数控机床技术(第五章数控机床的主传动系统)幻灯片.ppt

数控技术,河北理工大学机械工程学院工程训练中心张好强,5.1对主传动系统的基本要求和变速方式5.2数控机床的主轴部件5.3高速主轴系统和电主轴,第五章数控机床的主传动系统,第五章数控机床的主传动系统,5.1对主传动系统的基本要求和变速方式,由主轴电动机经一系列传动元件和主轴构成的具有运动、传动联系的系统称为主传动系统。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、主轴定向装置等。,一、对主传动系统的基本要求1主轴转速高，变速范围宽，并可实现无级变速。2主轴传动平稳，噪声低，精度高3具有良好的抗振性和热稳定性4能实现刀具的快速和自动装卸,第五章数控机床的主传动系统,二、主传动的变速方式数控机床主传动方式主要有无级变速、分段无级变速两种。主传动采用无级变速传动方式，不仅能在一定的变速范围内选择合理的切削速度，而且能在运动中自动变速，此种变速传动方式采用直流主轴伺服电机或交流主轴伺服电机作驱动。交流主轴电动机及交流变频驱动装置（鼠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。,第五章数控机床的主传动系统,1主轴的传动类型,第五章数控机床的主传动系统,1主轴的传动类型（1）齿轮传动主轴（图a）这是大中型数控机床较常采用的传动类型，它使用无级变速交、直流电动机，再通过几对齿轮传动后，实现分段无级变速，这种变速方式使得变速范围扩大。其优点是在低速时能满足主轴输出扭矩特性的要求。但齿轮变速机构通常采用液压拨叉或电磁离合器变速方式，造成主轴箱结构复杂，成本增高，另外这种传动机构容易引起振动和噪声。,第五章数控机床的主传动系统,（2）带传动主轴（图b）这种传动类型主要用在转速较高、变速范围不大的小型数控机床上。它通过一级带传动实现变速，其优点是结构简单，安装调试方便。电动机本身的调整就能够满足要求，不用齿轮变速，可以避免由齿轮传动时所引起的振动和噪声。但变速范围受电动机调速范围的限制，只能适用于高速低转矩特性要求的主轴带传动变速中，常用的带类型有V带、平带、多楔带和同步带。,第五章数控机床的主传动系统,（3）两个电动机分别驱动主轴（图c）这是上述两种方式的混合传动类型，兼有上述两种方式的性能。高速时，由一个电动机通过带传动；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，因而就使恒功率区增大，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。,第五章数控机床的主传动系统,（4）调速电动机直接驱动主轴（图d、图e）这种主传动类型又分两种。一种如图d所示，主轴电动机输出轴通过精密联轴器与主轴连接，其优点是结构紧凑，传动效率高；但主轴转速的变化及转矩的输出完全与电动机的输出特性一致，因而在使用上受到一定限制。另一种为内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体（图e）。其优点是省去了中间的所有传动环节，主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高启动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声；缺点是电动机运转产生的热量易使主轴产生热变形。因此，温度控制和冷却是使用内装电动机主轴的关键问题。下图2-4所示为内装电动机主轴的结构示意图。,第五章数控机床的主传动系统,第五章数控机床的主传动系统,2主传动的齿轮变速装置常用的两种装置是液压拨叉变速和电磁离合器变速装置。（1）液压拨叉变速装置在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。液压拨叉换挡在主轴停转之后才能进行，但主轴停转后拨叉带动齿轮块移动又可能产生“顶齿”现象。因此，在这种主运动系统中通常增设一台微电动机，它在拨叉移动齿轮块的同时带动各传动齿轮作低速回转，使移动齿轮与主动齿轮顺利啮合。,第五章数控机床的主传动系统,第五章数控机床的主传动系统,第五章数控机床的主传动系统,（2）电磁离合器变速装置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。其优点是便于实现操作自动化，并有现成的系列产品可供选用，因而其已成为自动装置中常用的执行元件。电磁离合器应用于数控机床的主传动时，能简化变速机构，通过若干个安装在各传动轴上离合器之吸合与分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。