第3章 數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)

3.1概述第三章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)2023/9/2123.1概述3.2主軸部件3.3主軸準(zhǔn)停3.4高速電主軸3.5主傳動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)與調(diào)整3.6主傳動(dòng)系統(tǒng)常見故障及排除方法第三章數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)2023/9/2133.1概述3.1.1對主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求

(1)大的調(diào)速范圍。

(2)小的熱變形。

(3)主軸有高的旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)動(dòng)精度。

(4)主軸有較高的靜剛度和抗振性。

(5)主軸組件有足夠的耐磨性。2023/9/2143.1.2主軸變速方式

1．無級變速數(shù)控機(jī)床一般采用直流或交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)主軸無級變速。圖3.1主軸功率轉(zhuǎn)矩特性

2．分段無級變速

(1)帶有變速齒輪的主傳動(dòng)(圖3.2a)。

(2)通過帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)(圖3.2b)。

(3)用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸(圖3.2c)。

3．液壓撥叉變速機(jī)構(gòu)帶有齒輪傳動(dòng)的主傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪的換擋主要靠液壓撥叉來完成。圖3.3是三位液壓撥叉的原理圖。2023/9/2154．電磁離合器變速電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運(yùn)動(dòng)的元件，由于它便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因而它已成為自動(dòng)裝置中常用的操縱元件。如圖3.4所示為THK6380型自動(dòng)換刀數(shù)控銑鏜床的主傳動(dòng)系統(tǒng)圖，該機(jī)床采用雙速電動(dòng)機(jī)和六個(gè)電磁離合器完成18級變速。

圖3.5是數(shù)控銑鏜床主軸箱中使用的無滑環(huán)摩擦片式電磁離合器。

圖3.6為嚙合式電磁離合器，是在摩擦面上做了一定齒形，來提高傳遞的扭力。

2023/9/2165．內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸變速這種主傳動(dòng)是電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)（圖3.2d所示），大大簡化主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出轉(zhuǎn)矩小，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱對主軸的精度影響較大。如圖3.7所示為日本研制的立式加工中心主軸組件，其內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20000r／min。

2023/9/2173.2主軸部件

3.2.1主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀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、聯(lián)接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的轉(zhuǎn)矩。主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀都已標(biāo)準(zhǔn)化，如圖3.8所示為普通機(jī)床和數(shù)控機(jī)床所通用的幾種結(jié)構(gòu)形式。

2023/9/218

3.2.2主軸部件的支承

1．主軸部件常用滾動(dòng)軸承的類型(圖3.9)2．滾動(dòng)軸承的精度主軸部件所用滾動(dòng)軸承的精度有高級6(E)、精密級5(D)、特精級4(C)和超精級2(B)。前支承的精度一般比后支承的精度高一級，也可以用相同的精度等級。普通精度的機(jī)床通常前支承取4(C)、5(D)級，后支承用5(D)、6(E)級。特高精度的機(jī)床前后支承均用2(B)級精度。

3．主軸滾動(dòng)軸承的配置(圖3.10)4．主軸滾動(dòng)軸承的預(yù)緊

(1)軸承內(nèi)圈移動(dòng)（圖3.11）。

(2)修磨座圈或隔套（圖3.12，3.13）。2023/9/2193.2.3主軸的材料和熱處理主軸材料可根據(jù)強(qiáng)度、剛度、耐磨性、載荷特點(diǎn)和熱處理變形大小等因素來選擇。主軸剛度與材質(zhì)的彈性模量E有關(guān)。

2023/9/21103.2.4主軸的潤滑與冷卻主軸軸承潤滑和冷卻是保證主軸正常工作的必要手段。為盡可能減少主軸部件溫升引起的熱變形對機(jī)床工作精度的影響，通常利用潤滑油循環(huán)系統(tǒng)把主軸部件的熱量帶走，使主軸部件與箱體保持恒定的溫度，在某些數(shù)控機(jī)床上，采用專用的冷卻裝置，控制主軸箱溫升。

2023/9/21113.2.5數(shù)控車床的主軸部件

1．主軸的支承與潤滑，圖3.14為TND360數(shù)控車床主軸部件，主軸內(nèi)孔是用于通過長的棒料，也可用于通過氣動(dòng)、液壓夾緊裝置(動(dòng)力夾盤)。

