第二章 数控机床的主传动系统
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数控机床的机械结构与传动
图2-3 两种形式的内循环方式示意图
第二节 数控机床的典型机械结构
第二章 数控机床的机械结构与传动
2.1 滚珠丝杠螺母结构
滚珠丝杠螺母副的选用
滚珠丝杠螺母副的选择包括其精度、尺寸规格、支 撑方式等几个方面。
根据机床精度选用丝杠副的精度，根据机床载荷来 选定丝杠直径，对细长而又承受轴向压缩载荷的滚珠丝 杠，需核算压杆稳定性；对转速高，支撑距离大的滚珠 丝杠副需校核临界转速；对精度要求高的滚珠丝杠需校 核刚度。 1）精度等级的选择； 2）结构尺寸的选择； 3）验算。
主传动在中、高速 段为恒功率传动， 在低速段为恒转矩 传动。
第三节 数控机床的主传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
3.2 主轴部件的结构
主轴部件的支撑与润滑
机床主轴带动刀具或夹具在支撑中做回转运动，应能传递切削转矩、受 切削抗力，并保证必要的旋转精度。
常用卡盘结构
数控车床工件夹紧装置可采用三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘或弹簧夹 头等。
第四节 数控机床的进给传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
4.2 数控机床进给传动系统的基本形式
实现直线进给运动主要有三种形式： 1）通过丝杠螺母副，将伺服电动机的旋 转运动变成直线运动。 2）通过齿轮、齿条副，将伺服电动机的 旋转运动变成直线运动。 3）直接采用直线电动机进行驱动。
减少传动件。 4）在加工中心上，还必须具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹
紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、 机械手的正确位置。 5）有C轴功能要求时，主轴还需要安装位置检测装置，以便实现对 主轴位置的控制。
第三节 数控机床的主传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
3.1 主传动的基本要求和变速方式
第二节 数控机床的典型机械结构
第二章 数控机床的机械结构与传动
2.1 滚珠丝杠螺母结构
滚珠丝杠螺母副的选用
滚珠丝杠螺母副的选择包括其精度、尺寸规格、支 撑方式等几个方面。
根据机床精度选用丝杠副的精度，根据机床载荷来 选定丝杠直径，对细长而又承受轴向压缩载荷的滚珠丝 杠，需核算压杆稳定性；对转速高，支撑距离大的滚珠 丝杠副需校核临界转速；对精度要求高的滚珠丝杠需校 核刚度。 1）精度等级的选择； 2）结构尺寸的选择； 3）验算。
主传动在中、高速 段为恒功率传动， 在低速段为恒转矩 传动。
第三节 数控机床的主传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
3.2 主轴部件的结构
主轴部件的支撑与润滑
机床主轴带动刀具或夹具在支撑中做回转运动，应能传递切削转矩、受 切削抗力，并保证必要的旋转精度。
常用卡盘结构
数控车床工件夹紧装置可采用三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘或弹簧夹 头等。
第四节 数控机床的进给传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
4.2 数控机床进给传动系统的基本形式
实现直线进给运动主要有三种形式： 1）通过丝杠螺母副，将伺服电动机的旋 转运动变成直线运动。 2）通过齿轮、齿条副，将伺服电动机的 旋转运动变成直线运动。 3）直接采用直线电动机进行驱动。
减少传动件。 4）在加工中心上，还必须具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹
紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、 机械手的正确位置。 5）有C轴功能要求时，主轴还需要安装位置检测装置，以便实现对 主轴位置的控制。
第三节 数控机床的主传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
3.1 主传动的基本要求和变速方式
数控机床的主传动系统方式
数控机床的主传动系统方式
1、数控机床对其主传动系统要求：
机床原点、坐标系和参考点
1）调速功能
2）功率要求
3）精度要求
4）动态响应性能
2、主传动方式
主轴在数控机床机械结构中起了非常重要的地位，如图1所示。
图数控机床的主轴系统
数控机床的主传动方式主要有三种：
1）带有二级齿轮变速的主传动方式。
2）通过定比传动的主传动方式，如1所示，主轴电机经定比传动传递给主轴，定比传动采用齿轮传动或带传动。
3）由主轴电机直接驱动的主传动方式，如图2所示。
图2 同步齿形带主传动方式图3 电主轴（电机直接驱动的主传动方式）
3、主轴部件结构
数控机床的主轴部件包括主轴、主轴的支承轴承和安装在主轴上的传动零件等。
主轴部件是机床的重要部件，其结构的先进性已成为衡量机床水平的标志之一。
4、主轴部件的支承
机床主轴带着刀具或夹具在支承件中作回转运动，需要传递切削扭矩，承受切削抗力，并保证必要的旋转精度。
数控机床主轴支承根据主轴部件的转速、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。
5、主轴的准停装置
主轴的准停是指数控机床的主轴每次能准确停止在一个固定的位置上。
2数控机床主传动
第2章 数控机床的主传动系统
2.1.2 主传动的变速方式 无级变速，分段无级变速， 无级变速，分段无级变速，交直流伺服电机 R=最高速 最低速＞ ～ 最高速/ 调速范围 R=最高速/最低速＞200～1000 1.主轴传动类型 1.主轴传动类型 (1)齿轮传动 (1)齿轮传动 低速能满足主轴输出扭矩特性的要求， 低速能满足主轴输出扭矩特性的要求，但通常采用的液 压拨叉或电磁离合器变速方式，造成主轴箱结构复杂， 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，且易引起诊断和噪声。 成本增高，且易引起诊断和噪声。 (2)同步齿形带传动 (2)同步齿形带传动 结构简单，安装调试方便。 结构简单，安装调试方便。但变速范围受电动机调速范 围的限制。 围的限制。
脉冲编码器
械 几 装 位 置 量 转 将 出 轴 ， 它 换
转 光 电 编 码 器 ， 是 一 种 通 过 的 光
光敏元件
透光狭缝
码盘基片
光欄板
透镜
光源
z
b
a
m+τ/4
节距τ
信号处理装置
光源
Z ZBBAA
光电编码器的输出波形如图所示。通过光栏板两条狭缝的光信号A 光电编码器的输出波形如图所示。通过光栏板两条狭缝的光信号A 和B，相位角相差90°，通过光电管转换并经过信号的放大整形后， ，相位角相差90° 成为两相方波信号。
• ( 3)两个电动机分别驱动主轴 3)两个电动机分别驱动主轴 兼有前两种的优点， 兼有前两种的优点，但两个电动机不能同时工 作。 • (4)调速电动机直接驱动主轴 (4)调速电动机直接驱动主轴 电动机、联轴器、主轴直接连接， 电动机、联轴器、主轴直接连接， 内装电动机主轴（电主轴） 内装电动机主轴（电主轴） • 结构紧凑，重量轻，惯量小，响应特性好，利 结构紧凑，重量轻，惯量小，响应特性好， 于控制振动和噪声。 于控制振动和噪声。但电动机运转产生的热量 易使主轴发生热变形
数控机床的主传动系统
数控机床主轴的变速方式
• • • • • 无级变速 分段无级变速 液压拨叉变速机构 电磁离合器变速 内装电动机主轴变速
无级变速
主传动采用无级变 速，不仅能在一定的 速度范围内选择到合 理的切削速度，而且 还能在运动中自动换 速。
图5-2 无级变速传动结构
分段无级变速
