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数控机床机械设计说明-进给系统篇

时间:2021-04-03     作者:山东万汇数控机床有限公司【原创】

进给系统原理
数控机床进给系统为多项元件组装而成,如图1所示,主要有滚珠螺杆、轴承、联轴器、伺服马达、编码器、马达座、尾座与导轨,而导轨又分为硬轨与线性滑轨两种形式,如图2所示,为因应目前高速化之诉求,由于硬轨属滑动接触,虽然有较佳之刚性值与耐冲击性,但摩擦系数大,在低速时有粘滞滑动之问题,于高速时则有较大发热量,而无法使移动件快速滑动,且磨损较快进而影响到精度,相较于线性滑轨因属滚动接触,摩擦系远小于硬轨(约为0.002~0.008之间),并有着高移动速度、高稳定、高精度、高寿命、低驱动马力、简单润滑构造与具互换性等优点,如表1所列,以为目前高速化数控机床应用之主流,由于滚珠螺杆对于进给系统移动速度与精度有着极大影响性,因而为进给系统中最关键性之传动元件;当进给系统于运转之中,主要为在控制器上输入一个位移与速度指令,经由讯号线传递至驱动器,驱动器再将数位讯号转换为类比式电压讯号,以带动伺服马达使其回转,再经由齿轮、皮带联轴器与滚珠导螺杆结合,以驱动滚珠导螺杆运转,并带动螺帽作直线运动来推动床台于导轨上平稳移动。
一般数控机床主要分为数控车床数控铣床两大类,而相同的机构包含进给系统、主轴等,而不同的机构包含机械结构、控制器、拉刀机构、 ATC、夹头系统与动力刀塔等,其中机械与电控相关技术则对应学校之相关课程包含应用力学、材料力学、动力学、电机原理与控制原理等等,因此如何将学校所学与数控机床相关原理进行对应,可透过CNC数控机床机械人才鉴定进行盘点与分析。本文章主要分为四次进行说明,包含进给系统、主轴系统、结构与控制单元等进行说明。
                                             

数控铣床滚珠螺杆主要由螺杆、螺帽、滚珠和回流管组合而成,如图3所示。在螺杆与螺帽间装置滚珠之传动元件,透过滚珠排列所组成的循环链,于螺杆回转时,滚珠将沿着螺杆螺旋槽滚动,并将螺杆的旋转运动转换为直线运动路径,在此运转过程中,滚珠不仅绕行螺杆公转,其本身也于自转状态中,为防止滚珠由螺旋槽滚出,于螺帽的螺旋槽之两端处设置回程引导装置,俗称回流管,使滚珠与螺旋槽形成循环回路,让滚珠可于螺旋槽内自转又沿螺杆循环转动。

数控机床机械设计之进给系统选用计算
数控车床进给系统选用与设计中主要包含结构、导螺杆、线性滑轨、轴承与马达选用,主要为力流关系因此将相关重要元件进行计算,如图4所示,因此将进给系统元件与控制对应至鉴定科目中之数控机床机械设计概论与机械制图之科目,在数控机床机械设计概论评鉴主题中主要有机械元件、材料力学/应力、机械材料/机械加工与电机原理的学科,下列将进行说明。

一般数控机床传动机构可分为直接传动与间接传动,直接传动主要由马达透过连轴器传至滚珠导螺杆,使马达和导螺杆之间可直接以联轴器相接,简化进给系统的设计,有成本低、负载惯性变小、背隙减少、噪音降低、以及力流线变短的好处,主要应用于高速传动,其中在选用计算上则如表2所示。

在间接传动方面主要应用齿轮式与皮带式进行传动,应用齿轮式传动经过减速齿轮箱,将转速降低、扭矩放大,用于扭矩需求较大,或空间限制而不能以直结式连接时进行应用。而使用皮带式传动时,以时规皮带代替齿轮,成本低、噪音小、设计制造简
单,在装配时须特别注意皮带轮的平行度,才不致发生精度和使用寿命的问题。因此间接传动模式大部分应用于大型设备或高负载之精密机械,再传动速度方面主要以中低速度为主,其中在选用计算上则如表3所示。


进给系统相关技术
在数控立式加工中心进给系统中有许多相关应用技术影响数控机床寿命与精度,因此应用技术在实际应用上也是重要的一环,在下列将介绍应用技术之相关原理,在第一阶段将介绍导螺杆导程与杆径的决定计算:

数控立式加工中心的滚珠导螺杆与斜角滚珠轴承的刚性主要来自滚珠与沟槽接触的弹性变形,为了消除间隙与增加刚性,常对滚珠导螺杆与斜角滚珠轴承施予预压。而预压分为定位预压与定压预压,定位预压系在两个螺帽之间加入一厚度比两螺帽的正常间隙为大(或小)的间座,再使用贯穿两螺帽的螺栓加以接合,利用间座厚度加大(或减小)正常间隙,而达成预压的效果。定压力预压,系在两螺帽之间加入盘形弹簧,使用弹簧的弹力使两螺帽形成相对位移,达到预压的效果。一般斜角滚珠轴承其预压状态如图5所示,当组合斜角滚珠轴承内环作轴向紧密接触时,轴承A与轴承B分别产生S0之轴向位移,即是施加了F0之预压。当从外部给予轴向负荷Fa时,则轴承A的位移量会增加Sa、而轴承B则会减少Sa;这时施加于轴承A与轴承B的负荷,分别为F1和F11 。

其中在没有预压状态的轴承A,若施加轴向负荷Fa时的位移量为Sb;则比较有无预压下时,承受相同的轴向负荷Fa状况下,明显发现Sa比小Sb,显示预压能够提高轴承刚性。

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文章作者:山东万汇数控机床有限公司  www.sdwhjc.com

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