第七章 第二节

1、 数控机床的主传动系统包括主轴电动数控机床的主传动系统包括主轴电动 机，传动系统和主轴组件。与普通机床的机，传动系统和主轴组件。与普通机床的 主传动系统相比在结构上比较简单，这是主传动系统相比在结构上比较简单，这是 因为变速功能全部或大部分由主轴电动机因为变速功能全部或大部分由主轴电动机 的无级调速来承担。省去了繁杂的齿轮变的无级调速来承担。省去了繁杂的齿轮变 速机构，有些只有二级或三级齿轮变速系速机构，有些只有二级或三级齿轮变速系 统用以扩大电动机无级变速的范围。统用以扩大电动机无级变速的范围。 第二节第二节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 (1)调速范围调速范围 各种不同的机床对

2、调速范围的要求不同。多用各种不同的机床对调速范围的要求不同。多用 途、通用性大的机床要求主轴的调违范围大，不但有低速途、通用性大的机床要求主轴的调违范围大，不但有低速 大转矩功能，而且还要有较高的速度。例如车削加工中心，大转矩功能，而且还要有较高的速度。例如车削加工中心， 加工中心等。而对于专用数控机床而言就不需要较大的调加工中心等。而对于专用数控机床而言就不需要较大的调 速范围，例如数控齿轮加工机床、为汽车工业大批量生产速范围，例如数控齿轮加工机床、为汽车工业大批量生产 而设计的数控钻铿床。还有些数控机床，不但要求能够加而设计的数控钻铿床。还有些数控机床，不但要求能够加 工黑色金属材料还要加

3、工铝合金等有色金属材料，这就工黑色金属材料还要加工铝合金等有色金属材料，这就 要求变速范围大，且能超高速切削。要求变速范围大，且能超高速切削。 (2)热变形热变形 电动机、主轴及传动件都是热源。低温升、减小电动机、主轴及传动件都是热源。低温升、减小 热变形是对主传动系统要求的重要指标。热变形是对主传动系统要求的重要指标。 n 一、对主传动系统的要求一、对主传动系统的要求 (3)主轴的旋转精度和运动精度主轴的旋转精度和运动精度 1)主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动条主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动条 件下测量主轴前端和件下测量主轴前端和300mm处的径向和轴向跳动值。处的

4、径向和轴向跳动值。 2)主轴在工作速度旋转时测量上述两项精度称为运动精主轴在工作速度旋转时测量上述两项精度称为运动精 度。度。 3)数控机床要求有高的旋转精度和运动精度。数控机床要求有高的旋转精度和运动精度。 (4)主轴的静刚度和抗振性主轴的静刚度和抗振性 由于数控机床加工精度较高，由于数控机床加工精度较高， 主轴的转速又很高。因此对主轴的静刚度和抗振性要主轴的转速又很高。因此对主轴的静刚度和抗振性要 求较高。主轴的轴颈尺寸、轴承类型及配置方式，轴求较高。主轴的轴颈尺寸、轴承类型及配置方式，轴 承预紧量大小，主轴组件的质量分布是否均匀及主轴承预紧量大小，主轴组件的质量分布是否均匀及主轴 组件的

5、阻尼等对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生组件的阻尼等对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生 影响。影响。 (5)主轴组件的耐磨性主轴组件的耐磨性 主轴组件必须有足够的耐磨性，主轴组件必须有足够的耐磨性， 使之能够长期保持精度。凡有机械摩擦的部位如轴使之能够长期保持精度。凡有机械摩擦的部位如轴 承、锥孔等都应有足够高的硬度，轴承处还应有良好承、锥孔等都应有足够高的硬度，轴承处还应有良好 的润滑。的润滑。 二、数控机床主轴的调速方法二、数控机床主轴的调速方法 数控机床的主传动要求具有较宽的调速范数控机床的主传动要求具有较宽的调速范 围，以保证在加工时能选用合理的切削用量，围，以保证在加工时能选用合理的

