数控机床主传动系统及主轴部件讲解

1、第二节第二节 数控机床主传动系统及主轴部件数控机床主传动系统及主轴部件第三节第三节 数控机床的进给系统数控机床的进给系统第四节第四节 数控机床回转工作台数控机床回转工作台第五节第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统数控加工使用的刀具及自动换刀系统第六节第六节 数控加工用辅助装置数控加工用辅助装置第五章第五章 数控机床的结构数控机床的结构第一节第一节 数控机床的结构要求数控机床的结构要求一、一、 数控机床主运动的特点数控机床主运动的特点二、二、 数控机床主轴的变速方式数控机床主轴的变速方式三、三、 主轴部件主轴部件第二节数控机床主传动系统及主轴部件第二节数控机床主传动系统及主轴部件 数控机床与

2、普通机床比较具有以下特点：数控机床与普通机床比较具有以下特点： 1 1）转速高，功率大，它能使数控机床进）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。行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。 2 2）主轴转数的变换迅速可靠，并能自动）主轴转数的变换迅速可靠，并能自动无级变速，使切削工作始终在最佳状态下进无级变速，使切削工作始终在最佳状态下进行。行。 3 3）为实现刀具的快速或自动装卸，主轴）为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设计有刀具自动装卸、主轴定向停上还必须设计有刀具自动装卸、主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。止和主轴孔内的切屑清除装置。一、数控机床主

3、传动的特点一、数控机床主传动的特点数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，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再求。因此变速机构必须适应自动操作的再求。故大多数数控机床采用无级变速系统，故大多数数控机床采用无级变速系统，数控机床主传动系统主要有以下三种配置方数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式。式。数控机床的主传动要求较大的调速数控机床的主传动要求较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的范围，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、切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。加工精度和表面质量。二、数控机床主轴的变速方式二、数控机床

4、主轴的变速方式这种配置方式大、中型数控机床采用较多。这种配置方式大、中型数控机床采用较多。它通过少数几对齿轮降速，使之成为分段无级变速，确保低速它通过少数几对齿轮降速，使之成为分段无级变速，确保低速时的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。时的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。但有一部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切但有一部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。削时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。实现。（一）带有变速齿轮的主传动（如图）（一）带有变速齿轮的主传

5、动（如图）主要应用在小型数控机床上，可以避免齿主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适用于低扭矩特性要求的主轴。用于低扭矩特性要求的主轴。（二）通过带传动的主传动（如图）（二）通过带传动的主传动（如图）同步带的结构和传动如图所示。带的工作面及带轮同步带的结构和传动如图所示。带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，作无外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，作无滑动的啮合传动。滑动的啮合传动。带内采用了承载带内采用了承载后无弹性伸长的后无弹性伸长的材料作强力层，材料作强力层，以保持带的节距以保持带的节距不变，使主

6、、从不变，使主、从动带轮可作无相动带轮可作无相对滑动的同步传对滑动的同步传动。动。同步带传动是一种综合了带、链传动同步带传动是一种综合了带、链传动优点的新型传动。优点的新型传动。这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，这种主传动方式大大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，但主轴输出扭矩小，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴的精度影响较大。电动机发热对主轴的精度影响较大。（三）由调速电动机直接驱动的主传动（如图）（三）由调速电动机直接驱动的主传动（如图）从直流主轴电动机的速度与转矩关系从直流主轴电动机的速度与转矩关系图中可以看出，在低于额定转

7、速时为图中可以看出，在低于额定转速时为恒转矩输出，高于额定转矩时为恒功恒转矩输出，高于额定转矩时为恒功率输出。率输出。使用这种电动机使用这种电动机可实现纯电气定可实现纯电气定向，而且主轴的向，而且主轴的控制功能可以很控制功能可以很容易与数控系统容易与数控系统相连接并实现修相连接并实现修调输入、速度和调输入、速度和负载测量输出等。负载测量输出等。机床的主轴部件是机床重要部件之一，它带机床的主轴部件是机床重要部件之一，它带动工件或刀具执行机床的切削运动，动工件或刀具执行机床的切削运动，因此数控机床主轴部件的精度，抗振性和热因此数控机床主轴部件的精度，抗振性和热变形对加工质量有直接的影响，变形对加工

