数控机床原理、结构和维修第3章

1、 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统学习目的与要求学习目的与要求n了解数控机床对主传动系统的要求了解数控机床对主传动系统的要求n理解主传动变速的方式理解主传动变速的方式n掌握电主轴电主轴的基本参数、结构特掌握电主轴电主轴的基本参数、结构特点及其应用点及其应用n掌握数控机床主轴部件结构、尺寸参数掌握数控机床主轴部件结构、尺寸参数和轴承的配置和轴承的配置n了解数控机床主轴部件的润滑与密封、了解数控机床主轴部件的润滑与密封、主轴的准停特点主轴的准停特点n掌握数控机床主轴部件的维护掌握数控机床主轴部件的维护n理解主传动系统故障及排除方法理解主传动系统故障及排除方法VMC-15加工中心的主传动系统

2、及典型结构加工中心的主传动系统及典型结构图3-1VMC-15加工中心，工作台行程加工中心，工作台行程X/Y/Z：20/16/20；主轴转速：；主轴转速：1507500r/ min；定位精度：；定位精度：+ 0.0002；主电动机功率；主电动机功率 11.2 kW。学习导引示例学习导引示例n图图3-1 VMC一一15型加工中心的外形图型加工中心的外形图n (1) 主传动系统主传动系统 n图图3-2所示为所示为VMC-15n加工中心的主传动结构加工中心的主传动结构n (2) 刀具的自动刀具的自动n夹紧与放松夹紧与放松 n图图3-3为主轴为主轴4上刀柄夹上刀柄夹n紧与放松示意图。以碟紧与放松示意图。

3、以碟n形弹簧的弹性力拉紧，形弹簧的弹性力拉紧，n气缸的气压力松开。气缸的气压力松开。 图图3-2 图图3-33.1数控机床的主轴系统数控机床的主轴系统n 3.1.1. 对主传动系统的要求对主传动系统的要求 (1) 调速范围宽、并实现无级调速调速范围宽、并实现无级调速 n (2) 热变形小热变形小 电动机、主轴及传动件都是热源。低温升、电动机、主轴及传动件都是热源。低温升、小的热变形是对主传动系统要求的重要指标。小的热变形是对主传动系统要求的重要指标。n (3) 主轴的旋转精度和运动精度高主轴的旋转精度和运动精度高 n (4) 主轴的静刚度和抗振性较高主轴的静刚度和抗振性较高 n (5) 主轴组

4、件的耐磨性好、噪声低主轴组件的耐磨性好、噪声低n3.1.2 主传动变速的方式主传动变速的方式1带有变速齿轮的主轴传动（带有变速齿轮的主轴传动（齿轮变速、滑移齿轮的换挡齿轮变速、滑移齿轮的换挡 等）等）2通过带传动的主轴传动（通过带传动的主轴传动（复合三角带复合三角带 、多楔带、多楔带 、同步齿形带传动）、同步齿形带传动） 3用两个电机分别驱动主轴传动用两个电机分别驱动主轴传动4调速电机直接驱动主轴传动调速电机直接驱动主轴传动n 图图3-4 数控机床主传动的四种配置方式数控机床主传动的四种配置方式n (a)齿轮变速齿轮变速 (b)带传动带传动 (c)两个电机分别驱动两个电机分别驱动 (d)调速电

5、机直接驱动调速电机直接驱动运作运作5电主轴电主轴 （1）电主轴概述）电主轴概述 电主轴是由内装式电动机直接驱动的一套组件，它包括电主轴本身及其附件：高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等，其外形如图3-8所示。其主轴部件结构紧凑，重量轻，可提高启动、停止的响应特性，有利于控制振动和噪声，但制造和维护困难且成本较高。图3-8n 1)电主轴的基本参数电主轴的基本参数 电主轴的基本参数和主要规格包括：电主轴的基本参数和主要规格包括：套简直径、最高转速、输出功率、计算转速、计算转速转矩套简直径、最高转速、输出功率、计算转速、计算转速转矩和刀具接口等。和刀具接口等。 n 2)电主轴的