数控机床在实际生产中， 并不需要在整个变速范围 内均为恒功率。一般要求 在中、高速段为恒功率传 动，在低速段为恒转矩传 动。为了保证数控机床主 轴低速时有较大的转矩和 主轴的变速范围尽可能大， 有的数控系统在交流或直 流电动机无级变速的基础 上配以齿轮变速，使之成 为分段无级变速。
• 主轴的结构主要取决于主轴上所安装的刀具、 夹具、传动件、轴承和密封装置等的类型、数 目、位置和安装定位方法，同时还要考虑主轴 加工和装配的工艺性。一般在机床主轴上装有 较多的零件，为了满足刚度要求和能得到足够 的止推面以及便于装配，常把主轴设计成阶梯 轴，即轴径从前轴颈起向后递减。主轴是空心 的或者是实心的，主要取决与机床的类型。
对主轴系统的要求
• 一般都要求能实现无级变速。 • 必须具有足够高的转速和足够大的功率。 • 主传动系统应简化结构，减少传动件。
• 在加工中心上，还必须具有安装刀具和 刀具交换所需的自动夹紧装置。 • 主轴还需要安装位置检测装置
主轴部件
• 主轴的结构 • 主轴组件的布局 • 主轴组件的基本要求
主轴的结构
• 刚度
影响主轴组件刚度的因素很多，如主轴的 尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量、预紧和 配置形式，前后支承的距离和主轴前端的悬伸 量，传动件的布置方式，主轴组件的制造和装 配质量等。 • 抗振性 主轴组件的振动会影响工件的表面质量， 刀具的耐用度和主轴轴承的寿命，还会产生噪 声，影响工作环境。如果产生切削自激振动， 将严重影响加工质量，甚至使切削无法进行下 去。
第二节数控机床主传动系统
电磁离合器—— 应用电磁效应接通或切断运动的元件，便于实现 自动操作，已成为自动装置中常用的执行元件。
电磁离合器用于数控机床的主传动时，能简化变 速机构，通过若干安装在各传动轴上的离合器的吸合 和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴 的变速。
例子： 1、数控镗床主轴箱中使用的无滑片式电磁离合器。 2、啮合式电磁离合器（亦称为牙嵌入电磁离合器）。
第二节 数控机床主传动系统
一、数控机床的主传动变速 二、数控机床的主轴部件 三、数控机床的主轴材料和热处理 四、主轴内刀具自动夹紧、切屑清除装置 五、主轴准停装置
一、数控机床的主传动变速
一）数控机床变速方式 二） 数控机床主传动系统的三种配置方式
1、带变速齿轮的主传动 液压拨叉变速 电磁离合器
2、通过皮带传动的主传动 3、由调速电机直接驱动的主传动 三）数控机床主传动装置的特点 四）主传动变速设计
结构特点：是在摩擦面上做成一 定的齿形，以提高所能传递的力 矩。当线圈1通电后，带有端面齿 的衔铁2被引吸和磁轭8的端面齿 互相啮合。衔铁2又通过渐开线齿 形花键与定位环5联接，再通过螺 钉7传递给齿轮（图中未示出）。 其中，隔离环6是为了防止磁力线 从传动轴通过构成回路，而削弱 电磁吸力。衔铁2和定位环5采用 渐开线花键联结，保证了衔铁与 传动轴的同轴度，使端面齿能更 可靠地啮合。采用螺钉3和压力弹 簧4的结构能使离合器的安装方式 不受限制，不管衔铁使水平还是 垂直、向上还是向下，安装都能 保证合理的齿面间隙。
无滑片式电磁离合器：
优点：省去了电刷，避免了磨损和接触不良所带来的故障， 因比较适用于高速运转的主运动系统。由于采用摩 擦片来传递扭矩，所以允许不停车变速。
缺点： 变速时产生大量的摩擦热；且由于线圈和铁芯是静止 不动的，因此必须在旋转的套筒上安装滚动轴承7， 这样加大了离合器的的径向尺寸。此外，这种摩擦离 合器的磁力线（图中的虚拟）通过钢质的摩擦片，在 线圈断电之后会有剩磁，增加了离合器的分离时间。
数控机床的主传动系统
03 控制应用
高速加工、精密定位
主轴驱动系统的设计与选择
设计原则
高可靠性 良好的动态响应 经济性考虑
选择因素
机床类型 加工要求 成本预算
常见类型
交流伺服驱动系统 直流传动系统 混合驱动系统
● 03
第3章 数控机床的进给传动 系统
进给传动系统的组成与作 用
进给传动系统主要包括进给驱动装置、进给传动 机构和进给系统的控制与调节三个部分。进给驱 动装置负责提供动力，进给传动机构负责传递动 力并实现所需的运动轨迹，进给系统的控制与调 节负责对整个系统的运行进行精确控制。