8、质量有直接的影响，由于数控机床在加工过程中不进行人工调整，由于数控机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重。这些影响就更为严重。 三、主轴部件三、主轴部件主轴在结构上要处理好卡盘或刀具的装卡，主轴在结构上要处理好卡盘或刀具的装卡，主轴的卸荷，主轴的卸荷，主轴轴承的定位和间隙调整，主轴轴承的定位和间隙调整，主轴部件的润滑和密封等一系列问题。主轴部件的润滑和密封等一系列问题。对于数控镗铣床的主轴为实现刀具的快速或自对于数控镗铣床的主轴为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设计有刀具的自动装卸，动装卸，主轴上还必须设计有刀具的自动装卸，主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。主轴定向停止和

9、主轴孔内的切屑清除装置。 l l）前支承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承前支承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合，后支承采和双向推力角接触球轴承组合，后支承采用成对角接触球轴承（如图）用成对角接触球轴承（如图）这种配置形式使主轴的综合刚度得到大幅度提高，这种配置形式使主轴的综合刚度得到大幅度提高，可以满足强力切削的要求，所以目前各类数控机床可以满足强力切削的要求，所以目前各类数控机床的主轴普遍采用这种配置形式。的主轴普遍采用这种配置形式。( (一）数控机床的主轴轴承配置主要有三种形式一）数控机床的主轴轴承配置主要有三种形式 2 2）前轴承采用高精度双列向心推）前轴承采用高精度双列向

10、心推力球轴承（如图）。力球轴承（如图）。角接触球轴承具有较好的高速性能，主轴最高转速可角接触球轴承具有较好的高速性能，主轴最高转速可达达 4000r4000rminmin，但是这种轴承的承载能力小，因而适用于高速、轻载但是这种轴承的承载能力小，因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。和精密的数控机床主轴。这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较大的动载荷，安装与调荷，尤其能承受较大的动载荷，安装与调整性能好，整性能好，但是这种轴承配置方式限制了主轴的最高转速和精但是这种轴承配置方式限制了主轴的最高转速和精度，所以仅适用于中等精度、低速于重载的数

11、控机度，所以仅适用于中等精度、低速于重载的数控机床主轴。床主轴。3 3）双列圆锥滚子轴承和圆锥）双列圆锥滚子轴承和圆锥滚子轴承（如图）滚子轴承（如图）为了将主轴准确地停在某一固定位置上，以便在该为了将主轴准确地停在某一固定位置上，以便在该处进行换刀等动作，这就要求主轴定向控制。处进行换刀等动作，这就要求主轴定向控制。在加工精密的坐标孔时，由于每次都能在主轴的固在加工精密的坐标孔时，由于每次都能在主轴的固定圆周位置换刀，故能保证刀尖与主轴相对位置的定圆周位置换刀，故能保证刀尖与主轴相对位置的一致性，一致性，从而减少被加工孔的尺寸分散度，这是主轴定向准从而减少被加工孔的尺寸分散度，这是主轴定向准停

12、装置带来的好处之一。停装置带来的好处之一。（二）主轴的定向停止（二）主轴的定向停止在自动换刀的数控机床上，每次自动装卸刀时，都在自动换刀的数控机床上，每次自动装卸刀时，都必须使刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求必须使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。主轴具有准确定位的功能。传统的做法是采用机械挡块等来定向。传统的做法是采用机械挡块等来定向。而现代的数控机床一般都采用电气式主轴定向，只而现代的数控机床一般都采用电气式主轴定向，只要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确的定向。要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确的定向。，当主轴需要停车，当主轴需要停车换刀时，发出降

13、速换刀时，发出降速信号，主轴箱自动信号，主轴箱自动改变传动路线，使改变传动路线，使主轴换到最低转速主轴换到最低转速运转。在时间继电运转。在时间继电器延时数秒后，开器延时数秒后，开始接通无触点开关。始接通无触点开关。主轴的准停装置设置在主轴的尾端主轴的准停装置设置在主轴的尾端（如图）。交流调速电动机（如图）。交流调速电动机1111通过多通过多联三角带联三角带9 9和皮带轮和皮带轮1010带动主轴旋转，带动主轴旋转，在凸轮上的感应片对准无触点开关时，发出准停信在凸轮上的感应片对准无触点开关时，发出准停信号，立即切断主轴电动机电源，脱开与主轴的传动号，立即切断主轴电动机电源，脱开与主轴的传动联系，以

