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1、普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏 3.1 概述第三章 数控机床的 主传动系统*1普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏3.1 概述 3.2主轴部件 3.3主轴准停 3.4 高速电主轴 3.5 主传动部件的结构与调整 3.6 主传动系统常见故障及排除方法第三章 数控机床的主传动系统Date2普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏3.1 概述3.1.1 对主传动系统的要求(1)大的调速范围 。(2)小的热变形 。(3)主轴有高的旋转精度和运动精度 。(4)主轴有较高的静刚度和抗振性 。(5)主轴组件有足够的耐磨性
2、。Date3普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏3.1.2 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3.1主轴功率转矩特性2分段无级变速(1)带有变速齿轮的主传动(图3.2a)。(2)通过带传动的主传动(图3.2b) 。(3)用两个电动机分别驱动主轴 (图3.2c) 。3液压拨叉变速机构带有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。图3.3是三位液压拨叉的原理图。Date4普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏5传动带类型n 常用多楔带和同步带。 n 同步带又称为同步齿形带，按齿
3、形不同又可分为梯形齿同步带和圆 弧齿同步带两种。其中梯形齿多用在转速不高或小功率动力传动中 ，而圆弧齿多用在数控加工中心等要求较高的数控机床主运动传动 系统中。梯形齿圆弧齿 Date5普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏6同步带特点n 无滑动，传动比准确。n 传动效率高，可达98 。n 传动平稳，噪声小（具有吸振的功能）。n 使用范围较广，速度可达50m/s，传动比可达10左右，传递 功率由几瓦至数千瓦。n 维修保养方便，不需要润滑。Date6普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏7三位液压拨叉工作原理图通油、卸荷， 滑移齿轮在最左侧5通油
4、、1卸荷，滑 移齿轮在最右侧1、5同时通油，滑 移齿轮在中间1，5 缸体 2活塞杆 3 拨叉 4套筒Date7普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏4电磁离合器变速 1 2电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它 便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成 为自动装置中常用的操纵元件。如图3.4所示为THK6380型自动换刀数控铣镗床的主传动系统 图，该机床采用双速电动机和六个电磁离合器完成18级变速。 图3.5是数控铣镗床主轴箱中使用的无滑环摩擦片式电磁离 合器。 图3.6为啮合式电磁离合器，是在摩擦面上做了一定齿形，来提高传递的扭力。 D
5、ate8普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏5内装电动机主轴变速这种主传动是电动机直接带动主轴旋转（图3.2d所示）， 大大简化主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚 度，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴的精度影响较大。 如图3.7所示为日本研制的立式加工中心主轴组件，其内装电动 机主轴最高转速可达20 000rmin。磁悬浮轴承高速主轴 2 3Date9普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏103调速电机直接驱动主轴传动n 数控机床般采用直流或交流主轴伺服电动机直接驱动主轴实现无级 变速。 n 交流主轴电动机及交流变频驱动装置（
6、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。Date10普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏11n 将调速电动机与主轴合成一体（电动机转子轴即为机床主轴），这 是近年来新出现的一种结构。这种变速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，但主轴的输出转矩较 小，电动机发热对主轴精度影响较大。Date11普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏3.2主轴部件3.2.1主轴端部的结构形状主轴端部用
7、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，如图3.8所示为普通 机床和数控机床所通用的几种结构形式。 备注：车床主轴端部与卡盘连接示意图铣床端部刀柄安装视频 1 2Date12普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏3.2.2 主轴部件的支承1主轴部件常用滚动轴承的类型(图3.9)2滚动轴承的精度主轴部件所用滚动轴承的精度有高级6(E)、精密级5(D)、特精级 4(C)和超精级2(B)。前支承的精度一般比后支承的精度高一级，也可以 用相同的精度等级。普通精度的机床通常前
8、支承取4(C)、 5(D)级，后支 承用5(D)、6(E)级。特高精度的机床前后支承均用2(B)级精度。 3主轴滚动轴承的配置(图3.10)4主轴滚动轴承的预紧(1)轴承内圈移动（ 图3.11）。(2)修磨座圈或隔套 （图3.12，3.13）。Date13普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏3.2.3主轴的材料和热处理主轴材料可根据强度、刚度、耐磨性、载荷特点和热处理 变形大小等因素来选择。主轴刚度与材质的弹性模量E有关。 Date14普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏3.2.4主轴的润滑与冷却主轴轴承润滑和冷却是保证主轴正常工作的必要
