2数控机床的主传动系统

数控机床的主传动系统 教学目的与要求 1 了解对主传动系统的基本要求 变速方式 2 了解主传动系统的组成 掌握数控车 数控铣 加工中心等几种典型机床的主轴部件 理解电主轴的结构及应用 本章重点 数控车 数控铣 加工中心等几种典型机床的主轴部件的组成及作用本章难点 电主轴 一 概述1 概念主运动是机床实现切削的基本运动 即驱动主轴运动的系统 在切削过程中 它为切除工件上多余的金属提供所需的切削速度和动力 是切削过程中速度最高 消耗功率最多的运动 主传动系统是 由主轴电机经一系列传动元件和主轴构成的具有运动 传动联系的系统 数控机床的主传动系统包括 主轴电动机 传动装置 主轴 主轴轴承 主轴定向装置 主轴 指带动刀具和工件旋转 产生切削运动且消耗功率最大的运动轴 主传动系统功用 传递动力 传递切削加工所需要的动力传递运动 传递切削加工所需要的运动运动控制 控制主运动的大小方向开停组成 动力源 电机传动系统 定比传动机构 变速装置运动控制装置 离合器 制动器等执行件 主轴 动力功率高由于日益增长的对高效率要求 加之刀具材料和技术的进步 大多数NC机床均要求有足够高的功率来满足高速强力切削 一般NC机床的主轴驱动功率在3 7kw 250kw之间 2 对主传动系统要求 调速范围宽 可实现无级变速调速范围 有恒扭矩 恒功率调速范围之分 现在 数控机床的主轴的调速范围一般在 100 10000 且能无级调速 使切削过程始终处于最佳状态 如AD 15B主轴转速范围 50 4500 AD 35主轴转速范围 25 2500 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 变速范围负载波动时 速度应稳定 AD 15BFANUC P18 6000i电机功能曲线图 控制功能的多样化同步控制功能 CNC车床车螺纹用 主轴准停功能 加工中心自动换刀 自动装卸 CNC车床车螺纹用 主轴实现定向控制 恒线速切削功能 CNC车床和CNC磨床在进行端面加工时 为了保证端面加工的粗糙度要求 要求接触点处的线速度为恒值 AD 15B以车代磨 零件表面粗糙度能达到0 8 铝件0 4 C轴控制功能 车削中心 性能要求高电机过载能力强 要求有较长时间 1 30min 和较大倍数的过载能力在断续负载下 电机转速波动要小 速度响应要快 升降速时间要短 电机温升低 振动和噪音小 精度要高 可靠性高 寿命长 维护容易 要具有抗振性和热稳定性 体积小 重量轻 与机床联接容易 3 主传动的变速方式数控机床主传动主要有无级变速 分段无级变速两种变速传动方式 为满足宽变速范围 通常采用在无级变速电动机之后串联机械有级变速 以满足数控机床要求的调速范围和转矩特性 即分段无级变速传动方式 CK6163等 1 主轴的传动类型主要有齿轮传动 皮带传动 两个电机分别驱动主轴 调速电动机直接驱动主轴 内装电动机即电主轴 等几种方式 大中型数控机床常用 它采用无级变速交直流电动机 再通过几对齿轮传动 实现分段无级变速 使得变速范围扩大 鑫盛CK6163 鑫盛CK6163由变频电机实现无级调速 12 5 1000r min四段无级 以获得恒线速切削 为了解决低速扭矩输出小 变频电机在额定转速之下减速时扭矩不增加 的问题 主轴箱内安排了齿轮减速 以求通过减速而增加扭矩输出 所以采用四挡机械变速 是为了扩大调速范围 四挡机械自动变速通过两个两位一个三位油缸操纵来实现 转速较高 变速范围不大的小型数控机床常用 它通过一级带传动实现变速 不用齿轮变速 受电动机调速范围的限制 适用于高速低扭矩特性要求的主轴 鑫盛AD 15 AD 25 鑫盛AD 15主轴转速为45 4500r min 四段无级 主电机的动力由电机皮带轮通过窄V带直接传递至主轴上的皮带轮 主电机采用伺服电机 通过无级变速实现主轴在45 4500rpm范围内转动 同步带传动是一种综合带 链传动优点的新的带传动类型 在带内部采用了加载后无弹性伸长的材料作强力层 以保持带的节距不变 可使主 从动带轮作无相对滑动的同步传动 优点 传动效率高 两个电动机分别驱动主轴 图2 1c 