1、數(shù)控機床主軸部件數(shù)控機床主軸部件一、對主運動部件要求第1頁/共67頁1轉(zhuǎn)速高、功率大數(shù)控機床主軸驅(qū)動要求有較大的調(diào)速范圍，以滿足各種工況的切削，獲得最合理的切削速度，從而保證加工精度、加工表面質(zhì)量及高的生產(chǎn)效率。特別是對于具有自動換刀裝置的加工中心，為適應(yīng)各種刀具、各種材料的加工，對主軸的調(diào)速范圍要求更高。第2頁/共67頁2調(diào)速范圍寬并實現(xiàn)無級變速數(shù)控機床主軸的速度是由數(shù)控加工程序中的指令控制的，要求能在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行無級連續(xù)調(diào)速，減少中間傳動環(huán)節(jié)，簡化主軸的機械結(jié)構(gòu)，一般要求主軸具備1 （1001000）的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍和1 10的恒功率調(diào)速范圍。第3頁/共67頁3具有恒線速度切削控制

2、功能利用車床和磨床進(jìn)行工件端面加工時，為了保證端面加工時粗糙度的一致性，要求刀具切削的線速度為恒定值。隨著刀具的徑向進(jìn)給，切削直徑的逐漸減小，應(yīng)不斷提高主軸轉(zhuǎn)速，并維持線速度n D為常數(shù)，式中是切削線速度，為主軸轉(zhuǎn)速，為加工時切削直徑。在控制系統(tǒng)中，可由坐標(biāo)軸的進(jìn)給量算出，然后計算出對應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速，以保證切削的線速度保持不變。第4頁/共67頁4.能夠?qū)崿F(xiàn)刀具自動更換第5頁/共67頁5傳動鏈盡可能短第6頁/共67頁二、主軸驅(qū)動裝置和主軸部件功率特性的匹配第7頁/共67頁1主軸驅(qū)動電機的機械特性分析低速時恒轉(zhuǎn)矩特性高速時恒功率特性第8頁/共67頁三、數(shù)控機床主運動實現(xiàn)方式第9頁/共67頁分段無級變

3、速（1）數(shù)控機床在實際生產(chǎn)中，并不需要在整個變速范圍內(nèi)均為恒功率。般要求在中、高速段為恒功率傳動，在低速段為恒轉(zhuǎn)矩傳動。為了確保數(shù)控機床主軸低速時有較大的轉(zhuǎn)矩和主軸的變速范圍盡可能大，有的數(shù)控機床在交流或直流電動機無級變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速，即解決電機驅(qū)動和主軸傳動功率的匹配問題，使之成為分段無級變速。第10頁/共67頁分段無級變速圖例第11頁/共67頁分段無級變速（2）分段無級變速特點 在帶有齒輪變速的分段無級變速系統(tǒng)中，主軸的正、反向啟動與停止、制動是由電動機實現(xiàn)的，主軸變速則由電動機無級變速與齒輪有級變速相配合來實現(xiàn)。 這種配置適合于大中型機床，確保主軸低速時輸出大扭矩、高速時輸出恒功

4、率特性的要求。第12頁/共67頁分段無級變速（3）在帶有齒輪變速的主傳動系統(tǒng)中，液壓撥叉和電磁離合器是兩種常用的變速操縱方式。液壓撥叉工作原理 能夠帶動滑移齒輪移動實現(xiàn)變速。當(dāng)通油、卸荷，滑移齒輪在最左側(cè)。當(dāng)通油，卸荷，滑移齒輪在最右側(cè)。當(dāng)、同時通油，套筒在最右側(cè)，活塞桿頂在套筒上，滑移齒輪在中間位置。第13頁/共67頁三位液壓撥叉工作原理圖第14頁/共67頁2數(shù)控機床主軸帶傳動變速主軸帶傳動變速主要是將電機的旋轉(zhuǎn)運動通過帶傳動傳遞給主軸。這種傳動方式多見于數(shù)控車床和中、小型加工中心，它可避免齒輪傳動時引起的振動與噪聲。第15頁/共67頁帶傳動變速圖例第16頁/共67頁2數(shù)控機床主軸帶傳動變速

5、數(shù)控機床主軸帶傳動變速常用多楔帶和同步帶。同步帶又稱為同步齒形帶，按齒形不同又可分為梯形齒同步帶和圓弧齒同步帶兩種。其中梯形齒多用在轉(zhuǎn)速不高或小功率動力傳動中，而圓弧齒多用在數(shù)控加工中心等要求較高的數(shù)控機床主運動傳動系統(tǒng)中。第17頁/共67頁同步齒形帶縱向斷面圖梯形齒圓弧齒第18頁/共67頁2數(shù)控機床主軸帶傳動變速同步帶特點無滑動，傳動比準(zhǔn)確。傳動效率高，可達(dá)98。傳動平穩(wěn)，噪聲?。◣鲃泳哂形竦墓δ埽Ｊ褂梅秶^廣，速度可達(dá)50m/s，傳動比可達(dá)10左右，傳遞功率由幾瓦至數(shù)千瓦。維修保養(yǎng)方便，不需要潤滑。第19頁/共67頁3調(diào)速電機直接驅(qū)動主軸傳動數(shù)控機床般采用直流或交流主軸伺服電動機直接

