数控机床的主传动系统

1、2021/5/121 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 教学目的与要求：教学目的与要求： 1、了解对主传动系统的基本要求、变速方式；、了解对主传动系统的基本要求、变速方式； 2、了解主传动系统的组成，掌握数控车、数控铣、加、了解主传动系统的组成，掌握数控车、数控铣、加 工中心等几种典型机床的主轴部件，理解电主轴的结工中心等几种典型机床的主轴部件，理解电主轴的结 构及应用。构及应用。 本章重点：数控车、数控铣、加工中心等几种典型机本章重点：数控车、数控铣、加工中心等几种典型机 床的主轴部件的组成及作用床的主轴部件的组成及作用 本章难点：电主轴本章难点：电主轴 2021/5/122 一、概

2、述一、概述 1、概念、概念 主运动主运动是机床实现切削的基本运动。是机床实现切削的基本运动。即驱动主轴运动即驱动主轴运动 的系统。的系统。在切削过程中，它为切除工件上多余的金属在切削过程中，它为切除工件上多余的金属 提供所需的切削速度和动力，是切削过程中速度最高、提供所需的切削速度和动力，是切削过程中速度最高、 消耗功率最多的运动。消耗功率最多的运动。 主传动系统是：主传动系统是：由主轴电机经一系列传动元件和主轴由主轴电机经一系列传动元件和主轴 构成的具有运动、传动联系的系统。构成的具有运动、传动联系的系统。 数控机床的主传动系统包括数控机床的主传动系统包括：主轴电动机、传动装置、：主轴电动机

3、、传动装置、 主轴、主轴轴承、主轴定向装置。主轴、主轴轴承、主轴定向装置。 2021/5/123 .主轴：指带动刀具和工件旋转，产生切削运 动且消耗功率最大的运动轴。 主传动系统功用主传动系统功用： 传递动力：传递切削加工所需要的动力 传递运动：传递切削加工所需要的运动 运动控制：控制主运动的大小方向开停 组成：组成： 动力源：电机 传动系统：定比传动机构、变速装置 运动控制装置:离合器、制动器等 执行件：主轴 2021/5/124 动力功率高动力功率高 由于日益增长的对高效率要求，加 之刀具材料和技术的进步，大多数NC 机床均要求有足够高的功率来满足高 速强力切削。 一般NC机床的主轴驱动功

4、率在 3.7kw250kw之间。 2021/5/125 调速范围宽，可实现无级变速调速范围宽，可实现无级变速 调速范围：有恒扭矩、恒功率调速范围之 分。现在，数控机床的主轴的调速范围一 般在：10010000，且能无级调速，使切 削过程始终处于最佳状态。（如AD-15B主 轴转速范围：50-4500；AD-35主轴转速范 围：25-2500） 要求恒功率调速范围尽可能大，以便在尽 可能低的速度下，利用其全功率。 变速范围负载波动时，速度应稳定。 2021/5/126 AD-15B FANUC P18/6000i电机功能曲线图 2021/5/127 控制功能的多样化控制功能的多样化 同步控制功能

5、：同步控制功能：CNC车床车螺纹用；车床车螺纹用； 主轴准停功能：加工中心自动换刀、自动装卸、主轴准停功能：加工中心自动换刀、自动装卸、 CNC车床车螺纹用；（主轴实现定向控制）车床车螺纹用；（主轴实现定向控制） 恒线速切削功能：恒线速切削功能：CNC车床和车床和CNC磨床在进行磨床在进行 端面加工时，为了保证端面加工的粗糙度要求，端面加工时，为了保证端面加工的粗糙度要求， 要求接触点处的线速度为恒值；要求接触点处的线速度为恒值； C轴控制功能：车削中心。轴控制功能：车削中心。 2021/5/128 性能要求高性能要求高 电机过载能力强。要求有较长时间电机过载能力强。要求有较长时间 (130m

6、in)和较大倍数的过载能力和较大倍数的过载能力 在断续负载下，电机转速波动要小。在断续负载下，电机转速波动要小。 速度响应要快，升降速时间要短。速度响应要快，升降速时间要短。 电机温升低，振动和噪音小，精度要高。电机温升低，振动和噪音小，精度要高。 可靠性高，寿命长，维护容易。可靠性高，寿命长，维护容易。 要具有抗振性和热稳定性。要具有抗振性和热稳定性。 体积小，重量轻，与机床联接容易。体积小，重量轻，与机床联接容易。 2021/5/129 3.主传动的变速方式主传动的变速方式 数控机床主传动主要有无级变速、分段无级变速数控机床主传动主要有无级变速、分段无级变速 两种变速传动方式。两种变速传动

