数控机床之其主传动系统.ppt

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1、目目 录录v第三章第三章 数控机床主传动系统数控机床主传动系统 v第四章第四章 数控机床的进给运动系统数控机床的进给运动系统 v第五章第五章 数控机床导轨与工作台数控机床导轨与工作台 v第六章第六章 数控机床的自动换刀装置数控机床的自动换刀装置 v第七章第七章 刀具交换装置刀具交换装置 v第八章第八章 典型数控机床的结构与控制典型数控机床的结构与控制 v第九章第九章 数控机床的液压与气压系统数控机床的液压与气压系统 第三章第三章 数控机床主传动系统数控机床主传动系统v第一节第一节 机械基础知识机械基础知识v第二节第二节 数控机床主传动系统的特点数控机床主传动系统的特点v第三节第三节 数控机床主

2、轴传动类型数控机床主轴传动类型v第四节第四节 主轴部件主轴部件v第五节第五节 主轴组件的润滑与密封主轴组件的润滑与密封第一节第一节 机械基础知识机械基础知识 v一、齿轮传动和带传动 v齿轮传动是机械传动中最主要的一类传动，形式很多，应用广泛，最常用的是渐开线齿轮传动。与其它传动相比，齿轮传动有下列特点：v1 两轮瞬时传动比(角速度之比)恒定。v2 适用的圆周速度和传动功率范围较大。v3传动效率较高、寿命较长。v4能实现平行、相交、交错轴间传动。v与其他传动相比，有下列缺点：v1制造和安装精度要求较高，成本较高。v2不适用于距离较远的传动。v3为了保证润滑良好，齿轮的啮合齿之间在设计上要保证有一

3、定的侧隙，这对传动精度有一定的影响，尤其是应用于类似数控机床等高精度设备上，要采取必要的消除侧隙的手段。返回到总目录 返回本章目录 前进 后退第一节第一节 机械基础知识机械基础知识图3-1传动带类型a)平带 b)V带 c)多楔带 d)圆带a)b)c)d)第一节第一节 机械基础知识机械基础知识图3-2 啮合型带传动第一节 机械基础知识v二、轴的类型、材料及应用v轴是组成机器的重要零件之一。根据轴在工作时所受载荷的不同，轴可分为：v1 心轴 只承受弯矩作用而不承受转矩作用的轴。按其是否与轴上零件一起转动可分为转动心轴(图3-3 a)和固定心轴(图3-3 b)两种。返回到总目录 返回本章目录 前进

4、后退第一节 机械基础知识图3-3 心轴a)转动心轴 b)固定心轴a)b)第一节 机械基础知识v2 转轴 既承受弯矩作用又承受转矩作用的轴，如齿轮减速器中的轴(图3-4)。v3 传动轴 主要承受转矩作用而不受弯矩作用或只承受很小弯矩的轴（图3-5）。轴按其轴线形状的不同又可分为直轴(图3-6)、曲轴(图3-7)和挠性钢丝轴(图3-8)。直轴应用较广，按其外形不同又可分为光轴(图3-6a)和阶梯轴(图3-6b)。为了提高轴的刚度或减轻重量，有时将轴制成空心轴(图3-6c)。返回到总目录 返回本章目录 前进 后退第一节 机械基础知识图3-4 转轴第一节 机械基础知识图3-5 传动轴图3-6 直轴图3

5、-7 曲轴图3-8 挠性钢丝轴第一节 机械基础知识v三、联轴器、离合器及制动器的主要类型、特点及应用v联轴器和离合器是机械传动中常用的部件。它们主要用来联接轴与轴(有时也联接轴与其它回转零件)，以传递运动与扭矩；有时也可用作安全装置。联轴器和离合器的区别是：联轴器的拆卸要在机器停止运转后进行；离合器则可以在机器的运转过程中进行分离或结合。制动器是用来迫使机器迅速停止运转或降低机器运转速度的机械装置。返回到总目录 返回本章目录 前进 后退第一节 机械基础知识v联轴器的类型很多，根据内部是否含有弹性元件，可以划分为刚性联轴器和弹性联轴器两大类。弹性联轴器含有弹性元件，可以缓冲减振，也可以在不同程度

