(5)数控车床的主轴系统.ppt

1、数控车床主轴系统,本章内容,1.数控车床主传动系统的特点 2.主传动系统的要求 3.主传动系统的传动方式 4.主轴驱动系统,1.数控车床主传动系统的特点,与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点。 （1）转速高、功率大。它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。 （2）变速范围宽。数控机床的主传动系统有较宽的调速范围，一般Ra100，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。,（3）主轴变速迅速可靠，数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流主轴电动机的调速系统日趋完善，所以不仅能够方便地实现

2、宽范围无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。 （4）主轴组件的耐磨性高，使传动系统具有良好的精度保持性。凡有机械摩擦的部位，如轴承、锥孔等都有足够的硬度，轴承处还有良好的润滑。,2.主传动系统的要求,（1）主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，能够实现运动的开停、变速、换向和制动，以满足机床的运动要求。 （2）主电机具有足够的功率，全部机构和元件具有足够的强度和刚度，以满足机床的动力要求。 （3）主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗震性，热变形和噪声要小，传动效率高，以满足机床的工作性能要求。 （4）操作灵活可靠，维修方便，润滑密封良好，以满足机床的

3、使用要求。 （5）结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。,3.主传动系统的传动方式,数控机床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。在主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系统。为扩大调速范围，适应低速大转矩的要求，也经常应用齿轮有级调速和电动机无级调速相结合的调速方式。,（1）带有变速齿轮的主传动 大、中型数控机床采用这种变速方式。如图（a）所示，通过少数几对齿轮降速，扩大输出转矩，一满足主轴低速时对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。滑移齿轮的移位大都采用液压缸加拨

4、叉，或者直接由液压缸带动齿轮来实现。,特点： 采用少数几对齿轮降速 主轴电机仍然为无极变速 转矩大 噪声大 一般用于较低速加工,（2）通过带传动的主传动 如图（b）所示，这种传动主要应用于转速较高、变速范围不大的机床。电动机本身的调速能够满足要求，不用齿轮变速，可以避免齿轮传动引起的振动与噪声。它适用于高速、低转矩特性要求的主轴。,分类 （1）平带传动 （2）V带传动 （3）特殊截面带传动 （4）同步齿形带传动,平带传动,平带的横截面是扁平矩形，工作面是与轮缘接触的内表面。平带一般是由橡胶布带用接头联接成环形带，故传动不够平稳，常用于中心距较大的情况。由于平带可扭曲，在小功率传动中可用来进行交

5、叉或半交叉传动。,V型带传动,在一般机械传动中，应用最为广泛的是带传动。带的横截面呈等腰梯形，传动时，以两侧为工作面，但带与轮槽槽底不接触。在同样的张紧力下，带传动较平带传动能产生更大的摩擦力，这是带传动性能上的最大优点。,V带的横剖面结构： 常见带的横剖面结构由包布、顶胶、抗拉体、底胶等部分组成，按抗拉体结构可分为绳芯带和帘布芯带两种。帘布芯带，制造方便，抗拉强度好；绳芯带柔韧性好，抗弯强度高，适用于转速较高，载荷不大和带轮直径较小的场合。,特殊截面带 特殊截面带又可分为圆带和多楔带。圆带多用于小功率传动，多楔带综合了平带弯曲应力小和V带摩擦力大的优点，传递功率大，能避免多根V带传动时各带受

6、力不均的缺陷。,同步齿形带,这是一种特殊的带传动。带的工作面做成齿形，带轮的轮缘表面也做成相应的齿形，带与带轮主要靠啮合进行传动,齿形带分类 齿形带根据齿形的不同又分为梯形齿同步带和圆弧齿同步带。,带传动时，总是优先选用圆弧齿同步带。 梯形齿同步带，一般仅在转速不高的或小功率的动力传动中使用。,齿形带的结构 齿形带的结构由强力层和带体两部分组成,齿形带的安装,与普通带传动相比，同步齿形带传动的特点是： 钢丝绳制成的强力层受载后变形极小，齿形带的周节基本不变,带与带轮间无相对滑动,传动比恒定、准确； 齿形带薄且轻，可用于速度较高的场合，传动时线速度可达40米/秒，传动比可达10，传动效率可达98

