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数控铣床的主传动系统

更新时间:2013-10-14 15:07来源:未知
数控机床主传动系统是指驱动主轴运动的系统;主轴是数控机床上带动刀具和工件旋转,产生切削运动的运动轴,它往往是数控机床上单轴功率消耗最大的运动轴。与普通机床一样,数控机床也必须通过变速,才能使主轴获得不同的转速,以适应不同的加工要求;在变速
数控机床主传动系统是指驱动主轴运动的系统;主轴是数控机床上带动刀具和工件旋转,产生切削运动的运动轴,它往往是数控机床上单轴功率消耗最大的运动轴。与普通机床一样,数控机床也必须通过变速,才能使主轴获得不同的转速,以适应不同的加工要求;在变速的同时,还要求传递一定的功率和足够的转矩,来满足切削的需要。 
2.1 数控机床主传动系统要求
作为高度自动化的设备,数控机床对主传动系统的基本要求如下。 
(1) 为了能达到最佳的切削效果,数控机床一般都应在最佳的切削条件下工作,因此,主轴一般都要求能实现无级变速。 
(2) 要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率,以适应高速、高效的加工需求。 
(3) 为了降低噪声、减轻发热、减少振动,主传动系统应简化结构,减少传动件。
(4) 在加工中心上,还必须具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹紧装置,以及主轴定向准停装置,以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。 
(5) 为了扩展机床的功能,实现对C轴位置(主轴回转角度)的控制,主轴还需要安装位置检测装置,以便实现对主轴位置的控制。 
2.2 数控机床的主轴部件
数控机床的主轴部件是数控机床的重要组成部分之一,包括主轴的支承和安装在主轴上的传动零件等。它的回转精度可影响工件的加工精度,它的功率大小与回转速度可影响加工效率,它的自动变速、准停和换刀可影响机床的自动化程度。因此,要求主轴部件具有良好的回转精度、结构刚度、抗振性、热稳定性及部件的耐磨性和精度的保持性。对于自动换刀的数控机床,为了实现刀具的自动装卸和夹持,还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置和切屑清除装置等结构。 
1. 主轴部件的支承与润滑
机床主轴带动刀具或夹具在支承中作回转运动,应能传递切削转矩承受切削抗力,并保证必要的旋转精度。目前,数控机床主轴的支承配置形式主要有3种,如图1所示。
 
 
 
图 1
(1) 前支承采用双列圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力球轴承组合,后支承采用成对安装的角接触球轴承。这种配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高,可以满足强力切削的要求,因此普遍应用于各类数控机床主轴中。 
(2) 前轴承采用高精度的双列角接触球轴承,后轴承采用单列(或双列)角接触球轴承。这种配置具有良好的高速性能,主轴最高转速可达4000r/min,但它承载能力小,因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。在加工中心的主轴中,为了提高承载能力,有时应用3~4个角接触球轴承组合的前支承,并用隔套实现预紧。 
(3) 前后轴承采用双列和单列圆锥轴承。这种轴承径向和轴向刚度高,能承受重载荷,尤其能承受较强的动载荷,安装与调整性能好。但这种配置限制了主轴的最高转速和精度,因此适用于中等精度,低速与重载的数控机床主轴。为了尽可能减少主轴部件温升热变形对机床工作精度的影响,通常利用润滑油的循环系统把主轴部件的热量带走,使主轴部件与箱体保持恒定的温度。在某些数控镗、铣床上采用专用的制冷装置,比较理想的实现了温度控制。近年来,某些数控机床的主轴轴承采用高级油脂,用封入方式进行润滑,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。为了防止润滑油和油脂混合,通常采用迷宫密封方式。
 
