数控机床主传动系统

数控机床主传动系统第1页/共65页技能目标1.了解数控机床的结构特点及要求；2.理解数控机床主轴变速方式、典型主轴部件结构及原理；预习1.直流或交流电动机的无级调速第2页/共65页2.1数控机床主传动系统的组成及特点

功用：主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速（速度）和一定的变速范围，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。

组成：主要包括电动机、传动系统和主轴部件主传动系统的特点：

①转速高、功率大②变速范围宽③主轴变速迅速可靠④主轴组件的耐磨性高第3页/共65页2.2主传动系统设计要求及配置2.2.1主传动系统的设计要求1.主轴具有一定的转速和足够的转速范围，以满足机床的运动要求；

2.主电动机具有足够的功率，全部机构具有足够的强度和刚度，以满足机床的动力要求；3.主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗振性，热变形和噪声要小，传动效率要高，以满足机床的工作性能要求；4.操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求；5.结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。

第4页/共65页2.2.2数控机床主传动系统配置方式（１）带有变速齿轮的主传动实现分段无级变速，扩大输出扭矩，常用大、中型数控机床。如图2-1(a)所示；（２）通过带传动的主传动电动机本身的调速能够满足要求，可以避免齿轮传动引起的振动与噪声。主要应用在转速较高、变速范围不大的机床。如图2-1(b)所示；第5页/共65页（３）用两个电动机分别驱动主轴上述两种方式的混合传动，具有上述两种性能。如图2-1(c)所示；

（４）内装电动机主轴传动结构这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，如图2-1(d)。第6页/共65页

图2-1数控机床主传动的四种配置方式

(a)变速齿轮(b)带传动(c)两个电机分别驱动(d)内装电动机主轴传动结构

第7页/共65页2.3主轴部件2.3.1主轴的构造主轴的构造和形状主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法等。主轴一般为空心阶梯轴，前端径向尺寸大，中间径向尺寸逐渐减小，尾部径向尺寸最小。也有实心阶梯轴。主轴的前端型式取决于机床类型和安装夹具或刀具的型式。主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，主轴端部的结构形状已标准化。图2-2所示为几种机床上通用的结构形式。

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图2-2主轴端部的结构形式

第9页/共65页2.3.2主轴滚动支承

主轴支承是指主轴轴承，支承座及其相关零件的组合体，其中核心元件是轴承。采用滚动轴承的支承称为主轴滚动支承（1）滚动轴承的主要优点适应转速和载荷变动的范围大；能在零间隙或负间隙（一定的过盈量）条件下稳定运转，具有较高的旋转精度和刚度；轴承润滑容易，维修、供应方便，摩擦系数小。（2）滚动轴承的缺点滚动轴承的滚动体数目有限，刚度是变化的，阻尼也较小，容易引起振动和噪声；径向尺寸比滑动轴承大。

第10页/共65页（3）主轴支承的选用

数控机床主轴支承根据主轴组件的转速、承载能力及回转精度等要求的不同而采用不同种类的轴承。一般中小型数控机床（车床、铣床、加工中心、磨床）的主轴组件多采用滚动轴承；重型数控机床采用液体静压轴承；高精度数控机床（如坐标磨床）采用气体静压轴承；转速达（2-10）×104r/min的主轴可采用磁力轴承或陶瓷滚珠轴承。第11页/共65页（4）主轴常用滚动轴承的类型

①圆锥孔双列圆柱滚子轴承②圆锥滚子轴承③双向推力角接触球轴承

④角接触球轴承(向心推力球轴承）⑤陶瓷滚动轴承滚动体用陶瓷材料制成，而内、外圈仍用轴承钢制造；滚动体和内圈用陶瓷材料制成，外圈用轴承钢制造；全陶瓷轴承，即滚动体、内外圈全都用陶瓷材料制成。

⑥磁浮轴承第12页/共65页图2-4几种典型的主轴滚动轴承(a)、(b)双列圆柱滚子轴承(c)双列圆锥轴承(d)双向推力角接触球轴承(e)双列空心圆锥滚子轴承

(f)特殊双列球轴承

(g)角接触球轴承

(h)单列圆锥滚子轴承

第13页/共65页(5)

