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数控机床的主传动系统(1) 一、主传动及变速
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与普通机床相比,数控机床的工艺范围更宽,工艺能力更强,因此要求其主传动具有较宽的调速范围,以保证在加工时能选用合理的切削用量,从而获得最佳的加工质量和生产率。现代数控机床的主运动广泛采用无级变速传动,用交流调速电机或直流调速电机驱动,能方便地实现无级变速,且传动链短、传动件少。根据数控机床的类型与大小,其主传动主要有以下三种形式。
. M- {+ K0 B& E/ F3 q1.带有变速齿轮的主传动
* l) y% X" @& c4 V: P0 s+ h2 f如图1a所示,它通过少数几对齿轮传动,使主传动成为分段无级变速,以便在低速时获得较大的扭矩,满足主轴对输出扭矩特性的要求。这种方式在大中型数控机床采用较多,但也有部分小型数控机床为获得强力切削所需扭矩而采用这种传动方式。
}- b' G8 M, L' r) O7 ?(a)带有变速齿轮的主传动 (b)通过带传动的主传动 (c)由主电机直接驱动的主传动
0 }$ D1 u2 e( l- R8 ?" b图1 数控机床主传动的配置方式 2.通过带传动的主传动 7 r; }/ A+ L: J( P* |# J$ Y1 v
& `3 n* [8 N- F- R' J# [如图1b所示,电机轴的转动经带传动传递给主轴,因不用齿轮变速,故可避免因齿轮传动而引起的振动和噪声。这种方式主要用在转速较高、变速范围不大的机床上,常用的带有三角带和同步齿形带。 8 \5 m; z! |; U
3.由主轴电机直接驱动的主传动
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如图1c所示,主轴与电机转子合二为一,从而使主轴部件结构更加紧凑,重量轻,惯量小,提高了主轴启动、停止的响应特性,目前高速加工机床主轴多采用这种方式,这种类型的主轴也称为电主轴。
; n! _) s2 K: r2 Z6 k二、主轴部件 ) O9 t! J( l. h* r
4 n6 v6 v& ? A' T0 F( N6 |( L主轴部件是机床的重要部件之一,其精度、抗振性和热变形对加工质量有直接影响。特别是数控机床在加工过程中不进行人工调整,这些影响就更为严重。数控机床主轴部件在结构上要解决好主轴的支承、主轴内刀具自动装夹、主轴的定向停止等问题。 : g L' E l. N+ E1 f
1.主轴的支承
+ ?" w; @4 U! Q7 n数控机床主轴的支承主要采用图2所示的三种主要形式。图2a所示结构的前支承采用双列短圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合,后支承采用成对向心推力球轴承。这种结构的综合刚度高,可以满足强力切削要求,是目前各类数控机床普遍采用的形式。图2b所示结构的前支承采用多个高精度向心推力球轴承,后支承采用单个向心推力球轴承。这种配置的高速性能好,但承载能力较小,适用于高速、轻载和精密数控机床。图2c所示结构为前支承采用双列圆锥滚子轴承,后支承为单列圆锥滚子轴承。这种配置的径向和轴向刚度很高,可承受重载荷,但这种结构限制了主轴最高转速和精度,因而仅适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。9 G) H5 b" u! u8 F
(a)高刚度型 (b)高速轻载型 (c)低速重载型( q+ r) W( r0 C* U2 t
图2 主轴支承配置 2.主轴内部刀具自动夹紧机构
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主轴内部刀具自动夹紧机构是数控机床特别是加工中心的特有机构。图3为ZHS-K63加工中心主轴结构部件图,其刀具可以在主轴上自动装卸并进行自动夹紧,其工作原理如下:当刀具2装到主轴孔后,其刀柄后部的拉钉3便被送到主轴拉杆7的前端,在碟形弹簧9的作用下,通过弹性卡爪5将刀具拉紧。当需要换刀时,电气控制指令给液压系统发出信号,使液压缸14的活塞左移,带动推杆13向左移动,推动固定在拉杆7上的轴套10,使整个拉杆7向左移动,当弹性卡爪5向前伸出一段距离后,在弹性力作用下,卡爪5自动松开拉钉3,此时拉杆7继续向左移动,喷气嘴6的端部把刀具顶松,机械手便可把刀具取出进行换刀。装刀之前,压缩空气从喷气嘴6中喷出,吹掉锥孔内脏物,当机械手把刀具装入之后,压力油通人液压缸14的左腔,使推杆退回原处,在碟形弹簧的作用下,通过拉杆7又把刀具拉紧。冷却液喷嘴1用来在切削时对刀具进行大流量冷却。. @6 Y/ m* U; H6 _
1—冷却液喷嘴 2—刀具 3—拉钉 4—主轴 5—弹性卡爪
" M2 \) {% G- t% K& }6—喷气嘴 7—拉杆 8—定位凸轮 9—碟形弹簧 10—轴套7 l7 ?; \4 ^4 S2 V; a; a% u
11—固定螺母 12—旋转接头 13—推杆 14—液压缸
9 S; Z" m& V/ Z4 l15—交流伺服电机 16—换档齿轮
) _! ~9 b5 S7 O1 Q图3 ZHS-K63加工中心主轴内部刀具夹紧机构 |