6、上补偿两轴间的偏移；刚性联轴器根据其结构特点可分为固定式和可移动式两类。可移动式刚性联轴器对两轴间的偏移量具有一定的补偿能力。如图3-9所示为凸缘联轴器，属于固定式刚性联轴器；如图3-10所示为滑块联轴器，属于可移式刚性联轴器；如图3-11所示为弹性柱销联轴器，属于弹性联轴器。第一节 机械基础知识图3-9 凸缘联轴器图3-10 滑块联轴器图3-11 弹性柱销联轴器第一节 机械基础知识v离合器根据其工作原理的不同可分为牙嵌式和摩擦式两类；按控制离合的方法不同又可分为操纵式和自动式两类。牙嵌离合器结构简单，尺寸小，工作时无滑动，并能传递较大的转矩，故应用较多；其缺点是运转中接合时有冲击和噪声，必须

7、在两轴转速差很小或停车时进行接合或分离，如图3-12所示。摩擦离合器可分为单盘式、多盘式和圆锥式三类。单盘式离合器结构简单，但传递的转矩较小。多盘式离合器的优点是径向尺寸小而承载能力大，联接平稳，因此适用的载荷范围大，应用较广。其缺点是盘数多，结构复杂，离合动作缓慢，发热、磨损较严重，如图3-13。第一节 机械基础知识图3-13 多盘式摩擦离合器1主动轴 2主动轴套筒 3从动轴 4从动轴套筒 5外摩擦片6内摩擦片 7操纵环 8杠杆 9弹簧篇 10调节螺母图312 牙嵌离合器1、2半离合器 3操纵环第一节 机械基础知识v四、平键、花键、新型联接结构的特点和应用v平键联接对中性好、结构简单、拆装方

8、便，应用最广。按用途可分为普通平键、导向平键和滑键。v花键联接是由周向均布多个键齿的花键轴和多个键槽的花键毂构成的联接。工作时靠键齿的侧面互相挤压传递转矩。花键联接的优点是：键齿多，承载能力强；轴上零件和轴的对中性好；导向性好；键槽较浅，齿根应力集中小，对轴和毂的强度削弱也小。缺点是成本高、加工精度要求高。故适用于定心精度要求较高和载荷较大的场合。返回到总目录 返回本章目录 前进 后退第二节 数控机床主传动系统的特点v数控机床与普通机床比较，其主传动系统具有如下特点：v1主轴转速高，变速范围广，并可无级变速v为了获得高的生产率和好的表面质量，数控机床必须具有更高的转速和更宽的变速范围，使加工时

9、能合理选用切削用量。由于数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此主轴要求无级变速，并能迅速可靠地自动实现，使切削过程始终处于最佳状态。v2主轴传动平稳，噪声低，精度高v数控机床的加工精度与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面应进行高频淬火增加耐磨性；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用高精度轴承及合理的支承跨距等，以提高主轴组件的刚度。返回到总目录 返回本章目录 前进 后退第二节 数控机床主传动系统的特点v3具有良好的抗振性和热稳定性v数控机床一般要同时承担粗加工和精加工任务，加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振

10、动等原因，造成主轴振动，影响加工精度和表面质量。因此在主传动系统中的主要零部件不但要具有一定的静刚度，而且要求具有良好的抗振性。此外，在切削加工过程中，主传动系统的发热往往使零部件产生热变形，破坏零部件之间的相对位置精度和运动精度，造成加工误差。为此，要求主轴部件具有较高的热稳定性，通常要求保持合适的配合间隙，并采用循环润滑等措施来实现。v4能实现刀具的快速和自动装卸v在自动换刀的数控机床中，主轴应能准确地停在某一固定位置上，以便在该处进行换刀等动作，这就要求主轴实现定向控制。此外，为实现主轴快速自动换刀功能，必须设计有刀具的自动夹紧机构。第三节 数控机床主轴传动类型1带有变速齿轮的主传动v这

11、种类型如图3-14a所示，主要适用于大、中型数控机床。它是通过二级以上齿轮副实现分段无级变速，其优点是能够确保低速时的转矩，满足主轴输出转矩特性的要求，而且变速范围广。但结构复杂，需增加润滑和温度冷却系统，成本较高。v齿轮变速方式有：电液控制拨叉方式和电磁离合器方式，在一些简易或教学型数控机床中采用手动换挡方式。返回到总目录 返回本章目录 前进 后退第三节 数控机床主轴传动类型v2通过带传动的主传动v这种类型如图3-14b所示，主要应用在小型数控机床上。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。但变速范围受电动机调速范围的限制，只能适用于低转矩特性要求的主轴。带传动变速中，常用