2．卡盤圖3.15液壓動(dòng)力自定心卡盤

3．主軸編碼器編碼器如圖3.16所示；常用彈性聯(lián)軸器如圖3.17所示；

光電脈沖發(fā)生器原理如圖3.18所示。2023/9/21123.2.6自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床的主軸部件

1．主軸箱主軸箱的結(jié)構(gòu)較普通機(jī)床簡化，但主軸箱材料要求較高，一般用HT250或HT300，制造與裝配精度也較普通機(jī)床要高。大型落地銑鏜床的主軸箱結(jié)構(gòu)還有攜帶主軸的部件作前后進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的功能，它的進(jìn)給方向與主軸的軸向進(jìn)給方向相同。此類機(jī)床的主軸箱結(jié)構(gòu)通常有兩種方案，即滑枕式和主軸箱移動(dòng)式。

圖3.19

數(shù)控落地銑鏜床的矩形滑枕

圖3.20

棱形滑枕2023/9/21132．主軸箱的結(jié)構(gòu)

TH6350加工中心的主軸箱如圖3.21所示。為了增加轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)距，主傳動(dòng)采用齒輪變速傳動(dòng)方式。

3．主軸部件結(jié)構(gòu)

圖3.22為THK6380加工中心主軸部件結(jié)構(gòu)圖。

(1)刀具自動(dòng)夾緊裝置圖3.23

拉緊結(jié)構(gòu)；

(2)清潔裝置

(3)卸荷裝置圖3.24

卸荷裝置；

(4)主軸準(zhǔn)停裝置圖3.25是V形槽輪定位盤主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)原理圖

2023/9/21143.3主軸準(zhǔn)停

3.3.1概述主軸準(zhǔn)停功能又稱主軸定位功能(SpindleSpecifiedPositionStop)，即當(dāng)主軸停止時(shí)，控制其停于固定的位置，這是自動(dòng)換刀所必須的功能。在自動(dòng)換刀的數(shù)控鏜銑加工中心上，切削轉(zhuǎn)矩通常是通過刀桿的端面鍵來傳遞的。這就要求主軸具有準(zhǔn)確定位于圓周上特定角度的功能，見圖3.26。當(dāng)加工階梯孔或精鏜孔后退刀時(shí)，為防止刀具與小階梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面，必須先讓刀，后再退刀，而要讓刀，刀具必須具有準(zhǔn)確定位功能，如圖3.27所示。主軸準(zhǔn)?？煞譃闄C(jī)械準(zhǔn)停與電氣準(zhǔn)停,控制過程如圖3.28所示。

3.3.2機(jī)械準(zhǔn)停

圖3.29為典型的端面螺旋凸輪準(zhǔn)停裝置。2023/9/21153.3.3電氣準(zhǔn)?？刂颇壳半姎鉁?zhǔn)停有如下三種方式：

1．磁傳感器主軸準(zhǔn)停

圖3.30磁傳感器主軸準(zhǔn)?？刂葡到y(tǒng)基本結(jié)構(gòu)；

圖3.31磁發(fā)體與磁傳感器在主軸上位置示意圖；

圖3.32磁傳感器準(zhǔn)停時(shí)序圖。

2．編碼器型主軸準(zhǔn)停

圖3.33編碼器型主軸準(zhǔn)?？刂平Y(jié)構(gòu)；

圖3.34編碼器準(zhǔn)?？刂茣r(shí)序。

3．?dāng)?shù)控系統(tǒng)控制準(zhǔn)停

圖3.35數(shù)控系統(tǒng)控制主軸準(zhǔn)停結(jié)構(gòu)。2023/9/21163.4高速電主軸自20世紀(jì)80年代以來，數(shù)控機(jī)床、加工中心主軸向高速化發(fā)展。高速主軸的發(fā)展是以航空工業(yè)、家電、汽車等工業(yè)追求機(jī)械零件的輕量化而普遍采用鋁合金零件后，提出的輕鋁合金高速加工的課題而產(chǎn)生的。表3.3為鋁合金在切削試驗(yàn)中切削速度和表面粗糙度的關(guān)系。

