数控铣床主轴箱结构设计.docx

数控铣床主轴箱结构设计.docx

《数控铣床主轴箱结构设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控铣床主轴箱结构设计.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

数控铣床主轴箱结构设计

绪论1

绪论

在工业生产中，金属热切割一般有气割、等离子切割、数控铣床等。

其中数控铣床与气割相比，其切割范围更广、效率更高。

而精细等离子切割技术在材料的切割表面质量方面已接近了激光切割的质量，但成本却远低于激光切割。

因此，数控铣床自20世纪50年代中期在美国研制成功以来，得到迅速发展。

1国外数控铣床现状与发展趋势

国外数控铣床的生产厂家主要集中在德国、美国和日本。

从机械结构上看，其发展经历了十字架型（轻型）、门型（小型）、龙门型（大型）3个阶段，相应的型号种类繁多。

能够代表数控铣床技术最高水平的厂家主要集中在德国，目前，国外已有厂家在龙门式切割机上安装一个专用切割机械手，开发出五轴控制系统的龙门式专用切割工具，该系统可以在空间切割出各种轨迹，利用特殊的跟踪探头，在切割过程中控制切割运行轨迹。

我国工厂的板材下料中应用最为普遍的是数控铣床和等离子切割，所用的设备包括手工下料、仿形机下料、半自动切割机下料及数控切割机下料等。

与其他切割方式比较而言，手工下料随意性大、灵活方便，并且不需要专用配套下料设备。

但手工切割下料的缺点也是显而易见的，其割缝质量差、尺寸误差大、材料浪费大、后道加工工序的工作量大，同时劳动条件恶劣。

用仿形机下料，虽可大大提高下料工件的质量，但必须预先加工与工件相适应的靠模，不适于单件、小批量和大工件下料。

半自动切割机虽然降低了工人劳动强度，但其功能简单，只适合一种形状的切割。

上述3种切割方式，相对于数控切割来说由于设备成本较低、操作简单，所以在我国的中小企业甚至在一些大型企业中仍在广泛使用。

 随着国内经济形势的蓬勃发展以及以焊代铸趋势的加速，数控铣床的优势正在逐渐为人们所认识。

数控铣床不仅使板材利用率大幅度提高，产品质量得到改进，而且改善了工人的劳动环境，劳动效率进一步提高。

目前，我国金属加工行业使用的数控铣床是以火焰和普通等离子切割机为主，但纯火焰切割，已不能适应现代生产的需要，该类切割机可满足不同材料、不同厚度的金属板材的下料以及金属零件的加工的需要，因此需求量将会越来越大，但与国外的差距仍极为明显，主要表现为：

发达国家金属加工行业90%为数控切割机下料，仅10%为手工下料；而我国数控切割机下料仅占下料总量的10%，其中数控铣床下料所占比例更小。

我国数控铣床每年市场需求量约在400~500台之间。

相较而言，仿形切割机每年销售几千台，半自动切割机每年销售达上万台。

由此可见，我国数控切割市场，尤其是数控铣床市场的发展潜力是巨大的。

2数控技术的现状与发展

计算机技术的飞速发展推动了数控技术的更新换代，而这也日益完善了数控铣床的高精、高速、高效功能。

代表世界先进水平的欧洲、美国、日本的数控系统生产商利用工控机丰富的软硬件资源开发的新一代数控系统具有开放式体系结构，即数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次产品的开发。

开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。

近几年来，由于对切割质量、劳动环境等的要求越来越高，其相应产品在我国的市场需求量也逐年上升。

在我国的数控铣床设备生产行业中，由于缺乏切割理论研究与生产实践相转换的机制，因此新技术运用不广、新产品开发速度不快，制约了数控铣床技术的进一步发展和运用。

第一章数控加工技术概论

1.1数控技术及数控加工的基本概念

一数控技术

数控技术是本世纪中期发展起来的机床控制技术，是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术。

数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透行程的机电一体化铲平，即所谓的数字化装备。

（1）数控与数控机床

数字控制（NumericalControl，简称NC）,国家标准定义为：

“是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法”。

定义中的“机床”，不仅指金属切削机床，还包括其他各类机床，如线切割机床等。

数控机床（NumericalControlMachineTools）是技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工装备。

简单地说就是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。

国际信息处理联盟（InternaionalFederationofInformationProceccing，简称IFIP）第五技术委员会对数控机床作了如下定义：

数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能逻辑地处理具有特定代码和其他符号编码指令规定的程序。

（2）数控系统

数控系统（NCSystem）就是上诉定义中所指的那种程序控制系统，它是逻辑地处理驶入到系统中具有特定代码的程序，并将其译码，从而使机床运行并加工零件。

数控系统在本质上是一台计算机。

在硬件方面，它经历了电子管、晶体管、小规模集成电路、微处理机到当前PC结构的五代发展；在体系结构上，经历了硬件数控系统（NC）、计算机数控（CNC）、到目前的PC数控（PC-NC）三个阶段。

[9]

二数控加工

数控加工技术是20世纪40年代后期为适应加工复杂外形零件而发展起来的一种自动化加工技术。

数控加工就是用数控机床加工零件的方法。

数控加工是伴随数控机床的产生、发展而逐步完善起来的一种应用技术，它是人们长期从事数控加工实践的经验总结。

1.2数控机床的组成与分类

一数控机床的组成

数控机床的种类很多，但是任何一种数控机床都主要由数控系统、伺服系统和机械系统组成。

1数控系统

数控系统是数控机床的核心，是数控机床的“指挥系统”。

数控系统通常是一台带有专门系统软件的专用微型计算机。

2伺服系统

伺服系统（或称驱动系统）是数控机床的执行机构，是由驱动和执行两大部分组成。

用于实现数控机床的进给伺服控制和株洲伺服控制。

它接受数控装置的指令信息，并按指令信息的要求控制执行部件的进给熟读、方向和位移。

3机械系统

数控机床的机械系统，除机床基础件意外，有下列各部分组成:

