数控机床主传动及主轴部件

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1、第二节第二节 数控机床主传动系统及主轴部件数控机床主传动系统及主轴部件第三节第三节 数控机床的进给系统数控机床的进给系统第四节第四节 数控机床回转工作台数控机床回转工作台第五节第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统数控加工使用的刀具及自动换刀系统第六节第六节 数控加工用辅助装置数控加工用辅助装置第五章第五章 数控机床的结构数控机床的结构第一节第一节 数控机床的结构要求数控机床的结构要求1一、一、数控机床主运动的特点数控机床主运动的特点二、二、数控机床主轴的变速方式数控机床主轴的变速方式三、三、主轴部件主轴部件第二节数控机床主传动系统及主轴部件第二节数控机床主传动系统及主轴部件2 数控机床与普

2、通机床比较具有以下特点：数控机床与普通机床比较具有以下特点：1 1）转转速速高高，功功率率大大，它它能能使使数数控控机机床床进进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。2 2）主主轴轴转转数数的的变变换换迅迅速速可可靠靠，并并能能自自动动无无级级变变速速，使使切切削削工工作作始始终终在在最最佳佳状状态态下下进进行。行。3 3）为为实实现现刀刀具具的的快快速速或或自自动动装装卸卸，主主轴轴上上还还必必须须设设计计有有刀刀具具自自动动装装卸卸、主主轴轴定定向向停停止和主轴孔内的切屑清除装置。止和主轴孔内的切屑清除装置。一、数控机床主传动的特点一、数控机床主传

3、动的特点3数数控控机机床床的的变变速速是是按按照照控控制制指指令令自自动动进进行行的的，因此变速机构必须适应自动操作的再求。因此变速机构必须适应自动操作的再求。故大多数数控机床采用无级变速系统，故大多数数控机床采用无级变速系统，数数控控机机床床主主传传动动系系统统主主要要有有以以下下三三种种配配置置方方式。式。数数控控机机床床的的主主传传动动要要求求较较大大的的调调速速范范围围，以以保保证证加加工工时时能能选选用用合合理理的的切切削削用用量量，从从而而获获得得最最佳佳的的生生产产率率、加工精度和表面质量。加工精度和表面质量。二、数控机床主轴的变速方式二、数控机床主轴的变速方式4这种配置方式大、

4、中型数控机床采用较多。这种配置方式大、中型数控机床采用较多。它它通通过过少少数数几几对对齿齿轮轮降降速速，使使之之成成为为分分段段无无级级变变速速，确确保保低低速速时的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。时的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。但但有有一一部部分分小小型型数数控控机机床床也也采采用用这这种种传传动动方方式式，以以获获得得强强力力切切削时所需要的扭矩。削时所需要的扭矩。滑滑移移齿齿轮轮的的移移位位大大都都采采用用液液压压拨拨叉叉或或直直接接由由液液压压缸缸带带动动齿齿轮轮来来实现。实现。（一）带有变速齿轮的主传动（如图）（一）带有变速齿轮的主传动（如图）5主主要要应应用用在在小小

5、型型数数控控机机床床上上，可可以以避避免免齿齿轮轮传传动动时时引引起起的的振振动动和和噪噪声声，但但它它只只能能适适用于低扭矩特性要求的主轴。用于低扭矩特性要求的主轴。（二）通过带传动的主传动（如图）（二）通过带传动的主传动（如图）6同同步步带带的的结结构构和和传传动动如如图图所所示示。带带的的工工作作面面及及带带轮轮外外圆圆上上均均制制成成齿齿形形，通通过过带带轮轮与与轮轮齿齿相相嵌嵌合合，作作无无滑滑动动的啮合传动。的啮合传动。带带内内采采用用了了承承载载后后无无弹弹性性伸伸长长的的材材料料作作强强力力层层，以以保保持持带带的的节节距距不不变变，使使主主、从从动动带带轮轮可可作作无无相相对

6、对滑滑动动的的同同步步传传动。动。同同步步带带传传动动是是一一种种综综合合了了带带、链链传传动动优点的新型传动。优点的新型传动。7这这种种主主传传动动方方式式大大大大简简化化了了主主轴轴箱箱体体与与主主轴轴的的结结构构，有有效效地地提提高高了了主主轴轴部部件件的的刚刚度度，但但主主轴轴输输出出扭扭矩矩小小，电动机发热对主轴的精度影响较大。电动机发热对主轴的精度影响较大。（三）由调速电动机直接驱动的主传动（如图）（三）由调速电动机直接驱动的主传动（如图）8从从直直流流主主轴轴电电动动机机的的速速度度与与转转矩矩关关系系图图中中可可以以看看出出，在在低低于于额额定定转转速速时时为为恒恒转转矩矩输输