主传动系统是数控机床的核心部件之一，它主要 由主轴装置、传动装置、主轴驱动系统等组成， 负责传递动力并确保机床加工的精度和速度。
主轴的类型与特性
电主轴
高速、高精度
复合主轴
结合电主轴与机 械主轴特点
机械主轴
结构简单、成本 低
主轴定向控制
01 控制意义
保证加工精度
02 控制方法
光电编码器、霍尔效应
部分控制信号依赖于反馈信号
电气控制系统的故障诊断与维 护
故障诊断方法包括观察法、信号分析法、模拟法 等；故障诊断的步骤包括故障现象的观察、故障 原因的分析、故障诊断的结果等；电气控制系统 的维护措施包括定期检查、及时维修、更换故障 部件等。
● 06
第6章 总结
数控机床主传动系统的重要性和 影响因素
夹具系统的性能评价
夹具的刚度 与稳定性
夹具的刚度与稳 定性直接影响到
加工精度
夹具的重复 定位精度
夹具的重复定位 精度直接影响到
加工效率
夹具的装夹 误差
夹具的装夹误差 会导致工件加工
误差
高速加工、精密定位
主轴驱动系统的设计与选择
设计原则
高可靠性 良好的动态响应 经济性考虑
选择因素
机床类型 加工要求 成本预算
常见类型
交流伺服驱动系统 直流传动系统 混合驱动系统
● 03
第3章 数控机床的进给传动 系统
进给传动系统的组成与作 用
进给传动系统主要包括进给驱动装置、进给传动 机构和进给系统的控制与调节三个部分。进给驱 动装置负责提供动力，进给传动机构负责传递动 力并实现所需的运动轨迹，进给系统的控制与调 节负责对整个系统的运行进行精确控制。
主传动系统是数控机床的核心部件之一，它主要 由主轴装置、传动装置、主轴驱动系统等组成， 负责传递动力并确保机床加工的精度和速度。
主轴的类型与特性
电主轴
高速、高精度
复合主轴
结合电主轴与机 械主轴特点
机械主轴
结构简单、成本 低
主轴定向控制
01 控制意义
保证加工精度
02 控制方法
光电编码器、霍尔效应
部分控制信号依赖于反馈信号
电气控制系统的故障诊断与维 护
故障诊断方法包括观察法、信号分析法、模拟法 等；故障诊断的步骤包括故障现象的观察、故障 原因的分析、故障诊断的结果等；电气控制系统 的维护措施包括定期检查、及时维修、更换故障 部件等。
● 06
第6章 总结
数控机床主传动系统的重要性和 影响因素
夹具系统的性能评价
夹具的刚度 与稳定性
夹具的刚度与稳 定性直接影响到
加工精度
夹具的重复 定位精度
夹具的重复定位 精度直接影响到
加工效率
夹具的装夹 误差
夹具的装夹误差 会导致工件加工
误差
数控机床主传动系统-PPT课件
2.1 数控机床的主传动系统
数控机床主传动系统的特点
与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点： 转速高、功率大。3.7~250kw 变速范围宽，可实现无极调速。
控制功能的多样化
具有较高的精度和刚度，传动平稳。 良好的抗振性和热稳定性 电动机性能要求高机能要求高
2.1 数控机床的主传动系统
转速达（2～10）×104r/min的主轴可采用磁力轴承或陶瓷滚珠轴承。
2.1 数控机床的主传动系统
采用滚动轴承时的几种配置形式
这种配置可提高主轴的综合刚度，满足强力 切削的要求，普遍应用于各类数控机床。
( a )
适用于高速、重载的主轴部件。
( b )
适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。
( c )
适用于中等精度、低速与重载荷的数控机床 主轴。
( d )
2.1 数控机床的主传动系统
(a)深沟球轴承
(b)角接触球轴承
双向推力角接触球轴承
双列圆柱滚子轴承
圆锥滚子轴承
2.1 数控机床的主传动系统
(2) 主轴轴承的支撑形式
2.1 数控机床的主传动系统
主轴的准停装置
2.1 数控机床的主传动系统
磁传感器准停装置
车床主轴端部结构
2.1 数控机床的主传动系统
2.1 数控机床的主传动系统
铣床主轴端部结构
2.1 数控机床的主传动系统
(4)主轴内部刀具自动夹紧机构 图2-7为ZHS-K63型加工中心主轴内部刀具夹紧机构