6、结构特点电主轴的结构特点n 机械结构最为简单，转动惯量小，因而快速响应性好，机械结构最为简单，转动惯量小，因而快速响应性好，能实现极高的速度、加能实现极高的速度、加(减减)速度和定角度的快速准停速度和定角度的快速准停(C轴控轴控制制)。n 通过采用交流变频调速或磁场矢量控制的交流主轴驱动通过采用交流变频调速或磁场矢量控制的交流主轴驱动装置，输出功率大，调速范围宽，并有比较理想的转矩一功装置，输出功率大，调速范围宽，并有比较理想的转矩一功率特性。率特性。n 可以实现电主轴部件的模块化、标准化和系列化生产。可以实现电主轴部件的模块化、标准化和系列化生产。n n（2）电主轴的基本参数与结构特点）电主

7、轴的基本参数与结构特点n1）电主轴常用的轴承）电主轴常用的轴承n 混合陶瓷球轴承混合陶瓷球轴承 磁悬浮轴承磁悬浮轴承n 2）电主轴常用的轴承配置形式）电主轴常用的轴承配置形式n 图图3-11a 仅适用负荷较小的磨削用电主轴，仅适用负荷较小的磨削用电主轴，f的后轴承为陶瓷园柱的后轴承为陶瓷园柱混合轴承混合轴承n(3) 电主轴常用的轴承及其配置形式电主轴常用的轴承及其配置形式n 图图3-11 电主轴常用的轴承配置形式电主轴常用的轴承配置形式n a)前后端单列角接触球轴承支撑前后端单列角接触球轴承支撑 b)前端两列组合，后端单列角接触球轴承支撑前端两列组合，后端单列角接触球轴承支撑 c)前后两端前后

8、两端都为双列角接触球轴承组合都为双列角接触球轴承组合 d)前端三列组合支撑，后端单列角接触球轴承支撑前端三列组合支撑，后端单列角接触球轴承支撑 e)前端三列组前端三列组合支撑，后端双列组合角接触球轴承支撑合支撑，后端双列组合角接触球轴承支撑 f)前端两列角接触球轴承组合，后端单列滚柱轴承支前端两列角接触球轴承组合，后端单列滚柱轴承支撑撑 1) 精度和静刚度 2) 临界转速 3) 残余动不平衡值及验收振动速度值 4) 噪声与套筒温升值 5) 拉紧刀具的拉力值和松开刀具所需液(气)压力的最小和最大值 6) 使用寿命值 (5) 电主轴应用场合电主轴应用场合 电主轴产品涵盖内外表面磨削、高速数控铣、高

9、速雕电主轴产品涵盖内外表面磨削、高速数控铣、高速雕铣、加工中心、铣、加工中心、PCB板数控钻铣、高速数控车、高速离心、板数控钻铣、高速数控车、高速离心、高速旋碾、高速试验等领域。其套筒直径从高速旋碾、高速试验等领域。其套筒直径从32 m m至至320 m m，转速从，转速从1 0000rmin到到240000rmin，功率从功率从0.5 k W到到80k W，转矩从，转矩从0.1 Nm到到200Nm。 n（4）电主轴的性能参数）电主轴的性能参数 3.2 主轴部件结构主轴部件结构n 数控机床的主轴部件主要有以下几个部分：主轴本体及密封装置、支承主轴的轴承、配置在主轴内部的刀具的自动夹紧装置及吹屑

10、装置、主轴的准停装置等。3.2.1 主轴本体主轴本体 n 主轴的回转精度、部件的结构刚度和抗振性、运转温度和热稳定性以及部件的耐磨性和精度保持能力等。3.2.2 主轴部件主轴部件n 1.主轴端部结构形式。n 主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在设计上应能保证定位准确、安装可靠、联接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。n图图3-14 几种机床上通用的结构形式几种机床上通用的结构形式图图3-14 几种机床上通用的结构形式几种机床上通用的结构形式 n (1) 主轴直径主轴直径 主轴直径越大，其刚度越高，尺寸相应增大，主轴直径越大，其刚度越高，尺寸相应增大，同等级精度轴承的公差值也越大。前、后轴颈

