【说说数控机床的硬件】数控机床的主轴驱动装置

主轴驱动基本要求
一．对主传动的要求
数控机床与普通机床一样，有主运动及进给运动。相应地，存在着主传动链及进给传动链。由于数控机床的高自动化及高精度，对主运动提出了更高的要求。
1．转速高，功率大：
数控机床对工件能完成大切削用量的粗加工及高速旋转下的精加工。粗加工时，扭矩大；精加工时，转速高。而数控机床的功率P=T•N，无论是T大，还是N大，都会使得功率大。
2．变速范围宽，且能实现无级变速：
满足不同的加工要求，就要有不同的加工速度。由于数控机床的加工通常在自动的情况下进行，尽量减少人的参与，因而要求能够实现无级变速。
3．实现恒切削速度加工：
在加工端面时，为了保证端面稳定的加工质量，要求工件端面的各部位能保持恒定的线切削速度。
设：主轴的恒定的旋转速度为N，线速度V=N•ΠD，即随着直径的减少，V也在减少，为了获得稳定的线速度，随着加工的进行，通过调节主轴的转速N使得保持恒定的线切削速度。
4．主传动链尽可能短：
传动链越短，则累积误差越小。
5．实现刀具的快速或自动装卸：
主运动是刀具旋转运动的数控机床，由于机床可以进行多工序加工，工序变换是时刀具也要更换，因此要求能够自动换刀。
二．主运动的变速方式及实现
1．分段无级变速：
•实现：交流或直流无级变速电机+齿轮变速
•适用范围：适用于大、中型数控机床，特别是粗加工的场合。确保低速时主轴输出大扭矩特性的要求。
•无级变速电机的特性：

从图中可以看出，无级变速电机低速时为恒扭矩输出；高速时为恒功率输出。
2．通过带传动的主传动：
•实现：交流或直流无级变速电机+同步带传动
•适用范围：适用于小型数控机床，特别是低扭矩特性要求的主轴
•带传动：
同步带是一种综合了带、链传动优点的新型传动。同步带的结构如图所示，带的工作面及带轮的外圆上均制成齿状，通过带轮与轮齿相啮合，作无滑动的啮合传动。
•带传动的优点：
ａ．无滑动，传动比准确。
ｂ．传动效率高，可达98﹪。
ｃ．传动平稳，噪声小（带传动具有吸振的功能）。
ｄ．使用范围较广，速度可达50m/s，传动比可达10左右，传递功率由几瓦至数千瓦。
ｅ．维修保养方便，不需要润滑。
3．由调速电机直接驱动的主传动：
•实现：交流或直流无级变速电机
•适用范围：适用于主轴输出扭矩小的场合。

数控机床的主轴部件
数控机床的主轴部件
一．主轴刀具自动装夹和切屑清除装置
这种装置主要用于主运动是刀具旋转运动的情形。如数控铣钻镗加工中心的主轴部件。典型结构为JCS—018立式镗铣床主轴部件。
1．基本构成：
•装刀部件：刀夹（1）、拉钉（2）、钢球（12）、端面键（13）；
•换刀部件：主轴（3）、拉杆（4）、碟形弹簧（5）、液压缸（7）、活塞（6）；
•吹扫部件：空压机、压缩空气管接头（9）


2．取用过刀具过程：
CNC发出换刀指令→液压缸（7）右腔进油→活塞（6）左移→推动拉杆（4）克服弹簧（5）的作用左移→带动钢球（12）移至大空间→钢球失去对拉钉（2）的作用→取刀
3．吹扫过程：
旧刀取走后→CNC发出指令→空压机启动→压缩空气经压缩空气管接头（9）吹扫装刀部位并用定时器计时
4．装刀过程：
时间到→CNC发出装刀指令→机械手装新刀→液压缸右腔回油→拉杆（4）在碟形弹簧的作用下复位→拉杆带动拉钉右移至小直径部位→通过钢球将拉钉卡死

二．主轴的准停功能
1．定义：主轴停车时要求停在一个固定位置的功能称为准停功能。
2．主轴为什么要有准停功能：
•自动换刀的数控镗床或铣床，切削转矩通常是通过主轴上的端面键和到柄上的键槽来传递的，因此每一次自动换刀时，都必须使刀柄上的键槽对准主轴的端面键，因而要求有准停功能。
•在加工精密孔系时，若每次都能在主轴固定的圆周位置上换刀，就能保证刀尖与主轴相对位置的一致性，从而减少被加工孔的尺寸的分散度。



