数控机床的主传动系统PPT课件VIP

.,1,3.1概述,第三章数控机床的主传动系统,2020/5/7,.,2,3.1概述3.2主轴部件3.3主轴准停3.4高速电主轴3.5主传动部件的结构与调整3.6主传动系统常见故障及排除方法,第三章数控机床的主传动系统,2020/5/7,.,3,3.1概述3.1.1对主传动系统的要求(1)大的调速范围。(2)小的热变形。(3)主轴有高的旋转精度和运动精度。(4)主轴有较高的静刚度和抗振性。(5)主轴组件有足够的耐磨性。,2020/5/7,.,4,3.1.2主轴变速方式1无级变速数控机床一般采用直流或交流主轴伺服电动机实现主轴无级变速。图3.1主轴功率转矩特性2分段无级变速(1)带有变速齿轮的主传动(图3.2a)。(2)通过带传动的主传动(图3.2b)。(3)用两个电动机分别驱动主轴(图3.2c)。3液压拨叉变速机构带有齿轮传动的主传动系统中，齿轮的换挡主要靠液压拨叉来完成。图3.3是三位液压拨叉的原理图。,2020/5/7,.,5,4电磁离合器变速电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操纵元件。如图3.4所示为THK6380型自动换刀数控铣镗床的主传动系统图，该机床采用双速电动机和六个电磁离合器完成18级变速。图3.5是数控铣镗床主轴箱中使用的无滑环摩擦片式电磁离合器。图3.6为啮合式电磁离合器，是在摩擦面上做了一定齿形，来提高传递的扭力。,2020/5/7,.,6,5内装电动机主轴变速这种主传动是电动机直接带动主轴旋转（图3.2d所示），大大简化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，电动机发热对主轴的精度影响较大。如图3.7所示为日本研制的立式加工中心主轴组件，其内装电动机主轴最高转速可达20000rmin。,2020/5/7,.,7,3.2主轴部件3.2.1主轴端部的结构形状主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在设计要求上，应能保证定位准确、安装可靠、联接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。主轴端部的结构形状都已标准化，如图3.8所示为普通机床和数控机床所通用的几种结构形式。,2020/5/7,.,8,3.2.2主轴部件的支承1主轴部件常用滚动轴承的类型(图3.9)2滚动轴承的精度主轴部件所用滚动轴承的精度有高级6(E)、精密级5(D)、特精级4(C)和超精级2(B)。前支承的精度一般比后支承的精度高一级，也可以用相同的精度等级。普通精度的机床通常前支承取4(C)、5(D)级，后支承用5(D)、6(E)级。特高精度的机床前后支承均用2(B)级精度。3主轴滚动轴承的配置(图3.10)4主轴滚动轴承的预紧(1)轴承内圈移动（图3.11）。(2)修磨座圈或隔套（图3.12，3.13）。,2020/5/7,.,9,3.2.3主轴的材料和热处理主轴材料可根据强度、刚度、耐磨性、载荷特点和热处理变形大小等因素来选择。主轴刚度与材质的弹性模量E有关。,2020/5/7,.,10,3.2.4主轴的润滑与冷却主轴轴承润滑和冷却是保证主轴正常工作的必要手段。为尽可能减少主轴部件温升引起的热变形对机床工作精度的影响，通常利用润滑油循环系统把主轴部件的热量带走，使主轴部件与箱体保持恒定的温度，在某些数控机床上，采用专用的冷却装置，控制主轴箱温升。,2020/5/7,.,11,3.2.5数控车床的主轴部件1主轴的支承与润滑，图3.14为TND360数控车床主轴部件，主轴内孔是用于通过长的棒料，也可用于通过气动、液压夹紧装置(动力夹盘)。2卡盘图3.15液压动力自定心卡盘3主轴编码器编码器如图3.16所示；常用弹性联轴器如图3.17所示；光电脉冲发生器原理如图3.18所示。,2020/5/7,.,12,3.2.6自动换刀数控机床的主轴部件1主轴箱主轴箱的结构较普通机床简化，但主轴箱材料要求较高，一般用HT250或HT300，制造与装配精度也较普通机床要高。大型落地铣镗床的主轴箱结构还有携带主轴的部件作前后进给运动的功能，它的进给方向与主轴的轴向进给方向相同。