数控机床技术(第五章数控机床的主传动系统)

（7）高频变频装置
要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用高 频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出 频率甚至需要达到几千赫兹。
第五章 数控机床的主传动系统
3．电主轴的最新技术与发展趋势
高速主轴单元技术在一些工业发达国家已经发展到较高 水平，广泛应用于高速机床上。电主轴最早是用在磨床上，后 来才发展到加工中心。早在20年前高速切削就在瑞士流行，电 主轴的功率和品质都不断得到提高。从总体上讲，我国的高速、 超高速加工技术水平还不高，同世界先进水平还有相当的差距。 而高速电主轴单元技术是制约我国超高速加工技术的瓶颈。为 了赶上高速加工技术发展的潮流，我国正在不断加大对超高速 加工关键功能部件——电主轴单元的研究力度。
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（3）两个电动机分别驱动主轴（图c） 这是上述两种方式的混合传动类型，兼有上述两 种方式的性能。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，因而就使恒功率区增大， 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。
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（2）带传动主轴（图b）
这种传动类型主要用在转速较高、变速范围不大的小型数 控机床上。它通过一级带传动实现变速，其优点是结构简单， 安装调试方便。电动机本身的调整就能够满足要求，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。但变速范 围受电动机调速范围的限制，只能适用于高速低转矩特性要求 的主轴带传动变速中，常用的带类型有V带、平带、多楔带和同 步带。
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三、主轴轴承的配置形式 图2-12所示为数控机床主轴轴承常见的三种配置 形式。
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四、主轴准停装置
在数控铣床、加工中心上，由于需要进行自动换刀，要 求主轴每次停在一个固定的准确的角位置上。所以，主轴上必 须设有准停装置。
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2．高速电主轴所融合的技术 （l）高速轴承技术
高速时选用陶瓷轴承的方案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的，而内、外圈仍用轴承 钢制造。陶瓷材料重量轻，热膨胀率低，弹性模量大。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。电主轴通常采用复合陶瓷轴承，有时也采用电磁悬 浮轴承，或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限长。
5.1 对主传动系统的基本要求和变速方式
一、对主传动系统的基本要求 1．主轴转速高，变速范围宽，并可实现无级变速。 2．主轴传动平稳，噪声低，精度高 3．具有良好的抗振性和热稳定性 4．能实现刀具的快速和自动装卸
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二、主传动的变速方式 数控机床主传动方式主要有无级变速、分段无级 变速两种。 主传动采用无级变速传动方式，不仅能在一定的 变速范围内选择合理的切削速度，而且能在运动中自 动变速，此种变速传动方式采用直流主轴伺服电机或 交流主轴伺服电机作驱动。交流主轴电动机及交流变 频驱动装置（鼠笼型感应交流电动机配置矢量变换变 频调速系统）由于没有电刷，不产生火花，所以使用 寿命长，且性能已达到直流驱动系统的水平，甚至在 噪声方面还有所降低，因此目前应用较为广泛。
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第五章 数控机床的主传动系统 5.2数控机床的主轴部件
主轴部件是主运动的执行件，它夹持刀具或工 件，并带动其旋转。数控机床主轴部件的精度、刚 度、抗振性和热变形对加工质量和生产效率等有着 直接的影响。 数控机床的主轴部件包括主轴、主轴支承、装 在主轴上的传动件和密封件等，对于加工中心的主 轴，为实现刀具的快速和自动装卸，主轴部件还包 括刀具的自动装卸、主轴定向停止（准停）和主轴 孔内的切屑清除等装置。
（2）高速电动机技术
电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机ห้องสมุดไป่ตู้转 子即为主轴的旋转部分，所以可以把电主轴看作一台高速电 动机。
