第3章 数控机床的主传动系统

3.1概述第三章数控机床的主传动系统2023/9/2123.1概述3.2主轴部件3.3主轴准停3.4高速电主轴3.5主传动部件的结构与调整3.6主传动系统常见故障及排除方法第三章数控机床的主传动系统2023/9/2133.1概述3.1.1对主传动系统的要求

(1)大的调速范围。

(2)小的热变形。

(3)主轴有高的旋转精度和运动精度。

(4)主轴有较高的静刚度和抗振性。

(5)主轴组件有足够的耐磨性。2023/9/2143.1.2主轴变速方式

1．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。图3.1主轴功率转矩特性

2．分段无级变速

(1)带有变速齿轮的主传动(图3.2a)。

(2)通过带传动的主传动(图3.2b)。

(3)用两个电动机分别驱动主轴(图3.2c)。

3．液压拨叉变速机构带有齿轮传动的主传动系统中，齿轮的换挡主要靠液压拨叉来完成。图3.3是三位液压拨叉的原理图。2023/9/2154．电磁离合器变速电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操纵元件。如图3.4所示为THK6380型自动换刀数控铣镗床的主传动系统图，该机床采用双速电动机和六个电磁离合器完成18级变速。

图3.5是数控铣镗床主轴箱中使用的无滑环摩擦片式电磁离合器。

图3.6为啮合式电磁离合器，是在摩擦面上做了一定齿形，来提高传递的扭力。

2023/9/2165．内装电动机主轴变速这种主传动是电动机直接带动主轴旋转（图3.2d所示），大大简化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，电动机发热对主轴的精度影响较大。如图3.7所示为日本研制的立式加工中心主轴组件，其内装电动机主轴最高转速可达20000r／min。

2023/9/2173.2主轴部件

3.2.1主轴端部的结构形状主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在设计要求上，应能保证定位准确、安装可靠、联接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。主轴端部的结构形状都已标准化，如图3.8所示为普通机床和数控机床所通用的几种结构形式。

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3.2.2主轴部件的支承

1．主轴部件常用滚动轴承的类型(图3.9)2．滚动轴承的精度主轴部件所用滚动轴承的精度有高级6(E)、精密级5(D)、特精级4(C)和超精级2(B)。前支承的精度一般比后支承的精度高一级，也可以用相同的精度等级。普通精度的机床通常前支承取4(C)、5(D)级，后支承用5(D)、6(E)级。特高精度的机床前后支承均用2(B)级精度。

3．主轴滚动轴承的配置(图3.10)4．主轴滚动轴承的预紧

(1)轴承内圈移动（图3.11）。

(2)修磨座圈或隔套（图3.12，3.13）。2023/9/2193.2.3主轴的材料和热处理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。主轴刚度与材质的弹性模量E有关。

2023/9/21103.2.4主轴的润滑与冷却主轴轴承润滑和冷却是保证主轴正常工作的必要手段。为尽可能减少主轴部件温升引起的热变形对机床工作精度的影响，通常利用润滑油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，在某些数控机床上，采用专用的冷却装置，控制主轴箱温升。

2023/9/21113.2.5数控车床的主轴部件

1．主轴的支承与润滑，图3.14为TND360数控车床主轴部件，主轴内孔是用于通过长的棒料，也可用于通过气动、液压夹紧装置(动力夹盘)。

2．卡盘图3.15液压动力自定心卡盘

3．主轴编码器编码器如图3.16所示；常用弹性联轴器如图3.17所示；

光电脉冲发生器原理如图3.18所示。2023/9/21123.2.6自动换刀数控机床的主轴部件

1．主轴箱主轴箱的结构较普通机床简化，但主轴箱材料要求较高，一般用HT250或HT300，制造与装配精度也较普通机床要高。大型落地铣镗床的主轴箱结构还有携带主轴的部件作前后进给运动的功能，它的进给方向与主轴的轴向进给方向相同。此类机床的主轴箱结构通常有两种方案，即滑枕式和主轴箱移动式。

