数控技术第5章5.2节

1-主轴 2-同步感应器 3-主轴电动机
4-永久磁铁 5-磁传感器
5.2 数控机床的主运动
2. 刀具自动夹紧装置、切屑清除装置
实现刀具在主轴上的自动装卸，并保证刀具在主轴中正确定位。
自动换刀卧式镗床（镗铣加工中心）的主轴部件
5.2 数控机床的主运动
自动清除主轴孔中的切屑和灰尘
如果在主轴锥孔中掉进了切屑或其他污染物，在拉近 刀杆时，就可能划伤锥孔和锥柄表面，或者使刀杆发生偏 斜，破坏刀具的正确定位，影响加工零件的精度，甚至使 零件报废。 为了保持主轴锥孔的清洁，常用压缩空气吹屑。活塞 和拉杆的中心都有压缩空气通道，当活塞向左移动时，压 缩空气经活塞和拉杆的通道，由空气喷嘴喷出，将锥孔清 理干净。喷气小孔要有合理的喷射角度，并均匀分布，以 提高吹屑效果。
5.2 数控机床的主运动
（3） 解决电主轴的发热问题的措施
5.2 数控机床的主运动
（4）电主轴的支承
滚动轴承支承：高速性能好，支承刚性好、价格适中、便 于维修更换的优点，应用广泛。高速精密电主轴一般采用 小钢球精密角接触球轴承。 气压和液压的动、静压轴承支承，电磁悬浮轴承：其内外圈 小接触，理论上寿命无限长，结构简单并能达到很高的转速。 电磁轴承价格较高，主要应用在超高速加工等高科技设备 上，而动、静压轴承在多种精密、高速设备中应用非常普遍。 复合陶瓷轴承：发展较快的一种支撑形式。其耐磨耐热，能 满足在一些特殊工作条件下的要求，寿命是传统轴承的数倍。
第5章 运动系统与典型机构
5.1 概述 5.2 数控机床的主运动 5.3 数控机床的进给运动 5.4 数控机床的换刀运动
5.2 数控机床的主运动
5.2.1 主运动参数 ——运动参数和动力参数两种。运动参数是指主轴的转速
和调速范围。动力参数是指主运动的功率等。
（1）主轴转速和调速范围——较高切削速度。 n 1000v r/min 主轴转速n（r/min）： d 主轴的最低和最高转速：
5.2 数控机床的主运动
5.2.3数控机床的主要部件
主轴轴承的配置形式： （1）前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60°角
接触双列推力向心球轴承组合，承受径向和轴向 载荷；后支承采用成对的角接触球轴承。这种配 置可使主轴的综合刚度大幅提高，能进行强力切 削，在中等转速的数控机床主轴上应用普遍。 （2）前、后支承均采用成组角接触球轴承，用 以承受径向和轴向载荷。这种配置适用于高速、 轻载和精密的数控机床主轴。 （3）前支承采用双列圆锥滚子轴承，承受径向 和轴向载荷；后支承采用单列圆锥滚子轴承。 这种配置能承受重载荷和较强动载荷，但主轴 转速和精度受到限制，一般用于中等精度、低 速重载的数控机床主轴。
5.2 数控机床的主运动
在整个调速范围内，主轴的功率、扭矩特性曲线分别为 恒扭矩、恒功率两个区域，其交点处的转速成为计算转速， 也是主轴输出最大功率时的最低转速。
5.2 数控机床的主运动
5.2.2 主运动的传动形式
机床主运动的动力源一般为电机、液压马达或其他驱动 装置，通常需通过一系列的传动元件将运动和动力传递到机床 主轴、实现主运动。由动力源、传动元件和主轴构成的具有运 动传递联系的系统成为主传动系统。 从结构上讲，主轴的旋转是靠主轴电机带动。目前，数控 机床主运动已广泛采用交流调速电机或伺服电机，能够较方便地 实现较大的调速范围，而且，由于构成半闭环驱动，容易实现主 轴的控制功能。
应的动平衡螺钉并调节旋入深度，进行动平衡的调节，用环
氧树脂将这些螺钉固化。
5.2 数控机床的主运动
（3）电主轴的散热措施
电主轴的热源：内藏式高速电机的发热和轴承的发热。
电机的发热：采用外循环油水冷却系统进行冷却； 轴承的发热：采用角接触陶瓷轴承，滚珠用Si3N4材料制 成，直径比同规格球轴承小1/3；同时，采用强制循环油冷却 的方式对主轴轴承进行冷却； 设计电主轴组件时，电主轴上零件，最好采用同样密度、 同样比热的材料，以保证整个电主轴组件运转的热平衡性。
5.2 数控机床的主运动
电气式准停装置： 1）利用主轴上光电脉冲产生准停信号。
2）利用磁力传感器检产生准停信号。
磁力传感器准停装置工作原理：
数控装置发出主轴停转指令时， 主轴电动机3立即降速，当永久磁 铁4对准磁传感器5时，磁传感器发 出准停信号，由定向电路使电动机 准确地停止在规定的周向位置上。