3.4.1高速電主軸的結(jié)構(gòu)高速主軸在結(jié)構(gòu)上幾乎全部是交流伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的集成化結(jié)構(gòu)，取消齒輪變速機(jī)構(gòu)，并配備有強(qiáng)力的冷卻和潤滑設(shè)計(jì)。集成主軸有兩種構(gòu)成方式：一種是通過聯(lián)軸器把電動(dòng)機(jī)與主軸直接聯(lián)接，另一種則是把電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與主軸做成一體，即將無殼電動(dòng)機(jī)的空心轉(zhuǎn)子用壓配合的形式直接裝在機(jī)床主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體中，形成內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)主軸。圖3.36所示為用于立式加工中心的高速電主軸的組成。2023/9/21173.4.2冷卻潤滑技術(shù)主軸轉(zhuǎn)速及潤滑方式的變遷見表3.4。

(1)油氣潤滑方式圖3.37油氣潤滑原理圖。

(2)噴注潤滑方式圖3.38噴注潤滑系統(tǒng)。

(3)突入滾道式潤滑方式圖3.39突入滾道潤滑用特種軸承。

(4)電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝式主軸圖3.40電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝式主軸。2023/9/21183.4.3高速精密軸承高速主軸支承用的高速軸承有接觸式軸承和非接觸式軸承兩大類。接觸式軸承由于存在金屬摩擦，因此摩擦因數(shù)大，允許最高轉(zhuǎn)速低。保持接觸式軸承長期高速運(yùn)轉(zhuǎn)的技術(shù)措施是預(yù)加載荷的自動(dòng)補(bǔ)償和良好潤滑。實(shí)施預(yù)加載荷自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ皇遣捎靡簤貉a(bǔ)償系統(tǒng)。目前用于支承高速主軸的非接觸軸承有液體靜壓軸承（圖3.41）、空氣靜壓軸承（圖3.42

）和磁懸浮軸承（圖3.43）。2023/9/21193.4.4電主軸的動(dòng)平衡必須進(jìn)行電主軸裝配后的整體精確動(dòng)平衡，甚至還要設(shè)計(jì)專門的自動(dòng)平衡系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)電主軸的在線動(dòng)平衡。必須對包括刀具和刀夾的旋轉(zhuǎn)總成充分地進(jìn)行動(dòng)平衡，以消除有害的動(dòng)態(tài)不平衡力，避免高速下顫振和振動(dòng)。

2023/9/21203.4.5刀具的夾緊

一種是采用主軸錐孔與主軸端部同時(shí)接觸的雙定位刀夾，使端面定位面具有很大的摩擦，以防止主軸膨脹，這是一種有效的措施。為使刀具在刀柄上夾緊，可采用流體壓力夾緊的方式。這樣既可提高夾緊剛度，又可保證刀柄和刀具高度的同心度。另一種是直接夾緊刀具的方式，即通過采用主軸錐孔內(nèi)用拉桿操作的彈簧夾頭而省去刀夾。

3.4.6軸上零件的聯(lián)接2023/9/21213.5主傳動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)與調(diào)整

3.5.1數(shù)控車床主軸部件的結(jié)構(gòu)與調(diào)整

1．主軸部件結(jié)構(gòu)

圖3.44是CK7815型數(shù)控車床主軸部件結(jié)構(gòu)圖

2．主軸部件的拆卸與調(diào)整

(1)主軸部件的拆卸主軸部件在維修時(shí)需要進(jìn)行拆卸。拆卸前應(yīng)做好工作場地清理、清潔工作和拆卸工具及資料的準(zhǔn)備工作，然后進(jìn)行拆卸操作。

(2)主軸部件裝配及調(diào)整裝配前，各零件、部件應(yīng)嚴(yán)格清洗，需要預(yù)先涂油的部件應(yīng)涂油。2023/9/21223.5.2數(shù)控銑床主軸部件的結(jié)構(gòu)與調(diào)整

1．主軸部件結(jié)構(gòu)

圖3.45是NT-J320A型數(shù)控銑床主軸部件結(jié)構(gòu)圖。

2．主軸部件的拆卸與調(diào)整

(1)主軸部件的拆卸主軸部件維修拆卸前的準(zhǔn)備工作與前述數(shù)控車床主軸部件拆卸準(zhǔn)備工作相同。拆卸后的零件、部件應(yīng)進(jìn)行清洗和防銹處理，并妥善保管存放。

