數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)
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1、第 二 章 數(shù) 控 機 床 的 結(jié) 構(gòu) 模 塊 2: 機 械 結(jié) 構(gòu) 一 、 數(shù) 控 機 床 結(jié) 構(gòu) 要 求 與 總 體 布 局二 、 數(shù) 控 機 床 主 運 動 的 特 點三 、 數(shù) 控 機 床 主 軸 的 變 速 方 式四 、 主 軸 部 件 本 章 內(nèi) 容 一、數(shù)控機床結(jié)構(gòu)要求 機床本體是數(shù)控機床的主體部分。來自于數(shù)控裝置的各種運動和動作指令,都必須由機床本體轉(zhuǎn)換成真實的、準確的機械運動和動作,才能實現(xiàn)數(shù)控機床的功能,并保證數(shù)控機床的性能要求。數(shù)控機床的機床本體由下列各部分組成:(1)主傳動系統(tǒng),其功用是實現(xiàn)主運動(2)進給系統(tǒng) ,其功用是實現(xiàn)進給運動(3)機床基礎件,通常指床身、底座、
2、立柱、滑座、工作臺等。其功用是支承機床本體的零、部件,并保證這些零、部件在切削加工過程中占有的準確位置。 (4)實現(xiàn)某些部件動作和某些輔助功能的裝置,如液壓、氣動、潤滑、冷卻以及防護、排屑等裝置。 (5)實現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)、分度定位的裝置和附件,如回轉(zhuǎn)工作臺。 (6)刀庫、刀架和自動換刀裝置 (7)自動托盤交換裝置 (8)特殊功能裝置,如刀具破損檢測、精度檢測和監(jiān)控裝置等。 其中,機床基礎件、主傳動系統(tǒng)、進給系統(tǒng)以及液壓、潤滑、冷卻等輔助裝置是構(gòu)成數(shù)控機床的機床本體的基本部件,其他部件則按數(shù)控機床的功能和需要選用。 盡管數(shù)控機床的機床本體的基本構(gòu)成與傳統(tǒng)的機床十分相似,但由于數(shù)控機床在功能和性能上的
3、要求與傳統(tǒng)機床存在著巨大的差距,所以數(shù)控機床的機床本體在總體布局、結(jié)構(gòu)、性能上與傳統(tǒng)機床有許多明顯的差異。 數(shù)控技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展及在機床上的應用,為數(shù)控機床的自動化、高精度、高效率提供了可能性,但要將可能性變成現(xiàn)實,則必須要求數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的特性才能保證。這些特征包括結(jié)構(gòu)的靜剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性、低速運動的平穩(wěn)性及運動時的摩擦特性、幾何精度、傳動精度等。 1、提高機床結(jié)構(gòu)的靜剛度 機床結(jié)構(gòu)的靜剛度是指在切削力和其他力的作用下,機床抵抗變形的能力。 有標準規(guī)定數(shù)控機床的剛度系數(shù)應比類似的普通機床高50%。 1)合理設計基礎件的截面形狀和尺寸 機床在外力的作用下,各基礎件將承
4、受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷,其彎曲和扭轉(zhuǎn)變形的大小則取決于基礎件的截面抗彎和抗扭慣性矩,抗彎、抗扭慣性矩大,變形則小,剛度就高。 教材p56表3-1列出了在截面積相同(即重量相同)時,不同截面形狀和尺寸的慣性矩。 由表中數(shù)據(jù)可知:在形狀和截面積相同時,減小壁厚,加大截面輪廓尺寸,可大大增加剛度;封閉截面的剛度遠遠高于不封閉截面的剛度;圓形截面的抗扭剛度高于方形截面,抗彎剛度則低于方形截面;矩形截面在尺寸大的方向具有很高的抗彎剛度。 2)采用合理的結(jié)構(gòu)布局,改善機床的受力狀態(tài),提高機床的靜剛度 如教材P59圖3-4所示 3)采取補償構(gòu)件變形的結(jié)構(gòu)措施 在外力作用下,機床的變形是不可避免的,如果能采取措施使