6、驅(qū)動主軸實現(xiàn)無級變速。交流主軸電動機及交流變頻驅(qū)動裝置（籠型感應(yīng)交流電動機配置矢量變換變頻調(diào)速系統(tǒng)），由于沒有電刷不產(chǎn)生火花，所以使用壽命長，且性能已達(dá)到直流驅(qū)動系統(tǒng)的水平，甚至在噪聲方面還有所降低。因此，目前應(yīng)用較為廣泛。第20頁/共67頁電機直接驅(qū)動原理圖第21頁/共67頁3調(diào)速電機直接驅(qū)動主軸傳動主軸傳遞的功率或轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系圖示中，當(dāng)機床處在連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，主軸的轉(zhuǎn)速在4373500rmin范圍內(nèi)，主軸傳遞電動機的全部功率為llkW，為主軸的恒功率區(qū)域(圖中實線部分)。在這個區(qū)域內(nèi)，主軸的最大輸出扭矩(245Nm)隨著主軸轉(zhuǎn)速的增高而變小。主軸轉(zhuǎn)速在35437rmin范圍內(nèi)，主軸的

7、輸出轉(zhuǎn)矩不變，稱為主軸的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域(圖中實線部分)。在這個區(qū)域內(nèi)，主軸所能傳遞的功率隨著主軸轉(zhuǎn)速的降低而減小。第22頁/共67頁主軸功率轉(zhuǎn)矩特性曲線第23頁/共67頁四、主軸的支承方式第24頁/共67頁1數(shù)控機床主軸部件常用軸承類型錐孔雙列圓柱滾子軸承內(nèi)圈為l 12的錐孔，當(dāng)內(nèi)圈沿錐形軸頸軸向移動時，內(nèi)圈脹大以調(diào)整滾道的間隙。滾子數(shù)目多，兩列滾子交錯排列，因而承載能力大，剛性好，允許轉(zhuǎn)速高。內(nèi)、外圈均較薄，因此，要求主軸頸與箱體孔均有較高的制造精度，以免軸頸與箱體孔的形狀誤差使軸承滾道發(fā)生畸變而影響主軸的旋轉(zhuǎn)精度。該軸承只能承受徑向載荷。第25頁/共67頁錐孔雙列圓柱滾子軸承圖例第26頁/共6

8、7頁1數(shù)控機床主軸部件常用軸承類型雙列推力向心球軸承接觸角60，球徑小，數(shù)目多，能承受雙向軸向載荷。磨薄中間隔套，可以調(diào)整間隙或預(yù)緊，軸向剛度較高，允許轉(zhuǎn)速高。該軸承一般與雙列圓柱滾子軸承配套用作主軸的前支承，并將其外圈外徑作成負(fù)公差，保證只承受軸向載第27頁/共67頁雙列推力向心球軸承圖例第28頁/共67頁1數(shù)控機床主軸部件常用軸承類型雙列圓錐滾子軸承它有個公用外圈和兩個內(nèi)圈，由外圈的凸肩在箱體上進(jìn)行軸向定位，箱體孔可以鏜成通孔。磨薄中間隔套可以調(diào)整間隙或預(yù)緊，兩列滾子的數(shù)目相差個，能使振動頻率不致，明顯改善了軸承的動態(tài)特性。這種軸承能同時承受徑向和軸向載荷，通常用作主軸的前支承。第29頁/

9、共67頁雙列圓錐滾子軸承圖例第30頁/共67頁1數(shù)控機床主軸部件常用軸承類型角接觸球軸承（1）這種類型的軸承既可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。接觸角有 =15， =25和 =40三種。15接觸角多用于軸向載荷較小，轉(zhuǎn)速較高的場合；25、40接觸角多用于軸向載荷較大的場合。將內(nèi)、外圈相對軸向位移，可以調(diào)整間隙，實現(xiàn)預(yù)緊。它們多用于高速主軸。第31頁/共67頁角接觸球軸承圖例第32頁/共67頁1數(shù)控機床主軸部件常用軸承類型角接觸球軸承（2）角接觸球軸承有三種基本組合方式圖a為背靠背組合，圖b為面對面組合，圖c為同向組合。這三種方式，兩個軸承都共同承擔(dān)徑向載荷；圖a和圖b可承受雙向軸向載荷；圖c則

