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1、,数控机床结构与故障检修,Structure and maintenance of NC,第3章 数控机床主传动系统,The main drive system of NC,目 录,CONTENTS,主轴及其部件结构,典型机床主轴结构,数控机床的主轴系统,一,二,三,数控机床主传动系统,如图所示VMC-15加工中心，工作台行程X/Y/Z向20in/16in/20in，快进速度400in/min，主轴转速1507500r/min，定位精度0.0002in，主电机功率11.2KW。,课程导引,图3-1VMC-15型加工中心的外形图1对刀仪2工作台(X，Y轴进给)3第四轴旋转头 4刀库5防护装置6主
2、轴箱(Z轴进给)7操作面板,（1）主传动系统 如图3-2所示为VMC-15加工中心的主传动结构，其主传动路线为：交流主电动机(1507500rmin无级调速)11多楔带传动主轴。,数控机床主传动系统,课程导引,图3-2VMC-15加工中心的主传动系统1主轴2主轴箱3、6带轮4多楔带5主电动机7切削液喷嘴,（2）刀具的自动夹紧与放松VMC-15刀具在主轴上夹紧与放松的基本原理与大多数加工中心类似，以碟形弹簧的弹性力拉紧，气缸的气压力松开。,数控机床主传动系统,课程导引,图3-3VMC-15加工中心主轴上刀柄夹紧与放松示意图1钢球2拉杆3套筒4主轴5碟形弹簧,（3）主轴轴承主轴定位于高精度的角接触
3、球轴承上，这种轴承成对组配，按给定级别预紧，其装配在净化室内进行。（4）准停装置在自动换刀数控镗铣床上，切削力矩通常是通过刀杆的端面键来传递的，因此在每次自动装卸刀杆时，都必须使刀柄上的键槽对准主轴上的端面键，这就要求主轴具有准确周向定位的功能，即主轴准停功能。（5）自动吹屑在换刀过程中，难免会有灰尘、切屑等粘在刀柄的定位面及主轴的定位孔上，破坏了刀具的正确定位，影响加工零件的精度。,数控机床主传动系统,课程导引,数控机床主轴系统包括主电机、传动系统、主轴组件，与普通机床相比结构较简单，因其变速功能全部或部分由主电机的无级调速来实现，齿轮变速机构少或没有，有的也仅是为进一步扩大变速范围。,数控
4、机床主传动系统,3.1数控机床的主轴系统,3.1.1对主传动系统的要求（1）调速范围宽、并实现无级调速各种不同的机床对调速范围的要求不同，通用型范围大，专用机床小。（2）热变形小电动机、主轴及传动件都是热源。（3）主轴的旋转精度和运动精度高主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动条件下测量主轴前端和距离前端300mm处的径向圆跳动和端面跳动值。（4）主轴的静刚度和抗振性较高由于数控机床加工精度较高，主轴的转速又很高，因此对主轴的静刚度和抗振性要求较高。（5）主轴组件的耐磨性好、噪声低主轴组件必须有足够的耐磨性，使之能够长期保持良好的精度。,数控机床主传动系统,3.1数控机床的主轴系统,3.