5、變形對加工精度的影響減小,其結(jié)果相當于提高了機床的剛度。依照這一思路,產(chǎn)生了許多補償有關(guān)零、部件的靜力變形的方法,這種方法普遍用于補償因自重而引起的靜力變形。如教材P60圖3-6所示。 2、提高機床結(jié)構(gòu)的抗振性 機床的振動會在被加工工件表面留下振紋,影響工件的表面質(zhì)量,嚴重時則使加工過程難以進行下去。機床加工時可能產(chǎn)生兩種形式的振動:強迫振動和自激振動。機床的抗振性指的是抵抗這兩種振動的能力。 提高機床結(jié)構(gòu)抗振性的措施: P62 3、減小機床的熱變形熱膨脹是各種金屬和非金屬材料的固有特性。機床在工作時,有許多部件和部位會產(chǎn)生大量熱量,如電機、滾動軸承、切屑以及刀具與工件的切削部位、液壓系統(tǒng)等。
6、這些產(chǎn)生熱量的部件和部位稱為熱源。熱源產(chǎn)生的熱量通過傳導、對流、輻射傳遞給機床的各個部件,引起溫升,產(chǎn)生膨脹。由于熱源分布不均勻,各熱源產(chǎn)生的熱量不等,零部件各處質(zhì)量不均勻,形成機床各部位溫升不一致,從而產(chǎn)生不均勻的溫度場合不均與的熱膨脹變形,以致破壞刀具與工件的正確相對位置,影響加工精度。 4、改善運動導軌副的摩擦特性機床導軌是機床基本結(jié)構(gòu)的要素之一。機床的加工精度和使用壽命很大程度上取決于機床導軌的質(zhì)量,而對數(shù)控機床的導軌則有更高的要求,如:高速進給時不振動,低速進給時不爬行;有高的靈敏度,能在重載下長期連續(xù)工作;耐磨性要高,精度保持性要好等。這些都與導軌副的摩擦特性有關(guān),要求摩擦系數(shù)小,
7、靜、動摩擦系數(shù)之差小?,F(xiàn)代數(shù)控機床采用的導軌主要由塑料滑動導軌、滾動導軌和靜壓導軌。 二、數(shù)控機床的總體布局|數(shù)控車床的常用布局形式|臥式數(shù)控鏜銑床(臥式加工中心)的常用布局形式 |立式數(shù)控鏜銑床(立式加工中心)的常用布局形式|數(shù)控機床交換工作臺的布局|高速加工數(shù)控機床的特殊布局 |虛擬軸機床 1、數(shù)控車床的常用布局形式平床身斜床身立式床身 圖2-1 數(shù)控車床的三種常用布局(a)平床身布局(b)斜床身布局(c)立式床身布局| 常用布局形式 這三種布局方式各有特點,一般經(jīng)濟型、普及型數(shù)控車床以及數(shù)控化改造的車床,大都采用平床身;性能要求較高的中、小規(guī)格數(shù)控車床采用斜床身(有的機床是用平床身斜滑板
8、);大型數(shù)控車床或精密數(shù)控車床采用立式床身。 1)水平床身水平床身的工藝性好,便于導軌面的加工。水平床身配上水平放置的刀架可提高刀架的運動精度,一般可用于大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床的布局。但是水平床身由于下部空間下,故排屑困難。從結(jié)構(gòu)尺寸上看,刀架水平放置使得滑板橫向尺寸較長,從而加大了機床寬度方向的結(jié)構(gòu)尺寸。如下圖所示: 2)斜床身 水平床身配置傾斜放置的滑板,并配置傾斜式導軌防護罩,這種布局形式一方面有水平床身工藝性好的特點,另一方面機床寬度方向的尺寸較水平配置滑板的要小,且排屑方便。水平床身配上傾斜放置的滑板和斜床身配置斜滑板布局形式被中、小型數(shù)控車床所普遍采用。此兩種布局形式的特點