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（3）冷却润滑技术 1）油气润滑方式
它是用压缩空气把小油滴送进轴 承空隙中，油量大小可达最佳值，压缩空气有散热作用，润 滑油可回收，不污染周围空气。电主轴的润滑一般采用定时 定量油气润滑、喷射润滑，也可以采用脂润滑。 2）喷注润滑方式 喷注润滑是一种新兴的润滑方式， 它是用较大流量的恒温油（每个轴承3-4L/min）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，而是 用两台液压泵强制排油。 3）突入滚道式润滑方式 轴承高速旋转时，伴随流动 的空气流速可达50m/s。要使润滑油突破这层旋转气流很不容 易，采用突入滚道式润滑方式则可以可靠地将油送入轴承滚 道处。
主轴准停装置分：
机械式
电气式
第五章 数控机床的主传动系统 5.3 高速主轴系统和电主轴
一、高速主轴系统 高速切削是20世纪70年代后期发展起来的一种 新工艺。这种工艺采用的切削速度比常规的要高几 倍至十多倍，如加工钢件为400-1600m/min；加工铸 铁为800-2000 m/min，进给速度也相应提高很多倍。 这种加工工艺不仅切削效率高，而且具有加工表面 质量好、切削温度低和刀具寿命长等优点。高速切 削技术的关键是具备高速主轴系统，高速主轴是高 速切削机床最重要的部件。
数 控 技 术
河北理工大学机械工程学院 工程训练中心 张好强
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第五章
5.1 5.2 5.3
数控机床的主传动系统
对主传动系统的基本要求和变速方式 数控机床的主轴部件 高速主轴系统和电主轴
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由主轴电动机经一系列传动元件和主轴构成的 具有运动、传动联系的系统称为主传动系统。数控 机床的主传动系统包括主轴电动机、传动装置、主 轴、主轴轴承、主轴定向装置等。
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二、电主轴的结构
目前，多数机床采用内装式主轴电动机一体化的电主 轴。它采用无外壳电动机，将带有冷却套的电动机定子装 配在主轴单元的壳体上，转子和机床主轴的旋转部件做成 一体，主轴的变速范围完全由变频交流电动机控制，使变 频电动机和机床主轴合二为一。 电主轴的结构特点：电主轴具有结构紧凑、重量轻、 惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，可以减少齿轮 传动，简化机床外形设计，易于实现主轴定位，是高速主 轴单元中一种理想结构，现代的高速电主轴是一种智能型 功能部件，它的种类多，应用范围日益广泛。
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目前，通常采用主轴电动机一体化的电主轴部 件，实现无中间环节的直接传动，电动机大多采用 感应式集成主轴电动机。而随着科技的发展，出现 了一种用稀有材料铌作永磁材料的永磁电动机，该 电动机能更高效、大功率地传递扭矩，所传扭矩很 大，易于对使用中产生的温升进行在线控制，且冷 却简单，不用安装昂贵的冷却器，加之电动机体积 小，结构紧凑，所以有良好的发展前景。
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（4）内置脉冲编码器
为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲 编码器，以实现准确的相位控制以及与进给的配合。
（5）自动换刀装置
为了适用于加工中心，电主轴配备了能进行自动换刀的 装置，包括碟形弹簧、拉刀油缸。
（6）高速刀具的装夹方式
BT、ISO刀具，已被实践证明不适合于高速加工。这种情 况下出现了HSK、 SKI等高速刀柄。
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高速主轴的单元类型主要有电主轴、气动主轴、 水动主轴。需要主轴有较高的角减速度和角加速度。 如果通过带传动等中间环节不仅会在高速下打滑， 产生振动和噪声，而且会增加转动惯量给机床快速 准停造成很大困难，所以要求高速主轴动平衡性很 好，刚性好，回转精度高，并有良好的热稳定性， 能传递足够的力矩和功率，能承受高的离心力，带 有准确的恒温装置和高效的冷却装置，主轴转速一 般大于40000r/min，主轴功率大于15kW。
