第三章数控机床主传动系统的结构与维护.ppt

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,数控机床结构与维护,主讲：

韩鸿鸾,第三章数控机床主传动系统的结构与维护,数控机床的主传动系统主要由主轴电动机、变速机构、主轴及驱动等部分组成。

第一节主传动系统的机械结构与维护,【学习目标】掌握主轴变速方式能看懂数控机床主轴箱的装配图会对主传动链进行维护能看懂高速主轴的结构图会对高速主轴进行维护,【学习内容】,一、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。

图43无级变速,2、分段无级变速,

（1）分段无级变速的方式,1）带有变速齿轮的主传动（图44a）。

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。

滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。

图44a）齿轮变速,2）通过带传动的主传动（图44b）。

主要用在转速较高、变速范围不大的机床。

适用于高速、低转矩特性的主轴。

常用的是同步齿形带。

图4-4b）带传动,3）用两个电动机分别驱动主轴（图44c）。

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。

两个电动机不能同时工作，也是一种浪费。

4）内装电动机主轴（电主轴，图44d）。

电动机转子固定在机床主轴上，结构紧凑，但需要考虑电动机的散热。

图44c）两个电动机分别驱动d）内装电动机主轴传动结构,二、主轴部件,主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等，其作用如表41所示。

表41主轴部件及其作用,三、数控机床用一般主传动系统的结构,1、数控车床主传动系统的结构,图45TDN360数控卧式车床主传动系统图,

（1）主运动传动,

（2）主轴箱的结构,图46TND360数控车床的主轴箱展开图,

（1）轴箱的结构,2、数控铣床/加工中心主传动系统的结构,图410TH6350主轴箱结构图,

（2）主轴结构,图412加工中心的主轴部件1-活塞2-拉杆3-碟形弹簧4-钢球5-标准拉钉6-主轴7、8-行程开关9-弹力卡爪10-卡套,图411某加工中心主轴元件,钢球,拉杆,套筒,主轴,碟形弹簧,（3）刀柄拉紧机构,图413拉紧机构,（4）卸荷装置,1螺母2箱体3连接座4弹簧5螺钉6液压缸7活塞杆8拉杆9套环10垫圈,图414卸荷装置,3、主轴滚动轴承的预紧,所谓轴承预紧，就是使轴承滚道预先承受一定的载荷，不仅能消除间隙而且还使滚动体与滚道之间发生一定的变形，从而使接触面积增大，轴承受力时变形减少，抵抗变形的能力增大。

（1）轴承内圈移动,图415轴承内圈移动,

（2）修磨座圈或隔套,图416修磨座圈,图417隔套的应用,c）,（3）螺纹预紧,图418双列短圆柱滚子轴承径向间隙的轴承,（4）自动预紧,图419自动预紧,4、主轴的密封,

（1）非接触式密封,利用轴承盖与轴的间隙密封，轴承盖的孔内开槽是为了提高密封效果，这种密封用在工作环境比较清洁的油脂润滑处。

图421间隙密封,图422螺母密封,在螺母的外圆上开锯齿形环槽，当油向外流时，靠主轴转动的离心力把油沿斜面甩到端盖1的空腔内，油液流回箱内。

锯齿方向应逆着油的流向。

图423迷宫式密封,迷宫式密封结构，在切屑多，灰尘大的工作环境下可获得可靠的密封效果，这种结构适用油脂或油液润滑的密封。

（2）接触式密封,图424接触式密封l甩油环2油毡圈3耐油橡胶密封圈,主要有油毡圈和耐油橡胶密封圈密封。

图425主轴前支承的密封结构1进油口2轴承3套筒4、5法兰盘6主轴7泄漏孔8回油斜孔9泄油孔,该卧式加工中心主轴前支承采用的是双层小间隙密封装置。

主轴前端加工有两组锯齿形护油槽，在法兰盘4和5上开有沟槽及泄漏孔，当喷入轴承2内的油液流出后被法兰盘4内壁挡住，并经其下部的泄油孔9和套筒3上的回油斜孔8流回油箱，少量油液沿主轴6流出时，在主轴护油槽处由于离心力的作用被甩至法兰盘4的沟槽内，再经回油斜孔8重新流回油箱，从而达到防止润滑介质泄漏的目的。

