数控机床主传动系统论文

闽南理工学院

数控机床主传动系统论文

系别专业：光电系机械设计与制造

班级学号：101016213

学生名字：卢友烽

日期：2011/12/28

摘要

当前的世界已进入信息时代科技进步日新月异。生产领域和高科技领域中的竞争日益加剧，产品技术进步、更新换代的步伐不断加快。现在单件小批量生产的零件已占到机械加工总量的80%以上，而且要求零件的质量更高、精度更高，形状也日趋复杂化，这是摆在机床工业面前的一个突出问题。为了解决复杂、精密、单件小批量以及形状多变的零件加工问题，一种新型的机床——数字控制(Numerical control)机床的产生也就是必然的了。

1.1主传动系统的概述

主传动系统是用来实现机床主运动的，它将主电动机的原动力变成可供主轴上刀具切削加工的切削力矩和切削速度。为适应各种不同的加工及各种不同的加工方法，数控机床的主传动系统应具有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，同时主传动系统还需要有较高精度及刚度并尽可能降低噪声，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。

随着数控技术的不断发展，传统的主轴驱动已不能满足要求。现在数控机床对主传动提出了更高的要求。数控机床常采用直流主轴驱动系统。

2.1主轴驱动装置

（1）. 主轴轴承的配置形式

加工中心的主轴轴承一般采用2个或3个角接触球轴承组成，或用角接触球轴承与圆柱滚子轴承组成，这种轴承经过预紧后可得到较高的刚度。当要求有很大刚性时，则采用圆柱滚子轴承和双向推力球轴承的组合。常用的加工中心主轴支承的典型结构有以下3种

1)前后支承用双列圆柱滚子轴承来承受径向负荷，用安装在主轴前端的双向角接触球轴承来承受轴向负荷，这种结构刚性较好，能进行强力切削，适用于中等转速的机床。

2)前支承用角接触球轴承，背靠背安装，以2～3个轴承为一套，用以承受轴向和径向负荷：后支承用圆柱滚子轴承，这种结构适应较高转速、较重切削负荷，主轴精度较高，但所承受轴向负载较前一种结构小。

3)前后支承都采用成组角接触球轴承，承受轴向和径向负荷，如图8-5c所示。这种结构适应高转速、中等切削负荷的数控机床。使用角接触球轴承，采用脂润滑，其极限dn值达80×104：如采用油气润滑或喷油润滑，则转速可进一步提高。目前高速主轴多数采用陶瓷滚动轴承，在脂润滑情况下dn值可达120×104(d为轴承平均直径mm，n为轴承每分钟转数)。

（2）．主轴内刀具的自动夹紧和切屑的清除装置

在自动换刀机床的刀具自动夹紧装置中，刀杆常采用7：24的大锥度锥柄，

既利于定心，也为松刀带来方便。用碟形弹簧通过拉杆及夹头拉住刀柄的尾部，使刀具锥柄和主轴锥孔紧密配合，夹紧力达10000N以上。松刀时，通过液压缸活塞推动拉杆来压缩碟形弹簧，使夹头涨开，夹头与刀柄上的拉钉脱离，刀具即可拔出进行新旧刀具的交换；新刀装入后，液压缸活塞后移，新刀具又被碟形弹簧拉紧。在活塞推动拉杆松开刀柄的过程中，压缩空气由喷气头经过活塞中心孔和拉杆中的孔吹出，将锥孔清理干净，防止主轴锥孔中掉入切屑和灰尘，把主轴孔表面和刀杆的锥柄划伤，保证刀具的正确位置。

（3）．主轴准停装置

数控机床为了完成ATC(刀具自动交换)的动作过程，必须设置主轴准停机构。由于刀具装在主轴上，切削时切削转矩不可能仅靠锥孔的摩擦力来传递，因此在主轴前端设置一个突键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与突键对准，才能顺利换刀：为此，主轴必须准确停在某固定的角度上。由此可知主轴准停是实现ATC过程的重要环节。

通常主轴准停机构有2种方式，即机械式与电气式。

机械方式采用机械凸轮机构或光电盘方式进行粗定位，然后有一个液动或气动的定位销插入主轴上的销孔或销槽实现精确定位，完成换刀后定位销退出，主轴才开始旋转。采用这种传统方法定位，结构复杂，在早期数控机床上使用较多。

而现代数控机床采用电气方式定位较多。电气方式定位一般有以下两种方式。

一种是用磁性传感器检测定位，这种方法如图8-6所示，在主轴上安装一个发磁体与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹1~2mm处固定一个磁传感器，它经过放大器并与主轴控制单元相连接，当主轴需要定向时，便可停止在调整好的位置上。

另一种是用位置编码器检测定位，这种方法是通过主轴电动机内置安装的位置编码器或在机床主轴箱上安装一个与主轴1:1同步旋转的位置编码器来实现准停控制，准停角度可任意设定。