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1．电主轴 高速主轴系统的驱动多采用内装电动机式主轴， 简称电主轴。这是将电动机置于主轴内部、通过驱 动电源直接驱动主轴进行工作，实现了电动机、主 轴的一体化。这种主轴结构紧凑、重量轻、惯性小， 有利于提高主轴启动或停止时的响应特性。 电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附 件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装 置、内置编码器、换刀装置等。
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2．主传动的齿轮变速装置 常用的两种装置是液压拨叉变速和电磁离合器变 速装置。 （1）液压拨叉变速装置 在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。 液压拨叉换挡在主轴停转之后才能进行，但主轴 停转后拨叉带动齿轮块移动又可能产生“顶齿”现象。 因此，在这种主运动系统中通常增设一台微电动机， 它在拨叉移动齿轮块的同时带动各传动齿轮作低速回 转，使移动齿轮与主动齿轮顺利啮合。
二、主轴轴承 主轴轴承是主轴部件的重要组成部分。它的类 型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却 都直接影响主轴的工作性能。在数控机床上，主轴 轴承常用的有滚动轴承和静压滑动轴承。 1．滚动轴承 图2-10所示为数控机床主轴常用的几种滚动轴 承。
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（4）调速电动机直接驱动主轴（图d、图e）
这种主传动类型又分两种。一种如图d所示，主轴电动 机输出轴通过精密联轴器与主轴连接，其优点是结构紧凑， 传动效率高；但主轴转速的变化及转矩的输出完全与电动机 的输出特性一致，因而在使用上受到一定限制。 另一种为内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一 体（图e）。其优点是省去了中间的所有传动环节，主轴组件 结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高启动、停止的响应特性， 并利于控制振动和噪声；缺点是电动机运转产生的热量易使 主轴产生热变形。因此，温度控制和冷却是使用内装电动机 主轴的关键问题。下图2-4所示为内装电动机主轴的结构示意 图。
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一、主轴端部结构 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、连接 牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。主轴端部 的结构形状都已标准化，图2-9所示为普通机床和数 控机床通用的几种结构形式。
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1．主轴的传动类型
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1．主轴的传动类型 （1）齿轮传动主轴（图a） 这是大中型数控机床较常采用的传动类型，它使 用无级变速交、直流电动机，再通过几对齿轮传动后， 实现分段无级变速，这种变速方式使得变速范围扩大。 其优点是在低速时能满足主轴输出扭矩特性的要求。 但齿轮变速机构通常采用液压拨叉或电磁离合器变速 方式，造成主轴箱结构复杂，成本增高，另外这种传 动机构容易引起振动和噪声。
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电主轴的主要部件有： 1．轴壳
轴壳是电主轴的主要部件。通常将轴承座孔直接设计在 轴壳上。电主轴为加装电动机定子，必须开放一端。高速大功 率和超高速电主轴的转子直径往往大于轴承外径，为控制整机 装配精度，应将后轴承安装部分设计成无间隙配合。
2．静压滑动轴承 数控机床上常用的静压滑动轴承是液体静压滑 动轴承。此种静压滑动轴承的油膜压强由液压缸从 外界供给，与主轴转速无关。它的承载能力不随转 速的变化而变化，而且无磨损，启动和运转时摩擦 力矩相同。所以，液体静压滑动轴承的刚度大，回 转精度高，但液体静压滑动轴承需要一套液压装置， 成本较高。 液体静压滑动轴承装置主要由供油系统、节流 器和轴承三部分组成，其工作原理如图2-11所示。
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（2）电磁离合器变速装置 电磁离合器变速装置是利用电磁效应，通过接通 或断开电磁离合器的运动部件实现变速。其优点是便 于实现操作自动化，并有现成的系列产品可供选用， 因而其已成为自动装置中常用的执行元件。 电磁离合器应用于数控机床的主传动时，能简化 变速机构，通过若干个安装在各传动轴上离合器之吸 合与分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主 轴的变速。