数控机床结构与维护第2版 课件 第三章 数控机床的主传动系统的结构与维护

数控机床结构与维护主讲：韩鸿鸾第三章数控机床的主传动系统的结构与维护数控机床的主传动系统主要由主轴电动机、变速机构、主轴及驱动等部分组成。第一节主传动系统的机械结构与维护【学习目标】掌握主轴变速方式能看懂数控机床主轴箱的装配图会对主传动链进行维护能看懂高速主轴的结构图会对高速主轴进行维护【学习内容】一、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—3无级变速2、分段无级变速(1)分段无级变速的方式1)带有变速齿轮的主传动(图3—4a)。大中型数控机床较常采用的配置方式，通过少数几对齿轮传动，扩大变速范围。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。图3—4a）齿轮变速2)通过带传动的主传动(图3—4b)。主要用在转速较高、变速范围不大的机床。适用于高速、低转矩特性的主轴。常用的是同步齿形带。图3-4b)带传动3)用两个电动机分别驱动主轴(图3—4c)。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。两个电动机不能同时工作，也是一种浪费。4)内装电动机主轴(电主轴，图3—4d)。电动机转子固定在机床主轴上，结构紧凑，但需要考虑电动机的散热。图3—4c）两个电动机分别驱动d）内装电动机主轴传动结构二、主轴部件主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等，其作用如表4—1所示。表4—1主轴部件及其作用名称图示作用主轴箱主轴箱通常由铸铁铸造而成，主要用于安装主轴零件、主轴电动机、主轴润滑系统等。主轴头下面与立柱的导轨连接，内部装有主轴，上面还固定主轴电机、主轴松刀装置，用于实现Z轴移动、主轴旋转等功能。名称图示作用主轴本体主传动系统最重要的零件，主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形等因素确定。对于数控铣床/加工中心来说用于装夹刀具执行零件加工；对于数控车床/车削中心来说，用于安装卡盘，装夹工件。轴承支承主轴同步带轮同步带轮的主要材料为尼龙，固定在主轴上，与同步带啮合传动主轴。名称图示作用同步带同步带是主轴电动机与主轴的传动元件，主要是将电动机的转动传递给主轴，带动主轴转动，执行工作。主轴电动机主轴电动机是机床加工的动力元件，电动机的功效的大小直接关系到机床的切削力度名称图示作用松刀缸松刀缸主要是用于数控铣床/加工中心上换刀时用于松刀。由气缸和液压缸组成，气缸装在液压缸的上端。工作时，气缸内的活塞推进液压缸内，使液压缸内的压力增加，推动主轴内夹刀元件，从而达到松刀作用。其中液压缸起增压作用。润滑油管主要用于主轴润滑。三、数控机床用一般主传动系统的结构1、数控车床主传动系统的结构图3—5TDN360数控卧式车床主传动系统图(1)主运动传动(2)主轴箱的结构图3—6TND360数控车床的主轴箱展开图(1)轴箱的结构2、数控铣床/加工中心主传动系统的结构图3—10TH6350主轴箱结构图(2)主轴结构图3—12加工中心的主轴部件1-活塞2-拉杆3-碟形弹簧4-钢球5-标准拉钉6-主轴7、8-行程开关9-弹力卡爪10-卡套图3—11某加工中心主轴元件钢球拉杆套筒主轴碟形弹簧(3)刀柄拉紧机构图3—13拉紧机构(4)卸荷装置1—螺母2—箱体3—连接座4—弹簧5—螺钉6—液压缸

7—活塞杆8—拉杆9—套环10—垫圈图3—14卸荷装置3、主轴滚动轴承的预紧所谓轴承预紧，就是使轴承滚道预先承受一定的载荷，不仅能消除间隙而且还使滚动体与滚道之间发生一定的变形，从而使接触面积增大，轴承受力时变形减少，抵抗变形的能力增大。(1)轴承内圈移动图3—15轴承内圈移动(2)修磨座圈或隔套图3—16修磨座圈图3—17隔套的应用c)(3)螺纹预紧图3—18双列短圆柱滚子轴承径向间隙的轴承(4)自动预紧图3—19自动预紧4、主轴的密封(1)非接触式密封利用轴承盖与轴的间隙密封，轴承盖的孔内开槽是为了提高密封效果，这种密封用在工作环境比较清洁的油脂润滑处。图3—21间隙密封