,第五章数控机床的主传动系统,第五章数控机床的主传动系统,5.2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。数控机床主轴部件的精度、刚度、抗振性和热变形对加工质量和生产效率等有着直接的影响。数控机床的主轴部件包括主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等，对于加工中心的主轴，为实现刀具的快速和自动装卸，主轴部件还包括刀具的自动装卸、主轴定向停止（准停）和主轴孔内的切屑清除等装置。,第五章数控机床的主传动系统,一、主轴端部结构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、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。主轴端部的结构形状都已标准化，图2-9所示为普通机床和数控机床通用的几种结构形式。,第五章数控机床的主传动系统,第五章数控机床的主传动系统,二、主轴轴承主轴轴承是主轴部件的重要组成部分。它的类型、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，主轴轴承常用的有滚动轴承和静压滑动轴承。1滚动轴承图2-10所示为数控机床主轴常用的几种滚动轴承。,第五章数控机床的主传动系统,第五章数控机床的主传动系统,2静压滑动轴承数控机床上常用的静压滑动轴承是液体静压滑动轴承。此种静压滑动轴承的油膜压强由液压缸从外界供给，与主轴转速无关。它的承载能力不随转速的变化而变化，而且无磨损，启动和运转时摩擦力矩相同。所以，液体静压滑动轴承的刚度大，回转精度高，但液体静压滑动轴承需要一套液压装置，成本较高。液体静压滑动轴承装置主要由供油系统、节流器和轴承三部分组成，其工作原理如图2-11所示。,第五章数控机床的主传动系统,第五章数控机床的主传动系统,三、主轴轴承的配置形式图2-12所示为数控机床主轴轴承常见的三种配置形式。,第五章数控机床的主传动系统,四、主轴准停装置在数控铣床、加工中心上，由于需要进行自动换刀，要求主轴每次停在一个固定的准确的角位置上。所以，主轴上必须设有准停装置。,第五章数控机床的主传动系统,5.3高速主轴系统和电主轴一、高速主轴系统高速切削是20世纪70年代后期发展起来的一种新工艺。这种工艺采用的切削速度比常规的要高几倍至十多倍，如加工钢件为400-1600m/min；加工铸铁为800-2000m/min，进给速度也相应提高很多倍。这种加工工艺不仅切削效率高，而且具有加工表面质量好、切削温度低和刀具寿命长等优点。高速切削技术的关键是具备高速主轴系统，高速主轴是高速切削机床最重要的部件。,第五章数控机床的主传动系统,高速主轴的单元类型主要有电主轴、气动主轴、水动主轴。需要主轴有较高的角减速度和角加速度。如果通过带传动等中间环节不仅会在高速下打滑，产生振动和噪声，而且会增加转动惯量给机床快速准停造成很大困难，所以要求高速主轴动平衡性很好，刚性好，回转精度高，并有良好的热稳定性，能传递足够的力矩和功率，能承受高的离心力，带有准确的恒温装置和高效的冷却装置，主轴转速一般大于40000r/min，主轴功率大于15kW。,第五章数控机床的主传动系统,目前，通常采用主轴电动机一体化的电主轴部件，实现无中间环节的直接传动，电动机大多采用感应式集成主轴电动机。而随着科技的发展，出现了一种用稀有材料铌作永磁材料的永磁电动机，该电动机能更高效、大功率地传递扭矩，所传扭矩很大，易于对使用中产生的温升进行在线控制，且冷却简单，不用安装昂贵的冷却器，加之电动机体积小，结构紧凑，所以有良好的发展前景。,第五章数控机床的主传动系统,1电主轴高速主轴系统的驱动多采用内装电动机式主轴，简称电主轴。这是将电动机置于主轴内部、通过驱动电源直接驱动主轴进行工作，实现了电动机、主轴的一体化。这种主轴结构紧凑、重量轻、惯性小，有利于提高主轴启动或停止时的响应特性。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。,第五章数控机床的主传动系统,2高速电主轴所融合的技术（l）高速轴承技术高速时选用陶瓷轴承的方案已在加工中心机床上采用，其轴承的滚动体是用陶瓷材料制成的，而内、外圈仍用轴承钢制造。陶瓷材料重量轻，热膨胀率低，弹性模量大。采用陶瓷滚动体，可大大减小离心力和惯性滑移，有利于提高主轴转速。电主轴通常采用复合陶瓷轴承，有时也采用电磁悬浮轴承，或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限长。（2）高速电动机技术电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，所以可以把电主轴看作一台高速电动机。