数控铣床的主传动系统

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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。

　　(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。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。机械式主轴准停装置准确可靠，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。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。

　　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，www.vtoall.com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。换刀时首先将压力油通入主轴尾部的液压缸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。机械手将应换刀具装入后，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。