图3—22螺母密封在螺母的外圆上开锯齿形环槽，当油向外流时，靠主轴转动的离心力把油沿斜面甩到端盖1的空腔内，油液流回箱内。锯齿方向应逆着油的流向。图3—23迷宫式密封迷宫式密封结构，在切屑多，灰尘大的工作环境下可获得可靠的密封效果，这种结构适用油脂或油液润滑的密封。(2)接触式密封图3—24接触式密封l—甩油环2—油毡圈3—耐油橡胶密封圈主要有油毡圈和耐油橡胶密封圈密封。图3—25主轴前支承的密封结构1—进油口2—轴承3—套筒4、5—法兰盘6—主轴7—泄漏孔8—回油斜孔9—泄油孔该卧式加工中心主轴前支承采用的是双层小间隙密封装置。主轴前端加工有两组锯齿形护油槽，在法兰盘4和5上开有沟槽及泄漏孔，当喷入轴承2内的油液流出后被法兰盘4内壁挡住，并经其下部的泄油孔9和套筒3上的回油斜孔8流回油箱，少量油液沿主轴6流出时，在主轴护油槽处由于离心力的作用被甩至法兰盘4的沟槽内，再经回油斜孔8重新流回油箱，从而达到防止润滑介质泄漏的目的。5、主传动链的维护1)熟悉数控机床主传动链的结构、性能参数，严禁超性能使用。2)主传动链出现不正常现象时，应立即停机排除故障。3)每天开机前检查机床前机床的主轴润滑系统，发现油量过低时及时加油。

4)操作者应注意观察主轴油箱温度，检查主轴润滑恒温油箱，调节温度范围，使油量充足。5)定期观察调整主轴驱动皮带的松紧程度。图3—26主轴润滑系统6)用液压系统平衡主轴箱重量的平衡系统，需定期观察液压系统的压力表，当油压低于要求值时，要进行补油。

7)使用液压拨叉变速的主传动系统，必须在主轴停车后变速。

8)使用啮合式电磁离合器变速的主传动系统，离合器必须在低于1～2r／min的转速下变速。

9)注意保持主轴与刀柄连接部位及刀柄的清洁，防止对主轴的机械碰击。

10)每年对主轴润滑恒温油箱中的润滑油更换一次，并清洗过滤器。

11)每年清理润滑油池底一次，并更换液压泵滤油器。

12)每天检查主轴润滑恒温油箱，使其油量充足，工作正常。

13)防止各种杂质进入润滑油箱，保持油液清洁。

14)经常检查轴端及各处密封，防止润滑油液的泄漏。

15)刀具夹紧装置长时间使用后，会使活塞杆和拉杆间的间隙加大，造成拉杆位移量减少，使碟形弹簧张闭伸缩量不够，影响刀具的夹紧，故需及时调整液压缸活塞的位移量。16)经常检查压缩空气气压，并调整到标准要求值。足够的气压才能使主轴锥孔中的切屑和灰尘清理彻底。17)定期检查主轴电动机上的散热风扇，看看是否运行正常，发现异常情况及时修理或更换，以免电动机产生的热量传递到主轴上，损坏主轴部件或影响加工精度。

图3—28主轴电动机散热风扇18)主轴的冷却部位要定期加工油，配重部位要定期加工润滑脂如图3—29所示。图3—29主轴维护四、高速主轴主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的主传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。图3—30高速主轴

1、电主轴结构图3—31

加工中心用电主轴结构简图1—主轴轴系2—内装式电动机3—支撑及其润滑系统4—冷却系统5—松拉刀机构6—轴承自动卸载系统7—编码器安装调整系统2、高速主轴维护(1)电主轴的润滑图3—32油气润滑1)油气润滑方式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。根据轴承供油量的要求，定时器的循环时间可从1～99min定时。图3—33喷注润滑系统2)喷注润滑方式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，而是用两台排油液压泵强制排油。图3—34突入滚道润滑用特种轴承3)突入滚道式润滑方式润滑油的进油口在内滚道附近，利用高速轴承的泵效应，把润滑油吸入滚道。若进油口较高，则泵效应差，当进油接近外滚道时则成为排放口了，油液将不能进入轴承内部。(2)电主轴的冷却为了保证安全，对定子采用连续、大流量循环油冷。其输入端为冷却油，将电动机产生的热量从输出端带出，然后流经逆流式冷却交换器，将油温降到接近室温并回到油箱，再经压力泵增压输入到主轴输入端从而实现电主轴的循环冷却。图3—35电主轴油水热交换循环冷却系统图3—36