10、只能承受單向載荷，但承載能力較大，軸向剛度較高。這種軸承還可以三聯(lián)組配、四聯(lián)組配。第33頁/共67頁角接觸球軸承成對使用時的幾種安裝方式a）b）c）第34頁/共67頁2主軸常見支承方式前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和60角接觸雙列向心推力球軸承組合(如圖a) ，后支承采用成對向心推力球軸承。此配置可提高主軸的綜合剛度，可滿足強力切削的要求，普遍用于各類數(shù)控機床主軸。第35頁/共67頁2主軸常見支承方式前支承采用高精度雙列向心推力球軸承(如圖b)。向心推力軸承有良好的高速性，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)4000r/min，但它的承載能力小。適于高速，輕載，高精密的數(shù)控機床主軸。第36頁/共67頁2主軸常見支承

11、方式前后支承采用雙列和單列圓錐滾子軸承(如圖c)。這種軸承徑向和軸向剛度高，能承受重載荷，尤其是可承受較強的動載荷。安裝，調(diào)整性能好，但這種支承方式限制了主軸轉(zhuǎn)速和精度，所以用于中等精度，低速，重載的數(shù)控機床的主軸。第37頁/共67頁數(shù)控機床主軸常見支承方式圖例第38頁/共67頁3主軸支承的典型結(jié)構(gòu)如圖所示為數(shù)控車床主軸，前支承采用雙列短圓柱滾子軸承承受徑向載荷和60角接觸雙列向心推力球軸承承受軸向載荷，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承，適用于中等轉(zhuǎn)速，能承受較大的切削負(fù)載，主軸剛性高。第39頁/共67頁數(shù)控車床主軸支承圖例第40頁/共67頁3主軸支承的典型結(jié)構(gòu) （2）圖示為臥式銑床主軸支承，軸的

12、徑向剛度好，并有較高的轉(zhuǎn)速。第41頁/共67頁臥式銑床主軸支承圖例第42頁/共67頁3主軸支承的典型結(jié)構(gòu) （3）圖示為臥式鏜銑床主軸部件的支承，這種支承方式可以承受雙向軸向載荷和徑向載荷，承載能力大，剛性好，結(jié)構(gòu)簡單。第43頁/共67頁臥式鏜銑床主軸支承圖例第44頁/共67頁五、數(shù)控機床典型主軸部件第45頁/共67頁1高速主軸與電主軸（1）隨著電氣傳動技術(shù)(變頻調(diào)速技術(shù)、電動機矢量控制技術(shù)等)的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機床主傳動的機械結(jié)構(gòu)已得到極大的簡化，取消了帶傳動和齒輪傳動，機床主軸由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機床主運動的“零傳動”。 稱為“主軸單元

13、”或“電主軸”。電主軸是一種智能型功能部件，不但轉(zhuǎn)速高、功率大，還有一系列控制主軸溫升與振動等機床運行參數(shù)的功能，以確保其高速運轉(zhuǎn)的可靠性與安全。第46頁/共67頁電主軸的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)基本配置第47頁/共67頁1高速主軸與電主軸（2）國內(nèi)外專業(yè)的電主軸制造廠已可供應(yīng)幾百種規(guī)格的電主軸。其套筒直徑從32mm至320mm、轉(zhuǎn)速從10000r/min到150000r/min、功率從0.5kW到80kW、轉(zhuǎn)矩從0.1Nm到300Nm。除可滿足各類高速切削的要求外，還可供應(yīng)各種規(guī)格帶錐柄用于現(xiàn)有普通加工中心、銑床、鉆床作增速用的電主軸。第48頁/共67頁用于普通加工中心作增速用的電主軸圖例第49頁/共67

14、頁1高速主軸與電主軸（3）國際上著名的電主軸生產(chǎn)廠家 瑞士FISCHER公司、IBAG公司和STEPUP公司，德國的GMN公司和FAG公司； 美國的PRECISE公司； 意大利的GAMFIOR公司和FOEMAT公司； 日本的NSK公司和KOYO公司 瑞典的SKF公司等。第50頁/共67頁1高速主軸與電主軸（4）電主軸的基本參數(shù)和主要規(guī)格 套筒直徑、最高轉(zhuǎn)速、輸出功率、轉(zhuǎn)矩和刀具接口等，其中套筒直徑為電主軸的主要參數(shù)。第51頁/共67頁1高速主軸與電主軸（5）高速電主軸的典型結(jié)構(gòu)（1） 主軸由前后兩套滾珠軸承來支承。 電動機的轉(zhuǎn)子用壓配合的方法安裝在機床主軸上，處于前后軸承之間，由壓配合產(chǎn)生的摩