2. 主轴准停装置
在数控镗床、数控铣床和以镗铣为主的加工中心上,为了实现自动换刀,使机械手准确地将刀具装入主轴孔中,刀具的键槽必须与主轴的键位在周向对准;在镗削加工退刀时,要求刀具向刀尖反方向径向移动一段距离后才能退出,以免划伤工件,这都需要主轴具有周向定位功能;另外,一些特殊工艺要求情况下,如在通过前壁小孔镗内壁的同轴大孔,或进行反倒角等加工时,也要求主轴实现准停,使刀尖停在一个固定的方位上,以便主轴偏移一定尺寸后,使大切削刃能通过前壁小孔进入箱体内对大孔进行镗削,所以在主轴上必须设有准停装置。
目前,主轴准停装置很多,主要分为机械式和电气式两种。
传统的做法是采用机械挡块等来定向。图2为V形槽轮定位盘准停装置原理图,在主轴上固定一个V形槽轮定位盘,使V形槽与主轴上的端面键保持所需要的相对位置关系。当主轴需要停车换刀时,发出降速信号,主轴转换到最低速运转,延时继电器开始动作,并延时4s~6s后,无触点开关 1接通电源,当主轴转到图示位置即 V形槽轮定位盘 3上的感应块2与无触点开关1相接触后发出信号,使主轴电动机停转。另一延时继电器延时0.2s~0.4s后,压力油进入定位液压缸4下腔,使定向活塞向左移动,当定向活塞上的定向滚轮 5顶入定位盘的 V形槽内时,行程开关 LS2发出信号,主轴准停完成。若延时继电器延时1s后行程开关LS2仍不发信号,说明准停没完成,需使定向活塞6后退,重新准停。当活塞杆向右移到位时,行程开关LS1发出定向滚轮5退出凸轮定位盘凹槽的信号,此时主轴可启动工作;凳街髦嶙纪W爸米既房煽,但结构较复杂。现代数控机床一般采用电气式主轴准停装置,只要数控系统发出指令信号,主轴就可以准确的定向。图3为JCS—018加工中心主轴电气准停装置原理图,在带动主轴旋转的多楔带轮1的端面上装有一个厚垫片4,垫片4上装有一个体积很小的永久磁铁3,在主轴箱体对应主轴准停的位置上,装有磁传感器2。当机床需要停车换刀时,数控装置发出主轴停转指令,主轴电动机立即降速,在主轴以最低转速慢转几圈、永久磁铁3对准磁传感器2时,磁传感器2发出准停信号,该信号经放大后,由定向电路控制主轴电动机停在规定的周向位置上,同时限位开关发出信号,表示准停已完成。
 
 
1—无触点开关 2—感应块 3—V形槽轮定位盘 
4—定位液压缸 5—定向滚轮 6—定向活塞
 
 
1—多楔带轮 2—磁传感器 
3—永久磁铁 4—垫片 5—主轴
电气式主轴准停的特点是:不需要机械部件,定向时间短,可靠性高,只需要简单的
强电顺序控制,精度和刚度高。
3. 主轴内刀具自动装卸及吹屑装置
在加工中心上,为了实现刀具在主轴上的自动装卸,除了要保证刀具在主轴上正确定
位之外,还必须设计自动夹紧装置。
图4 为自动换刀数控立式镗铣床的主轴部件结构图:刀杆采用7:24的大锥度锥柄,既有利于定心,也为松夹带来了方便。在锥柄的尾端轴颈被拉紧的同时,通过锥柄的定心和摩擦作用将刀杆夹紧于主轴的端部。在碟形弹簧5的作用下,拉杆4始终保持约10000N的拉力,并通过拉杆右端的钢球12将刀杆的尾部轴颈拉紧;坏妒笔紫冉沽τ屯ㄈ胫髦嵛膊康囊貉垢7左腔,液压缸活塞6推动拉杆4向右移动。将刀柄松开,同时使碟形弹簧5压紧。拉杆4的右移使右端的钢球12位于套筒的喇叭口处,消除了刀杆上的拉力。当拉杆继续右移时,喷气嘴的端部把刀具顶松,使机械手可方便地取出刀杆;凳纸坏毒咦叭牒,电磁换向阀动作使压力油通入液压缸右腔,液压缸活塞6向左退回原位,碟形弹簧复原又将刀杆拉紧。螺旋弹簧11使液压缸活塞6在液压缸右腔无压力时也始终退在最左端,当活塞处于左右两个极限位置时,相应限位行程开关8、10发出松开和夹紧的信号。 
 
加工中心的主轴部件结构图 
1—刀架 2—拉钉 3—主轴 4—拉杆 5—碟形弹簧 6—液压缸活塞8、10—限位行程开关 9—压缩空气管接头 11—螺旋弹簧 12—钢球 7—液压缸13—端面键
自动清除主轴孔内的灰尘和切屑也是换刀过程中的一个重要问题。如果主轴锥孔中落入切屑、灰尘或其他污物,在拉紧刀杆时,主轴锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤,甚至会使刀杆发生偏斜,破坏刀杆的正确定位,影响零件的加工精度。为了保持主轴锥孔的清洁,常采用的方法是使用压缩空气吹屑。在图4 中,当主轴部件处于松刀状态时,主轴顶端的液压缸与拉杆是紧密接触的,此时,压缩空气通过液压缸活塞6和拉杆4中间的通孔,由压缩空气管接头9喷出,以吹掉主轴锥孔上的灰尘、切屑等污物,保证主轴孔的清洁。 
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