第二章 数控机床的主传动系统

数控技术第二章数控机床的主传动系统第二章数控机床的主传动系统2.3典型数控机床的主轴部件2.4高速主轴系统和电主轴2.2数控机床的主轴部件2.1对主传动系统的基本要求和变速方式2.1对主传动系统的基本要求和变速方式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。结构较普通机床主传动系统简单，因为大部分或全部变速功能由主轴电机的无级调速来承担。省去了复杂的齿轮变速机构。数控机床与普通机床比较具有以下特点：1、转速高，功率大2、无级变速，主轴变速迅速可靠3、刀具自动装卸，主轴定向停止和主轴孔内切屑清除装置。一、主传动系统作用产生主切削力二、对主传动系统的要求1.足够的转速范围。2.热变形要求。电动机、主轴及传动件都是热源，低温升减少热变形是对主传动系统要求的重要指标。3.各零部件应具有足够的精度（旋转精度和运动精度）、强度、刚度和抗振性。4.主轴部件的耐磨性。5.足够的功率和扭矩6.噪声低、运行平稳2.1.2主传动的变速方式主要有无级变速和分段无级变速两种变速方式。主轴的传动类型：1.采用变速齿轮传动多用于大中型数控机床，滑动齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。2.采用同步齿形带传动多用于转速较高、变速范围不大的数控机床。电动机本身的调速即可满足要求，不用齿轮变速，避免了齿轮传动的振动和噪声，适应高速、低转矩特性的主轴，常用的带有三角带和同步齿型带。3.用两个电机分别驱动主轴是上述两种方式的混合传动，此种结构高速时由一个电动机通过带传动、低速时由另一个电动机通过齿轮传动，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，这样使恒功率区增大，扩大变速范围，避免了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的问题。4.采用主轴电机直接驱动（一体化主轴，电主轴）多用于变速范围不大的高速主轴，但电动机发热对主轴影响较大，需专门的有主轴冷却装置。变速齿轮传动同步齿形带传动主轴电机直接驱动电主轴主传动的齿轮变速常用的两种装置是液压拨叉变速和电磁离合变速装置。图2-5图2-5图2-7图2-82.主传动的齿轮变速装置2.2.1主轴端部结构主轴端部用于安装刀具或者夹持工件的夹具。2.2数控机床的主轴部件及主轴箱主轴部件2.2.2主轴轴承滚动轴承图2-10静压滑动轴承图2-11主轴滚动轴承配置形式2.2.2主轴轴承的配置形式(1)图a所示的结构配置形式是现代数控机床主轴结构中刚性最好的一种。它使主轴的综合刚度得到大幅度提高，可以满足强力切削的要求，所以目前各类数控机床的主轴普遍采用这种配置形式；(2)图b前支承采用3个超精密级角接触球轴承组合方式，具有较好的高速性能；后支承结构有采用2个角接触球轴承支承的；也有用一个圆柱滚子轴承支承的，吸收热膨胀量的能力，适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴；(3)图c圆锥滚子轴承。这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较大的动载荷，安装与调整性能好；但是这种轴承配置方式限制了主轴的最高转速和精度；所以仅适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。主轴准停装置V型槽轮定位盘准停结构2.2.4主轴准停装置机械式主轴准停装置JCS-018A主轴电气式准停装置电气式2.2.4主轴准停装置2.3典型数控机床的主轴部件数控车床主轴结构2.3典型数控机床的主轴部件数控车床主轴箱结构简图1、6、8—螺母2—同步带3、16—同步带轮4—脉冲编码器5、12、13、17—螺钉7—主轴9—主轴箱体10—角接触球轴承11、14—双列圆柱滚子轴承15—带轮车床夹具夹具一般使用各种卡盘如图2-17a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3-15b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。反之液压缸内的压力油推动活塞和拉杆向主轴后端移动时，通过楔形机构，使卡盘夹紧工件。卡盘体9用螺钉10固定安装在主轴前端。8为回转液压缸的箱体。图2-17液压卡盘结构简图1—回转液压缸2—拉杆3—连接套4—滑套5—接套6—活塞7、10—螺钉8—回转液压缸箱体9—卡盘体11—卡爪座12—卡爪信号处理装置abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板节距τAABBZZm+τ/4主轴编码器利用主轴编码器检测主轴的运动信号，一方面实现主轴调速的数字反馈，另一方面可用于进给运动的同步控制，如车螺纹。加工中心主轴的准停、夹紧机构刀杆使用大锥度锥柄，既有利于定心，也为松夹带来了方便。在锥柄尾端轴颈被拉紧的同时，通过锥柄的定心和摩擦作用将刀杆夹紧于主轴的端部。自动清除主轴孔内的灰尘和切屑是换刀过程中的一个不容忽视的问题，如有灰尘和切屑等，在拉紧刀杆时，锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，甚至回使刀杆发生偏斜，破坏了刀杆的正确定位，影响零件的加工精度，甚至会使零件超差报废。