数控机床的主传动系统.

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1、退 出下一页目 录上一页 机械工业出版 社 数控机床数控机床 退 出下一页目 录上一页 第二章 数控机床的典型系统 主传动的系统要求2.1.1 主传动分类2.1.2 主轴部件2.1.3 2.1 数控机床的主传动系统 退 出下一页目 录上一页 主传动系统是用来实现机床主运动的，它 应具有一定的转速和一定的变速范围，以便采 用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸 、不同要求的工件，并能方便地实现运动的开 停、变速、换向和制动等。 2.1.1 主传动的系统要求 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 1转速高、功率大 由于对高效率日益增长的要求，加之刀具 材料和技术的进步，大多数数控

2、机床均要求有 足够高的功率来满足高速强力切削，实现高效 率加工。 一般数控机床的主轴驱动功率在3.7 250kW之间。 主电动机应具有足够的功率，全部机构和 元件应具有足够的强度和刚度，以满足机床的 动力要求。 2.1.1 主传动的系统要求 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 2.具有更大的调速范围并实现无级调速 为保证能选用合理的切削用量，获得更高的 生产率、加工精度和表面质量，要求能在较大的 调速范围内实现无级调速。调速范围有恒转矩和 恒功率调速范围两种。要求恒功率调速范围尽可 能大，以便在尽可能低的速度下，利用其全功率 。 另外，变速范围负载波动时，速度应稳定。 一般要

3、求主轴具备1(1001000)的恒转矩调速 范围和110的恒功率调速范围。现在，数控机 床的主轴的调速范围一般为：10010000r/min ，且能无级调速。 2.1.1 主传动的系统要求 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 3控制功能的多样化 同步控制功能：在车削中心上，为使之具有 螺纹车削功能，要求主轴与进给驱动实行同步控 制，即主轴上安装了脉冲编码器。 主轴准停功能：在加工中心上，要求主轴具 有高精度的准停功能，以保证换刀位置的准确以 及某些加工工艺的需要。 具有恒线速度切削控制功能：利用车床和磨 床加工工件端面时，为了保证端面表面粗糙度的 一致性，要求刀具切削的线速度

4、为恒定值。 C轴控制功能：在车削中心上，要求主轴具 有C轴控制功能。 2.1.1 主传动的系统要求 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 2.1.1 主传动的系统要求 4. 高精度与刚度，传递平稳，噪声低 数控机床加工精度与主轴系统精度密切相 关。为此，要提高传动件的制造精度与刚度， 可以对齿轮齿面高频感应加热淬火，以增加耐 磨性；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳 ；采用精度高的轴承及合理的支承结构等，提 高主轴组件刚性。 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 5良好的抗振性和热稳定性 数控机床加工时，可能受到断续切削、加工 余量不均匀、运动部件不平衡以及切削

5、过程中的 自振等原因而引起的冲击力的干扰，使主轴产生 振动，影响加工精度和表面粗糙度。主轴系统发 热使其中的零部件产生热变形，降低传动效率， 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，主轴组件要有较高的固有频率，实现 动平衡，保持合适的配合间隙并进行循环润滑等 。 2.1.1 主传动的系统要求 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 6电动机性能要求高 一般要满足以下性能要求：过载能力要强 ，要求有较长时间(130min)和较大倍数的过 载能力，在断续负载下，电动机转速波动要小 ；速度响应要快，升降速时间要短； 温升要低，振动和噪声要小；可靠性高，寿 命长，

6、维护容易；体积小，重量轻，与机床联 接容易。 此外，为了获得更高的运动精度，要求主 传动传动链尽可能短。 2.1.1 主传动的系统要求 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 1带有变速齿轮的主轴传动 如图2-1a所示，这是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，确保低速时有较大的转矩，以满 足主轴输出转矩特性的要求。数控机床在交流 或直流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速 ，使之成为分段无级变速。滑移齿轮的移位大 多采用液压拨叉或直接由液压缸驱动齿轮来实 现。一部分小型数控机床也采用此种传动方式 ，以获得强力切削时所需要的转矩。 2.1.2 主

7、传动分类 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 2.1.2 主传动分类 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 2通过带传动的主轴传动 如图2-1b所示，这种传动主要用于转速较 高、变速范围不大的小型数控机床，由交流电 动机通过传动带直接带动主轴。电动机本身的 调整就能够满足要求，不用齿轮变速，可以避 免由齿轮传动所引起的振动和噪声。只适用于 高速低转矩特性要求的主轴。 2.1.2 主传动分类 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 2.1.2 主传动分类 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 常用的传动带有多楔带和同步齿形带。多 楔

8、带又称为复合三角带，其横向断面如 图2- 2a所示，传递负载主要靠强力层。多楔带综合 了V带和平带的优点，运转时振动小、发热少 、运转平稳、重量小，可在40ms的线速度下 使用。此外，多楔带与带轮的接触好、负载分 布均匀，即使瞬时超载，也不会产生打滑，而 传递功率比V带大20%30%，因此能够满足主 传动高速、大转矩和不打滑的要求。但是多楔 带的缺点是在安装时需要较大的张紧力，使主 轴和电动机承受较大的径向负载。 2.1.2 主传动分类 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 2.1.2 主传动分类 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 多楔带按齿距可分为三种规格