7、方式。 为满足宽变速范围，通常采用在无级变速电动机为满足宽变速范围，通常采用在无级变速电动机 之后串联机械有级变速，以满足数控机床要求的调速之后串联机械有级变速，以满足数控机床要求的调速 范围和转矩特性，即范围和转矩特性，即分段无级变速传动方式。分段无级变速传动方式。 （CK6163等）等） 2021/5/1210 （1）主轴的传动类型）主轴的传动类型 主要有齿轮传动、皮带传动、两个电机分别驱动主主要有齿轮传动、皮带传动、两个电机分别驱动主 轴、调速电动机直接驱动主轴（内装电动机即电主轴）轴、调速电动机直接驱动主轴（内装电动机即电主轴） 等几种方式。等几种方式。 2021/5/1211 9、

8、人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定。2021-5-302021-5-30Sunday, May 30, 2021 10、低头要有勇气，抬头要有低气。2021-5-302021-5-302021-5-305/30/2021 11:12:22 PM 11、人总是珍惜为得到。2021-5-302021-5-302021-5-30May-2130-May-21 12、人乱于心，不宽余请。2021-5-302021-5-302021-5-30Sunday, May 30, 2021 13、生气是拿别人做错的事来惩罚自己。2021-5-302021-5-302021-5-302021-5-305/30/2

9、021 14、抱最大的希望，作最大的努力。2021年5月30日星期日2021-5-302021-5-302021-5-30 15、一个人炫耀什么，说明他内心缺少什么。2021年5月2021-5-302021-5-302021-5-305/30/2021 16、业余生活要有意义，不要越轨。2021-5-302021-5-30May 30, 2021 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。2021-5-302021-5-302021-5-302021-5-30 2021/5/1212 2021/5/1213 主轴电动机 2021/5/1214 2021/5/1215 主轴电动机 2021/5

10、/1216 转速较高、变速范围不大的小型数控机床常用，转速较高、变速范围不大的小型数控机床常用， 它通过一级带传动实现变速，不用齿轮变速，受它通过一级带传动实现变速，不用齿轮变速，受 电动机调速范围的限制，适用于高速低扭矩特性电动机调速范围的限制，适用于高速低扭矩特性 要求的主轴（鑫盛要求的主轴（鑫盛AD-15,AD-25） 2021/5/1217 鑫盛AD-15主轴转速为主轴转速为45-4500 r/min(四段无级四段无级)，主电机的动力，主电机的动力 由电机皮带轮通过窄由电机皮带轮通过窄V带直接传递带直接传递 至主轴上的皮带轮，主电机采用至主轴上的皮带轮，主电机采用 伺服电机，通过无级变

11、速实现主伺服电机，通过无级变速实现主 轴在轴在454500rpm范围内转动。范围内转动。 2021/5/1218 2021/5/1219 两个电动机分别驱动主轴两个电动机分别驱动主轴(图图2-1c) 调速电动机直接驱动主轴调速电动机直接驱动主轴(图图2-1d、e) 一种为：一种为：主轴电动机输出轴通过精密联轴器与主轴连接，优主轴电动机输出轴通过精密联轴器与主轴连接，优 点为结构紧凑，传动效率高，但主轴转速的变化及输出完点为结构紧凑，传动效率高，但主轴转速的变化及输出完 全与电动机的输出特性一致，因而受一定限制。全与电动机的输出特性一致，因而受一定限制。 另一种为另一种为内装电动机主轴，即主轴与

12、电动机转子合为一体。内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体。 优点结构紧凑，惯性小，可提高启动、停止的相应特性，优点结构紧凑，惯性小，可提高启动、停止的相应特性， 缺点电动机发热使主轴产生变形。因此，要注意温度控制。缺点电动机发热使主轴产生变形。因此，要注意温度控制。 2021/5/1220 2021/5/1221 车床用电主轴车床用电主轴铣床用电主轴铣床用电主轴 2021/5/1222 2021/5/1223 （2）主传动的齿轮变速装置）主传动的齿轮变速装置 两种装置：液压拨叉变速和电磁离合器变速装置两种装置：液压拨叉变速和电磁离合器变速装置 在齿轮传动的主传动系统中，齿轮的换档主要靠液

13、压拨叉来完成。在齿轮传动的主传动系统中，齿轮的换档主要靠液压拨叉来完成。 注意注意： a：液压拨叉换档在主轴停转之后才能进行。产生的顶齿现象：液压拨叉换档在主轴停转之后才能进行。产生的顶齿现象 由增设一台微电动机，在齿轮低速回转时啮合。由增设一台微电动机，在齿轮低速回转时啮合。 b：电磁离合器变速装置是利用电磁效应，通过接通或断开电：电磁离合器变速装置是利用电磁效应，通过接通或断开电 磁离合器的运动部件实现变速。电磁离合器用于数控机床的主传磁离合器的运动部件实现变速。电磁离合器用于数控机床的主传 动时，能简化变速机构，实现主轴变速。啮合式电磁离合器能够动时，能简化变速机构，实现主轴变速。啮合式