15、擦力來實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩的傳遞。第52頁/共67頁1高速主軸與電主軸（5）高速電主軸的典型結(jié)構(gòu)（2）電動機的定子通過一個冷卻套固裝在電主軸的殼體中。這樣，電動機的轉(zhuǎn)子就是機床的主軸，電主軸的箱體就是電動機座，成為機電一體化的一種新型主軸系統(tǒng)。主軸的轉(zhuǎn)速用電動機的變頻調(diào)速與矢量控制裝置來改變。在主軸的后部安裝有齒盤和測速、測角傳感器。主軸前端外伸部分的內(nèi)錐孔和端面，用于安裝和固定加工中心可換的刀柄。第53頁/共67頁電主軸典型結(jié)構(gòu)圖例第54頁/共67頁2JCS-018A加工中心主軸部件（1）如圖所示為主軸箱結(jié)構(gòu)簡圖，主要由四個功能部件構(gòu)成，分別是主軸部件、刀具自動夾緊機構(gòu)、切屑清除裝置和主軸準(zhǔn)停裝置。第

16、55頁/共67頁1-主軸2-拉釘3-鋼球4-前支承5-鎖緊螺母6-后支承7-拉桿8-蝶形彈簧9-圓柱彈簧10-活塞11-液壓缸第56頁/共67頁2JCS-018A加工中心主軸部件（2）主軸基本構(gòu)成（1）主軸的前支承4配置了三個高精度的角接觸球軸承，用以承受徑向載荷和軸向載荷，前兩個軸承大口朝下，后面一個軸承大口朝上。前支承按預(yù)加載荷計算的預(yù)緊量由螺母5來調(diào)整。后支承6為一對小口相對配置的角接觸球軸承，它們只承受徑向載荷，因此軸承外圈不需要定位。該主軸選擇的軸承類型和配置形式，滿足主軸高轉(zhuǎn)速和承受較大軸向載荷的要求。主軸受熱變形向后伸長，不影響加工精度。第57頁/共67頁2JCS-018A加工中

17、心主軸部件（3）主軸基本構(gòu)成（2） 主軸內(nèi)部和后端安裝的是刀具自動夾緊機構(gòu)。它主要由拉桿7、拉桿端部的四個鋼球3、碟形彈簧8、活塞10、液壓缸11等組成。第58頁/共67頁2JCS-018A加工中心主軸部件（4）主軸工作原理（1） 取用過刀具過程CNC發(fā)出換刀指令液壓缸（7）右腔進(jìn)油活塞（6）左移推動拉桿（4）克服彈簧（5）的作用左移帶動鋼球（12）移至大空間鋼球失去對拉釘（2）的作用取刀第59頁/共67頁2JCS-018A加工中心主軸部件（5）主軸工作原理（2） 吹掃過程 舊刀取走后CNC發(fā)出指令空壓機啟動壓縮空氣經(jīng)壓縮空氣管接頭（9）吹掃裝刀部位并用定時器計時第60頁/共67頁2JCS-0

18、18A加工中心主軸部件（6）主軸工作原理（3）裝刀過程 時間到CNC發(fā)出裝刀指令機械手裝新刀液壓缸右腔回油拉桿（4）在碟形彈簧的作用下復(fù)位拉桿帶動拉釘右移至小直徑部位通過鋼球?qū)⒗斂ㄋ赖?1頁/共67頁2JCS-018A加工中心主軸部件（7）機床的切削轉(zhuǎn)矩是由主軸上的主軸轉(zhuǎn)矩的傳遞端面鍵來傳遞的。主軸的準(zhǔn)停功能每次機械手自動裝取刀具時，必須保證刀柄上的鍵槽對準(zhǔn)主軸的端面鍵，這就要求主軸具有準(zhǔn)確定位的功能。為滿足主軸這一功能而設(shè)計的裝置稱為主軸準(zhǔn)停裝置或稱為主軸定向裝置。第62頁/共67頁2JCS-018A加工中心主軸部件（8）電氣式主軸準(zhǔn)停裝置即用電磁傳感器檢測定向。如圖所示，主軸8的尾部安裝有發(fā)磁體9，它隨主軸轉(zhuǎn)動，在距發(fā)磁體外緣14mn處，固定了一個磁傳感器10,它經(jīng)過放大器11與主軸伺服單元3聯(lián)接。主軸定向指令l發(fā)出后，主軸處于定向狀態(tài)，當(dāng)發(fā)磁體上的判別孔轉(zhuǎn)到對準(zhǔn)磁傳感器上的基準(zhǔn)槽時，主軸立即停止。圖中5為電動機與主軸之間的同步齒形帶，4為主軸電動機，2為強電時序電路，7為主軸端面鍵，6是位置控制