數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)

機(jī)械工業(yè)出版社數(shù)控機(jī)床

第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)主傳動(dòng)的系統(tǒng)要求2.1.1主傳動(dòng)分類(lèi)2.1.2主軸部件2.1.32.1數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)主傳動(dòng)系統(tǒng)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速和一定的變速范圍，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，并能方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的開(kāi)停、變速、換向和制動(dòng)等。2.1.1主傳動(dòng)的系統(tǒng)要求第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)1．轉(zhuǎn)速高、功率大由于對(duì)高效率日益增長(zhǎng)的要求，加之刀具材料和技術(shù)的進(jìn)步，大多數(shù)數(shù)控機(jī)床均要求有足夠高的功率來(lái)滿(mǎn)足高速?gòu)?qiáng)力切削，實(shí)現(xiàn)高效率加工。一般數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)功率在3.7～250kW之間。主電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有足夠的功率，全部機(jī)構(gòu)和元件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以滿(mǎn)足機(jī)床的動(dòng)力要求。2.1.1主傳動(dòng)的系統(tǒng)要求第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)2.具有更大的調(diào)速范圍并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速為保證能選用合理的切削用量，獲得更高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量，要求能在較大的調(diào)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。調(diào)速范圍有恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速范圍兩種。要求恒功率調(diào)速范圍盡可能大，以便在盡可能低的速度下，利用其全功率。另外，變速范圍負(fù)載波動(dòng)時(shí)，速度應(yīng)穩(wěn)定。一般要求主軸具備1∶(100～1000)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍和1∶10的恒功率調(diào)速范圍。現(xiàn)在，數(shù)控機(jī)床的主軸的調(diào)速范圍一般為：100～10000r/min，且能無(wú)級(jí)調(diào)速。2.1.1主傳動(dòng)的系統(tǒng)要求第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)3．控制功能的多樣化

同步控制功能：在車(chē)削中心上，為使之具有螺紋車(chē)削功能，要求主軸與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)行同步控制，即主軸上安裝了脈沖編碼器。主軸準(zhǔn)停功能：在加工中心上，要求主軸具有高精度的準(zhǔn)停功能，以保證換刀位置的準(zhǔn)確以及某些加工工藝的需要。具有恒線(xiàn)速度切削控制功能：利用車(chē)床和磨床加工工件端面時(shí)，為了保證端面表面粗糙度的一致性，要求刀具切削的線(xiàn)速度為恒定值。C軸控制功能：在車(chē)削中心上，要求主軸具有C軸控制功能。2.1.1主傳動(dòng)的系統(tǒng)要求第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)2.1.1主傳動(dòng)的系統(tǒng)要求4.高精度與剛度，傳遞平穩(wěn)，噪聲低數(shù)控機(jī)床加工精度與主軸系統(tǒng)精度密切相關(guān)。為此，要提高傳動(dòng)件的制造精度與剛度，可以對(duì)齒輪齒面高頻感應(yīng)加熱淬火，以增加耐磨性；最后一級(jí)采用斜齒輪傳動(dòng)，使傳動(dòng)平穩(wěn)；采用精度高的軸承及合理的支承結(jié)構(gòu)等，提高主軸組件剛性。第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)5．良好的抗振性和熱穩(wěn)定性數(shù)控機(jī)床加工時(shí)，可能受到斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運(yùn)動(dòng)部件不平衡以及切削過(guò)程中的自振等原因而引起的沖擊力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工精度和表面粗糙度。主軸系統(tǒng)發(fā)熱使其中的零部件產(chǎn)生熱變形，降低傳動(dòng)效率，破壞零部件之間的相對(duì)位置精度和運(yùn)動(dòng)精度，造成加工誤差。為此，主軸組件要有較高的固有頻率，實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡，保持合適的配合間隙并進(jìn)行循環(huán)潤(rùn)滑等。2.1.1主傳動(dòng)的系統(tǒng)要求第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)6．電動(dòng)機(jī)性能要求高一般要滿(mǎn)足以下性能要求：過(guò)載能力要強(qiáng)，要求有較長(zhǎng)時(shí)間(1～30min)和較大倍數(shù)的過(guò)載能力，在斷續(xù)負(fù)載下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)要小；速度響應(yīng)要快，升降速時(shí)間要短；溫升要低，振動(dòng)和噪聲要??；可靠性高，壽命長(zhǎng)，維護(hù)容易；體積小，重量輕，與機(jī)床聯(lián)接容易。此外，為了獲得更高的運(yùn)動(dòng)精度，要求主傳動(dòng)傳動(dòng)鏈盡可能短。2.1.1主傳動(dòng)的系統(tǒng)要求第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)1．帶有變速齒輪的主軸傳動(dòng)如圖2-1a所示，這是大中型數(shù)控機(jī)床較常采用的配置方式，通過(guò)少數(shù)幾對(duì)齒輪傳動(dòng)，擴(kuò)大變速范圍，確保低速時(shí)有較大的轉(zhuǎn)矩，以滿(mǎn)足主軸輸出轉(zhuǎn)矩特性的要求。數(shù)控機(jī)床在交流或直流電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速，使之成為分段無(wú)級(jí)變速?；讫X輪的移位大多采用液壓撥叉或直接由液壓缸驅(qū)動(dòng)齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。一部分小型數(shù)控機(jī)床也采用此種傳動(dòng)方式，以獲得強(qiáng)力切削時(shí)所需要的轉(zhuǎn)矩。2.1.2主傳動(dòng)分類(lèi)第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)2.1.2主傳動(dòng)分類(lèi)第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)2．通過(guò)帶傳動(dòng)的主軸傳動(dòng)如圖2-1b所示，這種傳動(dòng)主要用于轉(zhuǎn)速較高、變速范圍不大的小型數(shù)控機(jī)床，由交流電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)帶直接帶動(dòng)主軸。電動(dòng)機(jī)本身的調(diào)整就能夠滿(mǎn)足要求，不用齒輪變速，可以避免由齒輪傳動(dòng)所引起的振動(dòng)和噪聲。只適用于高速低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸。2.1.2主傳動(dòng)分類(lèi)第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)2.1.2主傳動(dòng)分類(lèi)第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)

