数控第二章数控机床的主传动系统.ppt

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1、1,本章授课进程与主要内容：1、对主传动系统的基本要求和变速方式2、数控机床的主轴部件3、典型数控机床的主轴部件4、高速主轴系统和电主轴,2,一、对主转动系统的基本要求1.主轴转速高，变速范围宽，并可实现无级变速2.主轴传动平稳，噪声低，精度高3.具有良好的抗振性和热稳定性4.能实现刀具的快速和自动装卸5.具有较高的运动精度和良好的低速稳定性,第一节对主传动系统的基本要求和变速方式,3,机床的刚度反映了机床机构抵抗变形的能力，。机床变形产生的误差，通常很难通过调整和补偿的方法予以彻底的解决。为了满足数控机床高效、高精度、高可靠性以及自动化的要求，与普通机床相比，数控机床应具有更高的精刚度。此外

2、，为了充分发挥机床的效率，加大切削用量，还必须提高机床的抗震性，避免切削时产生的共振和颤振。而提高机构的动刚度是提高机床抗震性的基本途径。,4,机床的热变性是影响机床加工精度的主要因素之一。由于数控机床的主轴转速、快速进给都远远超过普通机床，机床又长时间处于连续工作状态，电动机、丝杠、轴承、导轨的发热都比较严重，加上高速切削产生的切屑的影响，使得数控机床的热变性影响比普通机床要严重得多。虽然在先进的数控系统具有热变性补偿功能，但是它并不能完全消除热变性对于加工精度的影响，在数控机床上还应采取必要的措施，尽可能减小机床的热变性。,5,利用伺服系统代替普通机床的进给系统是数控机床的主要特点。伺服系

3、统最小的移动量（脉冲当量），一般只有0.001mm，甚至更小；最低进给速度，一般只有1mm/min，甚至更低。这就要求进给系统具有较高的运动精度，良好的跟踪性能和低速稳定性，才能对数控系统的位置指令做出准确的响应，从而得到要求的定位精度。传动装置的间隙直接影响着机床的定位精度，虽然在数控系统中可以通过间隙补偿、单向定位等措施减小这一影响，但不能完全消除。特别是对于非均匀间隙，必须机械消除间隙措施，才能得到较好的解决。,6,二、主传动的变速方式无级变速、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范围内均为恒功率。般要求在中、高速段为恒功率传动，在低速段为恒转矩传动。为了确保数控机床主轴

4、低速时有较大的转矩和主轴的变速范围尽可能大，有的数控机床在交流或直流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，即解决电机驱动和主轴传动功率的匹配问题，使之成为分段无级变速。,7,8,在带有齿轮变速的分段无级变速系统中，主轴的正、反向启动与停止、制动是由电动机实现的，主轴变速则由电动机无级变速与齿轮有级变速相配合来实现。这种配置适合于大中型机床，确保主轴低速时输出大扭矩、高速时输出恒功率特性的要求。,9,数控机床主轴变速方式,1、带有变速齿轮的主传动,2、通过带传动的主传动,3、调速电机直接驱动的主传动,4、内装电动机主轴,10,带传动主轴,11,几种传送带的类型,多联V带,12,同步齿形带,13,同

5、步齿形带轮挡边设计,14,同步带优点：1、无滑动，传动比准确2、传动效率高3、传动平稳，噪声小4、使用范围广，速度可达50m/s，传动比可达10倍左右，传递功率从几瓦到数千瓦5、维修保养方便，不需要润滑6、安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺复杂，成本高。,15,16,17,18,19,主传动的齿轮变速装置1、液压拨叉变速2、电磁离合器变速,20,通油、卸荷，滑移齿轮在最左侧,5通油、1卸荷，滑移齿轮在最右侧,1、5同时通油，滑移齿轮在中间,1，5 缸体 2活塞杆 3 拨叉 4套筒,1，5 缸体 2活塞杆 3 拨叉 4套筒,21,22,第二节 数控机床的主轴部件,主轴端部结构 数控机床主轴端

6、部的结构对工件或刀具的定位、安装、拆卸以及夹紧的准确、牢固、方便和可靠有很大影响。常见主轴端部结构如图。这些结构目前都已标准化。,23,A车床主轴端部 B铣、镗端部 C外圆磨床端部,24,主轴部件常用轴承的类型和精度等级类型：滚动轴承、滑动轴承（动压、静压）、空气静压轴承、陶瓷轴承、磁悬浮轴承精度等级 E(高级)、D(精密级)、C(特精级)、B(超精级)普通精度的机床，前支承用C、D，后支承用D、E级，前支承比后支承高一个精度等级。精度较高的机床，前后支承均用B级精度,25,a)向心轴承 b)圆锥滚子轴承 c)角接触球轴承 d)推力轴承,26,深沟球轴承,圆锥滚子轴承,推力球轴承,27,28,

