数控机床主传动及主轴部件

徐晓峰机电工程系数控技术及应用

第一部分数控机床

数控技术及应用项目一走近数控机床项目二数控机床的典型结构项目三数控机床的主传动及主轴部件项目四数控机床的进给传动系统项目五数控机床的选用、安装、调试和验收第二部分数控原理

数控技术及应用项目六

计算机数控（CNC）装置项目七伺服驱动装置项目八数控机床的检测装置项目九数控系统中可编程控制器（PLC）

项目三数控机床的主传动及主轴部件第一部分数控机床数控机床对主传动的要求主轴的传动形式和变速方式数控机床的主轴部件高速主轴

任务一对主传动的基本要求项目三数控机床的主传动及主轴部件主轴转速高、调速范围宽并实现无级调速主轴部件具有较大的刚度和较高的精度良好的抗振性和热稳定性数控机床主轴具有特有的刀具安装结构

任务二数控机床主轴的变速与传动项目三数控机床的主传动及主轴部件

主传动的变速方式

1.无级变速1）交、直流主轴驱动系统（早期-直流，现在-交流）2）变频器带变频电动机（经济型、普及型数控机床）3）电主轴（转子和主轴一体，数万～十几万转/分钟）

2.分段无级变速数控机床主传动变速系统常常在无级变速电机之后串联机械有级变速传动，以满足机床要求的调速范围和转矩特性。

项目三数控机床的主传动及主轴部件

主轴的传动形式

1.带有变速齿轮的主传动通过两对齿轮变速，使主轴获得高、低两档变速范围使之成为分段无级变速，大、中型数控机床采用较多。主轴电动机主轴电动机

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2.通过皮带传动的主传动1-强力层；2-带齿；3-包布层；4-带背主轴电机通过皮带直接带动主轴，小型数控机床采用。常用的皮带是同步齿形带，综合了带、链传动的优点，可实现主、从动带轮无相对滑动的同步传动。主轴电动机主轴电动机

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3.两个电动机分别驱动主轴这是上述两种方式的混合传动，具有上述两种性能。高速时，电动机通过皮带轮直接驱动主轴旋转；低速时，另一个电动机通过两级齿轮传动驱动主轴旋转。

4.高速主轴的主传动

1）直驱式高速主轴：电机轴与主轴用联轴器联接，大大简化了主轴箱和主轴结构，有效提高了主轴部件刚度。

2）高速电主轴：由内装交流高频伺服电动机直接驱动，转速高、功率大、结构简单、高转速下可保持良好的动平衡。

项目三数控机床的主传动及主轴部件电主轴主轴电动机直接驱动（一体化主轴，电主轴）

任务三主轴部件项目三数控机床的主传动及主轴部件

主轴部件的运动方式1）只做旋转运动（车床、铣床和磨床）2）既有旋转运动又有轴向进给运动（钻床和镗床）3）既有旋转运动又有轴向调整移动（滚齿机、部分立式铣床）4）既有旋转运动又有径向进给运动（卧式镗床）5）既有旋转运动又做行星运动（新式内圆磨床）行星运动的主轴1-主轴；2-支撑套；3-箱体；4-套筒；5-传动带；6-蜗杆

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主轴1.主轴的主要尺寸参数1）主轴直径直径越大，刚性越高，保证旋转精度就困难，极限转速也下降。2）主轴内孔直径直径越大，可通过棒料的直径就越大，主轴部件越轻，空心主轴的刚度下降。3）悬伸长度对主轴的刚度影响很大，越短刚度越好。4）支承跨度跨距对主轴综合刚度的影响不是单向的，有一个最佳值，太大或太小都会降低主轴的综合刚度。

项目三数控机床的主传动及主轴部件2.主轴端部的结构形式主轴端部用来安装刀具或夹持工件的夹具，其结构与其需实现的功能有关。在设计上，应保证定位准确、安装可靠、联接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。主轴端部的结构已标准化。数控车床数控铣、镗床数控外圆磨床

项目三数控机床的主传动及主轴部件3.主轴的材料主轴材料可根据强度、刚度、耐磨性、载荷特点和热处理变形大小等因素来选择。对于一般要求的机床主轴可用45钢；当载荷较大或存在较大的冲击、或为减少热处理后的变形，可选用合金钢。