常用的傳動(dòng)帶有多楔帶和同步齒形帶。多楔帶又稱(chēng)為復(fù)合三角帶，其橫向斷面如圖2-2a所示，傳遞負(fù)載主要靠強(qiáng)力層。多楔帶綜合了V帶和平帶的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)小、發(fā)熱少、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、重量小，可在40m／s的線(xiàn)速度下使用。此外，多楔帶與帶輪的接觸好、負(fù)載分布均勻，即使瞬時(shí)超載，也不會(huì)產(chǎn)生打滑，而傳遞功率比V帶大20%～30%，因此能夠滿(mǎn)足主傳動(dòng)高速、大轉(zhuǎn)矩和不打滑的要求。但是多楔帶的缺點(diǎn)是在安裝時(shí)需要較大的張緊力，使主軸和電動(dòng)機(jī)承受較大的徑向負(fù)載。2.1.2主傳動(dòng)分類(lèi)第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)2.1.2主傳動(dòng)分類(lèi)第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)多楔帶按齒距可分為三種規(guī)格：J型齒距為2.4mm，L型齒距為4.8mm，M型齒距為9.5mm，可依據(jù)需要傳送的功率及需要達(dá)到的轉(zhuǎn)速進(jìn)行選擇。同步齒形帶傳動(dòng)綜合了帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，帶型有梯形齒和圓弧齒，如圖2-1b所示。如圖2-3所示，同步齒形帶工作面上的齒形與帶輪的齒槽嚙合，進(jìn)行無(wú)滑動(dòng)的嚙合傳動(dòng)。2.1.2主傳動(dòng)分類(lèi)第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)與一般帶傳動(dòng)相比，同步齒形帶傳動(dòng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)傳動(dòng)效率高，可達(dá)98%以上。(2)無(wú)滑動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確。(3)傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小。(4)使用范圍較廣，速度可達(dá)50m／s，速比可達(dá)10左右，傳遞功率由幾瓦至數(shù)千瓦。(5)維修保養(yǎng)方便，不需要潤(rùn)滑。(6)安裝時(shí)中心距要求嚴(yán)格，帶與帶輪制造工藝較復(fù)雜，成本高。2.1.2主傳動(dòng)分類(lèi)第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)2.1.2主傳動(dòng)分類(lèi)第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)3．調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸傳動(dòng)由調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸傳動(dòng)如圖2-1c所示。調(diào)速電動(dòng)機(jī)與主軸用聯(lián)軸器同軸聯(lián)接，如圖2-4所示。它大大簡(jiǎn)化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，重量輕，慣量小，提高了主軸起動(dòng)、停止的響應(yīng)特性。同時(shí)，有效地提高了主軸部件的剛度，并利于控制振動(dòng)和噪聲。但主軸輸出的轉(zhuǎn)矩小，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)和熱量將直接影響到主軸，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量易使主軸產(chǎn)生熱變形。2.1.2主傳動(dòng)分類(lèi)第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)2.1.2主傳動(dòng)分類(lèi)第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)