9、是排屑容易,熱鐵屑不會堆積在導軌上,也便于安裝自動排屑器;操作方便,易于安裝機械手,以實現(xiàn)單機自動化;機床占地面積小,外形簡單、美觀,容易實現(xiàn)封閉式防護。 斜床身其導軌傾斜的角度分別為30、45、60、75和90(稱為立式床身)。若傾斜角度小,排屑不便;若傾斜角度大,導軌的導向性差,受力情況也差。導軌傾斜角度的大小還會直接影響機床外形尺寸高度與寬度的比例。綜合考慮上面的因素,中小規(guī)格的數(shù)控車床其床身的傾斜角度以60為宜。 2、臥式數(shù)控鏜銑床(臥式加工中心)的常用布局形式 臥式數(shù)控鏜銑床(臥式加工中心)的布局形式種類較多,其主要區(qū)別在于立柱的結(jié)構(gòu)形式和X、Z坐標軸的移動方式上(Y軸移動方式無區(qū)別
10、)。 單立柱框架結(jié)構(gòu)雙立柱圖2-2臥式數(shù)控鏜銑床(臥式加工中心)常見的布局形式|常用的立柱 Z坐標軸的移動方式有工作臺移動式(圖2-2a、b)和立柱移動式(圖2-2c)兩種。以上基本形式通過不同組合,還可以派生其他多種變形,如X、Z兩軸都采用立柱移動,工作臺完全固定的結(jié)構(gòu)形式;或X軸為立柱移動、Z軸為工作臺移動的結(jié)構(gòu)形式等。 圖2-2 臥式數(shù)控鏜銑床(臥式加工中心)的 常用布局形式 在圖2-2所示的三種中、小規(guī)格臥式數(shù)控鏜銑床(臥式加工中心)常見的布局形式中,圖2-2a所示的結(jié)構(gòu)形式和傳統(tǒng)的臥式鏜床相同,多見于早期的數(shù)控機床或數(shù)控化改造的機床;圖2-2b所示的采用了框架結(jié)構(gòu)雙立柱、Z軸工作臺移
11、動式布局,為中、小規(guī)格臥式數(shù)控機床常用的結(jié)構(gòu)形式。圖2-2c所示的采用了T形床身、框架結(jié)構(gòu)雙立柱、立柱移動式(Z軸)布局,為臥式數(shù)控機床典型結(jié)構(gòu)。 框架結(jié)構(gòu)雙立柱采用了對稱結(jié)構(gòu),主軸箱在兩立柱中間上、下運動,與傳統(tǒng)的主軸箱側(cè)掛式結(jié)構(gòu)相比,大大提高了結(jié)構(gòu)剛度。另外,主軸箱是從左、右兩導軌的內(nèi)側(cè)進行定位,熱變形產(chǎn)生的主軸軸線變位被限制在垂直方向上,因此,可以通過對Y軸的補償,減小熱變形的影響。 2.2.2臥式數(shù)控鏜銑床(臥式加工中心)的常用布局形式 T形床身布局可以使工作臺沿床身做X 方向移動時,在全行程范圍內(nèi),工作臺和工件完全支承在床身上,因此,機床剛性好,工作臺承載能力強,加工精度容易得到保證
12、。而且,這種結(jié)構(gòu)可以很方便地增加X軸行程,便于機床品種的系列化、零部件的通用化和標準化。 立柱移動式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是:首先,這種形式減少了機床的結(jié)構(gòu)層次,使床身上只有回轉(zhuǎn)工作臺、工作臺,共三層結(jié)構(gòu),它比傳統(tǒng)的四層十字工作臺,更容易保證大件結(jié)構(gòu)剛性;同時又降低了工件的裝卸高度,提高了操作性能。其次,Z軸的移動在后床身上進行,進給力與軸向切削力在同一平面內(nèi),承受的扭曲力小,鏜孔和銑削精度高。此外,由于Z軸的導軌的承重是固定不變的,它不隨工件重量改變而改變,因此有利于提高Z軸的定位精度和精度的穩(wěn)定性。但是,由于Z軸承載較重,對提高Z軸的快速性不利, 這是其不足之處。 3、立式數(shù)控鏜銑床(立式加工中心)的
13、常用布局形式 立式數(shù)控鏜銑床(立式加工中心)的布局形式與臥式數(shù)控鏜銑床類似,圖2-3所示的是三種常見布局形式。 這三種布局形式中,圖2-3a所示的結(jié)構(gòu)形式是常見的工作臺移動式數(shù)控鏜銑床(立式加工中心)的布局,為中、小規(guī)格機床的常用結(jié)構(gòu)形式;圖2-3C所示的采用了T形床身,X、Y、Z三軸都是立柱移動式的布局,多見于長床身(大X軸行程)或采用交換工作臺的立式數(shù)控機床。這三種布局形式的結(jié)構(gòu)特點,基本和臥式數(shù)控鏜銑床(臥式加工中心)的對應結(jié)構(gòu)相同。 同樣,以上基本形式通過不同組合,還可以派生其他多種變形,如X、Z兩軸都采用立柱移動、工作臺完全固定的結(jié)構(gòu)形式, 或X軸為立柱移動、Z軸為工作臺移動的結(jié)構(gòu)形
