数控机床的主传动系统分析课件(PPT 48页)

1、机械工业出版社数控机床第1页，共48页。第二章 数控机床的典型系统主传动的系统要求2.1.1主传动分类2.1.2主轴部件2.1.32.1 数控机床的主传动系统第2页，共48页。 主传动系统是用来实现机床主运动的，它应具有一定的转速和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。2.1.1 主传动的系统要求第二章 数控机床的典型系统第3页，共48页。1转速高、功率大 由于对高效率日益增长的要求，加之刀具材料和技术的进步，大多数数控机床均要求有足够高的功率来满足高速强力切削，实现高效率加工。 一般数控机床的主轴驱动功率

2、在3.7250kW之间。 主电动机应具有足够的功率，全部机构和元件应具有足够的强度和刚度，以满足机床的动力要求。2.1.1 主传动的系统要求第二章 数控机床的典型系统第4页，共48页。2.具有更大的调速范围并实现无级调速 为保证能选用合理的切削用量，获得更高的生产率、加工精度和表面质量，要求能在较大的调速范围内实现无级调速。调速范围有恒转矩和恒功率调速范围两种。要求恒功率调速范围尽可能大，以便在尽可能低的速度下，利用其全功率。 另外，变速范围负载波动时，速度应稳定。一般要求主轴具备1(1001000)的恒转矩调速范围和110的恒功率调速范围。现在，数控机床的主轴的调速范围一般为：1001000

3、0r/min，且能无级调速。2.1.1 主传动的系统要求第二章 数控机床的典型系统第5页，共48页。3控制功能的多样化 同步控制功能：在车削中心上，为使之具有螺纹车削功能，要求主轴与进给驱动实行同步控制，即主轴上安装了脉冲编码器。 主轴准停功能：在加工中心上，要求主轴具有高精度的准停功能，以保证换刀位置的准确以及某些加工工艺的需要。 具有恒线速度切削控制功能：利用车床和磨床加工工件端面时，为了保证端面表面粗糙度的一致性，要求刀具切削的线速度为恒定值。 C轴控制功能：在车削中心上，要求主轴具有C轴控制功能。2.1.1 主传动的系统要求第二章 数控机床的典型系统第6页，共48页。2.1.1 主传动

4、的系统要求4. 高精度与刚度，传递平稳，噪声低 数控机床加工精度与主轴系统精度密切相关。为此，要提高传动件的制造精度与刚度，可以对齿轮齿面高频感应加热淬火，以增加耐磨性；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用精度高的轴承及合理的支承结构等，提高主轴组件刚性。第二章 数控机床的典型系统第7页，共48页。5良好的抗振性和热稳定性 数控机床加工时，可能受到断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自振等原因而引起的冲击力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度。主轴系统发热使其中的零部件产生热变形，降低传动效率，破坏零部件之间的相对位置精度和运动精度，造成加工误差。 为此，主

5、轴组件要有较高的固有频率，实现动平衡，保持合适的配合间隙并进行循环润滑等。 2.1.1 主传动的系统要求第二章 数控机床的典型系统第8页，共48页。6电动机性能要求高 一般要满足以下性能要求：过载能力要强，要求有较长时间(130min)和较大倍数的过载能力，在断续负载下，电动机转速波动要小；速度响应要快，升降速时间要短； 温升要低，振动和噪声要小；可靠性高，寿命长，维护容易；体积小，重量轻，与机床联接容易。 此外，为了获得更高的运动精度，要求主传动传动链尽可能短。2.1.1 主传动的系统要求第二章 数控机床的典型系统第9页，共48页。1带有变速齿轮的主轴传动 如图2-1a所示，这是大中型数控机

6、床较常采用的配置方式，通过少数几对齿轮传动，扩大变速范围，确保低速时有较大的转矩，以满足主轴输出转矩特性的要求。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，使之成为分段无级变速。滑移齿轮的移位大多采用液压拨叉或直接由液压缸驱动齿轮来实现。一部分小型数控机床也采用此种传动方式，以获得强力切削时所需要的转矩。 2.1.2 主传动分类第二章 数控机床的典型系统第10页，共48页。2.1.2 主传动分类第二章 数控机床的典型系统第11页，共48页。2通过带传动的主轴传动 如图2-1b所示，这种传动主要用于转速较高、变速范围不大的小型数控机床，由交流电动机通过传动带直接带动主轴。电动机本身的