6、切削用量， 以获得最佳的表面加工质量、精度和生产率。以获得最佳的表面加工质量、精度和生产率。 数控机床的调速是按照控制指令自动进行的，数控机床的调速是按照控制指令自动进行的， 因此变速机构必须适应自动操作要求，在主传因此变速机构必须适应自动操作要求，在主传 动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流 主铀电动机无级凋速系统，为扩大调速范围、主铀电动机无级凋速系统，为扩大调速范围、 适应低速大扭短的要求，也经常应用齿轮有级适应低速大扭短的要求，也经常应用齿轮有级 调速和电动机无级调速相结合的调速方式。调速和电动机无级调速相结合的调速方式。 数控机床主传动系统

7、主要有四种配置方式，如数控机床主传动系统主要有四种配置方式，如 图下所示。图下所示。 (1)带有变速齿轮的主传动带有变速齿轮的主传动(图图a) 这是大中型数控机床较常采用的配这是大中型数控机床较常采用的配 置方式，通过少数几对齿轮传动，扩大变速范围，由于电机在额置方式，通过少数几对齿轮传动，扩大变速范围，由于电机在额 定转速以上的桓功率调速范围为定转速以上的桓功率调速范围为25，当需扩大这个调违范围时，当需扩大这个调违范围时 常用变速齿数的办法来扩大调速范围，滑动齿轮的移位大都采用常用变速齿数的办法来扩大调速范围，滑动齿轮的移位大都采用 液压拔叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。液压拔叉或直接由液

8、压缸带动齿轮来实现。 (2)通过带传动的主传动通过带传动的主传动(图图b) 这种传动主要用在转速较高、变速范这种传动主要用在转速较高、变速范 围不大的机床。电动机本身的调速就能够满足要求，不用齿轮变速，围不大的机床。电动机本身的调速就能够满足要求，不用齿轮变速， 可以避免由齿轮传动时所引起的振动和噪声。它适用于高速、低转可以避免由齿轮传动时所引起的振动和噪声。它适用于高速、低转 矩特性要求的主轴。常用的带有三角带和同步齿形带。矩特性要求的主轴。常用的带有三角带和同步齿形带。 (3)用两个电动机分别驱动主轴用两个电动机分别驱动主轴 是上述两种方式的混合传动，具有上是上述两种方式的混合传动，具有上

9、 述两种性能述两种性能(图图c)，高速时由一个电动机通过带传动，低速时，由另，高速时由一个电动机通过带传动，低速时，由另 一个电动机通过齿轮传动，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，这一个电动机通过齿轮传动，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，这 样就使恒功率区增大，扩大了变速范围，避免了低速时转矩不够且电样就使恒功率区增大，扩大了变速范围，避免了低速时转矩不够且电 动机功率不能充分利用的问题。但两个电动机不能同时工作，也是一动机功率不能充分利用的问题。但两个电动机不能同时工作，也是一 种浪费。种浪费。 (4)内装电动机主轴传动结构内装电动机主轴传动结构(图图d) 省去了电动机和主轴问的传动件、省

10、去了电动机和主轴问的传动件、 主轴和电动机转子装到一起，主轴只承受权短而没有弯矩，用于变速主轴和电动机转子装到一起，主轴只承受权短而没有弯矩，用于变速 范围不大的高速主轴，但电动机发热范围不大的高速主轴，但电动机发热对主轴的影响较大。需专门有一套对主轴的影响较大。需专门有一套 主轴冷却装置冷却主轴冷却装置冷却。 三、主轴部件及主轴箱三、主轴部件及主轴箱 (一一)主轴轴承的配置主轴轴承的配置 数控机床的主轴轴承配置形式主要有两种：高刚度型数控机床的主轴轴承配置形式主要有两种：高刚度型 和高速型如图所示和高速型如图所示 1高刚度型高刚度型 前支承采用双列短圆柱滚子轴承和前支承采用双列短圆柱滚子轴承