(2)主軸部件的裝配及調(diào)整裝配前的準(zhǔn)備工作與前述車床相同。裝配順序可大體按拆卸順序逆向操作。2023/9/21233.5.3THK6380加工中心主軸部件的拆卸與調(diào)整

THK6380加工中心主軸部件的拆卸與調(diào)整參考圖3.24。

3.5.4主軸部件的維護(hù)數(shù)控機(jī)床主軸部件是影響機(jī)床加工精度的主要部件，它的回轉(zhuǎn)精度影響工件的加工精度；它的功率大小和回轉(zhuǎn)速度影響加工效率；它的自動(dòng)變速、準(zhǔn)停和換刀等影響機(jī)床的自動(dòng)化程度。

1．防泄漏

2．刀具夾緊

3.5.5主傳動(dòng)鏈的維護(hù)2023/9/21243.6主傳動(dòng)系統(tǒng)常見故障及排除方法

3.6.1主傳動(dòng)鏈故障及診斷方法

表3.5主傳動(dòng)鏈常見故障診斷及排除方法2023/9/21253.6.2主傳動(dòng)系統(tǒng)故障及排除方法實(shí)例

例1．主軸定位不準(zhǔn)確的故障維修

故障現(xiàn)象：加工中心主軸定位不良，引發(fā)換刀過程發(fā)生中斷。

例2．主軸出現(xiàn)噪聲的故障維修

故障現(xiàn)象：主軸噪聲較大，主軸無載情況下，負(fù)載表指示超過40%。

例3．變檔滑移齒輪引起主軸停轉(zhuǎn)的故障維修

故障現(xiàn)象：機(jī)床在工作過程中，主軸箱內(nèi)機(jī)械變檔滑移齒輪自動(dòng)脫離嚙合，主軸停轉(zhuǎn)。

例4．電主軸高速旋轉(zhuǎn)發(fā)熱的故障維修

故障現(xiàn)象：主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重。2023/9/21262023/9/2127圖3.1主軸功率轉(zhuǎn)矩特性2023/9/2128圖3.2數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)的四種配置方式（a)齒輪變速；（b)帶傳動(dòng)；（c)兩個(gè)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)；（d)內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。2023/9/2129圖3.3三位液壓撥叉工作原理圖1、5－液壓缸；2－活塞桿；3－撥叉；4－套筒。2023/9/2130圖3.4THK6380型自動(dòng)換刀數(shù)控銑鏜床的主傳動(dòng)系統(tǒng)2023/9/2131圖3.5無集電環(huán)摩擦片式電磁離合器圖3.6嚙合式電磁離合器2023/9/2132圖3.7內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸2023/9/2133圖3.8主軸端部的結(jié)構(gòu)形式2023/9/2134圖3.9主軸常用的滾動(dòng)軸承2023/9/2135圖3.10數(shù)控機(jī)床主軸軸承配置形式2023/9/2136圖3.11軸承內(nèi)圈移動(dòng)2023/9/2137圖3.12修磨座圈3.13隔套的應(yīng)用2023/9/2138圖3.14主軸組件2023/9/2139圖3.15液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力自定心夾盤1－驅(qū)動(dòng)爪；2－卡爪；3－卡盤；4－活塞桿；5－液壓缸；6、7－行程開關(guān)。2023/9/21403.16編碼器2023/9/21413.17常用彈性聯(lián)軸器2023/9/2142圖3。18光電脈沖發(fā)生器原理圖1-燈炮2-聚光鏡3-漏光盤4-光敏管5-光欄板2023/9/2143圖3.19數(shù)控落地銑鏜床的矩形滑枕圖3.20棱形滑枕（a)滑枕外形；（b）滑枕截面2023/9/2144圖3.21TH6350主軸箱結(jié)構(gòu)圖2023/9/2145圖3.22TH6380加工中心主軸部件結(jié)構(gòu)圖1-刀夾；2-彈簧夾頭；3-套筒；4-鋼球；5-定位螺釘；6-定位小軸；7-定位套筒；8-鎖緊件；9-拉桿；10-拉套；11-主軸；12-齒輪；13-圓螺母；14-主軸箱；15-連接座；16-連接彈簧；17-螺釘；18、20-碟形彈簧；19-液壓缸支座；21-套筒；22-墊