主轴滚动轴承的选择

轴承类型及型号选用主要根据主轴组件的刚度、承载能力、转速、抗振性及结构等要求合理进行选定。

①承载能力和刚度径向：圆柱、圆锥滚子轴承→球轴承轴向：推力轴承→圆锥滚子轴承→向心推力球轴承

②

转速径向：向心球轴承→向心推力球轴承→圆锥滚子轴承轴向：向心推力球轴承→圆锥滚子轴承→推力轴承

③

结构要求选轻型或特轻型轴承一个支承中装两个轴承采用滚针轴承第14页/共65页滚动轴承选用原则(1)中高速重载双列向心短圆柱滚子轴承配双向推力角接触球轴承。(2)高速轻载向心推力球轴承，根据载荷大小，每个支承可用一个、二个甚至三个。(3)轴向载荷为主精度不高时，选用推力轴承配单列向心球轴承；精度较高，选用向心推力轴承。第15页/共65页（6）主轴轴承的配置型式

主轴轴承的配置型式应根据刚度、转速、承载能力、抗振性和噪声等要求来选择。常见有如下几种典型的配置型式：速度型、刚度型、刚度速度型。如图2-7所示。

①

速度型

(如图2-7(a)）、（图2-8）

主轴前后轴承都采用角接触球轴承（两联或三联）。

②

刚度型

(如图2-7(b))、（图2-9）前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和60°角接触双列向心推力球轴承承受轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承。

③

刚度速度型

(如图2-7(c))、（图2-10）第16页/共65页

图2-7主轴单元(a)速度型第17页/共65页图2-8高速CNC车床主轴组件

第18页/共65页图2-7主轴单元(b)刚度型第19页/共65页图2-9CNC型车床主轴

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图2-7主轴单元(c)刚度速度型

第21页/共65页图2-10卧式铣床主轴

第22页/共65页④三支承主轴

由于结构上的原因，主轴箱长度较大，主轴支承跨距超过两支承合理跨距很多，则增加中间支承有利于提高刚度和抗振性。通常只有两个支承起主要作用，而另一个支承起辅助作用，即处于所谓“浮动”状态。如图2-11所示为前、中支承为主要支承的三支承主轴组件的典型结构，前、中支承采用一对高精度的双列短圆柱滚子轴承。第23页/共65页

图2-11三支承数控车床主轴组件

第24页/共65页（7）滚动轴承精度等级的选择

主轴轴承中，前、后轴承的精度对主轴旋转精度的影响是不同的。

①

前轴承内环偏心如图2-12(a)所示，前轴承轴心有偏移a，后轴承偏移量为零，由偏移量a引起的主轴端轴心偏移为:a1:a=(L+a):L第25页/共65页②后轴承内环偏心

图2-12(b)表示后轴承有偏移b

，前轴承偏移为零时，引起主轴端部的偏移为:

b1:b=a:L

图2-12主轴轴承对主轴旋转精度的影响

(b)后轴承偏移量的影响

第26页/共65页③讨论

当轴承a=b时，a1>b1

。说明前轴承内环的偏心量对主轴端部精度影响大，所以，前轴承精度应选高些，通常比后轴承高一级。在安装主轴轴承时，如将前、后轴承的偏移方向放在同一侧，如图2-12(c)所示，可以有效地减少主轴端部的偏移。如后轴承的偏移量适当地比前轴承的大，可使主轴端部的偏移量为零。图2-12主轴轴承对主轴旋转精度的影响(c)前、后轴承的综合影响

第27页/共65页④主轴轴承精度

机床主轴轴承的精度通常采用P2、P4、P5、P6（相当于旧标准的B、C、D、E）4级，此外又规定了2种辅助精度级SP（特殊精密级）和UP（超精密级）。主轴轴承精度选择可参考表2-3

表4-3主轴轴承精度

第28页/共65页（8）主轴滚动轴承的预紧轴承预紧是使轴承滚道预先承受一定的载荷，消除间隙，并使得滚动体与滚道之间发生一定的变形，增大接触面积，轴承受力时变形减小，抵抗变形的能力增大。对主轴滚动轴承进行预紧和合理选择预紧量，可以提高主轴部件的回转精度、刚度和抗振性。一般主轴部件应在结构上保证能调整主轴的间隙。轴承预紧可分为径向预紧和轴向预紧两种方式。