14、式等等。圖2-3立式數(shù)控鏜銑床(立式加工中心)常見的布局形式 圖2-3立式數(shù)控鏜銑床(立式加工中心)的常用布局形式 4、數(shù)控機床交換工作臺的布局 為了提高數(shù)控機床的加工效率,在加工中心上經(jīng)常采用雙交換工作臺,進行工件的自動交換,以進一步縮短輔助加工時間,提高機床效率。 圖2-4a是移動式雙交換工作臺布局圖,用于工作臺移動式加工中心。對于圖示的初始狀態(tài),其工作過程是:首先在工位工作臺上裝上工件,交換開始后,X軸自動運動到工位的位置,并松開工作臺夾緊機構(gòu);交換機構(gòu)通過液壓缸或輔助電動機將機床上的工作臺拉到工位上;X軸再自動運動到工位的位置,交換機構(gòu)將裝有工件的工位工作臺送到機床上,并夾緊。在機床進
15、行工件加工的同時,操作者可以在工位裝卸工件,準備第二次交換。這樣就使得工件的裝卸和機床加工可以同時進行,節(jié)省了加工輔助時間,提高了機床的效率。圖2-4所示的是兩種常見的雙交換工作臺布局形式 4、數(shù)控機床交換工作臺的布局 圖2-4b 是回轉(zhuǎn)式雙交換工作臺布局圖,用于立柱移動式加工中心。其工作過程是:首先在工位(裝卸工位)工作臺上裝上工件,交換開始后,工位(加工工位)的工作臺夾緊機構(gòu)自動松開;交換回轉(zhuǎn)臺抬起,進行180 回轉(zhuǎn),將工位上工作臺轉(zhuǎn)到工位的位置,并夾緊。在機床進行工件加工的同時,操作者可以在工位裝卸工件,準備第二次交換。 回轉(zhuǎn)式雙交換工作臺的優(yōu)點是交換速度快,定位精度高;對冷卻、切屑的防
16、護容易;缺點是結(jié)構(gòu)較復雜,占地面積大。 4、數(shù)控機床交換工作臺的布局 此外,還有一種通過雙工作區(qū),進行工件交換的布局形式(如圖2-5所示),多用于長床身(X軸行程在1500mm以上),且X、Y、Z三軸都是立柱移動式的加工中心上。它的基本結(jié)構(gòu)和立柱移動式機床完全相同,區(qū)別僅在于利用中間防護,使機床原工作臺分成了兩個相對獨立的操作區(qū)域。其工作過程是:立柱首先運動到區(qū),對安裝在該區(qū)的零件進行正常加工;與此同時,操作者可以在區(qū)裝卸工件。在區(qū)的零件加工完成后,通過X軸的快速移動,將立柱運動到區(qū),進行區(qū)零件的加工;操作者可以在區(qū)裝卸工件,如此循環(huán)。機床通過電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)嚴格的互鎖,對于加工區(qū)的防護門也需
17、要通過機電聯(lián)鎖裝置予以封閉,確保機床的安全性、可靠性。 圖2-5 雙工作區(qū)交換的布局圖 圖2-5 雙工作區(qū)交換的布局圖 5、高速加工數(shù)控機床的特殊布局 5、高速加工數(shù)控機床的特殊布局圖 6、虛擬軸機床 三、數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)|主傳動的基本要求和變速方式|主軸的聯(lián)接形式 |主軸部件的支承|主軸部件的結(jié)構(gòu) 1、主傳動的基本要求和變速方式 數(shù)控機床和普通機床一樣,主傳動系統(tǒng)也必須通過變速,才能使主軸獲得不同的傳遞,以適應不同的加工要求,并且,在變速的同時,還要求傳遞一定的功率和 足夠的轉(zhuǎn)矩,滿足切削的需要。 | 數(shù)控機床作為高度自動化的設備,它對主傳動系統(tǒng)的基本要求有以下幾點: 1)為了達到最佳的