11、的差值越小则主同等级精度轴承的公差值也越大。前、后轴颈的差值越小则主轴的刚度越高，工艺性能也越好。轴的刚度越高，工艺性能也越好。n (2) 主轴内孔直径主轴内孔直径 n 主轴孔径越大，可通过的棒料直径也越大，机床的使用范围主轴孔径越大，可通过的棒料直径也越大，机床的使用范围就越广，同时主轴部件的相对重量也越轻。就越广，同时主轴部件的相对重量也越轻。n 3主轴的材料和热处理主轴的材料和热处理n 常采用的有：常采用的有：45钢、钢、38CrMoAl、GCrl5、9Mn2V，须经，须经渗氮和感应淬火。渗氮和感应淬火。n 4主轴主要精度指标主轴主要精度指标n (1) 前支承轴承轴颈的同轴度约前支承轴承

12、轴颈的同轴度约5m左右。左右。 n (2) 轴承轴颈需按轴承内孔轴承轴颈需按轴承内孔“实际尺寸实际尺寸”配磨，且须保证配配磨，且须保证配合过盈合过盈15m。 2. 主轴的主要尺寸参数主轴的主要尺寸参数n 机床主轴带着刀具或夹具在支承中进行回转运动，应能传递切削转矩承受切削抗力，这时机床主轴多采用滚动轴承、动压或静压滑动轴承作为支承。n （1）主轴轴承的类型 n5主轴部件的支承主轴部件的支承 1)滚动轴承特点特点 及应用及应用 图图3-15 (a) 锥孔双列圆柱滚子轴承 (b) 双列推力双列推力角接触球轴承角接触球轴承(c) 双列圆锥滚子轴承双列圆锥滚子轴承 (d) 带凸肩的双列圆柱滚子轴承带凸

13、肩的双列圆柱滚子轴承 (e)所示所示为带预紧弹簧的圆锥滚子轴承特点为带预紧弹簧的圆锥滚子轴承特点 及应用及应用图图3-15 主轴常用的滚动轴承主轴常用的滚动轴承 【 实例实例3-1 】数控车床主轴支承结构】数控车床主轴支承结构n 图图3-16 数控车床主轴支承结构数控车床主轴支承结构n 如图3-16所示为数控车床主轴支承结构，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，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，适用于中等转速，主轴刚性高，能承受较大的切削负载。 n n(1) 主轴滚动轴承的配置主轴滚动轴承的配置n主轴轴承的结构配置：数控机床主轴轴承常见的配置有下列主

14、轴轴承的结构配置：数控机床主轴轴承常见的配置有下列3种形式，如种形式，如图图3-17所示所示 n图图3-17 数控机床主轴支承的配置形式数控机床主轴支承的配置形式 （2）滚动轴承间隙与预紧）滚动轴承间隙与预紧 不同精度等级、不同的轴承类型和不同的工作条件的主轴部件，其轴承所需的预紧量有所不同。如在加工中心上，角接触球轴承在主轴上安装时，轴承与主轴的配合，一般采用15m的过盈配合；轴承与孔的配合，则采用05m的间隙配合。 轴承内圈移动 图图3-18 滚动轴承的预紧滚动轴承的预紧 修磨座圈或隔套修磨座圈或隔套 如图3-19(a)所示为轴承外围宽边相对(背对背)安装如图3-19 (b)所示为外围窄边