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主轴轴承数控机床的主轴多采用滚动轴承，精度有E级（高级）、D级（精密级）、C级（特精级）和B级（超精级）四个等级。前支承的轴承精度一般比后支承的轴承精度高一个等级。一般数控机床前支承采用C、D级轴承，后支承则常采用D、E级轴承。特高精度的数控机床前后支承均用B级精度轴承。锥孔双列圆柱滚子轴承双列推力角接触球轴承双列圆锥滚子轴承带凸肩的双列圆柱滚子轴承

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主轴滚动轴承的配置1.图示的结构配置形式是现代数控机床主轴结构中刚性最好的一种。它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，所以目前各类数控机床的主轴普遍采用这种配置形式。向心推力球轴承双列推力角接触球轴承圆柱滚子轴承

项目三数控机床的主传动及主轴部件2.前支承采用3个超精密级角接触球轴承组合方式，具有较好的高速性能。后支承结构有采用2个角接触球轴承支承的，也有用一个圆柱滚子轴承支承的，吸收热膨胀量的能力，适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。角接触球轴承

项目三数控机床的主传动及主轴部件3.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。但是这种轴承配置方式限制了主轴的最高转速和精度，所以仅适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。双列圆锥滚子轴承单列圆锥滚子轴承

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主轴准停装置

功能：主轴准停功能又称主轴定位功能，即当主轴停止时，主轴能准确地停止在一个固定的位置上。

用途：主要用于加工中心ATC（刀具自动交换），由于刀具安装在主轴上，因此在主轴前端设置一个突键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与突键对准，才能顺利换刀。

形式：机械控制和电气控制。

项目三数控机床的主传动及主轴部件1.机械准停控制

系统组成：典型的V形槽轮定位盘准停结构。

准停控制过程：主轴减速至某一可以设定的低速转动，当无触点开关有效信号被检测到后，立即使主轴电动机停转并断开主传动链，同时准停油缸定位销伸出并压向定位盘。当定位盘V形槽与定位销正对时，定位销插进V形槽中，准停到信号有效，表明准停动作完成。

项目三数控机床的主传动及主轴部件2.电气准停控制

优点：（1）机械结构简化；（2）准停时间缩短；（3）可靠性增加；（4）性价比进步。

工作时，主轴接收到数控系统发来的准停启动信号ORT，立即变速至某一爬行速度。若磁传感器信号出现，主轴驱动立即进入磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制，目标位置即为准停位置。准停完成后，主轴驱动装置向数控系统发出准停完成号ORE。（1）磁传感器型准停准停控制由主轴驱动装置完成

项目三数控机床的主传动及主轴部件工作时，数控系统只需发出准停启动信号ORT即可，主轴驱动完成准停后输出准停信号ORE。这种准停方式可采用主轴电动机内部安装的编码器信号（来自于主轴驱动装置），也可在主轴上直接安装其他编码器。（2）编码器型准停准停控制由主轴驱动装置完成，灵活性比磁传感器型准停好。

项目三数控机床的主传动及主轴部件数控系统执行M19或M19S_时，首先将M19送至可编程控制器，可编程控制器经译码送出控制信号，使主轴驱动进入伺服状态，同时数控系统控制主轴电动机降速，寻找零位脉冲。如执行M19指令，则主轴定位于相对零位脉冲的某一缺省位置（可由数控系统设定）；如执行M19S_，则主轴定位于指令位置，也就是相对零位脉冲S_度的角度位置处。（3）数控系统型准停（M19）准停控制由数控系统完成

任务四高速主轴系统和电主轴项目三数控机床的主传动及主轴部件

高速主轴系统简介切削速度高：铝件-(2500-4500)m/min,钢件-(400-1600)m/min，铸铁-(800-42000)m/min；切削效率高，加工表面质量好、切削温度低、刀具寿命长；高速主轴有较高的角加速度和减速度；高速主轴动平衡性很高，刚性好，热稳定性好；主轴转数大于40000r/min,主轴功率大于15KW；采用主轴电机一体化的电主轴。

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电主轴的结构与布局电动机转子和主轴一体，取消了从主电动机到主轴之间的一切机械传动环节（如齿轮、传动带、离合器等），实现了主电动机与机床主轴的一体化，使机床的主传动系统实现了所谓的“零转动”。