18、切削效果,一般都應在最佳的切削條件下工作,因此,主軸一般都要求能自動實現(xiàn)無級變速。 2)要求機床主軸系統(tǒng)必須具有足夠高的轉(zhuǎn)速和足夠大的功率,以適應高效、高速的加工需要。 1、主傳動的基本要求和變速方式 3)為了降低噪聲、減輕發(fā)熱、減少振動,主傳動系統(tǒng)應簡化結(jié)構(gòu),減少傳動件。 4)在加工中心上,還必須具有安裝道具和刀具交換所需要的自動夾緊裝置,以及主軸定向準停裝置,以保證刀具和主軸、刀庫、機械手的正確嚙合。 5)為了擴大機床的功能,實現(xiàn)對C軸的控制,主軸還需安裝位置檢測裝置,以便實現(xiàn)對主軸位置的控制。 數(shù) 控 機 床 的 變 速 是 按 照 控 制 指 令 自 動 進 行 的 , 因 此 變 速
19、機 構(gòu) 必 須 適 應 自 動 操 作 的 再 求 。 故 大 多 數(shù) 數(shù) 控 機 床 采 用 無 級變 速 系 統(tǒng) , 數(shù) 控 機 床 主 傳 動 系 統(tǒng) 主 要 有 以 下 三 種 配 置 方 式 。 數(shù) 控 機 床 的 主 傳 動 要 求 較 大 的 調(diào) 速 范 圍 , 以 保 證 加 工時 能 選 用 合 理 的 切 削 用 量 , 從 而 獲 得 最 佳 的 生 產(chǎn) 率 、 加 工精 度 和 表 面 質(zhì) 量 。1、主傳動的基本要求和變速方式 這 種 配 置 方 式 大 、 中 型 數(shù) 控 機 床 采 用 較 多 。它 通 過 少 數(shù) 幾 對 齒 輪 降 速 , 使 之 成 為 分 段
20、 無 級 變 速 , 確 保 低 速時 的 扭 矩 , 以 滿 足 主 軸 輸 出 扭 矩 特 性 的 要 求 。但 有 一 部 分 小 型 數(shù) 控 機 床 也 采 用 這 種 傳 動 方 式 , 以 獲 得 強 力 切削 時 所 需 要 的 扭 矩 ?;?移 齒 輪 的 移 位 大 都 采 用 液 壓 撥 叉 或 直 接 由 液 壓 缸 帶 動 齒 輪 來實 現(xiàn) 。( 1) 帶 有 變 速 齒 輪 的 主 傳 動 ( 如 圖 ) 主 要 應 用 在 小 型 數(shù) 控 機 床 上 , 可 以 避 免 齒輪 傳 動 時 引 起 的 振 動 和 噪 聲 , 但 它 只 能 適用 于 低 扭 矩 特
21、性 要 求 的 主 軸 。( 2) 通 過 帶 傳 動 的 主 傳 動 ( 如 圖 ) 同 步 帶 的 結(jié) 構(gòu) 和 傳 動 如 圖 所 示 。 帶 的 工 作 面 及 帶 輪外 圓 上 均 制 成 齒 形 , 通 過 帶 輪 與 輪 齒 相 嵌 合 , 作 無滑 動 的 嚙 合 傳 動 。 帶 內(nèi) 采 用 了 承 載后 無 彈 性 伸 長 的材 料 作 強 力 層 ,以 保 持 帶 的 節(jié) 距不 變 , 使 主 、 從動 帶 輪 可 作 無 相對 滑 動 的 同 步 傳動 。同 步 帶 傳 動 是 一 種 綜 合 了 帶 、 鏈 傳 動優(yōu) 點 的 新 型 傳 動 。 這 種 主 傳 動 方 式
22、 大 大 簡 化 了 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 扭 矩 小 ,電 動 機 發(fā) 熱 對 主 軸 的 精 度 影 響 較 大 。( 3) 由 調(diào) 速 電 動 機 直 接 驅(qū) 動 的 主 傳 動 ( 如 圖 ) 從 直 流 主 軸 電 動 機 的 速 度 與 轉(zhuǎn) 矩 關(guān) 系圖 中 可 以 看 出 , 在 低 于 額 定 轉(zhuǎn) 速 時 為恒 轉(zhuǎn) 矩 輸 出 , 高 于 額 定 轉(zhuǎn) 矩 時 為 恒 功率 輸 出 。 使 用 這 種 電 動 機可 實 現(xiàn) 純 電 氣 定向 , 而 且 主 軸 的控 制 功 能 可 以