此类机床的主轴箱结构通常有两种方案，即滑枕式和主轴箱移动式。图3.19数控落地铣镗床的矩形滑枕图3.20棱形滑枕,2020/5/7,.,13,2主轴箱的结构TH6350加工中心的主轴箱如图3.21所示。为了增加转速范围和转距，主传动采用齿轮变速传动方式。3主轴部件结构图3.22为THK6380加工中心主轴部件结构图。(1)刀具自动夹紧装置图3.23拉紧结构；(2)清洁装置(3)卸荷装置图3.24卸荷装置；(4)主轴准停装置图3.25是V形槽轮定位盘主轴准停机构原理图,2020/5/7,.,14,3.3主轴准停3.3.1概述主轴准停功能又称主轴定位功能(SpindleSpecifiedPositionStop)，即当主轴停止时，控制其停于固定的位置，这是自动换刀所必须的功能。在自动换刀的数控镗铣加工中心上，切削转矩通常是通过刀杆的端面键来传递的。这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的功能，见图3.26。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精加工的孔表面，必须先让刀，后再退刀，而要让刀，刀具必须具有准确定位功能，如图3.27所示。主轴准停可分为机械准停与电气准停,控制过程如图3.28所示。3.3.2机械准停图3.29为典型的端面螺旋凸轮准停装置。,2020/5/7,.,15,3.3.3电气准停控制目前电气准停有如下三种方式：1磁传感器主轴准停图3.30磁传感器主轴准停控制系统基本结构；图3.31磁发体与磁传感器在主轴上位置示意图；图3.32磁传感器准停时序图。2编码器型主轴准停图3.33编码器型主轴准停控制结构；图3.34编码器准停控制时序。3数控系统控制准停图3.35数控系统控制主轴准停结构。,2020/5/7,.,16,3.4高速电主轴自20世纪80年代以来，数控机床、加工中心主轴向高速化发展。高速主轴的发展是以航空工业、家电、汽车等工业追求机械零件的轻量化而普遍采用铝合金零件后，提出的轻铝合金高速加工的课题而产生的。表3.3为铝合金在切削试验中切削速度和表面粗糙度的关系。3.4.1高速电主轴的结构高速主轴在结构上几乎全部是交流伺服电动机直接驱动的集成化结构，取消齿轮变速机构，并配备有强力的冷却和润滑设计。集成主轴有两种构成方式：一种是通过联轴器把电动机与主轴直接联接，另一种则是把电动机转子与主轴做成一体，即将无壳电动机的空心转子用压配合的形式直接装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体中，形成内装式电动机主轴。图3.36所示为用于立式加工中心的高速电主轴的组成。,2020/5/7,.,17,3.4.2冷却润滑技术主轴转速及润滑方式的变迁见表3.4。(1)油气润滑方式图3.37油气润滑原理图。(2)喷注润滑方式图3.38喷注润滑系统。(3)突入滚道式润滑方式图3.39突入滚道润滑用特种轴承。(4)电动机内装式主轴图3.40电动机内装式主轴。,2020/5/7,.,18,3.4.3高速精密轴承高速主轴支承用的高速轴承有接触式轴承和非接触式轴承两大类。接触式轴承由于存在金属摩擦，因此摩擦因数大，允许最高转速低。保持接触式轴承长期高速运转的技术措施是预加载荷的自动补偿和良好润滑。实施预加载荷自动补偿的方法之一是采用液压补偿系统。目前用于支承高速主轴的非接触轴承有液体静压轴承（图3.41）、空气静压轴承（图3.42）和磁悬浮轴承（图3.43）。,2020/5/7,.,19,3.4.4电主轴的动平衡必须进行电主轴装配后的整体精确动平衡，甚至还要设计专门的自动平衡系统来实现电主轴的在线动平衡。必须对包括刀具和刀夹的旋转总成充分地进行动平衡，以消除有害的动态不平衡力，避免高速下颤振和振动。,2020/5/7,.,20,3.4.5刀具的夹紧一种是采用主轴锥孔与主轴端部同时接触的双定位刀夹，使端面定位面具有很大的摩擦，以防止主轴膨胀，这是一种有效的措施。为使刀具在刀柄上夹紧，可采用流体压力夹紧的方式。这样既可提高夹紧刚度，又可保证刀柄和刀具高度的同心度。另一种是直接夹紧刀具的方式，即通过采用主轴锥孔内用拉杆操作的弹簧夹头而省去刀夹。