3．主轴准停装置的工作原理：
主轴准停装置有机械式、电器式。下面介绍一种槽轮准停装置的工作原理。
•组成：
带V型槽的粗、精定位盘、油缸、定向活塞、无触点开关等。
•工作原理：
准停装置装在主轴尾部，其中粗定位盘用螺钉紧固在精定位盘上。当它停下后，主轴即被停住。准停前主轴处于运行状态。
主轴运转→CNC发出停车指令→主轴以低速旋转（20r/min）→延时继电器延时一段时间→接通无触点开关电源→当粗定位盘上的感应块触发无触点开关后→主电机停转并断开主传动链→主轴因惯性继续转动→无触点开关信号同时发信号给液压缸→液压缸右腔进油→定向活塞左移→滚子在精定位盘上滚动→卡住槽轮

三．光电脉冲发生器（主轴编码器）
1．主轴编码器的作用及安装方式：
•作用：主轴编码器用于测量主轴的旋转速度。前面在介绍半闭环数控系统时指出，检测元件安装在主轴上，而这种检测元件通常就是光电脉冲发生器。


安装：有两种安装方式。一种是与主轴通过弹性联轴器同轴安装；另一种方法是通过中间轴上的齿轮1：1的同步传动。总之，主轴编码器反映主轴的旋转速度。
２．主轴编码器的组成：
光源、聚光镜、漏光盘、光敏管、光栏板等。
3．工作原理：
在漏光盘上，沿圆周刻有两圈条纹，外圈为圆周等分线条，作为发送脉冲用，内圈仅一条。在光栏上，刻有透光条纹A、B、C。
光源发光→经聚光镜聚光成平行线→漏光盘与主轴同步旋转→漏光盘与光栏板条纹重合时透光→光敏管接受信号并通过计数装置计数→反映主轴转速
4．数控车床没有进给箱变速，如何实现不同的进给量及进给速度？如何实现车螺纹？
•我们知道：数控系统主要控制机床的进给运动，进给工作台的进给量和进给速度都是由CNC系统来控制的。CNC发出脉冲的总个数决定了进给量的大小，CNC单位时间内发出脉冲的个数决定了工作台移动的速度。
•车螺纹：加工螺纹时，要求工件的旋转运动与工作台的移动之间保持严格         的运动关系，即主运动1r——工作台1T。由于数控车床的主运动与进给运动之间没有机械联系且由各自的电机驱动。主轴编码器测定主轴的旋转速度并传递给CNC，CNC控制进给机构的速度，实现车螺纹。

