數(shù)

控

技

術(shù)河北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院工程訓(xùn)練中心張好強(qiáng)5.1對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的基本要求和變速方式5.2數(shù)控機(jī)床的主軸部件

5.3高速主軸系統(tǒng)和電主軸第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)5.1對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的基本要求和變速方式

由主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)一系列傳動(dòng)元件和主軸構(gòu)成的具有運(yùn)動(dòng)、傳動(dòng)聯(lián)系的系統(tǒng)稱為主傳動(dòng)系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)包括主軸電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、主軸、主軸軸承、主軸定向裝置等。一、對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的基本要求

1．主軸轉(zhuǎn)速高，變速范圍寬，并可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。2．主軸傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低，精度高

3．具有良好的抗振性和熱穩(wěn)定性

4．能實(shí)現(xiàn)刀具的快速和自動(dòng)裝卸第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)二、主傳動(dòng)的變速方式數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)方式主要有無(wú)級(jí)變速、分段無(wú)級(jí)變速兩種。主傳動(dòng)采用無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)方式，不僅能在一定的變速范圍內(nèi)選擇合理的切削速度，而且能在運(yùn)動(dòng)中自動(dòng)變速，此種變速傳動(dòng)方式采用直流主軸伺服電機(jī)或交流主軸伺服電機(jī)作驅(qū)動(dòng)。交流主軸電動(dòng)機(jī)及交流變頻驅(qū)動(dòng)裝置（鼠籠型感應(yīng)交流電動(dòng)機(jī)配置矢量變換變頻調(diào)速系統(tǒng)）由于沒(méi)有電刷，不產(chǎn)生火花，所以使用壽命長(zhǎng)，且性能已達(dá)到直流驅(qū)動(dòng)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。第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)1．主軸的傳動(dòng)類型第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)1．主軸的傳動(dòng)類型（1）齒輪傳動(dòng)主軸（圖a）這是大中型數(shù)控機(jī)床較常采用的傳動(dòng)類型，它使用無(wú)級(jí)變速交、直流電動(dòng)機(jī)，再通過(guò)幾對(duì)齒輪傳動(dòng)后，實(shí)現(xiàn)分段無(wú)級(jí)變速，這種變速方式使得變速范圍擴(kuò)大。其優(yōu)點(diǎn)是在低速時(shí)能滿足主軸輸出扭矩特性的要求。但齒輪變速機(jī)構(gòu)通常采用液壓撥叉或電磁離合器變速方式，造成主軸箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增高，另外這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)容易引起振動(dòng)和噪聲。第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)（2）帶傳動(dòng)主軸（圖b）

這種傳動(dòng)類型主要用在轉(zhuǎn)速較高、變速范圍不大的小型數(shù)控機(jī)床上。它通過(guò)一級(jí)帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)變速，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試方便。電動(dòng)機(jī)本身的調(diào)整就能夠滿足要求，不用齒輪變速，可以避免由齒輪傳動(dòng)時(shí)所引起的振動(dòng)和噪聲。但變速范圍受電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍的限制，只能適用于高速低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸帶傳動(dòng)變速中，常用的帶類型有V帶、平帶、多楔帶和同步帶。

第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)（3）兩個(gè)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸（圖c）這是上述兩種方式的混合傳動(dòng)類型，兼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，因而就使恒功率區(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。第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)（4）調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸（圖d、圖e）

這種主傳動(dòng)類型又分兩種。一種如圖d所示，主軸電動(dòng)機(jī)輸出軸通過(guò)精密聯(lián)軸器與主軸連接，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率高；但主軸轉(zhuǎn)速的變化及轉(zhuǎn)矩的輸出完全與電動(dòng)機(jī)的輸出特性一致，因而在使用上受到一定限制。另一種為內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸，即主軸與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子合為一體（圖e）。其優(yōu)點(diǎn)是省去了中間的所有傳動(dòng)環(huán)節(jié)，主軸組件結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，慣量小，可提高啟動(dòng)、停止的響應(yīng)特性，并利于控制振動(dòng)和噪聲；缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量易使主軸產(chǎn)生熱變形。因此，溫度控制和冷卻是使用內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸的關(guān)鍵問(wèn)題。下圖2-4所示為內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸的結(jié)構(gòu)示意圖。第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)

2．主傳動(dòng)的齒輪變速裝置常用的兩種裝置是液壓撥叉變速和電磁離合器變速裝置。（1）液壓撥叉變速裝置在齒輪傳動(dòng)的主傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪的換擋主要靠液壓撥叉來(lái)完成。液壓撥叉換擋在主軸停轉(zhuǎn)之后才能進(jìn)行，但主軸停轉(zhuǎn)后撥叉帶動(dòng)齒輪塊移動(dòng)又可能產(chǎn)生“頂齒”現(xiàn)象。因此，在這種主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中通常增設(shè)一臺(tái)微電動(dòng)機(jī)，它在撥叉移動(dòng)齒輪塊的同時(shí)帶動(dòng)各傳動(dòng)齒輪作低速回轉(zhuǎn)，使移動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪順利嚙合。第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)（2）電磁離合器變速裝置電磁離合器變速裝置是利用電磁效應(yīng)，通過(guò)接通或斷開電磁離合器的運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)變速。其優(yōu)點(diǎn)是便于實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因而其已成為自動(dòng)裝置中常用的執(zhí)行元件。電磁離合器應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)時(shí)，能簡(jiǎn)化變速機(jī)構(gòu)，通過(guò)若干個(gè)安裝在各傳動(dòng)軸上離合器之吸合與分離的不同組合來(lái)改變齒輪的傳動(dòng)路線，實(shí)現(xiàn)主軸的變速。第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)