7、锥孔双列圆柱滚子轴承,29,锥孔双列圆柱滚子轴承 内圈为l12的锥孔，当内圈沿锥形轴颈轴向移动时，内圈胀大以调整滚道的间隙。滚子数目多，两列滚子交错排列，因而承载能力大，刚性好，允许转速高。内、外圈均较薄，因此，要求主轴颈与箱体孔均有较高的制造精度，以免轴颈与箱体孔的形状误差使轴承滚道发生畸变而影响主轴的旋转精度。该轴承只能承受径向载荷。,30,双列推力向心球轴承 接触角60，球径小，数目多，能承受双向轴向载荷。磨薄中间隔套，可以调整间隙或预紧，轴向刚度较高，允许转速高。该轴承一般与双列圆柱滚子轴承配套用作主轴的前支承，并将其外圈外径作成负公差，保证只承受轴向载,31,双列推力向心球轴承图例,

8、32,双列圆锥滚子轴承 它有个公用外圈和两个内圈，由外圈的凸肩在箱体上进行轴向定位，箱体孔可以镗成通孔。磨薄中间隔套可以调整间隙或预紧，两列滚子的数目相差个，能使振动频率不致，明显改善了轴承的动态特性。这种轴承能同时承受径向和轴向载荷，通常用作主轴的前支承。,33,双列圆锥滚子轴承,34,角接触球轴承（1）这种类型的轴承既可承受径向载荷，又可承受轴向载荷。接触角有=15，=25和=40三种。15接触角多用于轴向载荷较小，转速较高的场合；25、40接触角多用于轴向载荷较大的场合。将内、外圈相对轴向位移，可以调整间隙，实现预紧。它们多用于高速主轴。,35,角接触球轴承,36,角接触球轴承（2）角接

9、触球轴承有三种基本组合方式 图a为背靠背组合，图b为面对面组合，图c为同向组合。这三种方式，两个轴承都共同承担径向载荷；图a和图b可承受双向轴向载荷；图c则只能承受单向载荷，但承载能力较大，轴向刚度较高。这种轴承还可以三联组配、四联组配。,37,角接触球轴承成对使用时的几种安装方式,a）b）c）,38,滑动轴承（动压）,滑动轴承（静压）,39,空气轴承,40,磁力（磁悬浮）轴承,41,2主轴常见支承方式（1）,前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60角接触双列向心推力球轴承组合，后支承采用成对向心推力球轴承。此配置可提高主轴的综合刚度，可满足强力切削的要求，普遍用于各类数控机床主轴。,42,2主轴常

10、见支承方式（2）,前支承采用高精度双列向心推力球轴承。向心推力轴承有良好的高速性，主轴最高转速可达4000r/min，但它的承载能力小。适于高速，轻载，高精密的数控机床主轴。,43,2主轴常见支承方式（3）,前后支承采用双列和单列圆锥滚子轴承。轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其是可承受较强的动载荷。安装，调整性能好，但这种支承方式限制了主轴转速和精度，所以用于中等精度，低速，重载的数控机床的主轴。,44,数控机床主轴常见支承方式图例,45,3主轴支承的典型结构（1）,如图所示为数控车床主轴，前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和60角接触双列向心推力球轴承承受轴向载荷，后支承采用双列

11、短圆柱滚子轴承，适用于中等转速，能承受较大的切削负载，主轴刚性高。,46,47,3主轴支承的典型结构（2）,图示为卧式铣床主轴支承，轴的径向刚度好，并有较高的转速。,48,3主轴支承的典型结构（3）,图示为卧式镗铣床主轴部件的支承，这种支承方式可以承受双向轴向载荷和径向载荷，承载能力大，刚性好，结构简单。,49,4滚动轴承的间隙与预紧,滚动轴承存在较大间隙时，载荷将集中作用于受力方向上的少数滚动体上，使得轴承刚度下降，承载能力下降，旋转精度变差。将滚动轴承进行适当预紧，使滚动体与内外圈滚道在接触处产生一定量预变形，使受载后承载的滚动体数量增多，受力趋向均匀，从而提高轴承承载能力和刚度，有利于减

12、少主轴回转轴线的漂移，提高旋转精度。,50,4滚动轴承的预紧要求,过盈量不宜太大，否则轴承的摩擦磨损加剧，承载能力将显著下降。公差等级、轴承类型和工作条件不同的主轴组件，其轴承所需的预紧量各有所不同。主轴组件必须具备轴承间隙的调整机构。,51,主轴的准停功能 每次机械手自动装取刀具时，必须保证刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求主轴具有准确定位的功能。为满足主轴这一功能而设计的装置称为主轴准停装置或称为主轴定向装置。,52,电气式主轴准停装置 即用电磁传感器检测定向。如图所示，主轴8的尾部安装有发磁体9，它随主轴转动，在距发磁体外缘14mn处，固定了一个磁传感器10,它经过放大器11与主轴伺