15、相对(面对面)安装 图图3-19 修磨轴承座圈修磨轴承座圈 图图3-20 隔套的应用隔套的应用（3）主轴内切屑清除装置 【 实例实例3-2 】THM6350型精密卧式加工中心主轴轴承型精密卧式加工中心主轴轴承配置配置如图3-21所示为THK6380型自动换刀数控铣镗床的主传动系统图，该机床采用双速电机和六个电磁离合器完成18级变速。图图3-21 THK6380型自动换刀数控铣镗床的主传动系统型自动换刀数控铣镗床的主传动系统5主轴部件的润滑与密封 良好的润滑效果可以降低轴承的工作温度和延长使用寿命。密封不仅要防止灰尘屑末和切削液进人，还要防止润滑油的泄漏。 n (1) 主轴轴承润滑方式 n 1)

16、 油脂润滑方式 目前在数控机床的前支承n轴承上上最常用的润滑方式。n 2) 油液循环润滑 有G A MET轴承的主轴，n后支承上采用这种润滑方式。图3-23 恒温冷却n主轴箱。n 3) 油雾润滑方式 油雾润滑方式是将油液n经高压气体雾化后从喷嘴成雾状喷 到需润n滑的部位的润滑方式。 n 图3-23 恒温冷却主轴箱n 图图3-24 油气润滑油气润滑 图图3-25 角接触轴承油液润滑角接触轴承油液润滑0.51.0mm4) 油气润滑方式 高速主轴的新型润滑方式。它是用极微量油 (81 6min约0.03cm油)润滑轴承，以抑制轴承发热。在用油液润滑角接触轴承，要注意角接触轴承有泵油效应，必须使油液从

17、小口进入，如图3-25所示。n 3n【 实例实例3-3 】典型的润滑方式】典型的润滑方式n 突入滚道式润滑方式突入滚道式润滑方式 内径为内径为1 00 mm的轴承以的轴承以2000 rmi n速度旋转时，线速度为速度旋转时，线速度为1 00 ms以下，如图以下，如图3-26所示为适应该所示为适应该要求而设计的特殊轴承。润滑油的进油口在内滚道附近，利用高要求而设计的特殊轴承。润滑油的进油口在内滚道附近，利用高速轴承的泵效应，把润滑油吸人滚道。若进油口较高，则泵效应速轴承的泵效应，把润滑油吸人滚道。若进油口较高，则泵效应差，当进油接近外滚道时则成为排放口了，油液将不能进入轴承差，当进油接近外滚道时

18、则成为排放口了，油液将不能进入轴承内部。内部。n图图3-26 突人滚道润滑用特种轴承突人滚道润滑用特种轴承3. 3 典型机床主轴的结构典型机床主轴的结构3.3.1 数控车床的主轴部件数控车床的主轴部件1卡盘n为减少数控车床装夹工件的辅助时间，广泛采用液压或气动动力自定心卡盘。为减少数控车床装夹工件的辅助时间，广泛采用液压或气动动力自定心卡盘。图图3-28所示为数控车床上采用的一种液压驱动动力自定心卡盘所示为数控车床上采用的一种液压驱动动力自定心卡盘 .n2主轴编码器主轴编码器n数控车床主轴编码器采用与主轴同步的光电脉冲发生器，其可以通过中间轴上数控车床主轴编码器采用与主轴同步的光电脉冲发生器，

19、其可以通过中间轴上的齿轮的齿轮11地同步传动，也可以通过弹性联轴器与主轴同轴安装。地同步传动，也可以通过弹性联轴器与主轴同轴安装。图图3-29 编码器编码器 图图3-30 常用弹性联轴器常用弹性联轴器图图3-28 液压驱动动力自定心夹盘液压驱动动力自定心夹盘n【 实例实例3-4 】TND360数控车床主轴部件数控车床主轴部件n如图如图3-32所示为所示为TND360数控车床主轴部件，其主轴为空心主轴，内数控车床主轴部件，其主轴为空心主轴，内孔用于通过长的棒料，直径可达孔用于通过长的棒料，直径可达60mm, 也可用于通过气动、液压夹紧也可用于通过气动、液压夹紧装置装置(动力夹盘动力夹盘)。主轴前