（4）．主轴润滑与密封

(1)主轴润滑 为了保证主轴有良好的润滑，减少摩擦发热，同时又能把主轴组件热量带走，通常采用循环式润滑系统。用液压泵供油强力润滑，在油箱中使用油温控制器控制油液温度。近年来一部分数控机床的主轴轴承采用高级油脂封放式润滑，每加一次油脂可以使用7~10年，简化了结构，降低了成本且维护保养简单，但需防止润滑油和油脂混合，通常采用迷宫式密封方式。为了适应主

轴转速向更高速化发展的需要，新的润滑冷却方式相继开发出来。这些新的润滑冷却方式不单要减少轴承温升，还要减少轴承内外圈的温差，以保证主轴的热变形小。

①油气润滑方式：这种润滑方式近似于油雾润滑方式，所不同的是，油气润滑是定时定量地把油雾送进轴承空隙中，这样既实现了油雾润滑，又不至于油雾太多而污染周围空气；而油雾润滑则是连续供给油雾。②喷注润滑方式：它用较大流量的恒温油(每个轴承3~4L/min)喷注到主轴轴承上，以达到润滑、冷却的目的。这里需特别指出的是，较大流量喷注的油，不是自然回流，而是用排油泵强制排油，同时，采用专用高精度大容量恒温油箱，油温变动控制在±0.5℃。(2)密封 在密封件中，被密封的介质往往是以穿漏、渗透或扩散的形式越界泄漏到密封连接处的彼侧。造成泄漏的基本原因是流体从密封面上的间隙中溢出，或是由于密封部件内外两侧密封介质的压力差或浓度差，致使流体向压力或浓度低的一侧流动。图8-7所示为一卧式加工中心主轴前支承的密封结构。

该卧式加工中心主轴前支承处采用的双层小间隙密封装置。主轴前端车出两组锯齿形护油槽，在法兰盘4和5上开沟槽及泄漏孔，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和箱体3上的回油斜孔8流回油箱，少量油液沿主轴6流出时，主轴护油槽在离心力的作用下被甩至法兰盘4的沟槽内，经回油斜孔8流回油箱，达到防止润滑介质泄漏的目的。当外部切削液、切屑及灰尘等沿主轴6与法兰盘5之间的间隙进入时，经法兰盘5的沟槽由泄漏孔7排出，达到了主轴端部密封的目的。

要使间隙密封结构能在一定的压力和温度范围内具有良好的密封防漏性能，必须保证法兰盘4和5与主轴及轴承端面的配合间隙。

故障现象：主轴高速旋转时发热严重

分析及处理过程：电主轴运转中的发热和温升问题始终是研究的焦点。电主轴单元的内部有两个主要热源：一是主轴轴承，另一个是内藏式主电动机。

电主轴单元最凸出的问题是内藏式主电动机的发热。由于主电动机旁边就是主轴轴承，如果主电动机的散热问题解决不好，还会影响机床工作的可靠性。主要的解决方法是采用循环冷却结构，分外循环和内循环两种，冷却介质可以是水或油，使电动机与前后轴承都能得到充分冷却。

主轴轴承是电主轴的核心支承，也是电主轴的主要热源之一。当前高速电主轴，大多数采用角接触陶瓷球轴承。因为陶瓷球轴承具有以下特点：①由于滚珠重量轻，离心力小，动摩擦力矩小。②因温升引起的热膨胀小，使轴承的预紧力稳定。③弹性变形量小，刚度高，寿命长。由于电主轴的运转速度高，因此对主轴轴承的动态、热态性能有严格要求。合理的预紧力，良好而充分的润滑是保证主轴正常运转的必要条件。采用油雾润滑，雾化发生器进气压为0.25~0.3MPa，选用20#透平油，油滴速度控制在80~100滴/min。润滑油雾在充分润滑轴承的同时，还带走了大量的热量。前后轴承的润滑油分配是非常重要的问题，必须加

以严格控制。进气口截面大于前后喷油口截面的总和，排气应顺畅，各喷油小孔的喷射角与轴线呈15º夹角，使油雾直接喷入轴承工作区。

总结

制定符合中国国情的总体发展战略，确立与国际接轨的发展道路，对21世纪我国数控技术与产业的发展至关重要。本文在对数控技术和产业发展趋势的分析，对我国数控领域存在的问题进行研究的基础上，对21世纪我国数控技术和产业的发展途径进行了探讨，提出了以科技创新为先导，以商品化为主干，以管理和营销为重点，以技术支持和服务为后盾，坚持可持续发展道路的总体发展战略。在此基础上，研究了发展新型数控系统、数控功能部件、数控机床整机等的具体技术途径。

我们衷心希望，我国科技界、产业界和教育界通力合作，把握好知识经济给我们带来的难得机遇，迎接竞争全球化带来的严峻挑战，为在21世纪使我国数控技术和产业走向世界的前列，使我国经济继续保持强劲的发展势头而共同努力奋斗

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