图3.19

数控落地铣镗床的矩形滑枕

图3.20

棱形滑枕2023/9/21132．主轴箱的结构

TH6350加工中心的主轴箱如图3.21所示。为了增加转速范围和转距，主传动采用齿轮变速传动方式。

3．主轴部件结构

图3.22为THK6380加工中心主轴部件结构图。

(1)刀具自动夹紧装置图3.23

拉紧结构；

(2)清洁装置

(3)卸荷装置图3.24

卸荷装置；

(4)主轴准停装置图3.25是V形槽轮定位盘主轴准停机构原理图

2023/9/21143.3主轴准停

3.3.1概述主轴准停功能又称主轴定位功能(SpindleSpecifiedPositionStop)，即当主轴停止时，控制其停于固定的位置，这是自动换刀所必须的功能。在自动换刀的数控镗铣加工中心上，切削转矩通常是通过刀杆的端面键来传递的。这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的功能，见图3.26。当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时，为防止刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面，必须先让刀，后再退刀，而要让刀，刀具必须具有准确定位功能，如图3.27所示。主轴准停可分为机械准停与电气准停,控制过程如图3.28所示。

3.3.2机械准停

图3.29为典型的端面螺旋凸轮准停装置。2023/9/21153.3.3电气准停控制目前电气准停有如下三种方式：

1．磁传感器主轴准停

图3.30磁传感器主轴准停控制系统基本结构；

图3.31磁发体与磁传感器在主轴上位置示意图；

图3.32磁传感器准停时序图。

2．编码器型主轴准停

图3.33编码器型主轴准停控制结构；

图3.34编码器准停控制时序。

3．数控系统控制准停

图3.35数控系统控制主轴准停结构。2023/9/21163.4高速电主轴自20世纪80年代以来，数控机床、加工中心主轴向高速化发展。高速主轴的发展是以航空工业、家电、汽车等工业追求机械零件的轻量化而普遍采用铝合金零件后，提出的轻铝合金高速加工的课题而产生的。表3.3为铝合金在切削试验中切削速度和表面粗糙度的关系。

3.4.1高速电主轴的结构高速主轴在结构上几乎全部是交流伺服电动机直接驱动的集成化结构，取消齿轮变速机构，并配备有强力的冷却和润滑设计。集成主轴有两种构成方式：一种是通过联轴器把电动机与主轴直接联接，另一种则是把电动机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。图3.36所示为用于立式加工中心的高速电主轴的组成。2023/9/21173.4.2冷却润滑技术主轴转速及润滑方式的变迁见表3.4。

(1)油气润滑方式图3.37油气润滑原理图。

(2)喷注润滑方式图3.38喷注润滑系统。

(3)突入滚道式润滑方式图3.39突入滚道润滑用特种轴承。

(4)电动机内装式主轴图3.40电动机内装式主轴。2023/9/21183.4.3高速精密轴承高速主轴支承用的高速轴承有接触式轴承和非接触式轴承两大类。接触式轴承由于存在金属摩擦，因此摩擦因数大，允许最高转速低。保持接触式轴承长期高速运转的技术措施是预加载荷的自动补偿和良好润滑。实施预加载荷自动补偿的方法之一是采用液压补偿系统。目前用于支承高速主轴的非接触轴承有液体静压轴承（图3.41）、空气静压轴承（图3.42

）和磁悬浮轴承（图3.43）。2023/9/21193.4.4电主轴的动平衡必须进行电主轴装配后的整体精确动平衡，甚至还要设计专门的自动平衡系统来实现电主轴的在线动平衡。必须对包括刀具和刀夹的旋转总成充分地进行动平衡，以消除有害的动态不平衡力，避免高速下颤振和振动。

2023/9/21203.4.5刀具的夹紧

一种是采用主轴锥孔与主轴端部同时接触的双定位刀夹，使端面定位面具有很大的摩擦，以防止主轴膨胀，这是一种有效的措施。为使刀具在刀柄上夹紧，可采用流体压力夹紧的方式。这样既可提高夹紧刚度，又可保证刀柄和刀具高度的同心度。另一种是直接夹紧刀具的方式，即通过采用主轴锥孔内用拉杆操作的弹簧夹头而省去刀夹。