7、出出，高高于于额额定定转转矩矩时时为为恒恒功功率输出。率输出。使使用用这这种种电电动动机机可可实实现现纯纯电电气气定定向向，而而且且主主轴轴的的控控制制功功能能可可以以很很容容易易与与数数控控系系统统相相连连接接并并实实现现修修调调输输入入、速速度度和和负载测量输出等。负载测量输出等。9机机床床的的主主轴轴部部件件是是机机床床重重要要部部件件之之一一，它它带带动工件或刀具执行机床的切削运动，动工件或刀具执行机床的切削运动，因因此此数数控控机机床床主主轴轴部部件件的的精精度度，抗抗振振性性和和热热变形对加工质量有直接的影响，变形对加工质量有直接的影响，由由于于数数控控机机床床在在加加工工过过程程

8、中中不不进进行行人人工工调调整整，这些影响就更为严重。这些影响就更为严重。三、主轴部件三、主轴部件10主轴在结构上要处理好卡盘或刀具的装卡，主轴在结构上要处理好卡盘或刀具的装卡，主轴的卸荷，主轴的卸荷，主轴轴承的定位和间隙调整，主轴轴承的定位和间隙调整，主轴部件的润滑和密封等一系列问题。主轴部件的润滑和密封等一系列问题。对对于于数数控控镗镗铣铣床床的的主主轴轴为为实实现现刀刀具具的的快快速速或或自自动动装装卸卸，主主轴轴上上还还必必须须设设计计有有刀刀具具的的自自动动装装卸卸，主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。11 l l）前前支支承承采采用用圆圆锥锥

9、孔孔双双列列圆圆柱柱滚滚子子轴轴承承和和双双向向推推力力角角接接触触球球轴轴承承组组合合，后后支支承承采采用成对角接触球轴承（如图）用成对角接触球轴承（如图）这这种种配配置置形形式式使使主主轴轴的的综综合合刚刚度度得得到到大大幅幅度度提提高高，可可以以满满足足强强力力切切削削的的要要求求，所所以以目目前前各各类类数数控控机机床床的主轴普遍采用这种配置形式。的主轴普遍采用这种配置形式。(一）数控机床的主轴轴承配置主要有三种形式一）数控机床的主轴轴承配置主要有三种形式12 2 2）前前轴轴承承采采用用高高精精度度双双列列向向心心推推力球轴承（如图）。力球轴承（如图）。角角接接触触球球轴轴承承具具有

10、有较较好好的的高高速速性性能能，主主轴轴最最高高转转速速可可达达 4000r4000rminmin，但但是是这这种种轴轴承承的的承承载载能能力力小小，因因而而适适用用于于高高速速、轻轻载载和精密的数控机床主轴。和精密的数控机床主轴。13这这种种轴轴承承径径向向和和轴轴向向刚刚度度高高，能能承承受受重重载载荷荷，尤尤其其能能承承受受较较大大的的动动载载荷荷，安安装装与与调调整性能好，整性能好，但但是是这这种种轴轴承承配配置置方方式式限限制制了了主主轴轴的的最最高高转转速速和和精精度度，所所以以仅仅适适用用于于中中等等精精度度、低低速速于于重重载载的的数数控控机机床主轴。床主轴。3 3）双双列列圆

11、圆锥锥滚滚子子轴轴承承和和圆圆锥锥滚子轴承（如图）滚子轴承（如图）14为为了了将将主主轴轴准准确确地地停停在在某某一一固固定定位位置置上上，以以便便在在该该处进行换刀等动作，这就要求主轴定向控制。处进行换刀等动作，这就要求主轴定向控制。在在加加工工精精密密的的坐坐标标孔孔时时，由由于于每每次次都都能能在在主主轴轴的的固固定定圆圆周周位位置置换换刀刀，故故能能保保证证刀刀尖尖与与主主轴轴相相对对位位置置的的一致性，一致性，从从而而减减少少被被加加工工孔孔的的尺尺寸寸分分散散度度，这这是是主主轴轴定定向向准准停装置带来的好处之一。停装置带来的好处之一。（二）主轴的定向停止（二）主轴的定向停止15在

12、在自自动动换换刀刀的的数数控控机机床床上上，每每次次自自动动装装卸卸刀刀时时，都都必必须须使使刀刀柄柄上上的的键键槽槽对对准准主主轴轴的的端端面面键键，这这就就要要求求主轴具有准确定位的功能。主轴具有准确定位的功能。传统的做法是采用机械挡块等来定向。传统的做法是采用机械挡块等来定向。而而现现代代的的数数控控机机床床一一般般都都采采用用电电气气式式主主轴轴定定向向，只只要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确的定向。要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确的定向。16，当当主主轴轴需需要要停停车车换换刀刀时时，发发出出降降速速信信号号，主主轴轴箱箱自自动动改改变变传传动动路路线线，使使主主轴轴换换到

13、到最最低低转转速速运运转转。在在时时间间继继电电器器延延时时数数秒秒后后，开开始接通无触点开关。始接通无触点开关。主主轴轴的的准准停停装装置置设设置置在在主主轴轴的的尾尾端端（如如图图）。交交流流调调速速电电动动机机1111通通过过多多联三角带联三角带9 9和皮带轮和皮带轮1010带动主轴旋转，带动主轴旋转，17在在凸凸轮轮上上的的感感应应片片对对准准无无触触点点开开关关时时，发发出出准准停停信信号号，立立即即切切断断主主轴轴电电动动机机电电源源，脱脱开开与与主主轴轴的的传传动动联联系系，以以排排除除传传动动系系统统中中大大部部分分回回转转零零件件的的惯惯性性对对主轴准停的影响，使主轴作低速惯

