第二讲 数控机床主轴部件.ppt

第二讲数控机床主轴部件 武汉船舶职业技术学院机械工程学院 主讲教师周兰 数控机床装调与维修 本讲主要内容 对主轴驱动的要求主轴驱动装置和主轴部件功率特性的匹配数控机床主轴传动方式 特点及应用范围主轴的支承方式数控机床典型主轴部件 一 对主运动部件要求 1 转速高 功率大 数控机床主轴驱动要求有较大的调速范围 以满足各种工况的切削 获得最合理的切削速度 从而保证加工精度 加工表面质量及高的生产效率 特别是对于具有自动换刀装置的加工中心 为适应各种刀具 各种材料的加工 对主轴的调速范围要求更高 2 调速范围宽并实现无级变速 数控机床主轴的速度是由数控加工程序中的 指令控制的 要求能在较大的转速范围内进行无级连续调速 减少中间传动环节 简化主轴的机械结构 一般要求主轴具备1 100 1000 的恒转矩调速范围和1 10的恒功率调速范围 3 具有恒线速度切削控制功能 利用车床和磨床进行工件端面加工时 为了保证端面加工时粗糙度的一致性 要求刀具切削的线速度为恒定值 随着刀具的径向进给 切削直径的逐渐减小 应不断提高主轴转速 并维持线速度 n D为常数 式中 是切削线速度 为主轴转速 为加工时切削直径 在控制系统中 可由坐标轴的进给量算出 然后计算出对应的主轴转速 以保证切削的线速度保持不变 4 能够实现刀具自动更换 5 传动链尽可能短 二 主轴驱动装置和主轴部件 功率特性的匹配 1 主轴驱动电机的机械特性分析 低速时恒转矩特性高速时恒功率特性 三 数控机床主运动实现方式 分段无级变速 1 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 分段无级变速图例 分段无级变速 2 分段无级变速特点 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 分段无级变速 3 在带有齿轮变速的主传动系统中 液压拨叉和电磁离合器是两种常用的变速操纵方式 液压拨叉工作原理能够带动滑移齿轮移动实现变速 当 通油 卸荷 滑移齿轮在最左侧 当 通油 卸荷 滑移齿轮在最右侧 当 同时通油 套筒在最右侧 活塞杆顶在套筒上 滑移齿轮在中间位置 三位液压拨叉工作原理图 2 数控机床主轴带传动变速 主轴带传动变速主要是将电机的旋转运动通过带传动传递给主轴 这种传动方式多见于数控车床和中 小型加工中心 它可避免齿轮传动时引起的振动与噪声 带传动变速图例 2 数控机床主轴带传动变速 数控机床主轴带传动变速常用多楔带和同步带 同步带又称为同步齿形带 按齿形不同又可分为梯形齿同步带和圆弧齿同步带两种 其中梯形齿多用在转速不高或小功率动力传动中 而圆弧齿多用在数控加工中心等要求较高的数控机床主运动传动系统中 同步齿形带纵向断面图 梯形齿 圆弧齿 2 数控机床主轴带传动变速同步带特点 无滑动 传动比准确 传动效率高 可达98 传动平稳 噪声小 带传动具有吸振的功能 使用范围较广 速度可达50m s 传动比可达10左右 传递功率由几瓦至数千瓦 维修保养方便 不需要润滑 3 调速电机直接驱动主轴传动 数控机床 般采用直流或交流主轴伺服电动机直接驱动主轴实现无级变速 交流主轴电动机及交流变频驱动装置 笼型感应交流电动机配置矢量变换变频调速系统 由于没有电刷不产生火花 所以使用寿命长 且性能已达到直流驱动系统的水平 甚至在噪声方面还有所降低 因此 目前应用较为广泛 电机直接驱动原理图 3 调速电机直接驱动主轴传动主轴传递的功率或转矩与转速之间关系 图示中 当机床处在连续运转状态时 主轴的转速在437 3500r min范围内 主轴传递电动机的全部功率为llkW 为主轴的恒功率区域 图中实线部分 在这个区域内 主轴的最大输出扭矩 245N m 随着主轴转速的增高而变小 主轴转速在35 437r min范围内 主轴的输出转矩不变 称为主轴的恒转矩区域 图中实线部分 在这个区域内 主轴所能传递的功率随着主轴转速的降低而减小 主轴功率转矩特性曲线 四 主轴的支承方式 1 数控机床主轴部件常用轴承类型锥孔双列圆柱滚子轴承 内圈为l 12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 锥孔双列圆柱滚子轴承图例 1 数控机床主轴部件常用轴承类型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 双列推力向心球轴承图例 1 数控机床主轴部件常用轴承类型双列圆锥滚子轴承 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 双列圆锥滚子轴承图例 1 数控机床主轴部件常用轴承类型角接触球轴承 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 角接触球轴承图例 1 数控机床主轴部件常用轴承类型角接触球轴承 