3.4.6轴上零件的联接2023/9/21213.5主传动部件的结构与调整

3.5.1数控车床主轴部件的结构与调整

1．主轴部件结构

图3.44是CK7815型数控车床主轴部件结构图

2．主轴部件的拆卸与调整

(1)主轴部件的拆卸主轴部件在维修时需要进行拆卸。拆卸前应做好工作场地清理、清洁工作和拆卸工具及资料的准备工作，然后进行拆卸操作。

(2)主轴部件装配及调整装配前，各零件、部件应严格清洗，需要预先涂油的部件应涂油。2023/9/21223.5.2数控铣床主轴部件的结构与调整

1．主轴部件结构

图3.45是NT-J320A型数控铣床主轴部件结构图。

2．主轴部件的拆卸与调整

(1)主轴部件的拆卸主轴部件维修拆卸前的准备工作与前述数控车床主轴部件拆卸准备工作相同。拆卸后的零件、部件应进行清洗和防锈处理，并妥善保管存放。

(2)主轴部件的装配及调整装配前的准备工作与前述车床相同。装配顺序可大体按拆卸顺序逆向操作。2023/9/21233.5.3THK6380加工中心主轴部件的拆卸与调整

THK6380加工中心主轴部件的拆卸与调整参考图3.24。

3.5.4主轴部件的维护数控机床主轴部件是影响机床加工精度的主要部件，它的回转精度影响工件的加工精度；它的功率大小和回转速度影响加工效率；它的自动变速、准停和换刀等影响机床的自动化程度。

1．防泄漏

2．刀具夹紧

3.5.5主传动链的维护2023/9/21243.6主传动系统常见故障及排除方法

3.6.1主传动链故障及诊断方法

表3.5主传动链常见故障诊断及排除方法2023/9/21253.6.2主传动系统故障及排除方法实例

例1．主轴定位不准确的故障维修

故障现象：加工中心主轴定位不良，引发换刀过程发生中断。

例2．主轴出现噪声的故障维修

故障现象：主轴噪声较大，主轴无载情况下，负载表指示超过40%。

例3．变档滑移齿轮引起主轴停转的故障维修

故障现象：机床在工作过程中，主轴箱内机械变档滑移齿轮自动脱离啮合，主轴停转。

例4．电主轴高速旋转发热的故障维修

故障现象：主轴高速旋转时发热严重。2023/9/21262023/9/2127图3.1主轴功率转矩特性2023/9/2128图3.2数控机床主传动的四种配置方式（a)齿轮变速；（b)带传动；（c)两个电动机分别驱动；（d)内装电动机主轴传动结构。2023/9/2129图3.3三位液压拨叉工作原理图1、5－液压缸；2－活塞杆；3－拨叉；4－套筒。2023/9/2130图3.4THK6380型自动换刀数控铣镗床的主传动系统2023/9/2131图3.5无集电环摩擦片式电磁离合器图3.6啮合式电磁离合器2023/9/2132图3.7内装电动机主轴2023/9/2133图3.8主轴端部的结构形式2023/9/2134图3.9主轴常用的滚动轴承2023/9/2135图3.10数控机床主轴轴承配置形式2023/9/2136图3.11轴承内圈移动2023/9/2137图3.12修磨座圈3.13隔套的应用2023/9/2138图3.14主轴组件2023/9/2139图3.15液压驱动动力自定心夹盘1－驱动爪；2－卡爪；3－卡盘；4－活塞杆；5－液压缸；6、7－行程开关。2023/9/21403.16编码器2023/9/21413.17常用弹性联轴器2023/9/2142图3。18光电脉冲发生器原理图1-灯炮2-聚光镜3-漏光盘4-光敏管5-光栏板2023/9/2143图3.19数控落地铣镗床的矩形滑枕图3.20棱形滑枕（a)滑枕外形；（b）滑枕截面2023/9/2144图3.21TH6350主轴箱结构图2023/9/2145图3.22TH6380加工中心主轴部件结构图1-刀夹；2-弹簧夹头；3-套筒；4-钢球；5-定位螺钉；6-定位小轴；7-定位套筒；8-锁紧件；9-拉杆；10-拉套；11-主轴；12-齿轮；13-圆螺母；14-主轴箱；15-连接座；16-连接弹簧；17-螺钉；18、20-碟形弹簧；19-液压缸支座；21-套筒；22-垫