5、1.2主传动变速的方式 数控机床主运动调速范围很宽，其主轴的传动变速方式主要有以下几种：,数控机床主传动系统,3.1数控机床的主轴系统,图3-4数控机床主传动的四种配置方式a)齿轮变速b)带传动c)两个电动机分别驱动d)电主轴,1.带有变速齿轮的主轴传动（分段无级变速）,2.通过带传动的主轴传动（无级变速）这种传动主要用在转速较高、变速范围不大的小型数控机床，结构简单、安装调试方便，但传递转矩小，变速范围受电机限制。常用的有多楔带和同步齿形带。多楔带结合了V带及平带的优点，运动时振动小、发热少、运转平稳，线速度可达40m/s，且多楔带与带轮接触好，负载分布均匀，瞬时超载不易打滑，能满足主传动高
6、速、传递转矩大、不易打滑的要求，但在安装时要求有较大的张紧力，增加了主轴和电机的径向负载。,数控机床主传动系统,3.1数控机床的主轴系统,图3-5 a)多楔带,同步齿形带综合了带传动和链传动（或齿轮传动）优点，其带形有梯形齿和圆弧齿两种，如图3-5 b）所示。,数控机床主传动系统,3.1数控机床的主轴系统,图3-5 b)同步齿形带,如图3-6所示，带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过同步带上轮齿与带轮轮齿相嵌合，且由于同步带上轮齿节距为定值实现两者间无滑动的啮合传动。,图3-6同步齿形带的结构和传动,同步齿形带传动的优点：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
7、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。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。,数控机床主传动系统,3.1数控机床的主轴系统,3.用两个电动机分别驱动主轴传动（分段无级变速）高速时通过带传动、低速时通过齿轮传动，降速齿轮可使输出转矩提高，升速齿轮可使恒功率区扩大，变速范围增加，避免了低速时转矩不足和电机功率不能充分利用的问题，但只有一个电机处于工作状态，浪费。,数控机床主传动系统,3.1数控机床的主轴系统,4.调速电动机直接驱动主轴传动（无级变速）结构简化，刚度提高，但主轴输出转速及转矩与主电机的输出
8、特性一致，电机发热对主轴精度有影响，使用上受到一定限制。,数控机床主传动系统,3.1数控机床的主轴系统,图3-7直接驱动式,5.电主轴（无级变速）机床主轴由内装式电机直接驱动，从而使主轴部件从机床传动系统和整体结构中独立出来。成为“主轴单元”，又称为“电主轴”。其不存在复杂的中间传动环节，具有调整范围广、振动噪声小、易控制、能实现准停、准速、准位，加工效率和加工精度高。,数控机床主传动系统,3.1数控机床的主轴系统,图3-8电主轴,主轴部件是数控机床的一个关键部件，包括主轴、主轴的支承、安装在主轴上传动件、密封件、自动夹紧装置及吹屑装置、准停装置等等。主轴部件质量的好坏直接影响机床加工精度和加
9、工质量，它的输出功率大小与回转速度影响加工效率，自动变速、准停和换刀等功能影响机床的自动化程度。因此，主轴部件应满足以下几个方面的要求：高回转精度、刚度、抗振性、耐磨性和热稳定性等，而且在主轴上安装有刀具或工件的自动夹紧装置、主轴准停装置和主轴孔的清理装置等，以求很好地解决刀具或工件的装夹、轴承的配置、轴承间隙调整和润滑密封等问题。,数控机床主传动系统,3.2主轴及其部件结构,主轴的结构尺寸和形状、制造精度、材料及热处理对主轴组件的工作性能有很大影响。主轴结构随主轴系统设计要求的不同而有各种形式。,数控机床主传动系统,3.2主轴及其部件结构,图3-13加工中心主轴,1.主轴端部结构形式 主轴端
10、部用于安装刀具或夹持工件的基准，在设计上应能保证定位准确、安装可靠、联接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。主轴端部的结构形式都已标准化，数控车床的主轴端部结构一般采用短圆锥法兰盘式，定心精度高、刚性好，其它类型机床的主轴端部结构如图3-14所示。,数控机床主传动系统,3.2主轴及其部件结构,数控机床主传动系统,3.2主轴及其部件结构,图3-14几种机床上通用的结构形式a)各种钻床 b)铣、镗床c)外圆磨床、平面磨床、无心磨床等砂轮主轴d)内圆磨床砂轮主轴,2.主轴的主要尺寸参数（1）主轴直径 主轴直径越大，其刚度越高，但增加直径使得轴承和轴上其他零件的尺寸相应增大。轴承直径越大，同精度等级的