14、排除传动系统中大部分回转零件的惯性对联系，以排除传动系统中大部分回转零件的惯性对主轴准停的影响，使主轴作低速惯性空转。主轴准停的影响，使主轴作低速惯性空转。位 于 图 中 带位 于 图 中 带轮轮5 5左侧的永左侧的永久磁铁久磁铁4 4对准对准磁传感器磁传感器3 3时，时，主 轴 准 确 停主 轴 准 确 停止 ， 同 时 限止 ， 同 时 限位 开 关 发 出位 开 关 发 出信 号 ， 表 示信 号 ， 表 示已完成。已完成。电气式主轴定向控制的特点是：不需要机械电气式主轴定向控制的特点是：不需要机械部件，定向时间短可靠性高，只需要简单的部件，定向时间短可靠性高，只需要简单的强电顺序控制，

15、精度和刚度高。强电顺序控制，精度和刚度高。在自动换刀的数控机床中为了实现刀具在在自动换刀的数控机床中为了实现刀具在主轴内的自动装卸，其主轴必须设计有刀主轴内的自动装卸，其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构，如图所示。具的自动夹紧机构，如图所示。（三）主轴内刀具的自动夹紧和切（三）主轴内刀具的自动夹紧和切屑清除装置屑清除装置刀杆采用刀杆采用7 7：2424的大锥度锥柄，采用大的大锥度锥柄，采用大锥度的锥柄既有利于定心，也为松夹锥度的锥柄既有利于定心，也为松夹带来了方便。带来了方便。在锥柄的尾端轴颈被拉紧的同时，通过锥柄的定心在锥柄的尾端轴颈被拉紧的同时，通过锥柄的定心和摩擦作用将刀杆夹紧于主轴的端

16、部。和摩擦作用将刀杆夹紧于主轴的端部。在蝶形弹簧在蝶形弹簧8 8的作用下，拉的作用下，拉杆杆7 7始终保持始终保持约约10000N10000N的拉的拉力；并通过拉力；并通过拉杆右端的钢球杆右端的钢球6 6将刀杆的尾将刀杆的尾部轴颈拉紧。部轴颈拉紧。换刀时首先将压力油通入主轴尾部的液换刀时首先将压力油通入主轴尾部的液压缸左腔，活塞压缸左腔，活塞1 1推动拉杆推动拉杆7 7向有移动，向有移动，将刀柄松开，同时使蝶形弹簧将刀柄松开，同时使蝶形弹簧8 8压紧。压紧。拉杆拉杆7 7的右移使右端的钢球的右移使右端的钢球6 6位于套筒的喇叭口处，位于套筒的喇叭口处，消除了刀杆上的拉力。消除了刀杆上的拉力。当

17、拉杆继续右移时，喷气嘴的端部把刀具顶松，使当拉杆继续右移时，喷气嘴的端部把刀具顶松，使机械手方便地取出刀杆。机械手方便地取出刀杆。机械手将应换刀具装入后，电磁换向阀动作使压力机械手将应换刀具装入后，电磁换向阀动作使压力油通入油缸右腔，活塞油通入油缸右腔，活塞1 1向左退回原位，蝶形弹簧向左退回原位，蝶形弹簧复原又将刀杆拉紧、螺旋弹簧复原又将刀杆拉紧、螺旋弹簧2 2使活塞使活塞1 1在液压缸右在液压缸右腔无压力油时也始终退在最左端。腔无压力油时也始终退在最左端。当活塞处于左右两个极限位置时，相应限位开关当活塞处于左右两个极限位置时，相应限位开关1212、1313发出松开和夹紧的信号。发出松开和夹紧的信号。自动清除主轴孔内的灰尘和切屑是换自动清除主轴孔内的灰尘和切屑是换刀过程中的一个不容忽视的问题。刀过程中的一个不容忽视的问题。如果主轴锥孔中落入了切屑、灰尘或其它污物，在如果主轴锥孔中落入了切屑、灰尘或其它污物，在拉紧刀杆时，锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，拉紧刀杆时，锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，甚至会使刀杆发生偏斜，破坏了刀杆的正确定位，甚至会使刀杆发生偏斜，破坏