5、主传动链的维护,1）熟悉数控机床主传动链的结构、性能参数，严禁超性能使用。

2）主传动链出现不正常现象时，应立即停机排除故障。

3）每天开机前检查机床前机床的主轴润滑系统，发现油量过低时及时加油。

4）操作者应注意观察主轴油箱温度，检查主轴润滑恒温油箱，调节温度范围，使油量充足。

5）定期观察调整主轴驱动皮带的松紧程度。

图426主轴润滑系统,6）用液压系统平衡主轴箱重量的平衡系统，需定期观察液压系统的压力表，当油压低于要求值时，要进行补油。

7）使用液压拨叉变速的主传动系统，必须在主轴停车后变速。

8）使用啮合式电磁离合器变速的主传动系统，离合器必须在低于12rmin的转速下变速。

9）注意保持主轴与刀柄连接部位及刀柄的清洁，防止对主轴的机械碰击。

10）每年对主轴润滑恒温油箱中的润滑油更换一次，并清洗过滤器。

11）每年清理润滑油池底一次，并更换液压泵滤油器。

12）每天检查主轴润滑恒温油箱，使其油量充足，工作正常。

13）防止各种杂质进入润滑油箱，保持油液清洁。

14）经常检查轴端及各处密封，防止润滑油液的泄漏。

15）刀具夹紧装置长时间使用后，会使活塞杆和拉杆间的间隙加大，造成拉杆位移量减少，使碟形弹簧张闭伸缩量不够，影响刀具的夹紧，故需及时调整液压缸活塞的位移量。

16）经常检查压缩空气气压，并调整到标准要求值。

足够的气压才能使主轴锥孔中的切屑和灰尘清理彻底。

17）定期检查主轴电动机上的散热风扇，看看是否运行正常，发现异常情况及时修理或更换，以免电动机产生的热量传递到主轴上，损坏主轴部件或影响加工精度。

图428主轴电动机散热风扇,18）主轴的冷却部位要定期加工油，配重部位要定期加工润滑脂如图429所示。

图429主轴维护,四、高速主轴,主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的主传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。

图430高速主轴,1、电主轴结构,图431加工中心用电主轴结构简图1主轴轴系2内装式电动机3支撑及其润滑系统4冷却系统5松拉刀机构6轴承自动卸载系统7编码器安装调整系统,2、高速主轴维护,

（1）电主轴的润滑,图432油气润滑,1）油气润滑方式,用压缩空气把小油滴送进轴承空隙中，油量大小可达最佳值，压缩空气有散热作用，润滑油可回收，不污染周围空气。

根据轴承供油量的要求，定时器的循环时间可从199min定时。

图433喷注润滑系统,2）喷注润滑方式,用较大流量的恒温油（每个轴承34Lmin）喷注到主轴轴承，以达到冷却润滑的目的。

回油则不是自然回流，而是用两台排油液压泵强制排油。

图434突入滚道润滑用特种轴承,3）突入滚道式润滑方式,润滑油的进油口在内滚道附近，利用高速轴承的泵效应，把润滑油吸入滚道。

若进油口较高，则泵效应差，当进油接近外滚道时则成为排放口了，油液将不能进入轴承内部。

（2）电主轴的冷却,为了保证安全，对定子采用连续、大流量循环油冷。

其输入端为冷却油，将电动机产生的热量从输出端带出，然后流经逆流式冷却交换器，将油温降到接近室温并回到油箱，再经压力泵增压输入到主轴输入端从而实现电主轴的循环冷却。

图435电主轴油水热交换循环冷却系统,图436电主轴冷却液流经路线,（3）电主轴的防尘与密封,电主轴是精密部件，在高速运转情况下，任何微尘进入主轴轴承，都可能引起振动，甚至使主轴轴承咬死。

由于电主轴电动机为内置式，过分潮湿会使电动机绕组绝缘变差，甚至失效，以致烧坏电动机。

因此，电主轴必须防尘与防潮。

由于电主轴定子采用循环冷却剂冷却，主轴轴承可能采用油气润滑，因此，防止冷却及润滑介质进入电动机内部非常重要。

另外，还要防止高速切削时的切削液进入主轴轴承，因此，必须做好主轴的密封工作。

第二节主轴的驱动结构与维护,【学习目标】了解主轴驱动的分类能看懂数控机床主轴驱动的连接图会对主轴驱动的参数进行设定能看懂主轴驱动的监控画面,【学习内容】,一、主轴驱动的分类,表42FANUC主轴驱动系统的简单分类,二、主轴驱动的连接,系列伺服由电源模块、主轴放大器模块和伺服放大器模块三部分组成。