11、轴承公差值也越大，同时轴承极限转速下降，要保证主轴的旋转精度就越困难。（2）主轴内孔直径 主轴的内径用来通过棒料、通过刀具夹紧装置固定刀具、传动气动或液压卡盘等。孔径越大，可通过的棒料直径也越大，机床使用范围就越广，同时主轴重量减小。其孔径大小取决于主轴刚度，0.3时空心实心相当，0.5时空心约为实心90%，0.7时急剧下降，一般取0.5。,数控机床主传动系统,3.2主轴及其部件结构,3.主轴的材料和热处理 主轴材料选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性要求的热处理变形大小等因素确定，常用材料：45、40Cr、38CrMoAl等。一般要求的机床主轴选用45，进行调质处理（预）获得较好综合机械性能（
12、22-28HRC），再根据使用要求对一些表面进行表面淬火（40-48HRC）；当载荷较大或存在冲击或精密机床高轴为减少热处理后的变形或轴向移动的主轴为提高耐磨性，可选用合金钢如40Cr，调质处理+表面淬火（42-50HRC），或是选用20Cr进行渗碳淬火（56-62HRC）；高精密机床的主轴材料则选用38CrMoAl氮化处理，硬度850-1000HVC。,数控机床主传动系统,3.2主轴及其部件结构,4.主轴支承的主要精度指标1）前支承轴承轴颈的同轴度公差约为5m左右。2）轴承轴颈需按轴承内孔“实际尺寸”配磨，且须保证配合过盈为15m。3）定位锥孔与轴承轴颈的同轴度要求为35m，与刀柄或车夹具定
13、位圆锥面的接触面积不小于80，且大端接触较好。4）装NN3000K(旧编号为3182100)型调心圆柱滚子轴承的112锥面，与轴承内圈接触面积不小于85。,数控机床主传动系统,3.2主轴及其部件结构,5.主轴部件的支承 机床主轴带着刀具或夹具在支承中作回转运动，传递切削转矩承受切削抗力并保证必要的旋转精度，机床主轴多采用滚动轴承作支承，对于精度要求高、承受较大切削载荷的主轴可采用动压或静压滑动轴承作支承。（1）主轴轴承的类型1）滚动轴承,数控机床主传动系统,3.2主轴及其部件结构,图3-15主轴常用的滚动轴承,2）主轴轴承的结构配置,数控机床主传动系统,3.2主轴及其部件结构,图3-17数控机
14、床主轴支承的配置形式,图3-17 a）所示配置：主轴获得较大的径向和轴向刚度，可以满足强力切削要求，普遍应用于各类数控机床主轴支承，后支承可用圆柱滚子轴承进一步提高后支承径向刚度。,图3-17 b）所示配置：主轴刚度不及a）所示，但其可以满足主轴高转速要求，普遍应用于转速范围大、最高转速高的数控机床，前支承采用四个或更多个角接触轴承，后支承用两个深沟球轴承以提高主轴刚度。,图3-17 c）所示配置：主轴能承受较重载荷，径向和轴向刚度高，但其主轴最高转速低，适用于中等精度要求、低速、重载的数控机床主轴。,为提高主轴支承刚度，对于前后轴承组跨距较大的数控机床主轴，增加辅助支承形成所谓的“三支承”以
15、有效地减少主轴弯曲变形，可设在中间支承也可设在后支承。辅助支承在径向要保留必要游隙以避免出现干涉现象，辅助支承一般选用深沟球轴承。液体静压轴承和动压轴承应用在高转速、高回转精度的场合，如要求更高最高转速，可使用空气静压轴承。,数控机床主传动系统,3.2主轴及其部件结构,（2）滚动轴承间隙与预紧 滚动轴承存在较大间隙时，载荷将集中作用于受力方向上的少数滚动体上，使得轴承刚度下降，承载能力下降，旋转精度差。将滚动轴承进行适当预紧，使滚动体和内外圈滚道在接触处产生微量预变形，受载后滚动体数目增加受力趋于均匀，可提高承载能力及刚度，减少主轴轴向漂移，提高旋转精度。若预紧过大则会导致轴承磨损加剧、精度很