13、服单元3联接。主轴定向指令l发出后，主轴处于定向状态，当发磁体上的判别孔转到对准磁传感器上的基准槽时，主轴立即停止。图中5为电动机与主轴之间的同步齿形带，4为主轴电动机，2为强电时序电路，7为主轴端面键，6是位置控制回路，12是定向电路。,53,54,第三节 典型数控机床的主轴部件,数控车床的主轴部件数控车床的主轴部件主传动主轴及支撑动力卡盘主轴编码器,55,可以自动定心夹持范围大定心精度不高，不适合于零件同轴度要求高时的二次装夹常见的有机械式和液压式两种,三爪卡盘,56,四爪卡盘,适合加工精度要求不高、偏心距较小、零件长度较短的工件。四个卡爪是各自独立移动的。四爪卡盘的找正烦琐费时。卡爪有正

14、爪和反爪两种形式。,57,用于精加工的外圆表面定位。定心精度高，装夹工件快捷方便。夹持工件的内孔是规定的标准系列，并非任意直径的工件都可以进行夹持。特别适用于尺寸精度较高、表面质量较好的冷拔圆棒料的夹持。,弹簧夹套,58,59,60,2JCS-018A加工中心主轴部件（1）,如图所示为主轴箱结构简图，主要由四个功能部件构成，分别是主轴部件、刀具自动夹紧机构、切屑清除装置和主轴准停装置。,61,2JCS-018A加工中心主轴部件（2）,主轴基本构成（1）主轴的前支承4配置了三个高精度的角接触球轴承，用以承受径向载荷和轴向载荷，前两个轴承大口朝下，后面一个轴承大口朝上。前支承按预加载荷计算的预紧量

15、由螺母5来调整。后支承6为一对小口相对配置的角接触球轴承，它们只承受径向载荷，因此轴承外圈不需要定位。该主轴选择的轴承类型和配置形式，满足主轴高转速和承受较大轴向载荷的要求。主轴受热变形向后伸长，不影响加工精度。,62,2JCS-018A加工中心主轴部件（3）,主轴基本构成（2）主轴内部和后端安装的是刀具自动夹紧机构。它主要由拉杆7、拉杆端部的四个钢球3、碟形弹簧8、活塞10、液压缸11等组成。,63,2JCS-018A加工中心主轴部件（4）,主轴工作原理（1）取用过刀具过程 CNC发出换刀指令液压缸（7）右腔进油活塞（6）左移推动拉杆（4）克服弹簧（5）的作用左移带动钢球（12）移至大空间钢

16、球失去对拉钉（2）的作用取刀,64,2JCS-018A加工中心主轴部件（5）,主轴工作原理（2）吹扫过程 旧刀取走后CNC发出指令空压机启动压缩空气经压缩空气管接头（9）吹扫装刀部位并用定时器计时,65,2JCS-018A加工中心主轴部件（6）,主轴工作原理（3）装刀过程 时间到CNC发出装刀指令机械手装新刀液压缸右腔回油拉杆（4）在碟形弹簧的作用下复位拉杆带动拉钉右移至小直径部位通过钢球将拉钉卡死,66,2JCS-018A加工中心主轴部件（7）,主轴转矩的传递 机床的切削转矩是由主轴上的端面键来传递的。主轴的准停功能 每次机械手自动装取刀具时，必须保证刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求主

17、轴具有准确定位的功能。为满足主轴这一功能而设计的装置称为主轴准停装置或称为主轴定向装置。,67,68,2JCS-018A加工中心主轴部件（8）,电气式主轴准停装置 即用电磁传感器检测定向。如图所示，主轴8的尾部安装有发磁体9，它随主轴转动，在距发磁体外缘14mn处，固定了一个磁传感器10,它经过放大器11与主轴伺服单元3联接。主轴定向指令l发出后，主轴处于定向状态，当发磁体上的判别孔转到对准磁传感器上的基准槽时，主轴立即停止。图中5为电动机与主轴之间的同步齿形带，4为主轴电动机，2为强电时序电路，7为主轴端面键，6是位置控制回路，12是定向电路。,69,随着电气传动技术(变频调速技术、电动机矢

18、量控制技术等)的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主运动的“零传动”。称为“主轴单元”或“电主轴”。电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大，还有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全。,70,71,电主轴是一套组件：包括电主轴、高频变频装置，油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置高速电主轴包含技术高速轴承技术高速电动机冷却润滑技术内置脉冲编码器自动换刀高速刀具装夹高频变频装置,72,电主轴结构特点：结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快。轴壳转轴轴承定子和转子电主轴

19、的轴承,73,对电主轴的要求1、轴承尺寸公差及旋转精度允差小，以适应高精度切削要求2、用角接触轴承取代圆柱滚子轴承和推力球轴承承受径向和轴向载荷，并适应高速切削3、减小径向截面尺寸，以减小主轴系统的体积并有利于系统的热传导4、尽量采用小而多的滚动体，以减小高速旋转惯性力并进而提高轴系的动刚度5、采用高强度、轻质保持架，选择合理的引导方式，以适应高速旋转6、尽量采用配对轴承，以保证轴承的旋转精度与刚度。,74,磁力（磁悬浮）轴承,75,磁悬浮轴承的优点具有较高的转速和较大的功率转动时能够自动平衡，没有振动磁浮轴承不用润滑，无需维修，寿命无限长刚度较高，特别是主轴在高速运转时具有过程监控和力测量传感器,