1、模块介绍,

（1）PSM（电源模块）,是为主轴和伺服提供逆变直流电源的模块，3相200V输入经PSM处理后，向直流母排输送DC300电压供主轴和伺服放大器用。

另外PSM模块中有输入保护电路，通过外部急停信号或内部继电器控制MCC主接触器，起到输入保护作用。

接收CNC数控系统发出的串行主轴指令，该指令格式是FANUC公司主轴产品通讯协议，所以又被称之为FANUC数字主轴，与其它公司产品没有兼容性。

该主轴放大器经过变频调速控制向FANUC主轴电机输出动力电。

该放大器JY2和JY4接口分别接收主轴速度反馈信号和主轴位置编码器信号。

（2）SPM（主轴放大器模块）,接收通过FSSB输入的CNC轴控制指令，驱动伺服电机按照指令运转，同时JFn接口接收伺服电机编码器反馈信号，并将位置信息通过FSSB光缆再转输到CNC中，FANUCSVM模块最多可以驱动三个伺服电机，其实装图如图443所示。

（3）SVM（伺服放大器模块）,2、PSMSPMSVM间的主要信号说明,

（1）逆变器报警信号（IALM）,这是把SVM（伺服放大器模块）或SPM（主轴放大器模块）中之一检测到的报警通知PSM（电源模块）的信号。

逆变器的作用是DC-AC变换。

（2）MCC断开信号（MCOFF）,从NC侧到SVM，根据*MCON信号和送到SPM的急停信号（*ESPA至连接器“CX2A”）的条件，当SPM或SVM停止时，由本信号通知PSM。

PSM接到本信号后，即接通内部的MCCOFF信号，断开输入端的MCC（电磁开关）。

MCC利用本信号接通或断开PSM输入的3相电源。

（3）变换器（电源模块）准备就绪信号（*CRDY）PSM的输入接上3相200V动力电源，经过一定时间后，内部主电源（DCLINK直流环约300V）起动，PSM通过本信号，将其准备就绪通知SPM（主轴模块）和SVM（伺服放大器模块）模块。

但是，当PSM内检测到报警，或从SPM和SVM接收到“IALM”、“MCOFF”信号时，将立即切断本信号。

变换器即电源模块作用：

将AC200V变换为DC300V。

（4）变换器报警信号（CALM）该信号作用是；当在PSM（电源模块）检测到报警信号后，通知SPM（主轴模块）和SVM（伺服放大器模块）模块，停止电动机转动。

3、驱动部分上电顺序,1）当控制电源2相200V接入。

2）急停信号释放。

3）如果没有MCC断开信号MCOFF（变为0）。

4）外部MCC接触器吸合。

5）3相200V动力电源接入。

6）变换器就绪信号*CRDY发出（*表示“非”信号，所以*CRDY=0）。

7）如果伺服放大器准备就绪，发出*DRDY信号（DigitalServoReadyDRDY，*表示“非”信号，所以*DRDY=0）。

8）SA（ServoAlready伺服准备好）信号发出，完成一个上电周期。

三、主轴信息画面,1.参数设置,2.显示主轴信息,3.信息画面的编辑,四、主轴驱动的设定调整,1.显示方法,2.主轴参数的调整,3.标准参数的自动设定,五、主轴监控,图452主轴监控画面,第三节主轴准停的结构与维护,【学习目标】了解主轴准停的应用知道主轴准停的种类会对主轴准停的参数进行设定会对主轴准停装置进行维护,【学习内容】,一、主轴准停的应用,主轴准停功能又称主轴准停功能（SpindleSpecifiedPositionStop）。

即当主轴停止时，控制其停于固定的位置，这是自动换刀所必须的功能。

主轴准停可分为机械准停与电气准停，其控制过程如图454。

二、机械准停,图455定位盘准停原理示意图,三、电气准停控制,1.磁传感器主轴准停,磁传感器主轴准停控制由主轴驱动自身完成。

当执行M19时，数控系统只需发出准停信号ORT，主轴驱动完成准停后会向数控系统回答完成信号ORE，然后数控系统再进行下面的工作。

图456磁传感器准停控制系统构成,2.编码器型主轴准停,这种准停控制也是完全由主轴驱动完成的，CNC只需发出准停命令ORT即可，主轴驱动完成准停后回答准停完成ORE信号。