3.4.6轴上零件的联接,2020/5/7,.,21,3.5主传动部件的结构与调整3.5.1数控车床主轴部件的结构与调整1主轴部件结构图3.44是CK7815型数控车床主轴部件结构图2主轴部件的拆卸与调整(1)主轴部件的拆卸主轴部件在维修时需要进行拆卸。拆卸前应做好工作场地清理、清洁工作和拆卸工具及资料的准备工作，然后进行拆卸操作。(2)主轴部件装配及调整装配前，各零件、部件应严格清洗，需要预先涂油的部件应涂油。,2020/5/7,.,22,3.5.2数控铣床主轴部件的结构与调整1主轴部件结构图3.45是NT-J320A型数控铣床主轴部件结构图。2主轴部件的拆卸与调整(1)主轴部件的拆卸主轴部件维修拆卸前的准备工作与前述数控车床主轴部件拆卸准备工作相同。拆卸后的零件、部件应进行清洗和防锈处理，并妥善保管存放。(2)主轴部件的装配及调整装配前的准备工作与前述车床相同。装配顺序可大体按拆卸顺序逆向操作。,2020/5/7,.,23,3.5.3THK6380加工中心主轴部件的拆卸与调整THK6380加工中心主轴部件的拆卸与调整参考图3.24。3.5.4主轴部件的维护数控机床主轴部件是影响机床加工精度的主要部件，它的回转精度影响工件的加工精度；它的功率大小和回转速度影响加工效率；它的自动变速、准停和换刀等影响机床的自动化程度。1防泄漏2刀具夹紧3.5.5主传动链的维护,2020/5/7,.,24,3.6主传动系统常见故障及排除方法3.6.1主传动链故障及诊断方法表3.5主传动链常见故障诊断及排除方法,2020/5/7,.,25,3.6.2主传动系统故障及排除方法实例例1主轴定位不准确的故障维修故障现象：加工中心主轴定位不良，引发换刀过程发生中断。例2主轴出现噪声的故障维修故障现象：主轴噪声较大，主轴无载情况下，负载表指示超过40%。例3变档滑移齿轮引起主轴停转的故障维修故障现象：机床在工作过程中，主轴箱内机械变档滑移齿轮自动脱离啮合，主轴停转。例4电主轴高速旋转发热的故障维修故障现象：主轴高速旋转时发热严重。,2020/5/7,.,26,2020/5/7,.,27,图3.1主轴功率转矩特性,2020/5/7,.,28,图3.2数控机床主传动的四种配置方式（a)齿轮变速；（b)带传动；（c)两个电动机分别驱动；（d)内装电动机主轴传动结构。,2020/5/7,.,29,图3.3三位液压拨叉工作原理图1、5液压缸；2活塞杆；3拨叉；4套筒。,2020/5/7,.,30,图3.4THK6380型自动换刀数控铣镗床的主传动系统,2020/5/7,.,31,图3.5无集电环摩擦片式电磁离合器,图3.6啮合式电磁离合器,2020/5/7,.,32,图3.7内装电动机主轴,2020/5/7,.,33,图3.8主轴端部的结构形式,2020/5/7,.,34,图3.9主轴常用的滚动轴承,2020/5/7,.,35,图3.10数控机床主轴轴承配置形式,2020/5/7,.,36,图3.11轴承内圈移动,2020/5/7,.,37,图3.12修磨座圈,3.13隔套的应用,2020/5/7,.,38,图3.14主轴组件,2020/5/7,.,39,图3.15液压驱动动力自定心夹盘1驱动爪；2卡爪；3卡盘；4活塞杆；5液压缸；6、7行程开关。,2020/5/7,.,40,3.16编码器,2020/5/7,.,41,3.17常用弹性联轴器,2020/5/7,.,42,图3。18光电脉冲发生器原理图1-灯炮2-聚光镜3-漏光盘4-光敏管5-光栏板,2020/5/7,.,43,图3.19数控落地铣镗床的矩形滑枕,图3.20棱形滑枕（a)滑枕外形；（b）滑枕截面,2020/5/7,.,44,图3.21TH6350主轴箱结构图,2020/5/7,.,45,图3.22TH6380加工中心主轴部件结构图1-刀夹；2-弹簧夹头；3-套筒；4-钢球；5-定位螺钉；6-定位小轴；7-定位套筒；8-锁紧件；9-拉杆；10-拉套；11-主轴；12-齿轮；13-圆螺母；14-主轴箱；15-连接座；16-连接弹簧；17-螺钉；18、20-碟形弹簧；19-液压缸支座；21-套筒；22-垫圈；23-活塞；24、25-继电器；26-压缩空气管接头；27、28-凸轮；29-定位块。