20、端的短圆锥面及其端面用于安装卡盘或拨盘。主轴前端的短圆锥面及其端面用于安装卡盘或拨盘。主轴前后支承都采用角接触球轴承主轴前后支承都采用角接触球轴承。 图图3-32 主轴组件主轴组件n1主轴箱主轴箱n3.3.2自动换刀数控铣床的主轴部件自动换刀数控铣床的主轴部件(1) 滑枕式 n圆形滑枕。制造工艺简便，断面面积小，抗扭惯性矩较小，且很难安装圆形滑枕。制造工艺简便，断面面积小，抗扭惯性矩较小，且很难安装附件，磨损后修复调整困难，现已很少采用。附件，磨损后修复调整困难，现已很少采用。n矩形或方形滑枕。有比较好的接近工件性能，其滑枕行程可做得较好，矩形或方形滑枕。有比较好的接近工件性能，其滑枕行程可做

21、得较好，端面有附件安装部位，工艺适应性较强，磨损后易于调整。国内、外以长端面有附件安装部位，工艺适应性较强，磨损后易于调整。国内、外以长方形滑枕采用较多。方形滑枕采用较多。 n棱形、八角形滑枕。棱形、八角形滑枕的断面工艺性较差。棱形、八角形滑枕。棱形、八角形滑枕的断面工艺性较差。 (2) 主轴箱移动式 主轴箱移动式：工艺适应性增强，接近工件性能差工艺适应性增强，接近工件性能差 滑枕主轴箱移动式：具有主轴箱移动式的传动链短、输出功率大及制造具有主轴箱移动式的传动链短、输出功率大及制造 方便等优点方便等优点 。n 图图3-37为为THK6380加工加工中心主轴部件结构图。其结构如下：中心主轴部件结

22、构图。其结构如下： 刀具自动夹紧装置刀具自动夹紧装置 刀夹刀夹1内孔用来安装刀具，刀夹内孔用来安装刀具，刀夹1的夹紧与的夹紧与松开动作由弹簧夹头松开动作由弹簧夹头2和轴向拉紧机构控制。和轴向拉紧机构控制。弹簧夹头弹簧夹头2与拉套与拉套10螺纹联接，拉套螺纹联接，拉套10左端左端螺纹部分开有轴向槽，其内孔为锥孔，锁紧螺纹部分开有轴向槽，其内孔为锥孔，锁紧件件8旋入拉套旋入拉套10左端内螺纹孔内，在锁紧件左端内螺纹孔内，在锁紧件8外锥体作用下，使拉套外锥体作用下，使拉套10开有轴向槽的开有轴向槽的螺纹部分与弹簧夹头螺纹部分与弹簧夹头2上的螺纹联接撑死上的螺纹联接撑死而紧住。而紧住。 n【 实例实例

23、3-5 】THK6380加工加工n中心主轴部件结构中心主轴部件结构n主轴主轴11后端有碟形弹簧后端有碟形弹簧18，在弹簧力作用下，在弹簧力作用下，拉套拉套1 0向右拉紧弹簧夹头向右拉紧弹簧夹头2，将刀夹，将刀夹1紧紧夹紧紧夹住。为使刀夹住。为使刀夹1在主轴孔内准确定位，固定在在主轴孔内准确定位，固定在主轴主轴11上的小轴上的小轴6上有一定位螺钉上有一定位螺钉5，其端面，其端面即是刀夹即是刀夹l的轴向定位面。装在拉杆的轴向定位面。装在拉杆9右端的碟右端的碟形弹簧形弹簧20使拉杆使拉杆9经常承受向右的弹簧力作用，经常承受向右的弹簧力作用，固定在拉杆固定在拉杆9左端定位套筒左端定位套筒7内的钢球内的