数控机床作为高精度和高生产率的自动化机床在机械结构方面较普通机床有更高的要求，如高刚度，高精度，高速度，低摩擦等。
一、数控机床的主传动系统
数控机床主传动的特点
　　1）转速高，功率大。能进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。
　　2）主轴转数的变换迅速可靠，能自动无级变速，使切削工作始终在最佳状态下进行。
3）为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上设计有刀具自动装卸，主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。
二、主轴变速方式
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。
交流主轴电动机及交流变频驱动装置（笼型感应交流电动机配置矢量变换变频调速系统），由于没有电刷，不产生火花，所以使用寿命长，且性能已达到直流驱动系统的水平，甚至在噪声方面还有所降低。因此，目前应用较为广泛。
主轴传递的功率或转矩与转速之间的关系。当机床处在连续运转状态下，主轴的转速在437~3500r/min范围内，主轴传递电动机的全部功率11kW，为主轴的恒功率区域Ⅱ（实线）。在这个区域内，主轴的最大输出扭矩（245N.m）随着主轴转速的增高而变小。主轴转速在35~437r/min范围内，主轴的输出转矩不变，称为主轴的恒转矩区域Ⅰ（实线）。在这个区域内，主轴所能传递的功率随着主轴转速的降低而减小。图中虚线所示为电动机超载（允许超载30min）时，恒功率区域和恒转矩区域。电动机的超载功率为15kW，超载的最大输出转矩为334N.m。
分段无级变速
   数控机床在实际生产中，并不需要在整个变速范围内均为恒功率。一般要求在中、高速段为恒功率传动，在低速段为恒转矩传动。为了确保数控机床主轴低速时有较大的转矩和主轴的变速范围尽可能大，有的数控机床在交流或直流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速。
三、主轴典型结构
在带有齿轮变速的分段无级变速系统中，主轴的正、反启动与停止、制动是由电动机实现的，主轴变速则由电动机转速的无级变速与齿轮有级变速相配合来实现。通常采用液压拨叉和电磁离合器两种变速方式。
   1. 液压拨叉变速机构   液压变速机构的原理和形式。滑移齿轮的拨叉与变速液压缸的活塞杆连接，通过改变不同通油方式可以使三联齿轮获得三个不同的变速位置。当液压缸1通压力油，液压缸5卸压时，活塞杆带动拨叉3向左移动到极限位置，同时拨叉带动三联齿轮移到左端啮合位置，行程开关发出信号。当液压缸5通压力油而液压缸1卸压时，活塞杆2和套筒4一起向右移动，套筒4碰到液压缸5的端部之后，活塞杆2继续右移到极限位置，此时三联齿轮被拨叉3移到右端啮合位置，行程开关发出信号。当压力油同时进入左右两液压缸时，由于活塞杆2两端直径不同使活塞杆向左移动，活塞杆靠上套筒4的右端时，此时活塞杆左端受力大于右端，活塞杆不再移动，拨叉和三联齿轮被限制在中间位置，行程开关发出信号。
液压拨叉变速是一种有效的方法，但它需要配置液压系统。
   2. 电磁离合器变速   它是通过安装在传动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。变速机构简化，便于实现自动操作，并有现成的系统产品可供选用。
   对于小型数控机床，或主传动系统要求振动小、噪声低的数控机床，主传动通常采用带传动(图8-2b)，如J1PrimusCNC数控车床和XH754型加工中心主轴。传动带有平带、Ｖ带和齿带，以及多楔带等。
内置电动机主轴变速
将调速电动机与主轴合成一体（电动机转子轴即为机床主轴），这是近年来新出现的一种结构，这种变速方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴精度影响较大。
四、主轴的支承与润滑
    数控机床主轴的支承配置主要有三种形式。
1） 前支承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴
承和60°角接触球轴承组合，后支承采用成对角接触球轴承。这种配置形式使主轴的综合刚度得到大幅度提高，可以满足强力切削的要求，普遍应用于各类数控机床的主轴。
  2) 前轴承采用高精度双列（或三列）角接触球轴承，后支承采用单列（或双列）角接触球轴承。角接触球轴承具有较好的高速性能，主轴最高转速可达4000r/min，但这种轴承的承载能力小，因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。
  3) 前后轴承分别采用双列和单列圆锥滚子轴承。这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较大的动载荷，安装与调试性能好，但这种轴承配置形式限制了主轴的最高转速和精度，故适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。
TND360型数控车床主轴部件结构。其主轴为空心主轴，内孔用于通过长的棒料，直径可达60mm，也可用于通过气动、液压夹紧装置。主轴前端的短圆锥面及其端面用于安装夹盘或拨盘。主轴支承配置形式采用上述第2）种，前后支承都采用角接触球轴承。前轴承三个一组，4、5大口朝向主轴前端，3大口朝向主轴后端。前轴承的内外圈轴向由轴肩和箱体孔的台阶固定，以承受轴向负荷。后轴承1、2小口相对，只承受径向载荷，并由后压套进行预紧。前后轴承都由轴承厂配好，成套供应，装配时不需修配。  　                                      
   数控车床主轴轴承润滑可采用油脂润滑，迷宫式密封。也可采用集中强制型润滑，为保证润滑的可靠性，常装有压力继电器作为失压报警装置。

过奖了，大家一起学习。

数控机床的进给运动系统
数控机床的进给运动系统

数控机床的进给运动系统
一、概述
数控机床进给运动系统，尤其是轮廓控制的进给运动系统，必须对进给运动的位置和运动的速度两个方面同时实现自动控制，与普通机床相比，要求其进给系统有较高的定位精度和良好的动态响应特性。一个典型数控机床闭环控制的进给系统，通常由位置比较放大单元、驱动单元、机械传动装置及检测反馈元件等几部分组成。这里所说的机械传动装置是指将驱动源的旋转运动变为工作台直线运动的整个机械传动链，包括减速装置、转动变移动的丝杠螺母副及导向元件等等。为确保数控机床进给系统的传动精度、灵敏度和工作的稳定性，对机械部分设计总的要求是消除间隙，减少摩擦，减少运动惯量，提高传动精度和刚度。另外，进给系统的负载变化较大，响应特性要求很高，故对刚度、惯量匹配都有很高的要求。
为了满足上述要求，数控机床一般采用低摩擦的传动副，如减摩滑动导轨、滚动导轨及静压导轨、滚珠丝杠等；保证传动元件的加工精度，采用合理的预紧、合理的支承形式以提高传动系统的刚度；选用最佳降速比，以提高机床的分辨率，并使系统折算到驱动轴上的惯量减少；尽量消除传动间隙，减少反向死区误差，提高位移精度等。
二、电机与丝杠之间的联接
数控机床进给驱动对位置精度、快速响应特性、调速范围等有较高的要求。实现进给驱动的电机主要有三种：步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。目前，步进电机只适应用于经济型数控机床，直流伺服电机在我国正广泛使用，交流伺服电机作为比较理想的驱动元件已成为发展趋势。数控机床的进给系统当采用不同的驱动元件时，其进给机构可能会有所不同。电机与丝杠间的联接主要有三种形式，如图所示。