第29页/共65页径向预紧方式

径向预紧是利用轴承内圈膨胀，以消除径向间隙的方法。如图2-13所示

轴向预紧方式通过轴承内、外圈之间的相对轴向位移进行预紧。图2-14所示为角接触球轴承的几种预紧控制方式。

(1)修磨轴承圈

(2)内外隔套

(3)无控制装置

(4)弹簧预紧第30页/共65页图2-13双列圆柱滚子轴承的间隙调整

第31页/共65页图2-14角接触球轴承的预紧控制

第32页/共65页2.3.3液体静压轴承

液体静压轴承系统由一套专用供油系统、节流器和轴承三部分组成。液体静压轴承油膜压强与主轴转速无关，承载能力不随转速而变化。优点：承载能力高；旋转精度高,油膜有均化误差的作用，可提高加工精度；抗振性好,运转平稳；既能在极低转速下工作，也能在极高转速下工作；摩擦小，轴承寿命长。缺点:需要一套专用供油设备，轴承制造工艺复杂、成本较高。

第33页/共65页（1）组成供油系统节流器轴承（2）正常工作条件轴颈需始终浮在压力油中，保持液体摩擦；有外载时，油膜应具有足够的刚度，以使主轴轴心线偏移小，轴承精度高。（3）结构定压式静压轴承的工作原理如图2-17所示。油腔：在轴承上开4个，开在轴承内圆柱面上间隔相等对称分布的压力区。封油面：油腔与回油槽之间的凸起面，又称节流边。第34页/共65页

图2-17定压式静压轴承节流作用：压力降：P=Ps-P0，(Ps=

P0+P)

，P0---油腔压力

P=QRhcQ---流量；Rhc---节流器阻力第35页/共65页（4）工作原理

压力油从油泵打出来后，压力为Ps，经4个节流器进入4个独立的油腔中，将轴颈浮起推向中央，然后压力油经过封油面与轴颈之间间隙h0流回油箱。无外载作用：

4个油腔的封油间隙相等；4个油腔的排油量相等；

4个节流器的节流作用完全一致；4个节流器的压力降P相等。轴在4个互相垂直的指向轴心的相等力的作用下浮了起来。第36页/共65页有外加载荷（包括轴自重）：下油腔3：节流器的压力降P3减小∵Ps=P3+P3Ps=恒量P3上油腔1：节流器的压力降P1增大∵Ps=P1+P1Ps=恒量P1使轴受到一个向上的推力F’=A（P3-P1）以平衡外载荷F。第37页/共65页2.4车削中心C轴功能

车削中心的转塔刀架上带有能使刀具旋转的动力刀座，主轴具有按轮廓成型要求连续回转（不等速回转）运动和进行连续精确分度的C轴功能，并能与X轴或Z轴联动。第38页/共65页第39页/共65页第40页/共65页

车削中心的传动系统第41页/共65页2.5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。集成电机主轴的特点是振动小、噪声低、体积紧凑。集成主轴有两种构成方式：一种是通过联轴器把电机与主轴直接连接；另一种则是把电机转子与主轴做成一体，即将无壳电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，形成内装式电机主轴。这种电机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。

第42页/共65页

电主轴外形虽然各不相同，但实质都是一个转子中空的电动机。外壳有强制冷却的水槽（通恒温油或水）或采取强制通气冷却，中空套筒用于直接安装各种机床主轴。从而取消了从主电动机到主轴之间一切中间的机械传动环节，实现了主电动机与机床主轴的一体化，图2-19所示为用于立式加工中心的高速电主轴的组成。由于高速电主轴对轴上零件的动平衡要求很高，因此，轴承的定位元件与主轴不宜采用螺纹连接，电机转子与主轴也不宜采用键连接，而普遍采用可拆的阶梯过盈连接。第43页/共65页图2-19高速电主轴的组成1-后轴承；

2-电机定子；

3-电机转子；

4-前轴承；

5-主轴

第44页/共65页（1）电主轴的主要特点：机械结构简单，转动惯量小，因而快速响应好，能实现极高的速度、加减速度和定角度的快速准停。采用交流变频调速的交流主轴驱动装置，输出功率大，调速范围宽，有比较理想的转矩——功率特性。可以实现主轴部件的单元化。电主轴可独立做成标准功能部件，由专业厂进行系列化生产；根据用户的不同要求进行选用，可很方便的组成各种性能的高速机床，符合现代机床设计模块化的发展方向。第45页/共65页（２）电主轴的安装形式主电机置于主轴前、后轴承之间（如图2-19所示）。主轴轴向尺寸较短，主轴刚度高，适用于中、大型高速加工中心。目前大多数加工中心采用这种形式。主电机置于主轴后轴承之后，即主轴箱和主电机作轴向的同轴布置。有利于减小电主轴的径向尺寸，散热较好。但主轴单元轴向尺寸较大，用于小型高速数控机床，尤其适用于模具型腔的高速精密加工。第46页/共65页2.6提高主轴组件性能的措施