7、%； 结构紧凑，耐磨性好； 由于预拉力小，承载能力也较小； 制造和安装精度要求甚高，要求有严格的中心距，故成本较高。同步齿形带传动主要用于要求传动比准确的场合，如计算机中的外部设备、电影放映机、录像机和纺织机械等。,（3）用两个电动机分别驱动主轴 如图（c）所示，这是上述两种方式的混合传动，具有上述两种性能。高速时电动机通过带轮直接驱动主轴旋转；低速时，另一个电动机通过两级齿轮传动驱动主轴旋转，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，克服了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的缺陷。,（4）内装电动机主轴传动结构 （电主轴） 如图（d）所示，这种主传动方式大大

8、简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴影响较大,电主轴,电主轴（剖视图）,特点： 电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点 而且转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。 电主轴轴承采用高速轴承技术，耐磨，耐热，寿命是传统轴承的几倍。,4.主轴驱动系统,数控机床使用的主轴驱动系统，可分为直流主轴驱动系统和交流主轴驱动系统两大类。 电动机可分为三相异步电动机和伺服电动机 其中主轴驱动装置分为模拟量主轴驱动装置（变频器）和串行数字主轴驱动装置,数控机床主轴驱动装置,模拟量主轴驱动装置（

9、变频器）,串行数字主轴驱动装置,三相笼型异步电动机,伺服电动机,不同类型的主轴系统的特点和使用范围,1、普通笼型异步电动机配齿轮变速箱 这是最经济的一种方法主轴配置方式，但只能实现有级调速，由于电动机始终工作在额定转速下，经齿轮减速后，在主轴低速下输出力矩大，重切削能力强，非常适合粗加工和半精加工的要求。,可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有工作在约500转/分钟以上才能有比较满意的力矩输出，否则，特别是车床很容易出现堵转的情况，一般会采用两挡齿轮或皮带变速，但主轴仍然只能工作在中高速范围，另外因为受到普通电动机最高转速的限制，主轴的转速范围受到较大的限制。 这种方案适用于需要无级调速但对低

10、速和高速都不要求的场合，例如数控钻铣床。国内生产的简易型变频器较多。,2、普通笼型异步电动机配简易型变频器,3、普通笼型异步电动机配通用变频器,目前进口的通用变频器，除了具有U/f曲线调节，一般还具有无反馈矢量控制功能，会对电动机的低速特性有所改善，配合两级齿轮变速，基本上可以满足车床低速（100200转/分钟）小加工余量的加工，但同样受最高电动机速度的限制。这是目前经济型数控机床比较常用的主轴驱动系统。,4、专用变频电动机配通用变频器,中档数控机床主要采用这种方案，主轴传动两挡变速甚至仅一挡即可实现转速在100200r/min左右时车、铣的重力切削。一些有定向功能的还可以应用与要求精镗加工的

11、数控镗铣床，若应用在加工中心上，还不很理想，必须采用其他辅助机构完成定向换刀的功能，而且也不能达到刚性攻丝的要求。,5、伺服主轴驱动系统,伺服主轴驱动系统具有响应快、速度高、过载能力强的特点，还可以实现定向和进给功能，当然价格也是最高的，通常是同功率变频器主轴驱动系统的2-3倍以上。伺服主轴驱动系统主要应用于加工中心上，用以满足系统自动换刀、刚性攻丝、主轴C轴进给功能等对主轴位置控制性能要求很高的加工。,直流主轴驱动系统得特点,1、调速范围宽。采用直流主轴驱动系统的数控机床通常只设置高、低两级速度的机械变速机构，电动机的转速由主轴驱动器控制，实现无级变速，因此，它必须具有较宽的调速范围。 2、

12、直流主轴电动机通常采用全封闭的结构形式，可以在有尘埃和切削液飞溅的工业环境中使用。 3、主轴电动机通常采用特殊的热管冷却系统，能将转子产生的热量迅速向外界发散。此外，为了使电动机发热最小，定子往往采用独特附加磁极，以减小损耗，提高效率。,4、直流主轴驱动器主回路一般采用晶闸管三相全波整流，以实现四象限的运行。 5、主轴控制性能好。为了便于与数控系统的配合，主轴伺服器一般都带有D/A转换器、“使能”信号输入、“准备好”输出、速度/转矩显示输出等信号接口。 6、纯电气主轴定向准停控制功能。由于换刀、精密镗孔、螺纹加工等需要，数控机床的主轴应具有定向准停控制功能，而且应由电气控制系统自动实现，以进一步缩短定位时间，提高机床效率。,交流主轴驱动系统特点,1、由于驱动系统必须采用微处理器和现代控制理论进行控制，因此其运行平稳、振动和噪声小。 2、驱动系统一般都具有再生制动功能，在制动时，既可将电动机能量反馈回电网，起到节能的效果，又可以加快起制动速度。 3、特别是对于全数字式主