16、快丧失。滚动轴承间隙调整或预紧是通过轴承内、外圈相对轴向移动来实现的：,数控机床主传动系统,3.2主轴及其部件结构,1）轴承内圈移动 适用于锥孔双列圆柱滚子轴承。,数控机床主传动系统,3.2主轴及其部件结构,图3-18滚动轴承的预紧,2）修磨座圈（轴承内外圈）或隔套,数控机床主传动系统,3.2主轴及其部件结构,图3-19修磨轴承座圈,图3-19 a）为轴承外圈宽边相对（背对背），可修磨内圈。,图3-19 b）为轴承外圈窄边相对（面对面），可修磨外圈。,将两个轴向长度不同的隔套放在两个轴承内外圈之间，同时将内圈、外圈压紧，使滚道产生预紧。,数控机床主传动系统,3.2主轴及其部件结构,图3-20隔
17、套的应用,6、主轴内切屑清除装置 为防止主轴锥孔中落入切屑、灰尘或其它污物，导致在拉紧刀杆时，锥孔表面和刀具锥柄会被划伤，甚至使刀杆偏斜破坏正确定位，影响加工精度，常采用压缩空气在松开刀具刀柄时由喷口经过主轴中间通孔吹出，将锥孔清理干净。,数控机床主传动系统,3.2主轴及其部件结构,7、主轴部件的润滑与密封 主轴部件的润滑与密封是机床使用和维护过程中值得重视的两个问题，良好的润滑可以降低轴承的工作温度、延长寿命，密封不仅要防止灰尘、切屑和切削液进入，还要防止润滑油泄漏。数控机床上，主轴轴承润滑方式有：油脂润滑、油液循环润滑、油雾润滑、油气润滑等。,数控机床主传动系统,3.2主轴及其部件结构,1
18、）油脂润滑方式是目前在数控机床的主轴轴承上最常用的润滑方式，特别是在前支承轴承上更是常用。2）在数控机床主轴上，有采用油液循环润滑方式的。3)油雾润滑方式是将油液经高压气体雾化后从喷嘴成雾状喷到需润滑的部位的润滑方式。4)油气润滑方式是针对高速主轴而开发的新型润滑方式。,数控机床主传动系统,3.2主轴及其部件结构,图3-23恒温油液循环润滑冷却方式,图3-24油气润滑,在用油液润滑角接触轴承时要注意其泵油效应，必须使油液从轴承小口进入，如图3-25所示。,数控机床主传动系统,3.2主轴及其部件结构,图3-25角接触轴承油液润滑,3.3.1数控车床的主轴部件 主轴部件的精度、刚度及热变形对加工质
19、量有直接影响。数控车床的主轴支承方式有三种：1）前支承采用双列圆柱滚子轴承和60角接触双列球轴承组合，后支承采用成对安装角接触球轴承。综合刚度好，应用普遍。2）前支承采用高精度双列（或）角接触球轴承，后支承采用单列（或双列）角接触球轴承。高速、轻载、精密主轴。3）前、后支承采用双列和单列圆锥滚子轴承。中等精度、低速、重载主轴。,数控机床主传动系统,3.3典型机床主轴的结构,1.卡盘 通用夹具（三爪自定心、四爪单动卡盘或弹簧夹头）。,数控机床主传动系统,3.3典型机床主轴的结构,图3-28液压驱动动力自定心夹盘1驱动爪2卡爪3卡盘4活塞杆5液压缸6、7行程开关,2.主轴编码器 为与主轴同步的光电
20、脉冲发生器，可通过中间轴齿轮1：1传动也可同轴安装。利用主轴编码器检测主轴运动信号一方面可实现主轴调速的数字反馈，另一方面可用于进给运动的控制，如车削螺纹要求输入进给伺服电机的脉冲数与主轴转速间有对应关系。,数控机床主传动系统,3.3典型机床主轴的结构,图3-29编码器,数控机床主传动系统,3.3典型机床主轴的结构,图3-31光电脉冲发生器原理图1灯泡2聚光镜3漏光盘4光敏管5光栏板,【实例3-4】TND360型数控车床主轴部件,数控机床主传动系统,3.3典型机床主轴的结构,图3-32TND360型数控车床的主轴部件,3.C轴功能,数控机床主传动系统,3.3典型机床主轴的结构,图3-33 车削
21、加工中心C轴,3.3.2自动换刀数控铣床的主轴部件1.主轴的准停功能（周向定位）当主轴停止转动时，控制其周向停于固定位置。,数控机床主传动系统,3.3典型机床主轴的结构,图3-38主轴准停换刀示意图,图3-39主轴准停阶梯孔或精镗孔示意图,1）机械准停控制,数控机床主传动系统,3.3典型机床主轴的结构,图3-40典型的V形槽轮定位盘机械准停原理示意图,2）电气准停控制（1）直接利用主轴编码器控制（2）磁传感器主轴准停控制,数控机床主传动系统,3.3典型机床主轴的结构,图3-41主轴电气准停,2.刀具自动装卸及吹屑装置1）7：24锥孔2）工作原理3）吹屑,数控机床主传动系统,3.3典型机床主轴的结构,