,第五章数控机床的主传动系统,（3）冷却润滑技术1）油气润滑方式它是用压缩空气把小油滴送进轴承空隙中，油量大小可达最佳值，压缩空气有散热作用，润滑油可回收，不污染周围空气。电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑、喷射润滑，也可以采用脂润滑。2）喷注润滑方式喷注润滑是一种新兴的润滑方式，它是用较大流量的恒温油（每个轴承3-4L/min）喷注到主轴轴承，以达到冷却润滑的目的。回油则不是自然回流，而是用两台液压泵强制排油。3）突入滚道式润滑方式轴承高速旋转时，伴随流动的空气流速可达50m/s。要使润滑油突破这层旋转气流很不容易，采用突入滚道式润滑方式则可以可靠地将油送入轴承滚道处。,第五章数控机床的主传动系统,（4）内置脉冲编码器为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以及与进给的配合。（5）自动换刀装置为了适用于加工中心，电主轴配备了能进行自动换刀的装置，包括碟形弹簧、拉刀油缸。（6）高速刀具的装夹方式BT、ISO刀具，已被实践证明不适合于高速加工。这种情况下出现了HSK、SKI等高速刀柄。（7）高频变频装置要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率甚至需要达到几千赫兹。,第五章数控机床的主传动系统,3电主轴的最新技术与发展趋势高速主轴单元技术在一些工业发达国家已经发展到较高水平，广泛应用于高速机床上。电主轴最早是用在磨床上，后来才发展到加工中心。早在20年前高速切削就在瑞士流行，电主轴的功率和品质都不断得到提高。从总体上讲，我国的高速、超高速加工技术水平还不高，同世界先进水平还有相当的差距。而高速电主轴单元技术是制约我国超高速加工技术的瓶颈。为了赶上高速加工技术发展的潮流，我国正在不断加大对超高速加工关键功能部件电主轴单元的研究力度。,第五章数控机床的主传动系统,二、电主轴的结构目前，多数机床采用内装式主轴电动机一体化的电主轴。它采用无外壳电动机，将带有冷却套的电动机定子装配在主轴单元的壳体上，转子和机床主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速范围完全由变频交流电动机控制，使变频电动机和机床主轴合二为一。电主轴的结构特点：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，可以减少齿轮传动，简化机床外形设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中一种理想结构，现代的高速电主轴是一种智能型功能部件，它的种类多，应用范围日益广泛。,第五章数控机床的主传动系统,电主轴的主要部件有：1轴壳轴壳是电主轴的主要部件。通常将轴承座孔直接设计在轴壳上。电主轴为加装电动机定子，必须开放一端。高速大功率和超高速电主轴的转子直径往往大于轴承外径，为控制整机装配精度，应将后轴承安装部分设计成无间隙配合。2转轴转轴是高速电主轴的主要回转体，它的制造精度直接影响电主轴的最终精度。成品转轴的尺寸精度和形位公差的要求很高。转轴高速运转时，由偏心质量引起振动，必须对转轴及其上的部分零件进行严格的动态测试。,第五章数控机床的主传动系统,3轴承高速电主轴的核心支撑部件是高速精密轴承。目前，常用的是陶瓷轴承、动静压轴承和磁悬浮轴承等。4定子和转子高速电主轴的定子是由具有高磁导率的优质矽钢片叠压而成。叠压成形的定子内腔带有冲制嵌线槽。转子是中频电动机的旋转部分，它的功能是将定子的电磁场能量转换成机械能。转子是由转子铁心、鼠笼、转轴三部分组成。,第五章数控机床的主传动系统,三、电主轴的轴承1对电主轴轴承的要求1）轴承尺寸公差及旋转精度允差要小，以适应高精度切削要求；2）用角接触球轴承取代圆柱滚子轴承和推力球轴承承受径向和轴向载荷，并适应高速切削；3）减小径向截面尺寸，以减小主轴系统的体积并有利于系统的热传导；4）尽量采用小而多的滚动体，以减小高速旋转惯性力并进而提高轴系的动刚度；5）采用高强度、轻质保持架，选择合理的引导方式，以适应高速旋转；6）尽量采用配对轴承，以保证轴承的旋转精度与刚度。,第五章数控机床的主传动系统,2轴承的选用电主轴轴承的支承核心是高速精密主轴轴承。高速主轴选用的轴承主要是高速球轴承和磁力轴承。高速球轴承主要分为角接触球轴承和陶瓷球轴承。高速精密角接触球轴承主要用于载荷较轻的高速旋转场合，常作高速电主轴的支承件成对安装使用。目前，应用较多的球轴承还有陶瓷球轴承，这种轴承标准化程度高，具有极限转速高、温升小、刚性大、寿命长等特点，性价比较好，便于维修和保养，特别适用于高速运行场合。,第五章数控机床的主传动系