电主轴冷却液流经路线(3)电主轴的防尘与密封电主轴是精密部件，在高速运转情况下，任何微尘进入主轴轴承，都可能引起振动，甚至使主轴轴承咬死。由于电主轴电动机为内置式，过分潮湿会使电动机绕组绝缘变差，甚至失效，以致烧坏电动机。因此，电主轴必须防尘与防潮。由于电主轴定子采用循环冷却剂冷却，主轴轴承可能采用油－气润滑，因此，防止冷却及润滑介质进入电动机内部非常重要。另外，还要防止高速切削时的切削液进入主轴轴承，因此，必须做好主轴的密封工作。第二节主轴驱动的结构与维护【学习目标】了解主轴驱动的分类能看懂数控机床主轴驱动的连接图会对主轴驱动的参数进行设定能看懂主轴驱动的监控画面【学习内容】一、主轴驱动的分类表4—2FANUC主轴驱动系统的简单分类序号名称所配系统型号1直流可控硅主轴伺服单元配早期系统，如：3，6，5，7等。2交流模拟主轴伺服单元较早期系统，如：3，6，7等3交流数字主轴伺服单元较早期系统，如：3，6,OA，15E，0E，0B等。4交流S系列数字主轴伺服单元0系列，16/18A，16/18E，15E等。5交流S系列串行主轴伺服单元0系列，16/18A，16/18E，15E等。6交流串行主轴伺服单元OC，16/18B，15B等市场不常见7交流α系列主轴伺服单元OC，0D，16/，15B，i系列。8交流αi系列主轴放大器I-B,I-C系列０I-B/C偶尔有。9交流βi系列主轴放大器０IMATE–B/C系列。二、主轴驱动的连接α系列伺服由电源模块、主轴放大器模块和伺服放大器模块三部分组成。1、模块介绍(1)PSM（电源模块）是为主轴和伺服提供逆变直流电源的模块，3相200V输入经PSM处理后，向直流母排输送DC300电压供主轴和伺服放大器用。另外PSM模块中有输入保护电路，通过外部急停信号或内部继电器控制MCC主接触器，起到输入保护作用。接收CNC数控系统发出的串行主轴指令，该指令格式是FANUC公司主轴产品通讯协议，所以又被称之为FANUC数字主轴，与其它公司产品没有兼容性。该主轴放大器经过变频调速控制向FANUC主轴电机输出动力电。该放大器JY2和JY4接口分别接收主轴速度反馈信号和主轴位置编码器信号。(2)SPM（主轴放大器模块）接收通过FSSB输入的CNC轴控制指令，驱动伺服电机按照指令运转，同时JFn接口接收伺服电机编码器反馈信号，并将位置信息通过FSSB光缆再转输到CNC中，FANUCSVM模块最多可以驱动三个伺服电机，其实装图如图3—43所示。(3)SVM（伺服放大器模块）2、PSM－SPM－SVM间的主要信号说明(1)逆变器报警信号（IALM）这是把SVM(伺服放大器模块)或SPM(主轴放大器模块)中之一检测到的报警通知PSM(电源模块)的信号。逆变器的作用是DC-AC变换。(2)MCC断开信号（MCOFF）从NC侧到SVM，根据*MCON信号和送到SPM的急停信号（*ESPA至连接器“CX2A”）的条件，当SPM或SVM停止时，由本信号通知PSM。PSM接到本信号后，即接通内部的MCCOFF信号，断开输入端的MCC（电磁开关）。MCC利用本信号接通或断开PSM输入的3相电源。(3)变换器（电源模块）准备就绪信号（*CRDY）PSM的输入接上3相200V动力电源，经过一定时间后，内部主电源（DCLINK直流环——约300V）起动，PSM通过本信号，将其准备就绪通知SPM（主轴模块）和SVM（伺服放大器模块）模块。但是，当PSM内检测到报警，或从SPM和SVM接收到“IALM”、“MCOFF”信号时，将立即切断本信号。变换器即电源模块作用：将AC200V变换为DC300V。(4)变换器报警信号(CALM)该信号作用是；当在PSM（电源模块）检测到报警信号后，通知SPM（主轴模块）和SVM（伺服放大器模块）模块，停止电动机转动。3、驱动部分上电顺序1)当控制电源2相200V接入。2)急停信号释放。3)如果没有MCC断开信号MCOFF（变为0）。4)外部MCC接触器吸合。5)3相200V动力电源接入。6)变换器就绪信号*CRDY发出（*表示“非”信号，所以*CRDY=0）。7)如果伺服放大器准备就绪，发出*DRDY信号（DigitalServoReady——DRDY，*表示“非”信号，所以*DRDY=0）。8)SA（ServoAlready——伺服准备好）信号发出，完成一个上电周期。三、主轴信息画面1.参数设置2.显示主轴信息3.信息画面的编辑四、主轴驱动的设定调整1.显示方法2.主轴参数的调整3.标准参数的自动设定五、主轴监控图3—52主轴监控画面第三节主轴准停的结构与维护【学习目标】了解主轴准停的应用知道主轴准停的种类会对主轴准停的参数进行设定会对主轴准停装置进行维护【学习内容】一、主轴准停的应用主轴准停功能又称主轴准停功能(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。主轴准停可分为机械准停与电气准停，其控制过程如图3—54。二、机械准停图3—55定位盘准停原理示意图三、电气准停控制