11、和60角接触双向推角接触双向推 力球轴承组合，后支承采用短圆柱滚子轴承力球轴承组合，后支承采用短圆柱滚子轴承(图图a)；此；此 配置形式大幅度提高了主铀的综合刚度，可实现强力配置形式大幅度提高了主铀的综合刚度，可实现强力 切削，但因切削，但因60角的转速限制，因此多应用于中低速角的转速限制，因此多应用于中低速 的数控机床主轴上。的数控机床主轴上。 2高速型高速型 前后轴承采用高精度调心波子轴承前后轴承采用高精度调心波子轴承(图图714b)，该轴承具有良好，该轴承具有良好 的高速性能，主轴的高速性能，主轴Dmn值可达值可达1x106mmin，但是它的承载能力小，但是它的承载能力小， 因而适用于高

12、速、轻载和精密的数控机床主轴中。因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴中。 上述两种轴承要有合适的预紧量。预紧量的大小影响主铀的静上述两种轴承要有合适的预紧量。预紧量的大小影响主铀的静 刚度，但过大的预紧量会增加功耗和发热，过小预紧量会降低主轴刚度，但过大的预紧量会增加功耗和发热，过小预紧量会降低主轴 刚度。刚度。 (二二)主轴的润滑与冷却主轴的润滑与冷却 主轴轴承润滑和冷却是保证主轴正常工作的必要手段。为了尽可主轴轴承润滑和冷却是保证主轴正常工作的必要手段。为了尽可 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

13、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。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。 有些主轴轴承用高级油脂润滑，每加一次油脂可以使用有些主轴轴承用高级油脂润滑，每加一次油脂可以使用710年。对年。对 于某些主轴要采用油气润滑、喷注润滑和突入该道润滑等措施，以保于某些主轴要采用油气润滑、喷注润滑和突入该道润滑等措施，以保 证在高速时的正常冷却润滑效果，详见高速主轴的设计部分中冷却润证在高速时的正常冷却润滑效果，详见高速主轴的设计部分中冷

14、却润 滑技术的研究。滑技术的研究。 (三三)ZHS-K63的主轴箱的主轴箱 ZHS-K63的主轴箱及主轴部件结构如图所示。主轴箱中有三个换挡齿的主轴箱及主轴部件结构如图所示。主轴箱中有三个换挡齿 轮，通过变速液压缸的移位进行有级变速；轮，通过变速液压缸的移位进行有级变速； ZHS-K63带有刀库的自动换带有刀库的自动换 刀卧式加工中心，刀具可以在主轴上自动装卸并进行自动夹紧，其自动换刀卧式加工中心，刀具可以在主轴上自动装卸并进行自动夹紧，其自动换 刀原理如下：刀具的刀柄采用国际上通用的刀原理如下：刀具的刀柄采用国际上通用的7：24大锥度锥柄，在锥柄的大锥度锥柄，在锥柄的 尾部装有拉钉尾部装有拉

15、钉1，通过弹性卡爪，通过弹性卡爪3将刀具拉紧，并通过锥面的定心和摩擦作将刀具拉紧，并通过锥面的定心和摩擦作 用，将刀具柄夹紧于主轴用，将刀具柄夹紧于主轴2的锥部，在碟形弹簧的锥部，在碟形弹簧7的作用下，拉杆的作用下，拉杆5始终保始终保 持约删持约删N的拉力当需要换刀时，电气控制指令给液压系统发出信号，使液的拉力当需要换刀时，电气控制指令给液压系统发出信号，使液 压缸压缸12的右侧压力油通入，并使推杆的右侧压力油通入，并使推杆11向左移动，推动固定在拉杆向左移动，推动固定在拉杆5上的上的 轴套轴套8；使整个拉杆；使整个拉杆5向左移动，当弹性卡爪向左移动，当弹性卡爪3向前伸出一段距离后，在弹向前伸