5.2 数控机床的主运动
5.2.3 主轴典型控制功能 1. 主轴准停装置 功能：在数控钻床，数控铣床以及镗铣为主的加工中心上，当
特殊加工或自动换刀，主轴能实现准确的停止在一个固定位置上。
机Hale Waihona Puke 式准停装置：机械准停装置比较准确可 靠，但结构较复杂。
1-无触点开关 2-感应块 3-凸轮定位盘 4-定位液压缸 5-定向滚轮 6-定位活塞
5.2 数控机床的主运动
5.2.2 主运动的传动形式
（1）带有简单变速机构的主传动——应用于一般大中型铣床
主轴电机到主轴之间经过一级或二级齿轮变速换置机构进行传动。 目的： 1、通过降速，放大输出扭矩； 2、增大调速范围，特别是主轴恒 功率输出的调速范围，以满足主轴 输出扭矩特性、功率特性及调速范 5 围的要求。
5.2 数控机床的主运动
（3）电机直接驱动的主轴结构（两种类型）
主轴电机输出轴通过精密联轴器与主轴联接。 特点：结构紧凑、传动效率高的，主轴的特 性完全与电机输出特性一致，因而在使用上 受到一定限制。
电主轴取消了传送带、带 轮和齿轮等环节，实现了 “零传动”，彻底解决了 主轴高速运转时传动环节 的震动和噪声问题。
5.2 数控机床的主运动
C轴控制的主要问题及解决措施
主要问题：控制精度不够，加工抖动和定位抖动。 解决措施： 1）尽可能减少传动结构惯量与电机惯量的比值，提高 动态特性。 2）尽量在接近输出端的传动链上增加阻尼，有效减少 震动，提高切削稳定性。 3）尽可能减少或消除传动链中的间隙，提高C轴精度。 4）尽可能提高传动链各环节的精度。
优点：能满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范围调节速度的能力。
缺点：结构复杂，需要润滑及温度控制装置；成本较高；制造和维修难。
5.2 数控机床的主运动
（2）通过皮带传动的主传动
定比传动，多采用带传动装置。主 轴电机到主轴之间用皮带进行传动。 优点：结构简单，安装调试方便，传 动平衡，在一定条件下能满足转速与 转矩的输出要求。 缺点：调速范围比（恒功率调速范围 与恒扭矩调速范围之比）受电机调速 范围比的约束。 应用：低扭矩输出要求的小型数控机 床主轴上。
主运动所需输出的功率：
P
Fv Tn 60000 955000 kw
F—主切削力的切向分量（N）； v —切削速度（m/min） T —切削扭矩（Nm） ； n —主轴转速（r/min）
主运动的转矩特性：
主运动所需的最大功率（或扭矩）与运动速度之间的关系。
5.2 数控机床的主运动
对于主轴，转速不仅取决于切削速度，还取决于工件或 刀具的直径。 转速较低时，多用于加工大直径工件或用于直径刀具加 工，因而扭矩大。转速较高时，则加工较小直径工件或用较 小直径刀具加工，因而扭矩较小。 因此，从某一较低转速开始到最高转速，主轴的输出扭 矩与转速成反比，为恒功率输出。更低的主轴转速常用于一 些特殊工序加工，如光车、攻大直径螺纹、铰大直径孔、精 镗、成形铣削等，需要的输出功率较小，为恒扭矩输出。
电主轴
电主轴
5.2 数控机床的主运动
电主轴的结构
5.2 数控机床的主运动
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5.2 数控机床的主运动
（1）电主轴电机的类型 ① 根据电主轴内装式电机的控制方法
普通交流变频电主轴——结构简单，成本低，但存在低
速输出功率不稳的问题，难以满足低速大扭矩的要求。
交流伺服电主轴——特点：低速输出性能好，可实现闭
nmin
1000vmin r/min dmax
nmax
1000vmax r/min dmin
nmax vmax dmin 主轴调速范围： Rn nmin vmin dmax
5.2 数控机床的主运动
（2）主运动的功率、转矩特性
——主运动为切削加工提供所需的切削扭矩和功率。
以上特性要求，有的是相互矛盾的，如高刚度与高速、高 速低温升、高速与高精度等，因此要具体问题具体分析。
5.2 数控机床的主运动
5.2.3数控机床的主要部件