7、调整就能够满足要求，不用齿轮变速，可以避免由齿轮传动所引起的振动和噪声。只适用于高速低转矩特性要求的主轴。2.1.2 主传动分类第二章 数控机床的典型系统第12页，共48页。2.1.2 主传动分类第二章 数控机床的典型系统第13页，共48页。 常用的传动带有多楔带和同步齿形带。多楔带又称为复合三角带，其横向断面如 图2-2a所示，传递负载主要靠强力层。多楔带综合了V带和平带的优点，运转时振动小、发热少、运转平稳、重量小，可在40ms的线速度下使用。此外，多楔带与带轮的接触好、负载分布均匀，即使瞬时超载，也不会产生打滑，而传递功率比V带大20%30%，因此能够满足主传动高速、大转矩和不打滑的要求

8、。但是多楔带的缺点是在安装时需要较大的张紧力，使主轴和电动机承受较大的径向负载。2.1.2 主传动分类第二章 数控机床的典型系统第14页，共48页。2.1.2 主传动分类第二章 数控机床的典型系统第15页，共48页。 多楔带按齿距可分为三种规格：J型齿距为2.4mm，L型齿距为4.8mm，M型齿距为9.5mm，可依据需要传送的功率及需要达到的转速进行选择。 同步齿形带传动综合了带传动和链传动的优点，带型有梯形齿和圆弧齿，如图2-1b所示。 如图2-3所示，同步齿形带工作面上的齿形与带轮的齿槽啮合，进行无滑动的啮合传动。2.1.2 主传动分类第二章 数控机床的典型系统第16页，共48页。 与一般

9、带传动相比，同步齿形带传动具有如下优点： (1)传动效率高，可达98%以上。 (2)无滑动，传动比准确。 (3)传动平稳，噪声小。 (4)使用范围较广，速度可达50ms，速比 可达 10 左右，传递功率由几瓦至数千瓦。 (5)维修保养方便，不需要润滑。 (6)安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。2.1.2 主传动分类第二章 数控机床的典型系统第17页，共48页。2.1.2 主传动分类第二章 数控机床的典型系统第18页，共48页。3调速电动机直接驱动主轴传动 由调速电动机直接驱动主轴传动如图2-1c所示。调速电动机与主轴用联轴器同轴联接，如图2-4所示。它大大简化了主轴箱体与主

10、轴的结构，重量轻，惯量小，提高了主轴起动、停止的响应特性。同时，有效地提高了主轴部件的刚度，并利于控制振动和噪声。但主轴输出的转矩小，电动机运转产生的振动和热量将直接影响到主轴，电动机运转产生的热量易使主轴产生热变形。 2.1.2 主传动分类第二章 数控机床的典型系统第19页，共48页。2.1.2 主传动分类第二章 数控机床的典型系统第20页，共48页。 2.1.2 主传动分类第二章 数控机床的典型系统第21页，共48页。4用两个电动机分别驱动主轴传动 用两个电动机分别驱动主轴传动如图2-1d所示，它是齿轮变速和带传动两种方式的混合传动，具有上述两种方式的性能。高速时，由一个电动机通过带传动；

11、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，这样就使恒功率区增大，扩大了变速范围，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。但两个电动机不能同时工作，是一种浪费。2.1.2 主传动分类第二章 数控机床的典型系统第22页，共48页。2.1.2 主传动分类第二章 数控机床的典型系统第23页，共48页。5内装式电主轴 目前，随着电气传动技术(变频调速技术、电动机矢量控制技术等)的迅速发展和日趋完善，主传动系统的机械结构已得到极大的简化。具备高转速和高精度、高速精密和高效率特性的数控机床电主轴应运而生。机床主轴由内装式电动机直接驱动(如图2-1e)，从而把机床主传动

12、链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。2.1.2 主传动分类第二章 数控机床的典型系统第24页，共48页。2.1.2 主传动分类第二章 数控机床的典型系统第25页，共48页。 这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频轴”。由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接传动主轴”。2.1.2 主传动分类第二章 数控机床的典型系统第26页，共48页。 主轴部件包括主轴的支承和传动零件，主要由以下零部件组成：主轴、轴承、传动零件、装夹刀具或工件

13、的附件及辅助零部件。1、主轴 主轴是主轴部件的重要组成部分，它的结构、尺寸、制造精度、材料及其热处理，对主轴部件性能都有很大的影响。主轴结构随主轴系统设计要求的不同而有多种形式，一般为空心阶梯轴，前端径向尺寸大，中间径向尺寸逐渐减小，尾部径向尺寸最小。2.1.3 主轴部件第二章 数控机床的典型系统第27页，共48页。 (1)主轴的主要尺寸参数 1)主轴直径。 2)主轴内孔直径。 3)悬伸长度。 4)主轴的支承跨距。 (2)主轴端部的结构形状 图2-5所示为数控机床所通用的几种主轴端部的 结构形式。 a)车床主轴端部 b)铣、镗类机床主轴端部 c)外圆磨床砂轮主轴端部 d)内圆磨床砂轮主轴端部