16、出一段距离后，在弹 性的作用下，卡爪性的作用下，卡爪3自动松开拉钉自动松开拉钉1，此时拉杆，此时拉杆5继续向左移动，喷气头继续向左移动，喷气头4的的 端部把刀具顶松，机械手便可把刀具取出进行换刀。装刀之前，压缩空气端部把刀具顶松，机械手便可把刀具取出进行换刀。装刀之前，压缩空气 从喷头从喷头4中喷出、吹掉锥孔内脏物，当机械手把新刀具装入之后，压力油中喷出、吹掉锥孔内脏物，当机械手把新刀具装入之后，压力油 通入液压缸通入液压缸12的左腔，使推杆的左腔，使推杆11退回原处，在职形弹篱弹簧力的作用退回原处，在职形弹篱弹簧力的作用 下通过拉杆下通过拉杆5又把刀具紧紧地拉紧。喷嘴又把刀具紧紧地拉紧。喷嘴

17、13是用来当进行切削时，对刀是用来当进行切削时，对刀 具进行大流量冷却。具进行大流量冷却。 n四、高速主轴的设计四、高速主轴的设计 n80年代以来，数控机床、加工中心、主铀的高速化发展很快，高速年代以来，数控机床、加工中心、主铀的高速化发展很快，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。对于钢铁等黑色金属的加工，由于刀具寿命的限制，目前产生的。对于钢铁等黑色金属的加工，由于刀具寿命的限制，

18、目前 的最高主轴转速的的最高主轴转速的Dmn值小于值小于1106m/min已经足够充裕，而铝合已经足够充裕，而铝合 金的切削性能就不同，根据日本大限铁工所做的铝合金切削试验，金的切削性能就不同，根据日本大限铁工所做的铝合金切削试验， 速度的提高，表面粗糙度速度的提高，表面粗糙度Ra值降低，表值降低，表71是表面租糙度和切削速是表面租糙度和切削速 度的关系。度的关系。 主铀高速化首要解决的技术问题有三方面：主铀高速化首要解决的技术问题有三方面： (1)高速电动机的控制技术。高速电动机的控制技术。 (2)高速轴承的开发高速轴承的开发 高速时选用陶瓷轴承已在加工中心机床上采用，其轴承的高速时选用陶瓷

19、轴承已在加工中心机床上采用，其轴承的 滚动体是用陶瓷材料制成，而内、外因仍用轴承钢制造。陶瓷材料为动滚动体是用陶瓷材料制成，而内、外因仍用轴承钢制造。陶瓷材料为动Si3N4， 其优点是重量轻，为轴承钢的其优点是重量轻，为轴承钢的40，热膨胀率低，是轴承钢的，热膨胀率低，是轴承钢的25；弹性模；弹性模 量大，是轴承钢的量大，是轴承钢的15倍。采用陶瓷滚动体，可大大减小离心力和惯性滑移，倍。采用陶瓷滚动体，可大大减小离心力和惯性滑移， 有利于提高主轴转速。目前的问题是陶瓷价格昂贵，且有关寿命、可靠性试有利于提高主轴转速。目前的问题是陶瓷价格昂贵，且有关寿命、可靠性试 验数据尚不充分需进一步试验和完

20、善。验数据尚不充分需进一步试验和完善。 (3)冷却润滑技术的研究冷却润滑技术的研究 过去加工中心机床主轴轴承大都采用油脂润滑方式，过去加工中心机床主轴轴承大都采用油脂润滑方式， 为了适应主铀转速向更高速化发展的需要，新的润滑冷却方式相继开发出来，为了适应主铀转速向更高速化发展的需要，新的润滑冷却方式相继开发出来， 表表7-2所示为减小轴承温升，进而减小轴承内外因的温差，以及为解决高速主所示为减小轴承温升，进而减小轴承内外因的温差，以及为解决高速主 铀轴承滚道处进油困难所开发的各种润滑冷却方式。铀轴承滚道处进油困难所开发的各种润滑冷却方式。 n1)油气润滑方式。油气润滑方式。这种润这种润 滑方式