2、主轴部件的组成和轴承选型 主轴部件包括主轴、轴承、传动件和相应的紧固件。主轴部 件的构造主要是支承部分的构造。 1）主轴端部的结构 用于安装刀具或夹持工件的夹具，结构上，保证定位准确， 安装可靠，连接牢固，装卸方便，并能传递足够的扭矩。主轴端 部的结构都已标准化。如图5-3。
5.2 数控机床的主运动
5.2.3数控机床的主要部件
2）主轴的支承 根据主轴部件的性能（转速、承载能力、回转精度等）要求 不同而采用不同种类的轴承。 中小型数控机床——多采用滚动轴承； 重型数控机床——多采用液体静压轴承； 高精度数控机床——气体静压轴承； 转速达（2-10）×104r/min的主轴——磁力轴承或陶瓷滚珠 轴承
（2） 解决电主轴的振动问题的措施
电主轴的最高转速：一般在10000/min以上，甚至 高达60000~100000r/min。
电主轴的振动类型：电主轴的谐振、电磁振荡和机 械振动。 关键问题：提高电主轴的动平衡。
5.2 数控机床的主运动
主要措施： 电主轴上零件精密加工、装配和调校。
电主轴上机构必须遵守对称性原则，键连接和螺纹连接在 电主轴上是被禁止的。 电主轴上的转子应与主轴装配后，以主轴、后轴径为定位 支撑，对转子进行最后的精车工序。 在电机转子的两个端盖上，对称地加工16~24个直径略有 不同的螺纹孔（M4或M6），根据动平衡测试结果，旋入相
主轴与电机转子为一体，称电主轴（内装式 电机主轴单元）。 特点：结构紧凑，惯量小，响应快。制造和 控制要求高。如主轴的散热、动平衡、支承、 润滑及控制等。造价高。 应用：多用于高速加工。
5.2 数控机床的主运动
5.2.3数控机床主轴的主要部件
1、主轴部件的主要性能要求 主轴部件是主运动的执行部件，用于夹持刀具或工件并带动 其旋转，实现机床的主切削运动。 主轴部件包括主轴、主轴的支承及安装在主轴上的传动零件， 对于自动换刀数控机床，主轴部件中还装有刀具自动夹紧装置、 切削清除装置和主轴准停装置。
5.2 数控机床的主运动
3. C轴控制与同步速度控制装置
对应Z轴的回转轴（即绕主轴回转）为C轴。 C轴控制与同步速度控制的功能： C轴与进给轴（Z轴或X轴）联动进行插补控制，可以实现任 意曲线的加工。如：螺纹，端面曲线，非圆柱或圆锥的异形回 转表面等。 C轴的控制方式：
主轴的回转位置（转角）控制可进给伺服电机实现，也可以 由主轴电机实现，此时主轴的位置（角度)由装于主轴上（不 是主轴电机）上的高分辨率编码器检测，主轴作为进给伺服轴 工作。
主轴直接承受切削力，转速高，转速范围很大，性能要求为： （1)旋转精度 指装配后，在大载荷、低速转动的条件下，主轴安装工件或 刀具部位的定心表面的径向和轴向跳动。取决于各主要零件如主 轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精度。
5.2 数控机床的主运动
5.2.3数控机床的主要部件
（2）刚度要求 刚度反应机床或部件抵抗外载荷的能力。影响因素有：主轴 的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量、预紧和配置形式、前后 支承的跨距和主轴前悬伸、传动件的布置方式等。 （3）温升要求 温升将引起热变形，使主轴伸长、轴承间隙发生变化，降低 加工的精度。也会降低润滑剂的粘度，恶化润滑条件。 （4）可靠性要求 数控机床是高度自动化机床，必须保证工作可靠性。 （5）精度保持性要求 主轴部件必须要有足够的耐磨性，以长期保持精度。
环控制，经常用于加工中心等要求主轴定位或有C轴功能传 动的数控机床。
②根据电主轴内装式电机的输出特性 恒转矩电主轴——转矩是恒定的，输出功率与转速成正比。
适合于磨削及高速钻削，电主轴的转速越高，输出功率越大。
5.2 数控机床的主运动
恒功率电主轴——在低速段的输出是恒转矩，高速段
则是恒功率。主要用于镗、铣、车削等切削范围广、工 况变化大的场合。
5.2 数控机床的主运动
5.2.4 电主轴 电主轴具有如下特点： 结构紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高 具备精确的主轴定位及C轴传动功能。 易实现高速化，其动态精度和动态稳定性更好。
主轴运行平稳，使主轴轴承的寿命得到延长。
主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是关键。
5.2 数控机床的主运动