14、性空转。主轴准停的影响，使主轴作低速惯性空转。18位位于于图图中中带带轮轮5 5左左侧侧的的永永久久磁磁铁铁4 4对对准准磁磁传传感感器器3 3时时，主主轴轴准准确确停停止止，同同时时限限位位开开关关发发出出信信号号，表表示示已完成。已完成。电电气气式式主主轴轴定定向向控控制制的的特特点点是是：不不需需要要机机械械部部件件，定定向向时时间间短短可可靠靠性性高高，只只需需要要简简单单的的强强电电顺序控制，精度和刚度高。顺序控制，精度和刚度高。19在在自自动动换换刀刀的的数数控控机机床床中中为为了了实实现现刀刀具具在在主主轴轴内内的的自自动动装装卸卸，其其主主轴轴必必须须设设计计有有刀刀具的自动夹

15、紧机构，如图所示。具的自动夹紧机构，如图所示。（三三）主主轴轴内内刀刀具具的的自自动动夹夹紧紧和和切切屑清除装置屑清除装置20刀刀杆杆采采用用7 7：2424的的大大锥锥度度锥锥柄柄，采采用用大大锥锥度度的的锥锥柄柄既既有有利利于于定定心心，也也为为松松夹夹带来了方便。带来了方便。在在锥锥柄柄的的尾尾端端轴轴颈颈被被拉拉紧紧的的同同时时，通通过过锥锥柄柄的的定定心心和摩擦作用将刀杆夹紧于主轴的端部。和摩擦作用将刀杆夹紧于主轴的端部。在在蝶蝶形形弹弹簧簧8 8的的作作用用下下，拉拉杆杆7 7始始终终保保持持约约10000N10000N的的拉拉力力；并并通通过过拉拉杆杆右右端端的的钢钢球球6 6将

16、将刀刀杆杆的的尾尾部轴颈拉紧。部轴颈拉紧。21换换刀刀时时首首先先将将压压力力油油通通入入主主轴轴尾尾部部的的液液压压缸缸左左腔腔，活活塞塞1 1推推动动拉拉杆杆7 7向向有有移移动动，将刀柄松开，同时使蝶形弹簧将刀柄松开，同时使蝶形弹簧8 8压紧。压紧。拉拉杆杆7 7的的右右移移使使右右端端的的钢钢球球6 6位位于于套套筒筒的的喇喇叭叭口口处处，消除了刀杆上的拉力。消除了刀杆上的拉力。当当拉拉杆杆继继续续右右移移时时，喷喷气气嘴嘴的的端端部部把把刀刀具具顶顶松松，使使机械手方便地取出刀杆。机械手方便地取出刀杆。22机机械械手手将将应应换换刀刀具具装装入入后后，电电磁磁换换向向阀阀动动作作使使

17、压压力力油油通通入入油油缸缸右右腔腔，活活塞塞1 1向向左左退退回回原原位位，蝶蝶形形弹弹簧簧复复原原又又将将刀刀杆杆拉拉紧紧、螺螺旋旋弹弹簧簧2 2使使活活塞塞1 1在在液液压压缸缸右右腔腔无压力油时也始终退在最左端。无压力油时也始终退在最左端。当当活活塞塞处处于于左左右右两两个个极极限限位位置置时时，相相应应限限位位开开关关1212、1313发出松开和夹紧的信号。发出松开和夹紧的信号。23自自动动清清除除主主轴轴孔孔内内的的灰灰尘尘和和切切屑屑是是换换刀过程中的一个不容忽视的问题。刀过程中的一个不容忽视的问题。如如果果主主轴轴锥锥孔孔中中落落入入了了切切屑屑、灰灰尘尘或或其其它它污污物物，

18、在在拉紧刀杆时，锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，拉紧刀杆时，锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，甚至会使刀杆发生偏斜，破坏了刀杆的正确定位，甚至会使刀杆发生偏斜，破坏了刀杆的正确定位，影响零件的加工精度，甚至会使零件超差报废。影响零件的加工精度，甚至会使零件超差报废。为为了了保保持持主主轴轴锥锥孔孔的的清清洁洁，常常采采用用的的方方法法是是使使用用压压缩空气吹屑。缩空气吹屑。24如如图图所所示示活活塞塞1 1的的心心部部钻钻有有压压缩缩空空气气通通道道，当当活活塞塞向向左左移移动动时时，压压缩缩空空气气经经过过活活塞塞由由主主轴轴孔孔内内的的空空气气嘴嘴喷出，将锥孔清理干净。喷出，将锥孔清理干净。为为了了提提高高吹吹屑屑效效率率，喷喷气气小小孔孔要要有有合合理理的的喷喷射射角角度度，并均匀布置。并均匀布置。25