,2020/5/7,.,46,图3.23拉紧结构,2020/5/7,.,47,图3.24卸荷装置1-螺母；2-箱体；3-连接座；4-弹簧；5-螺栓；6-液压缸；7-活塞杆；8-拉杆；9-套环；10-垫圈。,2020/5/7,.,48,图3.25V形槽轮定位盘主轴准停机构,2020/5/7,.,49,2020/5/7,.,50,图3.29凸轮准停装置1-主轴；2-定位滚子；3-凸轮；4-活塞杆；5-液压缸。,3.28主轴准停控制图,2020/5/7,.,51,图3.30磁传感器准停控制系统构成,2020/5/7,.,52,图3-31磁发体与磁传感器在主轴上位置示意图,2020/5/7,.,53,图3.32磁传感器准停时序图,2020/5/7,.,54,图3.33编码器型主轴准停结构,2020/5/7,.,55,图3.34编码器准停控制时序,2020/5/7,.,56,图3.35数控系统控制主轴准停结构,2020/5/7,.,57,图3.36高速电主轴的组成1-后轴承；2-电动机定子；3-电动机转子；4-前轴承；5-主轴。,2020/5/7,.,58,图3.37油气润滑原理图,图3.38喷注润滑系统,2020/5/7,.,59,图3.39突入滚道润滑用特种轴承,2020/5/7,.,60,图3.40电动机内装式主轴,2020/5/7,.,61,图3.41液体静压轴承的高速电主轴,2020/5/7,.,62,图3.42空气静压轴承高速电主轴,2020/5/7,.,63,图3.43磁悬浮轴承高速电主轴,2020/5/7,.,64,图3.44CK7815型数控车床主轴部件结构图1-同步带2-带轮3、7、8、10、11-螺母4-主轴脉冲发生器5-螺钉6-支架9-主轴12-角接触球轴承13-前端盖14-前支承套15-圆柱滚子轴承,2020/5/7,.,65,图3-41CK7815型数控车床主轴部件结构图,2020/5/7,.,66,1.切断机床动力电源,拆下图中未标出的关联部件,CK7815型数控车床主轴部件拆卸及调整过程,2020/5/7,.,67,图3.45NT-J320A型数控铣床主轴部件结构图1角接触球轴承2、3-轴承隔套4、9-圆螺母5-主轴6-主轴套筒7-丝杠螺母8-深沟球轴承10-螺母支承11-花键套12-脉冲编码器13、15-同步齿形带轮14-同步带16-伺服电动机17-丝杠18-快换夹头,2020/5/7,.,68,NT-J320A型数控铣床主轴部件结构图,2020/5/7,.,69,NT-J320A型数控铣床主轴部件结构图,拆卸工艺,2020/5/7,.,70,表3-3铝合金在切削试验中切削速度和表面粗糙度的关系,2020/5/7,.,71,表3.4主轴转速变迁表,2020/5/7,.,72,表3-5主传动链常见故障诊断及排除方法,2020/5/7,.,73,续表3-5主传动链常见故障诊断及排除方法,2020/5/7,.,74,续表3-5主传动链常见故障诊断及排除方法,2020/5/7,.,75,分析及处理过程：某加工中心主轴定位不良，引发换刀过程发生中断。开始时，出现的次数不很多，重新开机后又能工作，但故障反复出现。故障出现时，对机床进行仔细观察，发现故障的真正原因是主轴在定向后发生位置偏移，且主轴在定位后如用手碰一下(和工作中在换刀时当刀具插入主轴时的情况相近)，主轴则会产生相反方向的漂移。检查电气单元无任何报警，该机床的定位采用的是编码器，从故障的现象和可能发生的部位来看，电气部分的可能性比较小；机械部分又很简单，最主要的是联接，所以决定检查联接部分。在检查到编码器的联接时发现编码器联接套的紧定螺钉松动，使联接套后退造成与主轴的联接部分间隙过大使旋转不同步。将紧定螺钉按要求固定好后故障消除。注意：发生主轴定位方面的故障时，应根据机床的具体结构进行分析处理，先检查电气部分，如确认正常后再考虑机械部分。,2020/5/7,.,76,分析及处理过程：首先检查主轴参数设定，包括放大器型号，电动机型号以及伺服增益等，在确认无误后，则将检查重点放在机械侧。发现主轴轴承损坏，经更换轴承之后，在脱开机械侧的情况下检查主轴电动机运转情况。发现负载表指示已正常但仍有噪声。随后，将主轴参数00号设定为l，也即让主轴驱动系统开环运行，结果噪声消失，说明速度检测器件PLG有问题。经检查，发现PLG的安装不正，调整位置之后再运行主轴电动机，噪声消