1.磁传感器主轴准停磁传感器主轴准停控制由主轴驱动自身完成。当执行M19时，数控系统只需发出准停信号ORT，主轴驱动完成准停后会向数控系统回答完成信号ORE，然后数控系统再进行下面的工作。图3—56磁传感器准停控制系统构成2.编码器型主轴准停这种准停控制也是完全由主轴驱动完成的，CNC只需发出准停命令ORT即可，主轴驱动完成准停后回答准停完成ORE信号。图3—61编码器型主轴准停结构

3.数控系统控制准停这种准停控制方式是由数控系统完成的。图3—63数控系统控制主轴准停结构1)数控系统须具有主轴闭环控制的功能。

2)主轴驱动装置应有进入伺服状态的功能。

3)通常为方便起见，均采用电动机轴端编码器信号反馈给数控系统，这时主轴传动链精度可能对准停精度产生影响。三、主轴准停的连接1.外部接近开关与放大器的连接1)PNP与NPN型接近开关连接方法图3—64PNP型接近开关连接方法图3—65NPN型接近开关连接方法2)两线NPN型接近开关连接方法图3—66两线NPN型接近开关连接方法四、主轴准停的参数设置1.相关参数设定主轴定向控制参数2.外部开关类型参数的设定3.位置编码器定向参数设定4.使用主轴电动机内置传感器参数设定1)经常检查插件和电缆有无损坏，使它们保持接触良好。2)保持磁传感器上的固定螺栓和连接器上的螺钉紧固。3)保持编码器上联接套的螺钉紧固，保证编码器联接套与主轴联接部分的合理间隙。4)保证传感器的合理安装位置。五、主轴准停的参数设置对于主轴准停装置的维护，主要包括以下几个方面。【习题练习】一、填空题1.高速主轴单元的类型有

、

、水动主轴等。2.电主轴的润滑方式有

、喷注润滑、

。3.滚动轴承间隙的调整或预紧，通常是使轴承内、外圈相对轴向移动来实现的。常用的方法有

、修磨座圈或隔套和

三种。4.数控机床主轴准停装置有

和

。5.数控机床主轴电气准停有

、

和数控系统控制准停三种形式。二、选择题1.高速切削技术与传统的数控机床相比，其根本区别就是高速数控机床的主运动和进给运动都采用了（），省掉了中间的传动环节。A.自动补偿技术B.自适应技术C.直驱技术2.电主轴是精密部件，在高速运转情况下，任何（）进入主轴轴承，都可能引起振动，甚至使主轴轴承咬死。A.微尘B.油气C.杂质3.数控车床车螺纹时，利用（）作为车刀进刀点和退刀点的控制信号，以保证车削螺纹不会乱扣。A.同步脉冲B.异步脉冲C.位置开关4.（）对主轴润滑恒温油箱中的润滑油更换一次，并清洗过滤器。A.每周B.每月C.每年5.数控机床主轴锥孔的锥度通常为7：24，之所以采用这种锥度是为了（）。A.靠摩擦力传递扭矩B.自锁C.定位和便于装卸刀柄D.以上几种情况都是6.在加工中心中，刀具必须装在标准的刀柄中，标准刀柄有（）。A.直柄B.7：24锥柄C.莫氏锥柄7.加工中心大多采用（）完成换刀和拉紧刀柄拉钉。A.弹簧B.气缸C.液压缸D.连杆机构8.为了保证数控机床能满足不同的工艺要求，并能够获得最佳切削速度，主传动系统的要求是（）