（1）主轴部件：

包括主轴电动机和主轴传动系统。

（2）进给系统：

包括进给执行电动机和进给传动系统。

（3）实现共建回转、定位的装置和附件。

（4）实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置。

（5）刀库和自动换刀装置（AutormaticToolsChanger,简称ATC）

（6）自动托盘交换装置（AutormaticPalletChanger，简称APC）

机床基础件或称机床大件，通常是指床身（或底座）、立柱、滑座和工作台等，它是整台机床的基础和框架。

[9]

二数控机床的分类

1按工艺用途分

按照工艺的不同，数控机床可分为数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控齿轮加工机床、数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控冲床、数控剪床、数控液压机等各种工艺用途的数控机床。

2按运动方式划分

按运动方式即刀具与工件相对运动方式，数控机床可分为：

点位控制、直线控制和轮廓控制。

3按伺服系统类型划分

按伺服系统类型的不同，数控机床可分为：

开环伺服系统数控机床、闭环伺服系统数控机床和半闭环伺服系统时空机床。

（1）开环伺服系统数控机床

开环伺服系统数控机床是一种不叫原始的数控机床。

这类机床的数控系统将零件的程序处理后，输出数据指令给伺服系统，驱动机床运动，没有来自位置传感器的反馈信号。

最典型的系统就是采用步进电动机的伺服系统。

这类系统的信息流是单向的，即进给脉冲发出去以后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制。

这类机床较为经济，但加工速度和加工精度较低。

（2）闭环伺服系统数控机床

闭环伺服系统数控机床带有检测装置，直接对工作台的位移量进行检测。

这类控制系统，因为把机床工作台纳入位置控制环，故称为闭环控制系统。

该系统可以消除包括工作台传动链在内的运动误差，因而定位精度高、调节速度快。

但由于该系统受进给丝杠的拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等非线性因素的影响，给调试工作造成较大的困难。

由于闭环伺服系统复杂和成本高，故适用于精度要求很高的数控机床，如精密镗铣床、超精密数控机床等。

（3）半闭环伺服系统数控机床

大多数数控机床是半闭环伺服系统，这类系统介于开环和闭环之间，精度没有闭环高，调试却比闭环方便，因而得到了广泛的应用。

4按数控机床系统的功能水平划分

按数控机床系统的功能水平可分为：

低档、中档和高档。

按控制轴数和联动轴数可分为几轴联动等多种数控机床；按数控机床功能多少可分为经济型数控机床和全功能型数控机床等。

[9]

1.3数控机床的特点与数控机床的发展方向

1数控机床的特点

数控机床与普通机床比较具有以下特点。

（1）自动化程度高。

（2）进给传动机构简单。

（3）工艺复合化和功能集成化。

（4）具有加工复杂形状两件的能力。

（5）具有高度柔性，适用性强。

（6）加工精度高、质量稳定。

（7）生产效率高。

2数控机床的发展方向

当今数控机床正朝着以下几个方向发展。

（1）高速度、高精度。

（2）多功能化。

（3）智能化。

（4）目前CAD/CAM图形交互式自动变成已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。

（5）可靠性最大化数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。

（6）控制系统小型化和时空系统小型化便于将机、电装置结合为一体。

[20]

第二章数控铣床主传动系统

数控机床的主传动系统包括主轴电动机，传动系统和主轴组件。

与普通机床的主传动系统相比数控机床在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担。

省去了繁杂的齿轮变速机构，还有一些数控机床设计中还存在二级或三级齿轮变速机构用以扩大主轴电动机无级变速的范围。

2.1数控机床对主传动的要求

1.范围：

各种不同的机床对调速范围的要求不同，多用途，通用性比较大的机床，要求主轴的调速范围大，不但有低速大转距的功能，而且还要有比较高的速度。

2.热变形：

电动机、主轴及传动件都有热源。

降低温升，减少热变形是对主传动系统要求的重要指标。

3.旋转精度和运动精度

（1）主轴的旋转精度:

是指装配后，在无载荷，低速转动条件下，测量主轴前端和300mm处的径向和轴向跳动值。

（2）主轴在以工作速度旋转时，测量上述两项精度称为运动精度。

4.主轴的静刚度和抗振性

由于数控机床的加工精度比较高，主轴的转速又很高。

因此，主轴组件的质量分布是否均匀以及主轴组件的阻尼等，对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响。

5.主轴组件的耐磨性

主轴组件必须有足够的耐磨性，使之能够长期保持要求的准确精度。

凡是有机械摩擦的部位，轴承，锥孔等都要有足够的硬度，轴承还应具有良好的润滑。

[6]

2.2数控铣床主传动的配置方式

数控铣床的主传动系统要求有较大的调速范围，以保证进行加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产效率、加工精度和表面质量。

数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此机构必须适应自动操作的要求。

大多数的数控铣床是用无级变速系统控制的。

数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式：

1.带有变速齿轮的主传动

这种配置方式在大中型数控机床中采用比较普遍。

它通过少数几对齿轮进行降速，使之能够分段变速，确保低速时拥有足够的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性。

但也有一部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。

2.通过带传动的主传动

主要应用在中小数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适用于低扭矩特性要求的主轴。

同步带有多楔带，齿形带，圆弧带等，是一种综合了带传动和链传动优点的新型传动。

带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，做无滑动的啮合传动。

带内采用了承载后无弹性伸