14、电磁离合器能够 传递更大的扭矩。传递更大的扭矩。 2021/5/1224 2021/5/1225 2021/5/1226 2021/5/1227 要求：要求： q主轴的精度要高。包括运动精度(回转精 度、轴向串动)、和安装刀具或夹持工件 的夹具的定位精度(轴向、径向)。 q部件的结构刚度和抗振性好。 q较低的运转温升以及较好的热稳定性。 q部件的耐磨性和精度保持性好。 q自动可靠的装夹刀具或工件 2021/5/1228 对数控机床除上述要求外，还应有：(在机械 结构方面) 刀具的自动夹紧装置 主轴的准停装置 主轴孔的清理装置等 2021/5/1229 1、主轴端部的结构、主轴端部的结构 端部用

15、于安装刀具或夹持工件的夹具， 因此，要保证刀具或夹具定位（轴向、定 心）准确，装夹可靠、牢固，而且装卸方 便。 目前，主轴的端部形状已标准化。 2021/5/1230 2021/5/1231 2021/5/1232 主轴轴承是主轴部件的重要组成部分。它的的类型、结构、主轴轴承是主轴部件的重要组成部分。它的的类型、结构、 配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接影响主轴配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接影响主轴 的工作性能。在数控机床上常用的主轴轴承有滚动轴承的工作性能。在数控机床上常用的主轴轴承有滚动轴承 和静压滑动轴承。和静压滑动轴承。 滚动轴承主要有角接触球轴承（承受径向、轴向载荷）

16、，滚动轴承主要有角接触球轴承（承受径向、轴向载荷）， 双列短圆柱滚子轴承（只承受径向载荷）、双列短圆柱滚子轴承（只承受径向载荷）、60角接触角接触 双向推力球轴承（只承受轴向载荷，常与双列圆柱滚子双向推力球轴承（只承受轴向载荷，常与双列圆柱滚子 轴承配套使用）、双列圆柱滚子轴承（能同时承受较大轴承配套使用）、双列圆柱滚子轴承（能同时承受较大 的径向、轴向载荷，常作为主轴的前支承）。的径向、轴向载荷，常作为主轴的前支承）。 2021/5/1233 2021/5/1234 2021/5/1235 3、主轴轴承的配置形式主轴轴承的配置形式 目前数控机床主轴轴承配置有三种主要形式。目前数控机床主轴轴承

17、配置有三种主要形式。 （a）为数控机床前支承采用双列短圆柱滚子轴承和）为数控机床前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60度角度角 接触双列向心推力球轴承，后支承采用成对向心推力球接触双列向心推力球轴承，后支承采用成对向心推力球 轴承。此种结构普遍应用于各种数控机床，其综合刚度轴承。此种结构普遍应用于各种数控机床，其综合刚度 高，可以满足强力切削要求。高，可以满足强力切削要求。 （b）为前支承采用多个高精度向心推力球轴承，这种配置）为前支承采用多个高精度向心推力球轴承，这种配置 具有良好的高速性能，但它的承载能力较小，适用于高具有良好的高速性能，但它的承载能力较小，适用于高 速轻载和精密数控机床。速轻

18、载和精密数控机床。 （C）为前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥）为前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥 滚子轴承，其经向和轴向刚度很高，能承受重载荷。但滚子轴承，其经向和轴向刚度很高，能承受重载荷。但 这种结构限制了主轴最高转速，因此适用于中等精度低这种结构限制了主轴最高转速，因此适用于中等精度低 速重载数控机床。速重载数控机床。 2021/5/1236 2021/5/1237 例如：例如：AD-15B采用整体式主轴箱，采采用整体式主轴箱，采 用热对称及散热片的设计，降低了热变形，用热对称及散热片的设计，降低了热变形， 提高了加工精度；主轴前端采用日本提高了加工精度；主轴前端采用日本NSK 高精密圆柱滚子轴承和一对高精度角接触高精密圆柱滚子轴承和一对高精度角接触 球轴承进行组合，后端采用高精密圆柱滚球轴承进行组合，后端采用高精密圆柱滚 子轴承，同时满足了高刚性和高转速的要子轴承，同时满足了高刚性和高转速的要 求。求。 2021/5/1238 2021/5/1239 主轴准停也叫主轴定向。在加工中心等数控机主轴准停也叫主轴定向。在加工中心等数控机 床上，由于有机械手自动换刀，要求刀柄上的床上，由于有机械手自动换刀，要求刀柄上的 键槽对准主轴的端面键上，因此主轴每次必须键槽对准主轴的端面键上，因此主轴每次必须 停