿一定运动部件沿一定轨道运动。轨道运动。数控车床 数控磨床 电加工 数控冲床 2 21 11 1 主传动变换方式主传动变换方式 数控机床的主传动必须满足以下要数控机床的主传动必须满足以下要求：求：11为了适应材料切削加工的要为了适应材料切削加工的要求以及不同的加工方
6、法，主轴的传求以及不同的加工方法，主轴的传动系统要有较宽的调速范围以及相动系统要有较宽的调速范围以及相应的输出力矩。应的输出力矩。22主轴部件将直接装夹刀具对主轴部件将直接装夹刀具对工件进行切削。工件进行切削。主轴对零件的加工质量、主轴对零件的加工质量、外表粗糙度和刀具使用寿命均有很外表粗糙度和刀具使用寿命均有很大的影响，要求它能高效地加工高大的影响，要求它能高效地加工高精度、外表质量较好的精度、外表质量较好的 工件。工件。3主轴传动系统要求有良好的运动参数及动力学参主轴传动系统要求有良好的运动参数及动力学参数，才能表达高精度、高速度、高刚度、小振动、数，才能表达高精度、高速度、高刚度、小振动
7、、小的热变形及低噪声。小的热变形及低噪声。4对于数控加工中心，要求对于数控加工中心，要求ATC刀具交换机构从主刀具交换机构从主轴取刀、装刀具时可靠地锁紧与松开，同时要求数轴取刀、装刀具时可靠地锁紧与松开，同时要求数控机床主轴转角位置准确。控机床主轴转角位置准确。数控机床主传动系统种类数控机床主传动系统种类 主要有无级变速，分段无级变速和内置电机变速主要有无级变速，分段无级变速和内置电机变速三种方式。三种方式。(1)无级变速无级变速 主传动采取无级变速，不仅能在一定的变速范主传动采取无级变速，不仅能在一定的变速范围内选择到合理的切削速度，而且还能够在运动中自围内选择到合理的切削速度，而且还能够在
8、运动中自动变速动变速.无级变速有机械、液压、电气等多种形式。无级变速有机械、液压、电气等多种形式。数控机床一般都采用数控机床一般都采用直流直流或或交流主轴伺服电机交流主轴伺服电机作为驱动的电气无级变速。作为驱动的电气无级变速。其优点是结构紧凑，但主轴转速的变化及转矩其优点是结构紧凑，但主轴转速的变化及转矩的输出和电机的输出特性一致，因而使用上受到一的输出和电机的输出特性一致，因而使用上受到一定限制。定限制。例如，某公司生产的直流主轴伺服电机例如，某公司生产的直流主轴伺服电机 功率可以从功率可以从3.7kW-15kW，用于控制数控，用于控制数控 机床的主传动。它具有如下特点：机床的主传动。它具有
9、如下特点：采用全封闭式结构，能防止沙尘与切削油液等的溅采用全封闭式结构，能防止沙尘与切削油液等的溅 人；人；电机转子轴为电机转子轴为空心机构空心机构，内装冷却系统，能将电机，内装冷却系统，能将电机 内部的热量有效地减少到最小，由于采用了特殊的内部的热量有效地减少到最小，由于采用了特殊的 辅助电机，可使损耗减少，效率提高；辅助电机，可使损耗减少，效率提高；过载能力强，可以在过载能力强，可以在30min内过载内过载36运转；运转；有较宽的调速范围，低速时采用调压调速，有较宽的调速范围，低速时采用调压调速，可获得恒转矩输出，高速时采用调磁调速，可获可获得恒转矩输出，高速时采用调磁调速，可获得恒功率输
10、出；得恒功率输出；采用晶闸管三相全波整流驱动电路，加速和采用晶闸管三相全波整流驱动电路，加速和减速响应灵敏，运动平稳，能保证工件加工外表减速响应灵敏，运动平稳，能保证工件加工外表的粗糙度的要求；的粗糙度的要求；主轴定向准停。主轴定向准停。(2)分段无级变速分段无级变速 数控机床在实际生产中，并不需要在整个变速数控机床在实际生产中，并不需要在整个变速范围内均为恒功率。范围内均为恒功率。一般要求在中、高速段为恒功率传动，一般要求在中、高速段为恒功率传动，一般要求在低速段为恒转矩传动。一般要求在低速段为恒转矩传动。为了确保数控机床主轴低速为了确保数控机床主轴低速时有较大的转矩和主轴的变速范时有较大的
11、转矩和主轴的变速范围尽可能大，有的数控机床在交围尽可能大，有的数控机床在交流或直流电流或直流电 机无级变速的根底机无级变速的根底上配以齿轮变速，使之成为分段上配以齿轮变速，使之成为分段无级变无级变 速。速。在带有齿轮变速的分段无级变速系统中，主轴在带有齿轮变速的分段无级变速系统中，主轴的正、的正、反启动，停止与制动是直接控制电机来实现。反启动，停止与制动是直接控制电机来实现。主轴的变速是由电机转速的无级变速与齿轮的有主轴的变速是由电机转速的无级变速与齿轮的有级变速相配合来实现。级变速相配合来实现。齿轮有级变速机构通常采用两种变速方式：齿轮有级变速机构通常采用两种变速方式：?1?液压拨叉变速；液