2.1.2主傳動(dòng)分類(lèi)第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)4．用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸傳動(dòng)用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸傳動(dòng)如圖2-1d所示，它是齒輪變速和帶傳動(dòng)兩種方式的混合傳動(dòng)，具有上述兩種方式的性能。高速時(shí)，由一個(gè)電動(dòng)機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)；低速時(shí)，由另一個(gè)電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)，齒輪起到降速和擴(kuò)大變速范圍的作用，這樣就使恒功率區(qū)增大，擴(kuò)大了變速范圍，避免了低速時(shí)轉(zhuǎn)矩不夠且電動(dòng)機(jī)功率不能充分利用的問(wèn)題。但兩個(gè)電動(dòng)機(jī)不能同時(shí)工作，是一種浪費(fèi)。2.1.2主傳動(dòng)分類(lèi)第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)2.1.2主傳動(dòng)分類(lèi)第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)5．內(nèi)裝式電主軸目前，隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)(變頻調(diào)速技術(shù)、電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)等)的迅速發(fā)展和日趨完善，主傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)已得到極大的簡(jiǎn)化。具備高轉(zhuǎn)速和高精度、高速精密和高效率特性的數(shù)控機(jī)床電主軸應(yīng)運(yùn)而生。機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)(如圖2-1e)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”。2.1.2主傳動(dòng)分類(lèi)第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)2.1.2主傳動(dòng)分類(lèi)第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)這種主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對(duì)獨(dú)立出來(lái)，因此可做成“主軸單元”，俗稱(chēng)“電主軸”。由于當(dāng)前電主軸主要采用的是交流高頻電動(dòng)機(jī)，故也稱(chēng)為“高頻軸”。由于沒(méi)有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，有時(shí)又稱(chēng)它為“直接傳動(dòng)主軸”。2.1.2主傳動(dòng)分類(lèi)第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)主軸部件包括主軸的支承和傳動(dòng)零件，主要由以下零部件組成：主軸、軸承、傳動(dòng)零件、裝夾刀具或工件的附件及輔助零部件。1、主軸主軸是主軸部件的重要組成部分，它的結(jié)構(gòu)、尺寸、制造精度、材料及其熱處理，對(duì)主軸部件性能都有很大的影響。主軸結(jié)構(gòu)隨主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的不同而有多種形式，一般為空心階梯軸，前端徑向尺寸大，中間徑向尺寸逐漸減小，尾部徑向尺寸最小。2.1.3主軸部件第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)(1)主軸的主要尺寸參數(shù)

1)主軸直徑。2)主軸內(nèi)孔直徑。3)懸伸長(zhǎng)度。4)主軸的支承跨距。(2)主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀

圖2-5所示為數(shù)控機(jī)床所通用的幾種主軸端部的結(jié)構(gòu)形式。

a)車(chē)床主軸端部b)銑、鏜類(lèi)機(jī)床主軸端部c)外圓磨床砂輪主軸端部d)內(nèi)圓磨床砂輪主軸端部2.1.3主軸部件第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)2.1.3主軸部件2.1.3主軸部件(3)常用的卡盤(pán)結(jié)構(gòu)

圖2-6為某數(shù)控車(chē)床上采用的一種液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力自定心卡盤(pán)，由固定在主軸后端的液壓缸5和固定在主軸前端的卡盤(pán)3組成，活塞4可以帶動(dòng)卡盤(pán)內(nèi)的驅(qū)動(dòng)爪1驅(qū)動(dòng)卡爪2夾緊或松開(kāi)工件，并通過(guò)行程開(kāi)關(guān)6和7發(fā)出相應(yīng)信號(hào)，其夾緊力的大小通過(guò)調(diào)整液壓系統(tǒng)壓力控制。這種結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)作靈敏，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的夾緊力。第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)2.1.3主軸部件第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)圖2-6液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力自定心卡盤(pán)1－驅(qū)動(dòng)卡爪2－卡爪3－卡盤(pán)4－活塞桿5－液壓缸6、7－行程開(kāi)關(guān)

2.1.3主軸部件(4)主軸內(nèi)部刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)

圖2-7為ZHS-K63型加工中心主軸內(nèi)部刀具夾緊機(jī)構(gòu)

第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)2.1.3

主軸部件2．主軸軸承(1)軸承的類(lèi)型1)滾動(dòng)軸承。(a)深溝球軸承。如圖2-8ａ(b)角接觸球軸承。如圖2-8ｂ(c)雙向推力角接觸球軸承。如圖2-8ｃ(d)雙列圓柱滾子軸承。如圖2-8ｄ(e)圓錐滾子軸承。如圖2-8ｅ2)滑動(dòng)軸承。

第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)2.1.3主軸部件。第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)(2)主軸軸承的支撐形式

數(shù)控機(jī)床主軸帶動(dòng)刀具或夾具在支承中作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)能傳遞切削轉(zhuǎn)矩承受切削抗力，并保證必要的旋轉(zhuǎn)精度。主軸軸承的支撐形式主要取決于主軸轉(zhuǎn)速特性的速度因素和對(duì)主軸剛度的要求。主軸軸承常見(jiàn)的支撐形式有以下三種，如圖2-9所示。第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)2.1.3主軸部件第二章數(shù)控機(jī)床的典型系統(tǒng)2.1.3主軸部件3