23、 很容 易 與 數(shù) 控 系 統(tǒng)相 連 接 并 實 現(xiàn) 修調(diào) 輸 入 、 速 度 和負 載 測 量 輸 出 等 。 (4)采用電主軸 在高速加工機床上,大多數(shù)使用電動機轉(zhuǎn)子和主軸一體的電主軸,可以使主軸達到每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)、甚至十幾萬轉(zhuǎn)的高速,主軸傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更簡單,剛性更好。 車床用電主軸銑床用電主軸 機 床 的 主 軸 部 件 是 機 床 重 要 部 件 之 一 , 它 帶 動 工 件 或 刀具 執(zhí) 行 機 床 的 切 削 運 動 , 因 此 數(shù) 控 機 床 主 軸 部 件 的 精 度 , 抗振 性 和 熱 變 形 對 加 工 質(zhì) 量 有 直 接 的 影 響 , 由 于 數(shù) 控 機 床 在 加
24、工 過 程 中 不 進 行 人 工 調(diào) 整 , 這 些 影 響 就 更 為 嚴 重 。 所 以 : 2、 主 軸 部 件主 軸 在 結(jié) 構(gòu) 上 要 處 理 好 卡 盤 或 刀 具 的 裝 卡 ,主 軸 的 卸 荷 ,主 軸 軸 承 的 定 位 和 間 隙 調(diào) 整 ,主 軸 部 件 的 潤 滑 和 密 封 等 一 系 列 問 題 。對 于 數(shù) 控 鏜 銑 床 的 主 軸 為 實 現(xiàn) 刀 具 的 快 速 或 自 動 裝 卸 , 主 軸上 還 必 須 設 計 有 刀 具 的 自 動 裝 卸 , 主 軸 定 向 停 止 和 主 軸 孔 內(nèi)的 切 屑 清 除 裝 置 。 數(shù) 控 機 床 的 主 軸 部
25、件 主 要 有 以 下 幾 個 部 分 :主 軸 本 體 及 密 封 裝 置 、 支 承 主 軸 的 軸 承 、 配 置在 主 軸 內(nèi) 部 的 刀 具 卡 進 及 吹 屑 裝 置 、 主 軸 的 準停 裝 置 等 。 1)主軸本體 主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀(見P88圖4-5) 主軸的材料和熱處理 2) 數(shù) 控 機 床 的 主 軸 軸 承 3)軸承的配置 合理配置軸承,可以提高主軸精度,降低溫升,簡化支承結(jié)構(gòu)。在數(shù)控機床上配制軸承時,前后軸承都應能承受徑向載荷,支承間的距離要選擇合理,并根據(jù)機床的實際情況配制軸向力的軸承。 在圖(a)所示的配置形式中,前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和60角接觸球軸承組合
26、,承受徑向載荷和軸向載荷,后支承采用成對角接觸球軸承,這種配置可提高主軸的綜合剛度,滿足強力切削的要求,普遍應用于各類數(shù)控機床。 在圖(b)所示的配置形式中,前軸承采用角接觸球軸承,由23個軸承組成一套,背靠背安裝,承受徑向載荷和軸向載荷,后支承采用雙列短圓柱滾子軸承,這種配置適用于高速、重載的主軸部件。 在圖(c)所示前后支承均采用成對角接觸球軸承,以承受徑向載荷和軸向載荷,這種配置適用于高速、輕載荷精密的數(shù)控機床主軸。 在圖(d)所示前支承采用雙列圓錐滾子軸承,承受徑向載荷和軸向載荷,后支承采用單列圓錐滾子軸承,這種配置可承受重載荷和較強的動載荷,安裝與調(diào)整性能好,但主軸轉(zhuǎn)速和精度的提高受
27、到限制,適用于中等精度,低速與重載荷的數(shù)控機床主軸。 在 自 動 換 刀 的 數(shù) 控 機 床 中 為 了 實 現(xiàn) 刀 具 在主 軸 內(nèi) 的 自 動 裝 卸 , 其 主 軸 必 須 設 計 有 刀具 的 自 動 夾 緊 機 構(gòu) , 如 圖 所 示 。3、 主 軸 內(nèi) 刀 具 的 自 動 夾 緊 和 切 屑 清 除 裝 置 刀 桿 采 用 7: 24的 大 錐 度 錐 柄 , 采 用 大錐 度 的 錐 柄 既 有 利 于 定 心 , 也 為 松 夾帶 來 了 方 便 。在 錐 柄 的 尾 端 軸 頸 被 拉 緊 的 同 時 , 通 過 錐 柄 的 定 心和 摩 擦 作 用 將 刀 桿 夾 緊 于