2 角接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 角接触球轴承成对使用时的几种安装方式 a b c 2 主轴常见支承方式 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 如图a 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 2 主轴常见支承方式 前支承采用高精度双列向心推力球轴承 如图b 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 2 主轴常见支承方式 前后支承采用双列和单列圆锥滚子轴承 如图c 这种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 数控机床主轴常见支承方式图例 3 主轴支承的典型结构 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 数控车床主轴支承图例 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 卧式铣床主轴支承图例 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 卧式镗铣床主轴支承图例 五 数控机床典型主轴部件 1 高速主轴与电主轴 1 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 高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化 取消了带传动和齿轮传动 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 电主轴的结构和系统基本配置 1 高速主轴与电主轴 2 国内外专业的电主轴制造厂已可供应几百种规格的电主轴 其套筒直径从32mm至320mm 转速从10000r min到150000r min 功率从0 5kW到80kW 转矩从0 1N m到300N m 除可满足各类高速切削的要求外 还可供应各种规格带锥柄用于现有普通加工中心 铣床 钻床作增速用的电主轴 用于普通加工中心作增速用的电主轴图例 1 高速主轴与电主轴 3 国际上著名的电主轴生产厂家 瑞士FISCHER公司 IBAG公司和STEP UP公 司 德国的GMN公司和FAG公司 美国的PRECISE公司 意大利的GAMFIOR公司和FOEMAT公司 日本的NSK公司和KOYO公司 瑞典的SKF公司等 1 高速主轴与电主轴 4 电主轴的基本参数和主要规格套筒直径 最高转速 输出功率 转矩和刀具接口等 其中套筒直径为电主轴的主要参数 1 高速主轴与电主轴 5 高速电主轴的典型结构 1 主轴由前后两套滚珠轴承来支承 电动机的转子用压配合的方法安装在机床主轴上 处于前后轴承之间 由压配合产生的摩擦力来实现大转矩的传递 1 高速主轴与电主轴 5 高速电主轴的典型结构 2 电动机的定子通过一个冷却套固装在电主轴的壳体中 这样 电动机的转子就是机床的主轴 电主轴的箱体就是电动机座 成为机电一体化的一种新型主轴系统 主轴的转速用电动机的变频调速与矢量控制装置来改变 在主轴的后部安装有齿盘和测速 测角传感器 主轴前端外伸部分的内锥孔和端面 用于安装和固定加工中心可换的刀柄 电主轴典型结构图例 2 JCS 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 1 主轴2 拉钉3 钢球 4 前支承 5 锁紧螺母6 后支承7 拉杆 8 蝶形弹簧9 圆柱弹簧10 活塞 11 液压缸 2 JCS 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 2 JCS 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 2 JCS 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 钢球失去对拉钉 2 的作用 取刀 2 JCS 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 2 JCS 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 2 JCS 018A加工中心主轴部件 7 机床的切削转矩是由主轴上的 主轴转矩的传递端面键来传递的 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 2 JCS 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