12、的带类型有V带、平带、多楔带和齿形带。同步齿形带传动是一种综合了带传动和链传动优点的新型传动，可使主、从动带轮作无相对滑动的同步传动。v3由调速电动机直接驱动的主传动v这种主传动系统如图3-14c所示，采用无级调速的电动机直接驱动主轴旋转，因而大大简化了主轴箱体和主轴的结构，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。v近年来出现的一种新式内装电动机主轴，将主轴与电动机转子合为一体。其优点是主轴组件结构紧凑、质量轻、惯性小，可提高起动、停止的响应特性，有利于控制振动和噪声。但电动机发热易使主轴产生热变形，因此控制温升是使用内装电动机主轴要解决的关键问题。返回到

13、总目录 返回本章目录 前进 后退第三节 数控机床主轴传动类型图 3-14 主传动系统的类型a）齿轮传动 b)带传动 c）直接驱动第四节 主轴部件v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。主轴部件质量的好坏直接影响加工质量。机床的主轴部件应在主轴的回转精度、部件的结构刚度和抗振性、运转温度和热稳定性、部件的耐磨性和精度保持能力等方面均达到规定要求。对于数控机床尤其是自动换刀数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸与夹持，还必须有主轴准停装置、刀具自动夹紧装置、主轴孔的清洁装置等。返回到总目录 返回本章目录 前进 后退第四节 主轴部件v一、主轴端部结构形状v主轴端

14、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，图3-15所示为车、铣、磨三种主要数控机床的主轴端部结构形式。图3-15 车、铣、磨三种主要数控机床主轴端部的结构形式a)车床的主轴端部 b)铣、镗类机床的主轴端部 c)磨床砂轮主轴的端部b)a)c)第四节 主轴部件v二、主轴部件的支撑v主轴支撑轴承大多采用滚动轴承，包括向心球轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承、推力轴承和圆柱滚子轴承等。选用时主要考虑：轴承的极限转速、刚度、阻尼特性和轴承温升等因素。一般都采用23个角接触球轴承组合或用角接触球轴承与圆柱

15、滚子轴承组合构成支承系统，这些轴承经过预紧后，可以得到很好的刚度。图3-16所示为某卧式加工中心机床的主轴支撑结构；图3-17所示为某立式加工中心机床主轴支撑结构。在轴承间增加隔套是为了增加主轴的刚度和精度。第四节 主轴部件图3-16 卧式加工中心机床的主轴支撑结构图3-17 立式加工中心机床主轴支撑结构第四节 主轴部件v三、主轴准停装置v主轴准停功能又称为主轴定位功能，即当主轴停止时，能够准确地停于某一固定的位置。在自动换刀的数控机床上，每次自动装卸刀具时，都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停功能。此外，在通过前壁小孔镗同轴大孔时，要求主轴实现准停，使刀尖停在一个固定的

16、方位上(X轴或Y轴方向)，以便主轴沿该方向偏移一定尺寸后，刀尖才能通过前壁小孔进入箱体对大孔进行镗削。主轴准停装置分机械控制和电气控制两种形式。传统方法是依靠机械档块来定向，而目前现代数控机床则采用电气控制方式来定向。当数控系统发出指令后，主轴就能准确定向。电气控制是利用主轴上装有位置编码器或磁性传感器作为位置反馈元部件，它可输出信号，使主轴准确停在预先设定的位置上。v电气方式主轴定向控制特点是：v1高精确性和刚性，完全可以满足加工中心上要求的换刀动作。v2主轴定向的可靠性很高。v3无需机械零、部件。没有磨损等情况，只需简单地连接位置编码器或磁性传感器。第四节 主轴部件v4减少停机定向时间，只

17、需简单的强电程序顺序控制即可(定向信号、定向完成信号和高低速信号)。v5工件定位方便而准确(车床上可按主轴正、反转向两个方向定位)。v6镗孔结束时。可按主轴旋转方向进行主轴定向，因此工件不会被刀具打坏。同时可按相对工件某一固定方向装卸刀具，因此易于编程。v主轴准停控制实质上是在主轴速度控制基础上增加一个位置控制环。因此，必须增加主轴位置检测装置才能取得反馈信号。通常由位置编码器或磁性传感器等完成。应注意的是若采用磁性传感器时。则磁性元件可直接装在主轴上，而传感头装在固定的箱体上，并且它与放大器之间连线越短越好，还要做好屏蔽，以减少干扰。采用位置编码器时，可能因安装不方便要通过1：1的齿轮进行联