14、2.1.3 主轴部件第二章 数控机床的典型系统第28页，共48页。第二章 数控机床的典型系统2.1.3 主轴部件第29页，共48页。2.1.3 主轴部件 (3)常用的卡盘结构 图2-6为某数控车床上采用的一种液压驱动动力自定心卡盘，由固定在主轴后端的液压缸5和固定在主轴前端的卡盘3组成，活塞4可以带动卡盘内的驱动爪1驱动卡爪2夹紧或松开工件，并通过行程开关6和7发出相应信号，其夹紧力的大小通过调整液压系统压力控制。这种结构结构紧凑，动作灵敏，能够实现较大的夹紧力。第二章 数控机床的典型系统第30页，共48页。2.1.3 主轴部件第二章 数控机床的典型系统 图2-6液压驱动动力自定心卡盘 1驱动

15、卡爪2卡爪3卡盘4活塞杆5液压缸6、7行程开关 第31页，共48页。2.1.3 主轴部件 (4)主轴内部刀具自动夹紧机构 图2-7为ZHS-K63型加工中心主轴内部刀具夹紧机构 第二章 数控机床的典型系统第32页，共48页。2.1.3 主轴部件 2主轴轴承 (1)轴承的类型 1)滚动轴承。 (a)深沟球轴承。如图2-8 (b)角接触球轴承。如图2-8 (c)双向推力角接触球轴承。如图2-8 (d)双列圆柱滚子轴承。如图2-8 (e)圆锥滚子轴承。如图2-8 2)滑动轴承。 第二章 数控机床的典型系统第33页，共48页。2.1.3 主轴部件。第二章 数控机床的典型系统第34页，共48页。 (2)

16、 主轴轴承的支撑形式 数控机床主轴带动刀具或夹具在支承中作回转运动，应能传递切削转矩承受切削抗力，并保证必要的旋转精度。主轴轴承的支撑形式主要取决于主轴转速特性的速度因素和对主轴刚度的要求。主轴轴承常见的支撑形式有以下三种，如图2-9所示。第二章 数控机床的典型系统2.1.3 主轴部件第35页，共48页。第二章 数控机床的典型系统2.1.3 主轴部件第36页，共48页。 3主轴的准停装置 主轴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能。在自动换刀的镗铣加工中心上，切削的转矩通常是通过刀柄的端面键来传递的，这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的功

17、能，如图2-10所示。另外当精镗孔后退刀时，为防止刀具拉毛已精加工的孔表面，必须先让刀，再退刀，因此，刀具就必须具有定位功能。第二章 数控机床的典型系统2.1.3 主轴部件第37页，共48页。第二章 数控机床的典型系统2.1.3 主轴部件图2-10主轴准停换刀 第38页，共48页。 电气准停有磁传感器准停、编码器型准停和数控系统准停。常用的磁传感器准停装置如图2-11所示，它是在主轴上安装一个发磁体，使之与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹12mm处固定一个磁传感器。磁传感器经过放大器与主轴控制单元联接，当主轴需要定向准停时，便控制主轴停止在调整好的位置上。 第二章 数控机床的典型系统2.1

18、.3 主轴部件第39页，共48页。第二章 数控机床的典型系统2.1.3 主轴部件图2-11磁传感器准停 第40页，共48页。 4主轴的润滑与密封 (1)主轴的润滑 1)油脂润滑方式。 2)油液循环润滑。 3)油雾润滑方式。 4)油气润滑方式。 5)喷注润滑方式。 油气润滑方式润滑原理如图2-12所示。系统通过油箱中的油位开关2和管路中的压力开关7检测油箱无油或压力不足的情况，从而自动切断主电动机电源。第二章 数控机床的典型系统2.1.3 主轴部件第41页，共48页。2.1.3 主轴部件第二章 数控机床的典型系统图2-12油气润滑原理1油箱2油位开关3定量柱塞式分配器4混合物形成阀5喷嘴6时间继

19、电器7压力开关8压力表9过滤器10电磁阀11泵 第42页，共48页。 (2) 主轴的密封 主轴的密封分接触式和非接触式两种。图2-13是几种非接触式密封的形式：其中图2-13a利用轴承盖与轴的间隙密封，为了提高密封效果，轴承盖的孔内开槽。这种密封形式用在工作环境比较清洁的油脂润滑处；图2-13b在螺母的外圆上开锯齿形环槽，当油向外流时，靠主轴传动的离心力把油沿斜面甩到端盖的空腔内，油液流回箱内；图2-13c是迷宫式密封结构，在切屑多、灰尘大的工作环境下可获得可靠的密封效果，适用于油脂或油液润滑。在用非接触式的油液密封时，应保证回油孔的畅通，以便回油能尽快排掉，以免泄漏。 接触式密封主要有油毡圈和耐油橡胶密封圈密封