调速电动机直接驱动主轴 图2 1d e 一种为 主轴电动机输出轴通过精密联轴器与主轴连接 优点为结构紧凑 传动效率高 但主轴转速的变化及输出完全与电动机的输出特性一致 因而受一定限制 另一种为内装电动机主轴 即主轴与电动机转子合为一体 优点结构紧凑 惯性小 可提高启动 停止的相应特性 缺点电动机发热使主轴产生变形 因此 要注意温度控制 车床用电主轴 铣床用电主轴 电主轴 2 主传动的齿轮变速装置两种装置 液压拨叉变速和电磁离合器变速装置在齿轮传动的主传动系统中 齿轮的换档主要靠液压拨叉来完成 注意 a 液压拨叉换档在主轴停转之后才能进行 产生的顶齿现象由增设一台微电动机 在齿轮低速回转时啮合 b 电磁离合器变速装置是利用电磁效应 通过接通或断开电磁离合器的运动部件实现变速 电磁离合器用于数控机床的主传动时 能简化变速机构 实现主轴变速 啮合式电磁离合器能够传递更大的扭矩 二 数控机床的主轴部件主轴部件是主运动的执行件 它夹持刀具或工件 并带动其旋转 功用 夹持工件或刀具实现切削运动 传递运动及切削加工所需要的动力 组成 主轴 支承 传动零件 装夹刀具或工件的附件及辅助零部件 要求 主轴的精度要高 包括运动精度 回转精度 轴向串动 和安装刀具或夹持工件的夹具的定位精度 轴向 径向 部件的结构刚度和抗振性好 较低的运转温升以及较好的热稳定性 部件的耐磨性和精度保持性好 自动可靠的装夹刀具或工件 对数控机床除上述要求外 还应有 在机械结构方面 刀具的自动夹紧装置主轴的准停装置主轴孔的清理装置等 1 主轴端部的结构端部用于安装刀具或夹持工件的夹具 因此 要保证刀具或夹具定位 轴向 定心 准确 装夹可靠 牢固 而且装卸方便 目前 主轴的端部形状已标准化 图2 9 a 所示为车床主轴端部 卡盘靠前端的短圆锥面和凸缘端面定位 用端面键传递扭矩 卡盘装有固定螺栓 卡盘装于主轴端部时 螺栓从凸缘的孔中穿过 转动快卸卡盘将数个螺栓同时拴住 再拧紧螺母将卡盘固定在主轴端部 主轴为空心轴 前端为莫式锥孔 用于安装顶尖或心轴 图2 9 b 所示为铣镗床主轴端部 用拉杆从主轴后端拉紧 铣刀上有螺纹孔 图2 9 c 所示为外圆磨床砂轮主轴端部 2 主轴轴承 主轴轴承是主轴部件的重要组成部分 它的的类型 结构 配置 精度 安装 调整 润滑和冷却都直接影响主轴的工作性能 在数控机床上常用的主轴轴承有滚动轴承和静压滑动轴承 滚动轴承主要有角接触球轴承 承受径向 轴向载荷 双列短圆柱滚子轴承 只承受径向载荷 60 角接触双向推力球轴承 只承受轴向载荷 常与双列圆柱滚子轴承配套使用 双列圆柱滚子轴承 能同时承受较大的径向 轴向载荷 常作为主轴的前支承 液体静压滑动轴承主要由供油系统 节流器 轴承三部分组成 节流器是使液体静压滑动轴承各油腔形成压强差的关键 3 主轴轴承的配置形式 目前数控机床主轴轴承配置有三种主要形式 a 为数控机床前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60度角接触双列向心推力球轴承 后支承采用成对向心推力球轴承 此种结构普遍应用于各种数控机床 其综合刚度高 可以满足强力切削要求 b 为前支承采用多个高精度向心推力球轴承 这种配置具有良好的高速性能 但它的承载能力较小 适用于高速轻载和精密数控机床 C 为前支承采用双列圆锥滚子轴承 后支承为单列圆锥滚子轴承 其经向和轴向刚度很高 能承受重载荷 但这种结构限制了主轴最高转速 因此适用于中等精度低速重载数控机床 例如 AD 15B采用整体式主轴箱 采用热对称及散热片的设计 降低了热变形 提高了加工精度 主轴前端采用日本NSK高精密圆柱滚子轴承和一对高精度角接触球轴承进行组合 后端采用高精密圆柱滚子轴承 同时满足了高刚性和高转速的要求 为提高主轴组件刚度 数控机床还常采用三支承主轴组件 对前后轴承跨距较大的数控机床 辅助支承常采用深沟球轴承 液体静压滑动轴承主要应用于主轴高转速 高回转精度的场合 如应用于精密 超精密的数控机床主轴 数控磨床主轴 主轴准停也叫主轴定向 在加工中心等数控机床上 由于有机械手自动换刀 要求刀柄上的键槽对准主轴的端面键上 因此