28、主 軸 的 端 部 。 在 蝶 形 彈 簧 8的 作 用 下 , 拉桿 7始 終 保 持約 10000N的 拉力 ; 并 通 過 拉桿 右 端 的 鋼 球6將 刀 桿 的 尾部 軸 頸 拉 緊 。 換 刀 時 首 先 將 壓 力 油 通 入 主 軸 尾 部 的 液壓 缸 左 腔 , 活 塞 1推 動 拉 桿 7向 有 移 動 ,將 刀 柄 松 開 , 同 時 使 蝶 形 彈 簧 8壓 緊 。拉 桿 7的 右 移 使 右 端 的 鋼 球 6位 于 套 筒 的 喇 叭 口 處 ,消 除 了 刀 桿 上 的 拉 力 。當 拉 桿 繼 續(xù) 右 移 時 , 噴 氣 嘴 的 端 部 把 刀 具 頂 松 ,
29、 使機 械 手 方 便 地 取 出 刀 桿 。 機 械 手 將 應 換 刀 具 裝 入 后 , 電 磁 換 向 閥 動 作 使 壓 力油 通 入 油 缸 右 腔 , 活 塞 1向 左 退 回 原 位 , 蝶 形 彈 簧復 原 又 將 刀 桿 拉 緊 、 螺 旋 彈 簧 2使 活 塞 1在 液 壓 缸 右腔 無 壓 力 油 時 也 始 終 退 在 最 左 端 。當 活 塞 處 于 左 右 兩 個 極 限 位 置 時 , 相 應 限 位 開 關(guān) 12、13發(fā) 出 松 開 和 夾 緊 的 信 號 。 自 動 清 除 主 軸 孔 內(nèi) 的 灰 塵 和 切 屑 是 換刀 過 程 中 的 一 個 不 容 忽
30、 視 的 問 題 。如 果 主 軸 錐 孔 中 落 入 了 切 屑 、 灰 塵 或 其 它 污 物 , 在拉 緊 刀 桿 時 , 錐 孔 表 面 和 刀 桿 的 錐 柄 就 會 被 劃 傷 ,甚 至 會 使 刀 桿 發(fā) 生 偏 斜 , 破 壞 了 刀 桿 的 正 確 定 位 ,影 響 零 件 的 加 工 精 度 , 甚 至 會 使 零 件 超 差 報 廢 。為 了 保 持 主 軸 錐 孔 的 清 潔 , 常 采 用 的 方 法 是 使 用 壓縮 空 氣 吹 屑 。 如 圖 所 示 活 塞 1的 心 部 鉆 有 壓 縮 空 氣 通 道 , 當 活 塞向 左 移 動 時 , 壓 縮 空 氣 經(jīng) 過
31、 活 塞 由 主 軸 孔 內(nèi) 的 空 氣嘴 噴 出 , 將 錐 孔 清 理 干 凈 。為 了 提 高 吹 屑 效 率 , 噴 氣 小 孔 要 有 合 理 的 噴 射 角 度 ,并 均 勻 布 置 。 在數(shù)控鏜床、數(shù)控銑床和以鏜銑為主的加工中心上,為了實現(xiàn)自動換刀,使機械手準確地將刀具裝入主軸孔中,刀具的鍵槽必須與主軸的鍵位在周向?qū)剩辉阽M削加工退刀時,要求刀具向刀尖反方向徑向移動一段距離后才能退出,以免劃傷工件,這都需要主軸具有周向定位功能;另外,一些特殊工藝要求情況下,如在通過前壁小孔鏜內(nèi)壁的同軸大孔,或進行反倒角等加工時,也要求主軸實現(xiàn)準停,使刀尖停在一個固定的方位上,以便主軸偏移一定尺寸
32、后,使大切削刃能通過前壁小孔進入箱體內(nèi)對大孔進行鏜削,所以在主軸上必須設有準停裝置。 目前,主軸準停裝置很多,主要分為機械式和電氣式兩種。 4、 主 軸準停裝置 1)、 定 位 盤 準 停 原 理 示 意 圖 傳統(tǒng)的做法是采用機械擋塊等來定向。圖2為V形槽輪定位盤準停裝置原理圖,在主軸上固定一個V形槽輪定位盤,使V形槽與主軸上的端面鍵保持所需要的相對位置關(guān)系。當主軸需要停車換刀時,發(fā)出降速信號,主軸轉(zhuǎn)換到最低速運轉(zhuǎn),延時繼電器開始動作,并延時4s6s后,無觸點開關(guān) 1接通電源,當主軸轉(zhuǎn)到圖示位置即 V形槽輪定位盤 3上的感應塊2與無觸點開關(guān)1相接觸后發(fā)出信號,使主軸電動機停轉(zhuǎn)。另一延時繼電器延
