数控机床的主传动系统(1)

第二章 数控机床的主传动系统
典
型
机
电
产
品
构
造
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第三章 数控机床的主传动系统
第一节 概述 第二节 主轴部件 第三节 主轴准停装置 第四节 传动带 第五节 主传动部件的调整、维护及维修
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第三章 数控机床的主传动系统
第一节 概述
数控机床的主传动系统包括主轴电动机、传动系统 和主轴组件，与普通机床的主传动系统相比，结构 比较简单，
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一、对主传动系统的要求 (1)调速范围
多用途、通用性大的机床要求主轴的调速范围大，不 但有低速大转矩功能，而且还要有较高的速度，如车削 加工中心；
专用数控机床就不需要较大的调速范围，如数控齿轮 加工机床、为汽车工业大批量生产而设计的数控钻镗床； 还有些数控机床，不但要求能够加工黑色金属材料，还 要加工铝合金等有色金属材料，这就要求变速范围大， 且能超高速切削。
(5)主轴组件的耐磨性 主轴组件必须有足够的耐磨性，使之能够长期保持良
好的精度。 凡机械摩擦的部件，如轴承、锥孔等都应有足够高
的硬度，轴承处还应有良好的润滑。
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第一章 数控机床概述
二、主轴变速方式 1.无级变速 数控机床一般采用直流或交流主轴伺服电动机实现 主轴无级变速。 交流主轴电动机及交流变频驱动装置，寿命长，性 能稳定，应用广泛。
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第一章 数控机床概述
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三、高速主轴的设计
自20世纪80年代以来，数控机床、加工中心主轴向高 速化发展。
高速主轴的发展是以航空工业、家电、汽车等工业 追求机械零件的轻量化而普遍采用铝合金零件后，提 出的轻铝合金高速加工的课题而产生的。的关系。
要靠液压拨耳来完成。 图3-3是三位液压拨叉的原理图。
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Ⅳ Ⅰ
Ⅲ Ⅱ
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4.电磁离合器变速 电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元
件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品 可供选用。
电磁离合器用于数控机产的主传动时，能简化变速 机构，通过若干个安装在各传动轴上的离合器的吸合 和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴 的变速。 机床采用双速电机和六个电磁离合器完成18级变速。
高速时，由一个电动机通过带传动；低速时，由另 一个电动机通过齿轮传动，齿轮起到降速和扩大变 速范围的作用，这样就使恒功率区增大，扩大了变 速范围，避免了低速时转矩不够且电动机功率不能 充分利用的问题。但两个电动机不能同时工作，也 是一种浪费。
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3．液压拨叉变速机构 在带有齿轮传动的主传动系统Leabharlann Baidu，齿轮的换挡主
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对于钢铁等黑色金属的加工，由于刀具寿命的限制， 目前的最高主轴转速在10000r／min已经足够充裕，而 铝合金的切削性能就不同，根据日本大隈铁工所做的 铝合金切削试验，速度提高，表面粗糙度Ra值降低。 表3—1是铝合金在切削实验中切削速度和表面粗糙度 的关系。
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陶瓷材料为Si3N4，其优点是重量轻，为轴承钢的40％； 热膨胀率低，是轴承钢的25％；弹性模量大，是轴承 的1.5倍。 采用陶瓷滚动体，可大大减小离心力和惯性滑移，有 利于提高主轴转速。 目前的问题是陶瓷价格昂贵，且有关寿命、可靠性试 验数据尚不充分，需进一步试验和完善。
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2．分段无级变速 数控机床在实际生产中，并不需要在整个变速范
围内均为恒功率。 一般要求在中、高速段为恒功率传动，在低速
段为恒转矩传动。 为了确保数控机床主轴低速时有较大的转矩和
主轴的变速范围尽可能大，有的数控机床在交流或 直流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之 成为分段无级变速，
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(4)主轴的静刚度和抗振性 数控机床加工精度较高，主轴的转速又很高，因此对
主轴的静刚度和抗振性要求较高。 主轴的轴颈尺寸、轴承类型及配置方式，轴承预紧
量大小，主轴组件的质量分布是否均匀及主轴组件的 阻尼等对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响。
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(1)带有变速齿轮的主传动(见图3-2a) 大中型数控机床较常采用的配置方式，通过少数
几对齿轮传动，扩大变速范围。 由于电动机在额定转速以上的恒功率调速范围为
2～5，当需扩大这个调速范围时常用变速齿轮的办 法来扩大调速范围，滑移齿轮的移位大概采用液压 拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。
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(2)通过带传动的主传动(见图3-2b) 此种传动主要用在转速较高、变速范围不大的机
床。 电动机本身的调整就能够满足要求，不用齿轮变
速，可以避免由齿轮传动时所引起的振动和噪声。 它适用于高速低转矩特性的主轴。
常用的是同步齿形带。
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(3)用两个电动机分别驱动主轴 (见图3-2c) 上述两种方式的混合传动，具有上述两种性能
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(2)热变形 电动机、主轴及传动件都是热源。低温升、小的
热变形是对主传动系统要求的重要指标。 (3)主轴的旋转精度和运动精度
主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转 动条件下测量主轴前端和距离前端300mm处的径 向圆跳动和端面圆跳动值。主轴在工作速度旋转时 测量上述的两项精度称为运动精度。数控机床要求 有高的旋转精度和运动精度。
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主轴高速化首先要解决的技术问题有三方面： 1．高速电动机的控制技术 高速电动机的控制技术是一项新技术。 2．高速轴承的开发 高速时选用陶瓷轴承的方案已在加工中心机床上采用， 其轴承的滚动体是用陶瓷材料制成，而内、外圈仍用 轴承钢制造。
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5．内装电动机主轴变速 这种主传动是电动机直接带动主轴旋转，如图3-2d 所示，因而大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有 效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出转矩小， 电动机发热对主轴的精度影响较大。