项目三数控机床的主传动及主轴部件1.电主轴的主要特点

1）机械结构最为简单，转动惯量小，极高的速度、加（减）速度和定角度的快速准停；2）采用交流主轴驱动装置，输出功率大，调速范围宽，有比较理想的转矩；3）主轴部件的单元化。

项目三数控机床的主传动及主轴部件2.电主轴的安装方式

将主电动机置于主轴前、后轴承之间，把电动机的转子与主轴做成一体，即将无壳电动机的空心转子用压配合的形式直接装在机

床主轴上，带有冷却套

的定子则安装在主轴单

元的壳体中，形成内装

式电动机主轴。

项目三数控机床的主传动及主轴部件3.电主轴的发热和解决方法1）油气润滑方式

将少量的润滑油不经雾化而直接由压缩空气定时、定量地沿着专用的油气管道壁被均匀带到轴承润滑区。

项目三数控机床的主传动及主轴部件2）喷注润滑方式

用较大流量的恒温油喷注到主轴轴承，用两台排油液压泵强制回油。

项目三数控机床的主传动及主轴部件3）突入滚道式润滑方式

要使润滑油突破旋转气流，采用突入滚道式润滑方式可将油送入轴承滚道处。

项目三数控机床的主传动及主轴部件4.电主轴冷却和散热

电主轴外壳有进行强制冷却的水槽，中空套筒用于直接安装机床主轴。电主轴电动机用循环冷却液冷却和散热，在定子与壳体连接处设计循环冷却水套，套外环有螺旋水槽，通入冷却液进行冷却。

项目三数控机床的主传动及主轴部件5.电主轴的动平衡设计严格遵守结构对称性原则，避免使用键和螺纹连接；电主轴转子外径装配前留有一定加工余量，以主轴前、后轴径为定位支承，把主轴装夹在车床上对转子精车；在转子的两个端盖上对称地加工16-24个直径不同的螺纹孔，当电主轴组装完毕后，根据动平衡机的测试结果，在一定方位上，旋入相应的动平衡螺钉并调节深度，完全达到动平衡精度后，将螺钉固化。

项目三数控机床的主传动及主轴部件汽车轮胎的动平衡动平衡块动平衡测试仪

项目三数控机床的主传动及主轴部件

电主轴的轴承接触式轴承：摩擦因数大，最高转速低（角接触球轴承）；

非接触式轴承：摩擦因数小，最高转速高（空气轴承、液体动静压轴承、磁悬浮轴承）。1.液体动静压轴承原理：采用流体动、静力结合的方法，使主轴在油膜支撑中旋转。特点：刚性好、寿命长，主要用在低速重载场合，但其无通用性，维护保养困难。

项目三数控机床的主传动及主轴部件2.磁悬浮轴承原理：利用电磁力将主轴无机械接触地悬浮起来。特点：高速性能好、精度高，易实现实时诊断和在线监控，但价格较高，系统复杂，发热问题难以解决，故无法推广应用。

项目三数控机床的主传动及主轴部件3.混合陶瓷角接触球轴承原理：滚动体是陶瓷材料，内外圈用轴承钢制造。特点：转速极限、承载能力、刚度、精度等各方面均能很好地满足高速主轴要求。标准化程度高，价格低廉。

任务五思考与练习数控机床的主传动变速有哪几种方式？数控机床主轴有几种传动方式？数控机床主轴的材料一般是什么？对于数控机床主轴的支承轴承有什么要求？主轴轴承的配置形式有几种？主轴的准停形式有哪两种？简述电主轴的结构特点？电主轴常采用哪类轴承？

项目三数控机床的主传动及主轴部件常用机械中包含着大量的作旋转运动的零部件，例如各种传动轴、主轴、电动机和汽轮机的转子等，统称为回转体。在理想的情况下回转体旋转时与不旋转时，对轴承产生的压力是一样的，这样的回转体是平衡的回转体。但工程中的各种回转体，由于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素，使得回转体在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消，离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上，引起振动，产生了噪音，加速轴承磨损，缩短了机械寿命，严重时能造成破坏性事故。为此，必须对转子进行平衡，使其达到允许的平衡精度等级，或使因此产生的机械振动幅度降在允许的范围内。转子动平衡和静平衡的区别。外轨道和内轴承是两块磁铁，利用异性相斥的原理