此主题相关图片如下，点击图片看大图：

1．带有齿轮传动的进给运动
数控机床在机械进给装置中一般采用齿轮传动副来达到一定的降速比要求，如图a）所示。由于齿轮在制造中不可能达到理想齿面要求，总存在着一定的齿侧间隙才能正常工作，但齿侧间隙会造成进给系统的反向失动量，对闭环系统来说，齿侧间隙会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用消除措施来尽量减小齿轮侧隙。但这种联接形式的机械结构比较复杂。
经同步带轮传动的进给运动
如图b所示，这种联接形式的机械结构比较简单。同步带传动综合了带传动和链传动的优点，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但只能适于低扭矩特性要求的场所。安装时中心距要求严格，且同步带与带轮的制造工艺复杂。
3．电机通过联轴器直接与丝杠联接
如图c所示，此结构通常是电机轴与丝杠之间采用锥环无键联接或高精度十字联轴器联接，从而使进给传动系统具有较高的传动精度和传动刚度，并大大简化了机械结构。在加工中心和精度较高的数控机床的进给运动中，普遍采用这种联接形式。

不知为何，一重新编辑就出错。下面是上贴的图片：

滚珠丝杠螺母副
滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的一种新型传动装置，在数控机床上得到了广泛的应用。它的结构特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦。
（一）滚珠丝杠螺母副工作原理
滚珠丝杠螺母副工作原理，如图所示。图中丝杠和螺母上都加工有圆弧形的螺旋槽，当它们对合起来就形成了螺旋滚道。在滚道内装有滚珠，当丝杠与螺母相对运动时，滚珠沿螺旋槽向前滚动，在丝杠上滚过数圈以后通过回程引导装置，逐个地又滚回到丝杠与螺母之间，构成一个闭合的回路。
滚珠丝杠的螺纹滚道法向截面有单圆弧和双圆弧两种不同的形状，如右图所示(a)为单圆弧、b)为双圆弧)。其中单圆弧工艺简单，双圆弧性能较好。
（三）滚珠的循环方式
滚珠循环方式分为外循环和内循环两种方式。
外循环
滚珠在循环过程结束后，通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杠间重新进入循环。如下图所示为插管式，它用弯管作为返回管道，这种形式结构工艺性好，但由于管道突出于螺母体外，径向尺寸较大。如图所示为螺旋槽式，它是在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道，这种形式的结构比插管式结构径向尺寸小，但制造较复杂。

内循环  
这种循环靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道,使滚珠成单圈环, 如下图所示,滚珠从螺纹滚道进入反向器,借助反向器迫使滚珠越过丝杠牙顶进入相邻滚道,实现循环。一般一个螺母上装有2～4个反向器，反向器沿螺母圆周等分分布。其优点是径向尺寸紧凑，刚性好，因其返回滚道较短，摩擦损失小。缺点是反向器加工困难。

续上贴：滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。为了保证反向传动精度和丝杠的刚度，必须消除轴向间隙。消除间隙的方法常采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大，预紧力过大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。此外还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙。
常用的螺母丝杠消除间隙方法有：
（1）垫片调隙式。如图所示，调整垫片厚度使左右两螺母不能相对旋转，只产生轴向位移，即可消除间隙和产生预紧力。这种方式结构简单，刚性好，调整时需要卸下调整垫圈修磨，滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧。

（2）螺纹调隙式。如图所示，滚珠丝杠左右两螺母副以平键与外套相联，用平键限制螺母在螺母座内的转动。调整时，只要拧动圆螺母1即可消除间隙并产生预紧力，然后用螺母2锁紧。这种调整方法具有结构简单、工作可靠、调整方便的优点，但预紧量不很准确。
（3）齿差调隙式。如图所示，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别为z1和z2，并相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于套筒同方向都转动一个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量 。例如，z1=81，z2=80，滚珠丝杠的导程为t=6mm时，s=6/6480≈0.001mm。这种调整方法能精确调整预紧量，调整方便、可靠，但结构尺寸较大，多用于高精度的传动。


（4）单螺母变位螺距预加负荷。如图所示，它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间使用螺纹滚道在轴向产生一个△L0的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位实现预紧。这种调隙方法结构简单，但负荷量须预先设定且不能改变。