9、：J型齿距为 2.4mm，L型齿距为4.8mm，M型齿距为9.5mm，可 依据需要传送的功率及需要达到的转速进行选择 。 同步齿形带传动综合了带传动和链传动的优 点，带型有梯形齿和圆弧齿，如图2-1b所示。 如图2-3所示，同步齿形带工作面上的齿形与 带轮的齿槽啮合，进行无滑动的啮合传动。 2.1.2 主传动分类 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 与一般带传动相比，同步齿形带传动具有如 下优点： (1)传动效率高，可达98%以上。 (2)无滑动，传动比准确。 (3)传动平稳，噪声小。 (4)使用范围较广，速度可达50ms，速比 可达 10 左右，传递功率由几瓦至数千瓦。 (

10、5)维修保养方便，不需要润滑。 (6)安装时中心距要求严格，带与带轮制造工 艺较复杂，成本高。 2.1.2 主传动分类 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 2.1.2 主传动分类 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 3调速电动机直接驱动主轴传动 由调速电动机直接驱动主轴传动如图2-1c 所示。调速电动机与主轴用联轴器同轴联接， 如图2-4所示。它大大简化了主轴箱体与主轴的 结构，重量轻，惯量小，提高了主轴起动、停 止的响应特性。同时，有效地提高了主轴部件 的刚度，并利于控制振动和噪声。但主轴输出 的转矩小，电动机运转产生的振动和热量将直 接影响到主轴，电动机

11、运转产生的热量易使主 轴产生热变形。 2.1.2 主传动分类 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 2.1.2 主传动分类 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 2.1.2 主传动分类 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 4用两个电动机分别驱动主轴传动 用两个电动机分别驱动主轴传动如图2-1d所 示，它是齿轮变速和带传动两种方式的混合传动 ，具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 ，这样就使恒功率区增大，扩大了变速范围，避 免了低速时转矩不够且电动机功率不

12、能充分利用 的问题。但两个电动机不能同时工作，是一种浪 费。 2.1.2 主传动分类 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 2.1.2 主传动分类 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 5内装式电主轴 目前，随着电气传动技术(变频调速技 术、电动机矢量控制技术等)的迅速发展和日 趋完善，主传动系统的机械结构已得到极大的 简化。具备高转速和高精度、高速精密和高效 率特性的数控机床电主轴应运而生。机床主轴 由内装式电动机直接驱动(如图2-1e)，从而把 机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的 “零传动”。 2.1.2 主传动分类 第二章 数控机床的典型系统 退 出

13、下一页目 录上一页 2.1.2 主传动分类 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 这种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 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”。由 于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机 ，故也称为“高频轴”。由于没有中间传动 环节，有时又称它为“直接传动主轴”。 2.1.2 主传动分类 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 主轴部件包括主轴的支承和传动零件，主 要由以下零部件组成：主轴、轴承、传动零件 、装夹刀具或工件的附件及辅助零部件。 1、主轴 主轴是主轴部件的重要组成

14、部分，它的结 构、尺寸、制造精度、材料及其热处理，对主 轴部件性能都有很大的影响。主轴结构随主轴 系统设计要求的不同而有多种形式，一般为空 心阶梯轴，前端径向尺寸大，中间径向尺寸逐 渐减小，尾部径向尺寸最小。 2.1.3 主轴部件 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 (1)主轴的主要尺寸参数 1)主轴直径。 2)主轴内孔直径。 3)悬伸长度。 4)主轴的支承跨距。 (2)主轴端部的结构形状 图2-5所示为数控机床所通用的几种主轴 端部的 结构形式。 a)车床主轴端部 b)铣、镗类机床主轴端部 c)外圆磨床砂轮主轴端部 d)内圆磨床砂轮主轴端部 2.1.3 主轴部件 第二章 数

15、控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 第二章 数控机床的典型系统 2.1.3 主轴部件 退 出下一页目 录上一页 2.1.3 主轴部件 (3)常用的卡盘结构 图2-6为某数控车床上采用的一种液压驱动 动力自定心卡盘，由固定在主轴后端的液压缸5和 固定在主轴前端的卡盘3组成，活塞4可以带动卡 盘内的驱动爪1驱动卡爪2夹紧或松开工件，并通 过行程开关6和7发出相应信号，其夹紧力的大小 通过调整液压系统压力控制。这种结构结构紧凑 ，动作灵敏，能够实现较大的夹紧力。 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 2.1.3 主轴部件 第二章 数控机床的典型系统 图2-6 液压驱动动力自定

16、心卡盘 1驱动卡爪 2卡爪 3卡盘 4活塞杆 5液压缸 6、7行程开关 退 出下一页目 录上一页 2.1.3 主轴部件 (4)主轴内部刀具自动夹紧机构 图2-7为ZHS-K63型加工中心主轴内部刀具夹紧机构 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 2.1.3 主轴部件 2主轴轴承 (1)轴承的类型 1)滚动轴承。 (a)深沟球轴承。如图2-8 (b)角接触球轴承。如图2-8 (c)双向推力角接触球轴承。如图2-8 (d)双列圆柱滚子轴承。如图2-8 (e)圆锥滚子轴承。如图2-8 2)滑动轴承。 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 2.1.3 主轴部件 。 第二章 数控机床的典型系统 退 出下一页目 录上一页 (2) 主轴轴承的支撑形式 数控机床主轴带动刀具或夹具在支承中 作回转运动，应能传递切削转矩承受切削抗力 ，并保证必要的旋转精度。主轴轴承的支撑形