第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)

5.2數(shù)控機(jī)床的主軸部件主軸部件是主運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行件，它夾持刀具或工件，并帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)。數(shù)控機(jī)床主軸部件的精度、剛度、抗振性和熱變形對(duì)加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率等有著直接的影響。數(shù)控機(jī)床的主軸部件包括主軸、主軸支承、裝在主軸上的傳動(dòng)件和密封件等，對(duì)于加工中心的主軸，為實(shí)現(xiàn)刀具的快速和自動(dòng)裝卸，主軸部件還包括刀具的自動(dòng)裝卸、主軸定向停止（準(zhǔn)停）和主軸孔內(nèi)的切屑清除等裝置。第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)

一、主軸端部結(jié)構(gòu)主軸端部用于安裝刀具或夾持工件的夾具。在設(shè)計(jì)要求上，應(yīng)能保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的扭矩。主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀都已標(biāo)準(zhǔn)化，圖2-9所示為普通機(jī)床和數(shù)控機(jī)床通用的幾種結(jié)構(gòu)形式。第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)

第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)

二、主軸軸承主軸軸承是主軸部件的重要組成部分。它的類型、結(jié)構(gòu)、配置、精度、安裝、調(diào)整、潤(rùn)滑和冷卻都直接影響主軸的工作性能。在數(shù)控機(jī)床上，主軸軸承常用的有滾動(dòng)軸承和靜壓滑動(dòng)軸承。

1．滾動(dòng)軸承圖2-10所示為數(shù)控機(jī)床主軸常用的幾種滾動(dòng)軸承。第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)

第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)

2．靜壓滑動(dòng)軸承數(shù)控機(jī)床上常用的靜壓滑動(dòng)軸承是液體靜壓滑動(dòng)軸承。此種靜壓滑動(dòng)軸承的油膜壓強(qiáng)由液壓缸從外界供給，與主軸轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。它的承載能力不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，而且無(wú)磨損，啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦力矩相同。所以，液體靜壓滑動(dòng)軸承的剛度大，回轉(zhuǎn)精度高，但液體靜壓滑動(dòng)軸承需要一套液壓裝置，成本較高。液體靜壓滑動(dòng)軸承裝置主要由供油系統(tǒng)、節(jié)流器和軸承三部分組成，其工作原理如圖2-11所示。第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)

第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)

三、主軸軸承的配置形式圖2-12所示為數(shù)控機(jī)床主軸軸承常見的三種配置形式。第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)

四、主軸準(zhǔn)停裝置

在數(shù)控銑床、加工中心上，由于需要進(jìn)行自動(dòng)換刀，要求主軸每次停在一個(gè)固定的準(zhǔn)確的角位置上。所以，主軸上必須設(shè)有準(zhǔn)停裝置。主軸準(zhǔn)停裝置分：

機(jī)械式電氣式第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)

5.3高速主軸系統(tǒng)和電主軸

一、高速主軸系統(tǒng)高速切削是20世紀(jì)70年代后期發(fā)展起來(lái)的一種新工藝。這種工藝采用的切削速度比常規(guī)的要高幾倍至十多倍，如加工鋼件為400-1600m/min；加工鑄鐵為800-2000m/min，進(jìn)給速度也相應(yīng)提高很多倍。這種加工工藝不僅切削效率高，而且具有加工表面質(zhì)量好、切削溫度低和刀具壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。高速切削技術(shù)的關(guān)鍵是具備高速主軸系統(tǒng)，高速主軸是高速切削機(jī)床最重要的部件。第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)

高速主軸的單元類型主要有電主軸、氣動(dòng)主軸、水動(dòng)主軸。需要主軸有較高的角減速度和角加速度。如果通過(guò)帶傳動(dòng)等中間環(huán)節(jié)不僅會(huì)在高速下打滑，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，而且會(huì)增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量給機(jī)床快速準(zhǔn)停造成很大困難，所以要求高速主軸動(dòng)平衡性很好，剛性好，回轉(zhuǎn)精度高，并有良好的熱穩(wěn)定性，能傳遞足夠的力矩和功率，能承受高的離心力，帶有準(zhǔn)確的恒溫裝置和高效的冷卻裝置，主軸轉(zhuǎn)速一般大于40000r/min，主軸功率大于15kW。第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)

目前，通常采用主軸電動(dòng)機(jī)一體化的電主軸部件，實(shí)現(xiàn)無(wú)中間環(huán)節(jié)的直接傳動(dòng)，電動(dòng)機(jī)大多采用感應(yīng)式集成主軸電動(dòng)機(jī)。而隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了一種用稀有材料鈮作永磁材料的永磁電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)能更高效、大功率地傳遞扭矩，所傳扭矩很大，易于對(duì)使用中產(chǎn)生的溫升進(jìn)行在線控制，且冷卻簡(jiǎn)單，不用安裝昂貴的冷卻器，加之電動(dòng)機(jī)體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，所以有良好的發(fā)展前景。第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)

1．電主軸

高速主軸系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)多采用內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)式主軸，簡(jiǎn)稱電主軸。這是將電動(dòng)機(jī)置于主軸內(nèi)部、通過(guò)驅(qū)動(dòng)電源直接驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)、主軸的一體化。這種主軸結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小，有利于提高主軸啟動(dòng)或停止時(shí)的響應(yīng)特性。電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件：電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤(rùn)滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置等。第五章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)

2．高速電主軸所融合的技術(shù)

（l）高速軸承技術(shù)

高速時(shí)選用陶瓷軸承的方案已在加工中心機(jī)床上采用，其軸承