21、不同于油雾润滑方滑方式不同于油雾润滑方 式，油气润滑是用压缩空式，油气润滑是用压缩空 气把小油摘送进轴承空隙气把小油摘送进轴承空隙 中，油量大小可达最佳值，中，油量大小可达最佳值， 压缩空气有散热作用，润压缩空气有散热作用，润 滑油可回收，不污染周围滑油可回收，不污染周围 空气。图空气。图717是油气润是油气润 滑原理图。滑原理图。 根据轴承供油量的要根据轴承供油量的要 求，定时器的循环时间可求，定时器的循环时间可 从从1min到到99min定时，每定时，每 次定时时间到二位二通气次定时时间到二位二通气 阀开通一次，压缩空气进阀开通一次，压缩空气进 入注油器，把少量油带入入注油器，把少量油带入

22、 混合室，经节流阀的压缩混合室，经节流阀的压缩 空气，经混合室，把油带空气，经混合室，把油带 进塑料管道内，油液沿管进塑料管道内，油液沿管 道壁被风吹进轴承内，此道壁被风吹进轴承内，此 时，油成小油滴状。时，油成小油滴状。 n2)喷注润滑方式。喷注润滑方式。这是最近开始采用的新型润滑这是最近开始采用的新型润滑 方式。其原理如图方式。其原理如图718所示。它用较大流量的恒所示。它用较大流量的恒 温油温油(每个轴承每个轴承34Lmin)喷注到主轴轴承，以喷注到主轴轴承，以 达到冷却润滑的目的。回油则不是自然回流，而达到冷却润滑的目的。回油则不是自然回流，而 是用两台排油泵强制排油。是用两台排油泵强

23、制排油。 n 3)突人滚道式润滑方式。突人滚道式润滑方式。内径内径 为为100mm的轴承以的轴承以20000r/min 的速度旋转时，线速度为的速度旋转时，线速度为100m s以上，轴承周围的空气也伴以上，轴承周围的空气也伴 随流动，流速可达随流动，流速可达50m/s要使润要使润 滑油突破这层旋转气流很不容滑油突破这层旋转气流很不容 易，采用突人滚道式润滑方式易，采用突人滚道式润滑方式 则可以可靠地将油送入轴承滚则可以可靠地将油送入轴承滚 道处。道处。 如图如图719所示为适应该要求所示为适应该要求 而设计的特殊轴承。润滑油的而设计的特殊轴承。润滑油的 进油口在内滚道附近，利用高进油口在内滚道

24、附近，利用高 速轴承的泵效应，把润滑油吸速轴承的泵效应，把润滑油吸 入滚道。若进油口较高，则泵入滚道。若进油口较高，则泵 效应差，当进油口接近外该道效应差，当进油口接近外该道 时则成为排放口了，油液将不时则成为排放口了，油液将不 能进入轴承内部。能进入轴承内部。 n 4)电动机内装式主铀。电动机内装式主铀。电动机转子装在主轴上，电动机转子装在主轴上， 主铀就是电动机轴，多用在小型加工中心机床上。主铀就是电动机轴，多用在小型加工中心机床上。 这也是近来高速加工中心主轴发展的一种趋势。这也是近来高速加工中心主轴发展的一种趋势。 图图720所示为结构示意图以及冷却油流经过路线。所示为结构示意图以及冷

25、却油流经过路线。 n 五、天级变速传动链的设计五、天级变速传动链的设计 目前数控机床上采用的主轴目前数控机床上采用的主轴 电动机主要是四磁极鼠笼式感电动机主要是四磁极鼠笼式感 应电动机，删应电动机，删c交流主铀电动机交流主铀电动机 的额定转速的额定转速nd1500rmin， 最高转速最高转速nmax=60008000r/min； 西门子的交流主铀电动机的额西门子的交流主铀电动机的额 定转速定转速nd= 1500rmin ；最高；最高 转速转速nmax=65009000r/min ，从，从 额定转速额定转速nd到最高转速到最高转速nmax是恒是恒 功率调速，调速范围为。功率调速，调速范围为。 nmax/ nd56从额定转速向低速调速从额定转速向低速调速 是恒转矩调速，恒转矩的凋速是恒转矩调速，恒转矩的凋速 范围为范围为nd / nmin ，由于，由于nmin可以很可以很 小，使小