图461编码器型主轴准停结构,3.数控系统控制准停,这种准停控制方式是由数控系统完成的。

图463数控系统控制主轴准停结构,1）数控系统须具有主轴闭环控制的功能。

2）主轴驱动装置应有进入伺服状态的功能。

3）通常为方便起见，均采用电动机轴端编码器信号反馈给数控系统，这时主轴传动链精度可能对准停精度产生影响。

三、主轴准停的连接,1.外部接近开关与放大器的连接,1）PNP与NPN型接近开关连接方法,图464PNP型接近开关连接方法,图465NPN型接近开关连接方法,2）两线NPN型接近开关连接方法,图466两线NPN型接近开关连接方法,四、主轴准停的参数设置,1.相关参数设定主轴定向控制参数,2.外部开关类型参数的设定,3.位置编码器定向参数设定,4.使用主轴电动机内置传感器参数设定,1）经常检查插件和电缆有无损坏，使它们保持接触良好。

2）保持磁传感器上的固定螺栓和连接器上的螺钉紧固。

3）保持编码器上联接套的螺钉紧固，保证编码器联接套与主轴联接部分的合理间隙。

4）保证传感器的合理安装位置。

五、主轴准停的参数设置,对于主轴准停装置的维护，主要包括以下几个方面。

【习题练习】,一、填空题1.高速主轴单元的类型有、水动主轴等。

2.电主轴的润滑方式有、喷注润滑、。

3.滚动轴承间隙的调整或预紧，通常是使轴承内、外圈相对轴向移动来实现的。

常用的方法有、修磨座圈或隔套和三种。

4.数控机床主轴准停装置有和。

5.数控机床主轴电气准停有、和数控系统控制准停三种形式。

二、选择题1.高速切削技术与传统的数控机床相比，其根本区别就是高速数控机床的主运动和进给运动都采用了（），省掉了中间的传动环节。

A.自动补偿技术B.自适应技术C.直驱技术2.电主轴是精密部件，在高速运转情况下，任何（）进入主轴轴承，都可能引起振动，甚至使主轴轴承咬死。

A.微尘B.油气C.杂质3.数控车床车螺纹时，利用（）作为车刀进刀点和退刀点的控制信号，以保证车削螺纹不会乱扣。

A.同步脉冲B.异步脉冲C.位置开关4.（）对主轴润滑恒温油箱中的润滑油更换一次，并清洗过滤器。

A.每周B.每月C.每年,5.数控机床主轴锥孔的锥度通常为7：

24，之所以采用这种锥度是为了（）。

A.靠摩擦力传递扭矩B.自锁C.定位和便于装卸刀柄D.以上几种情况都是6.在加工中心中，刀具必须装在标准的刀柄中，标准刀柄有（）。

A.直柄B.7：

24锥柄C.莫氏锥柄7.加工中心大多采用（）完成换刀和拉紧刀柄拉钉。

A.弹簧B.气缸C.液压缸D.连杆机构8.为了保证数控机床能满足不同的工艺要求，并能够获得最佳切削速度，主传动系统的要求是（）。

A.无级调速B.变速范围宽C.分段无级变速D.变速范围宽且能无级变速9.数9.控铣床上进行手动换刀时最主要的注意事项是（）。

A.对准键槽B.擦干净连接锥柄C.调整好拉钉D.不要拿错刀具,10.主轴准停是指主轴能实现（）。

A.准确的周向定位B.准确的轴向定位C.精确的时间控制11.数控机床的准停功能主要用于（）。

A.换刀和加工中B.退刀C.换刀和退刀12.主轴准停功能分为机械准停和电气准停，二者相比，机械准停（）A.结构复杂B.准停时间更短C.可靠性增加D.控制逻辑简化13.数控车用径向较大的夹具，采用（）与车床主轴联接。

A.锥柄B.过渡盘C.外圆D.拉杆14.高精度孔加工完成后退刀时应采用（）。

（A）不停主轴退刀（B）主轴停后退刀（C）让刀后退刀,三、判断题1.（）交流主轴电动机没有电刷，不产生火花，使用寿命长。

2.（）电主轴的转轴必须进行严格的动平衡。

3.（）轴承预紧就是使轴承滚道预先承受一定的载荷，不仅能消除间隙而且还使滚动体与滚道之间发生一定的变形，从而使接触面积增大，轴承受力时变形减少，抵抗变形的能力增大。

4.（）主轴轴承的轴向定位采用前端支承定位。

5.（）保证数控机床各运动部件间的良好润滑就能提高机床寿命。

6.（）加工中心主轴的特有装置是主轴准停和自动换刀。

7.（）加工中心主轴的特有装置是主轴准停和拉刀换刀。

8.（）主轴上刀具松不开的原因之一可能是系统压力不足。

9.（）主轴轴承的轴向定位采用后端支承定位。

10.（）主轴转数由脉冲编码器监视，到达准停位置前先减慢速度，最后通过触点开关使主轴准停。