24、钢球4就将刀就将刀夹夹1右端轴颈夹持向右拉动，直至刀夹右端轴颈夹持向右拉动，直至刀夹l右端面右端面紧靠在定位螺钉紧靠在定位螺钉5的定位端面上。的定位端面上。 3.4 3.4主轴的准停主轴的准停n主轴的准停功能又称为主轴定位功能，即当主轴停止主轴的准停功能又称为主轴定位功能，即当主轴停止时，控制其停于固定位置，这是自动换刀所必需的功时，控制其停于固定位置，这是自动换刀所必需的功能。主轴准停换刀如图能。主轴准停换刀如图3-38所示。当加工阶梯孔或精所示。当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时，为防止刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已镗孔后退刀时，为防止刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面，必须先让刀，再退刀，因

25、此，刀具精加工的孔表面，必须先让刀，再退刀，因此，刀具就必须具有定位功能。主轴准停阶梯孔或精镗孔如图就必须具有定位功能。主轴准停阶梯孔或精镗孔如图3-39所示。所示。 图图3-38 图图3-39n主轴准停功能分为机械准停和电气准停。主轴准停功能分为机械准停和电气准停。 1机械准停控制机械准停控制 机械机械准停控制采用机械凸轮等机构和光电盘方式机械机械准停控制采用机械凸轮等机构和光电盘方式进行初定位，然后由一个定位销进行初定位，然后由一个定位销(由液动或气动由液动或气动)插入插入主轴上的销孔或销槽来完成精定位，换刀后定位销退主轴上的销孔或销槽来完成精定位，换刀后定位销退出，主轴才可旋转。出，主轴

26、才可旋转。n 2电气准停控制电气准停控制n优点：优点： 1)简化机械结构。简化机械结构。2)缩短准停时间。缩短准停时间。 3)可靠可靠性增加（无需复杂的机械、开关和液压缸等装置）。性增加（无需复杂的机械、开关和液压缸等装置）。 4)性能价格比提高。目前电气准停通常有以下三种方性能价格比提高。目前电气准停通常有以下三种方式。式。1) 磁传感器主轴准停控制磁传感器主轴准停控制 （2) 编码器主轴准停编码器主轴准停控制控制 （3) 数控系统主轴准停控制数控系统主轴准停控制机床主轴部件装配调整时应注意机床主轴部件装配调整时应注意4点点对于主轴部件的调整，重点要注意对于主轴部件的调整，重点要注意7个部个

27、部位位【 实例实例2-3 】 THK6380加工中心主轴部件的拆加工中心主轴部件的拆卸与调整卸与调整(参考图参考图3-24)拆卸与调整拆卸与调整18个步骤个步骤n3.5 主轴部件的装配及调整主轴部件的装配及调整 3.6 3.6 主轴部件的维护主轴部件的维护n 1防泄漏防泄漏 在密封件中，被密封的介质往往是以穿漏、渗透或扩散的形在密封件中，被密封的介质往往是以穿漏、渗透或扩散的形式越界泄漏到密封连接处的彼侧。主轴的密封有接触式和非接触式越界泄漏到密封连接处的彼侧。主轴的密封有接触式和非接触式密封。式密封。 n图图3-45 非接触式密封非接触式密封 图图3-46 接触式密封接触式密封n 1一端盖一

28、端盖 2一螺母一螺母 1一甩油环一甩油环 2一油毡圈一油毡圈 n 3一耐油橡胶密封圈一耐油橡胶密封圈 2 .主传动链的维护主传动链的维护主要有：主要有：n 主传动链出现不正常现象时，应立即停机排除故障。主传动链出现不正常现象时，应立即停机排除故障。n操作者应注意观察主轴油箱温度，检查主轴润滑恒温油箱，调节操作者应注意观察主轴油箱温度，检查主轴润滑恒温油箱，调节温度范围，使油量充足。温度范围，使油量充足。n注意保持主轴与刀柄连接部位及刀柄的清洁，防止对主轴的机械注意保持主轴与刀柄连接部位及刀柄的清洁，防止对主轴的机械碰击。碰击。n每年对主轴润滑恒温油箱中的润滑油更换一次，并清洗过滤器。每年对主轴润滑恒温油箱中的润滑油更换一次，并清洗过滤器。n每天检查主轴润滑恒温油箱，使其油量充足，工作正常