18、结。总之，应根据机床的具体位置和实际情况确定控制方案和安装方案。第四节 主轴部件图3-18 主轴准停示意图图3-19 磁性传感器主轴准停原理示意图第四节 主轴部件v五、刀具自动夹紧和主轴孔清洁装置v在自动换刀的数控机床中，为了实现刀具的自动装卸，其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构，如图3-20所示。刀柄采用7：24的大锥度锥柄与主轴锥孔配合，既有利于定心，也为松夹带来了方便。标准拉钉5用螺纹联接在刀柄上。放松刀具时，液压油进入液压缸活塞1的右端，油压使活塞左移，推动拉杆2左移，同时碟形弹簧3被压缩，钢球4随拉杆一起左移，当钢球移至主轴孔径较大处时，便松开拉钉，机械手即可把刀柄连同拉钉5从主轴锥

19、孔中取出。夹紧刀具时，活塞右端无油压，螺旋弹簧使活塞退到最右端，拉杆2在碟形弹簧3的弹簧力作用下向右移动，钢球4被迫收拢，卡紧在拉杆2的环槽中。这样，拉杆通过钢球把拉钉向右拉紧，使刀柄外锥面与主轴锥孔内锥面相互压紧，刀具随刀柄一起被夹紧在主轴上。v行程开关8和7用于发出夹紧和放松刀柄的信号。刀具夹紧机构使用弹簧夹紧、液压放松，可保证在工作中，如果突然停电，刀柄不会自行脱落。v自动清除主轴孔中的切屑和灰尘是换刀操作中不容忽视的问题。为了保持主轴锥孔清洁，常采用压缩空气吹屑。图3-20所示活塞1的心部钻有压缩空气通道，当活塞向左移动时，压缩空气经过活塞由主轴孔内的空气嘴喷出，将锥孔里的杂物清理干净

20、。为了提高清理杂物的效率，喷气小孔要有合理的喷射角度，并均匀分布。第四节 主轴部件图320 立式加工中心主轴部件1活塞 2拉杆 3蝶形弹簧 4钢球 5标准拉钉 6主轴 7、8行程开关 9弹力卡爪 10卡套第五节 主轴组件的润滑与密封v一、主轴润滑v为了保证主轴有良好的润滑，减少摩擦发热，同时又能把主轴组件的热量带走，通常采用循环式润滑系统。用液压泵供油强力润滑，在油箱中使用油温控制器控制油液温度。近年来有些数控机床的主轴轴承采用高级油脂封放方式润滑，每加一次油脂可以使用710年，简化了结构，降低了成本且维护保养简单，但需防止润滑油和油脂混合，通常采用迷宫式密封方式。为了适应主轴转速向更高速化发

21、展的需要，新的润滑冷却方式相继开发出来。这些新型润滑冷却方式不单要减少轴承温升，还要减少轴承内外圈的温差，以保证主轴热变形小。返回到总目录 返回本章目录 前进 后退第五节 主轴组件的润滑与密封v1油气润滑方式这种润滑方式近似于油雾润滑方式，所不同的是，油气润滑是定时定量地把油雾送进轴承空隙中，这样既实现了油雾润滑，又不致于油雾太多而污染周围空气；后者则是连续供给油雾。v2 喷注润滑方式它用较大流量的恒温油(每个轴承34Lrain)喷注到主轴轴承，以达到润滑、冷却的目的。这里要特别指出的是，较大流量喷注的油，不是自然回流，而是用排油泵强制排除，同时，采用专用高精度大容量恒温油箱，油温变动控制在0

22、5以内。第五节 主轴组件的润滑与密封v二、主轴密封v主轴密封的主要目的是防止润滑油液泄漏和外部的切削液等进入主轴的轴承内。在密封件中，被密封的介质往往是以穿漏、渗透或扩散的形式越界泄漏到密封连接处的另一侧。造成泄漏的基本原因是流体从密封面上的间隙中溢出，或是由于密封部件内外两侧密封介质的压力差或浓度差，致使流体向压力或浓度低的一侧流动。图3-21是一种卧式加工中心主轴前支承的密封结构。v这种加工中心主轴前支承处采用的双层小间隙密封装置。主轴前端车出两组锯齿形护油槽，在法兰盘4和5上开沟槽及泄漏孔，当喷进轴承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，主轴护油槽在离心力的作用下被甩至法兰盘4的沟槽内，经回油斜孔 8重新流回油箱，达到了防止润滑介质泄漏的目的。第五节 主轴组件的润滑与密封图321主轴的密封结构1进油孔 2轴承 3套筒 4法兰盘 5法兰盘6主轴 7泄漏孔 8回油孔 9泄油孔