2.6.1提高旋转精度提高主轴组件的旋转精度，首先是要保证主轴和轴承具有一定的精度

（1）采用旋转精度较高的轴承轴承的精度等级要与机床的精度等级相适应（2）适当提高有关零件的精度与轴承配合的有关零件的尺寸误差、形状误差、相对位置误差不能大于轴承有关表面的规定误差

第47页/共65页（3）采用轴承选配

对于同样精度等级的轴承，如能合理的选配安装，就可提高主轴的旋转精度。①单个轴承安装（如图2-20所示）实测轴颈、轴承内环径跳；数值相接近分为一组；跳动量最大处按相反方向装配。

o---主轴端部锥孔中心；

o1---主轴轴颈中心；

o2---轴承内圈滚道中心；1---主轴端部锥孔中心o相对于主轴轴颈中心o1的偏心量；2---轴承内环内孔中心o1相对于内环滚道中心o2的偏心量。第48页/共65页显然，若两个偏心的偏移方向相同（图2-20(a)），则主轴锥孔中心的偏心量为；

=

1+

2若方向相反(图2-20(b))，则偏差为

=|1-

2|

表明后者的主轴组件旋转精度较高。若1=

2时，

=0精度提高一般情况：

=

1+

2第49页/共65页

图2-20径向跳动量的合成

o---主轴端部锥孔中心；

o1---主轴轴颈中心；o2---轴承内圈滚道中心

1---主轴端部锥孔中心o相对于主轴轴颈中心o1的偏心量；

2---轴承内环内孔中心o1相对于内环滚道中心o2的偏心量。第50页/共65页②正确选配前后轴承

前、后轴承选配合理时，可以减小主轴端部径向跳动量。如图2-21所示，设前、后轴承的径向跳动量为1、2，主轴端部的径向跳动量为

，利用相似三角形关系，可得

为使=0，必须=-

由于L、a均为正数，要上式成立，则1、2符号必须相反，且|2|>|1|

即轴承装配时，使前后轴承最大径向跳动点在同一轴向平面内，且在轴线的同一方。第51页/共65页

图2-21轴承径向跳动对主轴端部的影响第52页/共65页2.6.2改善动态特性

通常，主轴组件的固有频率是很高的，远远高于主轴的最高转速，故不必考虑共振问题。但是对于高速主轴，特别是带内装式电机的高速主轴，则要考虑共振问题。改善动态特性的主要措施有以下一些：

(1)使主轴组件的固有频率避开激振力的频率；

(2)主轴轴承的阻尼对主轴组件的抗振性影响很大，特别是前轴承；

(3)采用三支承结构时，其中辅助支承的作用在很大程度上是为提高抗振性；

(4)采用消振装置。第53页/共65页2.6.3控制主轴组件温升

主轴运转时滚动轴承的滚动体在滚道中摩擦、搅油，滑动轴承承载油膜受到剪切内摩擦，均会产生热量，使轴承温度上升。轴承直径越大，转速越高，发热量就越大。故轴承是主轴组件的主要热源。前后轴承温度的升高不一致，使主轴组件产生热变形，从而影响轴承的正常工作，导致机床加工精度降低。

(1)减少支承发热量；

(2)采用散热装置。

第54页/共65页习题2

一.图形解释（1）说明图1、图2、图3、图4所示数控机床的类型；（2）说明图1所示数控机床的用途及床身和导轨的布局形式；（3）说明图3所示数控机床的结构组成；（4）说明图4所示机床的特点。第55页/共65页图1图2第56页/共65页图3图4第57页/共65页立柱主轴部件工作台杆件滑板工作空间第58页/共65页二、填空题1.主轴组件由主轴、

和安装在主轴上的、组成。2.主轴的功用是

，承受

等载荷，完成表面成形运动。3.主轴支承是指