主轴内刀具的自动夹紧和切屑清除装置主轴拉钉主轴端面键2.4高速主轴系统和电主轴什么是电主轴？电机内装式主轴的简称（high-speedmotorizedspindle）将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件内部即将主轴与电动机合二为一通过交流无级调速使主轴获得所需的工作转速和扭矩广泛应用于高速高精度机床加工决定高速高精度机床发展的关键技术之一􀀂（1）结构简单，无需皮带、齿轮等中间传动，空间紧凑。现代某些机床由于结构空间限制，使用电主轴会方便得多。（2）采用变频器控制使得主轴调速范围增大，调速简单方便。（3）减少了中间传动环节的能量损失和动力传递不均，主轴振动小、加工精度高、噪声低、传动效率高，同时还能减少环境污染。（4）安装方便，调试简单。电主轴的优点在高速主轴轴承的研制主轴电机及控制技术高速和高精度情况下的冷却技术和振动的抑制主轴零件与电机的装配问题电主轴的关键技术高速高刚度设计非常高精度的主轴而言,很高的DmN值(指主轴轴承的平均直径(mm)与主轴与的极限转速(r/min)的乘积值),应该满足在要求的转速下的DmN值。电主轴的最高转速取决于轴承的大小布置和润滑方法。高速主轴轴承高速性能好动态负荷承载力高润滑性能好发热量小高速主轴轴承高速主轴轴承常用轴承优点缺点滚动轴承好的高速性能价格低巨大的离心力和陀螺力矩动载荷超出切削负荷磁悬浮轴承综合性能好控制较复杂技术不够成熟混合陶瓷球轴承陶瓷球膨胀系小提高速度使用寿命降低了轴温价格较高主轴电机设计决定了主轴的最大功率和力矩,以及电主轴的性能。永磁同步电动机控制精度高，调速范围广结构紧凑，适合高精度强力重载加工场合伺服控制多采用矢量控制算法,控制系统由电流内环速度环和位置环组成，全数字处理器实现。主轴电机及控制技术大功率高转速永磁主轴电机方面与发达国家差距较大,特别是功率40kw,转速10000r/min以上的永磁主轴电机及其控制技术的研究仍是我国目前电主轴研制的一项关键技术。主轴电机及控制技术电主轴的结构特点电主轴润滑及冷却技术温升的影响（1）主轴、工件热变形（2）导致永磁体的永久退磁,直接影响电机性能润滑系统：冷却系统与润滑系统的设计关系密切,如果润滑系统性能优越,则会产生相对较少的热量,也就减轻了冷却系统的负担。因此均匀有效的润滑及冷却系统对高速电主轴系统的精度有决定作用􀀂冷却系统：针对定转子和轴承的发热电主轴润滑及冷却技术电主轴润滑及冷却技术润滑系统：国内外高速电主轴润滑和冷却系统,一般均采用油气润滑系统动平衡的稳定性决定了机床的加工质量和切削能力。振动过大会出现剧烈的磨耗和破损,增加主轴承载的动态负荷,降低寿命和精度。􀀂动平衡问题,受迫力和自激振动能力两大因素，都应具有良好的抵抗能力􀀂电主轴动平衡技术国内高速电主轴技术发展60年代主要用于零件内表面磨削,这种电主轴的功率低,刚度小,并且它采用无内圈式向心推力球轴承,限制了高速电主轴的产业化80年代研制出系列高刚度高速电主轴,广泛应用于各种内圆磨床和各个机械制造领域90年代由磨用电主轴转向铣用电主轴,它不仅能加工各种形体复杂的模具,而且开发了用于木工机械用的风冷式高速铁用电主轴。推动了高速电主轴在铁削中的应用。国内生产的磨削用电主轴的转速在15O00r/min以内加工中心用电主轴的转速最高3000Or/min转矩达2OONm的加工中心用电主轴转速只4000r/min车削用电主轴最高转速可达12000r/min.最大功率只有llkw在电主轴的润滑方面,国外普遍采用先进的油气润滑技术而我国主要以油脂润滑和油雾润滑为主􀀂国内高速电主轴技术发展国内研究机构：（1）洛阳轴承研究所早在1958年就研制出了磨用电主轴之后又研发了大功率高转速系列电主轴,磁悬浮和气静压电主轴等90年代将电主轴在应用于大型数控铣床、加工中心和数控车床我国电主轴技术的引领者（2）广州工业大学高速加工和机床研究所开发研制了多种电主轴,并应用于数控铣床由于近些年数控加工技术的飞速发展同济大学、北京机床研究所和上海机床厂在高速电主轴方面也取得了很大的成就􀀂国内高速电主轴技术发展世界著名的机床电主轴功能部件制造商（系列化、标准化）美国福特公司和Ingersoll公司联合推出的HVM800卧式加工中心的大功率电主轴最高转速达15000r/min，由静止升至最高转速仅需15s。瑞士IBAG公司技术领先，被公认为代表了行业的发展趋势电主轴最大转速可达140000r/min,直径范围33到300mm,功率范围125W-80kW，扭矩范围0.02一300Nm有瑞士的Fisller公司、德国的GMN公司、Hofer公司、西门子、意大利的Faemat公司和Gamfior公司等。􀀂􀀂国外高速电主轴技术发展（1）功率大转速高（2）采用高速、高刚度轴承主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承,特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承􀀂（3）精密加工与精密装配工艺水平高􀀂（4）配套控制系统水平高􀀂转子自动平衡系统轴承油气润滑与精密控制系统定转子冷却温度精密控制系统主轴变形温度补偿精密控制系统国外高速电主轴技术发展国内外高速电主轴技术的主要对比向高速度、高刚度方向发展向高速大功率、低速大转矩方向发展电机形式与控制方式多样化方向发展高速电主轴的发展趋势