12、压拨叉变速；?2?电磁离合器变速。电磁离合器变速。?1?液压拨叉变速液压拨叉变速 需要配置液压系统，简单、有效。需要配置液压系统，简单、有效。?2?电磁离合器变速电磁离合器变速 优点：优点：便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用。能简化变速机构，通过安装在传动轴上离合器选用。能简化变速机构，通过安装在传动轴上离合器的吸台和别离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实的吸台和别离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。现主轴的变速。缺点：缺点：采用电磁离合器变速具有剩磁和发热等缺点，采用电磁离合器变速具有剩磁和发热等缺点，因此它的应用范围也受到一定
13、限。因此它的应用范围也受到一定限。液压拨叉变速机构液压拨叉变速机构 带有齿带有齿轮传动的主轮传动的主传动系统中，传动系统中，齿轮的换挡齿轮的换挡主要靠液压主要靠液压拨叉来完成。拨叉来完成。图图3 3-3 3 三位液压拨叉工作原理图三位液压拨叉工作原理图 1 1、5 5液压缸；液压缸；2 2活塞杆；活塞杆；3 3拨叉；拨叉；4 4套筒。套筒。电磁离合器变速电磁离合器变速主轴主轴 电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操
14、纵元件。选用，因而它已成为自动装置中常用的操纵元件。图图3 3-4 THK63804 THK6380型自动换刀数控铣镗床型自动换刀数控铣镗床 的主传动系统的主传动系统 8 7六六个个电电磁磁离离合合器器 采用带传动的分段无级变速系统：采用带传动的分段无级变速系统：在一些小型数控机床上也可以传动带有平带、在一些小型数控机床上也可以传动带有平带、V带带 和齿形带以及多锲带等。和齿形带以及多锲带等。优点：优点：结构简单，安装调试方便，结构简单，安装调试方便，缺点：缺点：调调速范围受到电机约束。调调速范围受到电机约束。传动带传动带 同步带同步带 梯形齿同步带梯形齿同步带 圆弧齿同步带圆弧齿同步带 (3
15、)内置电机主轴变速内置电机主轴变速-电主轴电主轴 将调速电机与主轴合成一体，转速达将调速电机与主轴合成一体，转速达20000rmin。优点：优点：结构紧凑、重量轻、适合快速启动和停止，并改结构紧凑、重量轻、适合快速启动和停止，并改善了主轴启动，停止响应特性，便于控制，大大简化善了主轴启动，停止响应特性，便于控制，大大简化了主轴箱体与主轴的结构，了主轴箱体与主轴的结构，缺点：缺点：主轴温度控制困难。其热变形严重影响机床的加主轴温度控制困难。其热变形严重影响机床的加工精度。工精度。电机运转产生的热量电机运转产生的热量 直接影响主轴，故冷却装直接影响主轴，故冷却装 置和温控系统是最重要装置和温控系统
16、是最重要装 置，其制造、维修困难，置，其制造、维修困难，本钱也较高。本钱也较高。21.2 主轴组件主轴组件 数控机床的主轴组件：数控机床的主轴组件：主轴轴承、刀具自动装卸装置、吹屑装置、主主轴轴承、刀具自动装卸装置、吹屑装置、主轴准停和主轴的拉刀结构等。轴准停和主轴的拉刀结构等。(1)主轴轴承结构主轴轴承结构 数控机床的主轴轴承，大多采用滚动轴承：数控机床的主轴轴承，大多采用滚动轴承：向心球轴承、角接触球轴承，圆锥滚子轴承、向心球轴承、角接触球轴承，圆锥滚子轴承、推力轴承、圆柱滚子轴承等。推力轴承、圆柱滚子轴承等。调心球轴承：调心球轴承：特点：具有两列球滚子，主要承受特点：具有两列球滚子，主要承受径向载荷径向载荷，同时也能承受任一方向的轴向载荷。同时也能承受任一方向的轴向载荷。有高的径向载荷能力，特别有高的径向载荷能力，特别 适用于重载或振动载荷下工作。适用于重载或振动载荷下工作。但不能承受纯轴向载荷。但不能承受纯轴向载荷。该类轴承外圈滚道是球面形，该类轴承外圈滚道是球面形，故其调心性能良好，能补偿同轴故其调心性能良好，能补偿同轴 度误差。度误差。调心滚子轴承调心滚子轴承 特点：特点：