33、時0.2s0.4s后,壓力油進入定位液壓缸4下腔,使定向活塞向左移動,當定向活塞上的定向滾輪 5頂入定位盤的 V形槽內(nèi)時,行程開關(guān) LS2發(fā)出信號,主軸準停完成。若延時繼電器延時1s后行程開關(guān)LS2仍不發(fā)信號,說明準停沒完成,需使定向活塞6后退,重新準停。當活塞桿向右移到位時,行程開關(guān)LS1發(fā)出定向滾輪5退出凸輪定位盤凹槽的信號,此時主軸可啟動工作。機械式主軸準停裝置準確可靠,但結(jié)構(gòu)較復雜?,F(xiàn)代數(shù)控機床一般采用電氣式主軸準停裝置,只要數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令信號,主軸就可以準確的定向。 2)、凸輪準停裝置見教材P96圖4-19 3)磁傳感器主軸準停 在主軸上安裝有一個永久磁鐵4與主軸一起旋轉(zhuǎn),在距離永
34、久磁鐵4旋轉(zhuǎn)軌跡外12mm處固定有一個磁傳感器5,當銑床主軸需要停車換刀時,數(shù)控裝置發(fā)出主軸停轉(zhuǎn)的指令,主軸電動機3立即降速,使主軸以很低的轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn),當永久磁鐵4對準磁傳感器5時,磁傳感器發(fā)出準停信號,此信號經(jīng)放大后,由定向電路使電動機準確地停止在規(guī)定的周向位置上。這種準停裝置機械結(jié)構(gòu)簡單,發(fā)磁體與磁感傳感器間沒有接觸摩擦,準停的定位精度可達1。,能滿足一般換刀要求。而且定向時間短,可靠性較高。 4)編碼器型主軸準停 這種準停功能也是由主軸驅(qū)動完成的,控制結(jié)構(gòu)如下圖所示。CNC只需發(fā)出ORT命令,主軸驅(qū)動完成準停后回答準停完成信號ORE。其控制步驟與傳感器類似,所不同的是準停角度可由編碼(12
35、位)設定,更加靈活方便。 5)數(shù)控系統(tǒng)控制準停 這種準??刂品绞绞怯蓴?shù)控系統(tǒng)完成的,其原理與進給位置控制的原理非常相似,如圖所示。 圖3為JCS018加工中心主軸電氣準停裝置原理圖,在帶動主軸旋轉(zhuǎn)的多楔帶輪1的端面上裝有一個厚墊片4,墊片4上裝有一個體積很小的永久磁鐵3,在主軸箱體對應主軸準停的位置上,裝有磁傳感器2。當機床需要停車換刀時,數(shù)控裝置發(fā)出主軸停轉(zhuǎn)指令,主軸電動機立即降速,在主軸以最低轉(zhuǎn)速慢轉(zhuǎn)幾圈、永久磁鐵3對準磁傳感器2時,磁傳感器2發(fā)出準停信號,該信號經(jīng)放大后,由定向電路控制主軸電動機停在規(guī)定的周向位置上,同時限位開關(guān)發(fā)出信號,表示準停已完成。 , 當 主 軸 需 要 停 車換
36、 刀 時 , 發(fā) 出 降 速信 號 , 主 軸 箱 自 動改 變 傳 動 路 線 , 使主 軸 換 到 最 低 轉(zhuǎn) 速運 轉(zhuǎn) 。 在 時 間 繼 電器 延 時 數(shù) 秒 后 , 開始 接 通 無 觸 點 開 關(guān) 。主 軸 的 準 停 裝 置 設 置 在 主 軸 的 尾 端( 如 圖 ) 。 交 流 調(diào) 速 電 動 機 11通 過 多聯(lián) 三 角 帶 9和 皮 帶 輪 10帶 動 主 軸 旋 轉(zhuǎn) , 在 凸 輪 上 的 感 應 片 對 準 無 觸 點 開 關(guān) 時 , 發(fā) 出 準 停 信號 , 立 即 切 斷 主 軸 電 動 機 電 源 , 脫 開 與 主 軸 的 傳 動聯(lián) 系 , 以 排 除 傳 動 系 統(tǒng) 中 大 部 分 回 轉(zhuǎn) 零 件 的 慣 性 對主 軸 準 停 的 影 響 , 使 主 軸 作 低 速 慣 性 空 轉(zhuǎn) 。 位 于 圖 中 帶輪 5左 側(cè) 的 永久 磁 鐵 4對 準磁 傳 感 器 3時 ,主 軸 準 確 停止 , 同 時 限位 開 關(guān) 發(fā) 出信 號 , 表 示已 完 成 。電 氣 式 主 軸 定 向 控 制 的 特 點 是 : 不 需 要 機 械部 件 , 定 向 時 間 短 可 靠 性 高 , 只 需 要 簡 單 的強 電 順 序 控 制 , 精 度 和 剛 度 高 。
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