9、手段。为尽 可能减少主轴部件温升引起的热变形对机床工作精度的影响，通 常利用润滑油循环系统把主轴部件的热量带走，使主轴部件与箱 体保持恒定的温度，在某些数控机床上，采用专用的冷却装置， 控制主轴箱温升。 Date15普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏3.2.5数控车床的主轴部件1主轴的支承与润滑，图3.14为TND360数控车床主轴部件，主轴内 孔是用于通过长的棒料，也可用于通过气动、液压夹紧装置(动力夹盘)。 2卡盘 图3.15液压动力自定心卡盘 3主轴编码器编码器如图3.16所示；常用弹性联轴器如图3.17所示； 光电脉冲发生器原理如图3.18所示。Date1
10、6普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏3.2.6自动换刀数控机床的主轴部件1主轴箱主轴箱的结构较普通机床简化，但主轴箱材料要求较高， 一般用HT250或HT300，制造与装配精度也较普通机床要高。 大型落地铣镗床的主轴箱结构还有携带主轴的部件作前后 进给运动的功能，它的进给方向与主轴的轴向进给方向相同。 此类机床的主轴箱结构通常有两种方案，即滑枕式和主轴箱移 动式。 图3.19 数控落地铣镗床的矩形滑枕 图3.20 棱形滑枕Date17普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏2主轴箱的结构TH6350加工中心的主轴箱如图3.21所示。为了增加
11、转速范 围和转距，主传动采用齿轮变速传动方式。 3主轴部件结构图3.22为THK6380加工中心主轴部件结构图。(1)刀具自动夹紧装置 图3.23 拉紧结构；(2)清洁装置(3)卸荷装置 图3.24 卸荷装置；(4)主轴准停装置 图3.25是V形槽轮定位盘主轴准停机构原 理图 Date18普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏3.3主轴准停3.3.1概述主轴准停功能又称主轴定位功能(Spindle Specified Position Stop)，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。在自动换刀的数控镗铣加工中心上，切削转矩通常是通 过刀杆
12、的端面键来传递的。这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定 角度的功能，见图3.26。当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时，为防止刀 具与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面，必须先让刀，后再退刀 ，而要让刀，刀具必须具有准确定位功能，如图3.27所示。 主轴准停可分为机械准停与电气准停,控制过程如图3.28所示。 3.3.2机械准停图3.29为典型的端面螺旋凸轮准停装置 。Date19普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏3.3.3电气准停控制目前电气准停有如下三种方式：1磁传感器主轴准停图3.30 磁传感器主轴准停控制系统基本结构；图3.31 磁发体与磁传感器在主轴上位置示意图
13、；图3.32 磁传感器准停时序图。2编码器型主轴准停图3.33 编码器型主轴准停控制结构； 图3.34 编码器准停控制时序。 3数控系统控制准停图3.35数控系统控制主轴准停结构。Date20普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏3.4 高速电主轴自20世纪80年代以来，数控机床、加工中心主轴向高速化发 展。高速主轴的发展是以航空工业、家电、汽车等工业追求机械零 件的轻量化而普遍采用铝合金零件后，提出的轻铝合金高速加工的 课题而产生的。表3.3为铝合金在切削试验中切削速度和表面粗糙 度的关系。 3.4.1 高速电主轴的结构高速主轴在结构上几乎全部是交流伺服电动机直接驱
14、动的集 成化结构，取消齿轮变速机构，并配备有强力的冷却和润滑设计。 集成主轴有两种构成方式：一种是通过联轴器把电动机与主轴直接 联接，另一种则是把电动机转子与主轴做成一体，即将无壳电动机 的空心转子用压配合的形式直接装在机床主轴上，带有冷却套的定 子则安装在主轴单元的壳体中，形成内装式电动机主轴。图3.36 所示为用于立式加工中心的高速电主轴的组成。Date21普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏3.4.2 冷却润滑技术主轴转速及润滑方式的变迁见表3.4。 (1)油气润滑方式 图3.37油气润滑原理图。 (2)喷注润滑方式 图3.38 喷注润滑系统。 (3)突入滚道
15、式润滑方式 图3.39 突入滚道润滑用特种轴承。(4)电动机内装式主轴 图3.40 电动机内装式主轴。Date22普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏3.4.3 高速精密轴承高速主轴支承用的高速轴承有接触式轴承和非接触式轴承两 大类 。接触式轴承由于存在金属摩擦，因此摩擦因数大，允许最高 转速低。保持接触式轴承长期高速运转的技术措施是预加载荷的 自动补偿和良好润滑。实施预加载荷自动补偿的方法之一是采用 液压补偿系统 。目前用于支承高速主轴的非接触轴承有液体静压轴承（图 3.41）、空气静压轴承（图3.42 ）和磁悬浮轴承（图3.43）。Date23普通高等教育“十一
16、五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏3.4.4 电主轴的动平衡必须进行电主轴装配后的整体精确动平衡，甚至还要设计 专门的自动平衡系统来实现电主轴的在线动平衡。 必须对包括刀具和刀夹的旋转总成充分地进行动平衡，以 消除有害的动态不平衡力，避免高速下颤振和振动。 Date24普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏3.4.5刀具的夹紧一种是采用主轴锥孔与主轴端部同时接触的双定位刀夹， 使端面定位面具有很大的摩擦，以防止主轴膨胀，这是一种有效 的措施。为使刀具在刀柄上夹紧，可采用流体压力夹紧的方式。 这样既可提高夹紧刚度，又可保证刀柄和刀具高度的同心度。另 一种是直接夹紧刀具的方式，即通过采用主轴锥孔内用拉杆操作 的弹簧夹头而省去刀夹。 3.4.6轴上零件的联接Date25普通高等教育“十一五”国家级规划教材 数控机床结构及维修 邓三鹏3.5 主传动部件