2.1 数控机床的主传动系统
主轴的支撑 中小型数控机床的主轴部件 重型数控机床 高精度数控机床 滚动轴承 液· 体静压轴承 气体静压轴承
数控机床主传动系统
数控机床的主传动系统资料
电机散热
电机振动
定期检查电机散热风扇是否正常运转， 如发现风扇故障应及时维修或更换。
检查电机运转时的振动情况，如发现 异常振动应及缘电阻，确保电机 绝缘良好，防止电机短路或接地故障。
主轴箱的维护与保养
主轴箱清洁
定期清理主轴箱内的灰尘和杂物， 保持主轴箱内部清洁。
传动装置清洁
清理传动装置内部的灰尘和杂物，保持传动装置 内部清洁。
05
数控机床主传动系统的故障诊断与排
除
主轴故障诊断与排除
主轴转动异常
检查主轴电机、传动带、轴承等部件是否正常，以及润滑系统是否工作正常。
主轴定位不准
检查主轴编码器、定位检测元件、数控系统参数等是否正确设置和连接。
主轴电机故障诊断与排除
04
主轴箱的散热性能和密封性能对机床的运 行稳定性和精度有重要影响。
传动装置
传动装置是连接主轴电机和主 轴的中间环节。
传动装置需要具备高精度、高 刚度和低噪音等特点，以确保
主轴的旋转精度和稳定性。
常见的传动装置包括皮带、齿 轮和传动链等。
传动装置的维护和调整对机床 的运行稳定性和精度有重要影 响。
电机无法启动
检查电源是否正常、电机控制电路是否正常、主轴电机是否 过载等。
电机过热
检查电机冷却系统是否正常、电机负载是否过大、电机轴承 是否损坏等。
主轴箱故障诊断与排除
主轴箱振动
检查主轴箱安装基础是否稳固、主轴 箱内部齿轮和轴承是否损坏等。
主轴箱噪音
检查主轴箱内部齿轮和轴承是否润滑 良好、主轴箱内部是否有异物等。
箱体紧固
检查主轴箱各部位螺丝是否紧固， 防止因螺丝松动导致主轴箱振动或 移位。
油标检查
数控机床的主传动系统
数控机床的主传动系统一、主传动装置1．数控机床主传动系统的特点（1）转速高、功率大(2）调速范围宽（3）主轴能自动实现无级变速，转速变换迅速可靠（4）数控机床的主轴组件具有较大的刚度、较高的精度和高的耐磨性能（5）在加工中心上，还具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。
（6)为了扩大机床功能，一些数控机床的主轴能实现C轴功能（主轴回转角度的控制）2．数控机床主传动装置（1）带有二级齿轮的变速装置确保低速时输出大扭矩，扩大恒功率调速范围，以满足机床重切削时对输出扭矩特性的要求。
（2)采用定比传动装置定比传动装置常用同步齿形带或三角带连接电机与主轴，避免了齿轮传动引起的振动与噪声。
（3）采用电主轴电主轴传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构,主轴部件的刚性更好。
但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴影响较大,需对主轴进行强制冷却.二、主轴结构1．数控车床主轴部件结构1、5—螺钉；2—带轮连接盘；3、15、16—螺钉；4—端盖；6—圆柱滚珠轴承；7、9、11、12—挡圈；8—热调整套；10、13、17—角接触球轴承；14—卡盘过渡盘；18—主轴；19—主轴箱箱体数控车床主轴部件结构示意图1—驱动爪；2—卡爪；3—卡盘；4—活塞杆；5—液压缸；6、7—行程开关液压驱动动力的自定心夹盘2．数控加工中心（镗、铣床）主轴部件结构（1）刀具夹紧装置和切屑清除装置1－刀架；2－拉钉；3－主轴；4-拉杆；5－碟形弹簧；6－活塞；7－液压缸（或气缸）；8、10－行程开关；9－压缩空气管接头；11－弹簧；12－钢球；13－端面键数控立式加工中心主轴部件（2)主轴准停装置1－多楔带轮；2－磁传感器；3－永久磁铁；4－垫片；5－主轴主轴准停装置的工作原理3．内装电主轴的主轴部件结构1－刀具系统；2、9－捕捉轴承；3、8－传感器；4、7－径向轴承；5－轴向推力轴承；6－高频电动机；10－冷却水管路；11－气－液压力放大器用磁悬浮轴承的高速加工中心电主轴部件1—转子；2—定子；3—箱体；4—主轴数控车床电主轴部件电主轴主要融合了以下技术：（1）高速电机技术其关键技术是高速度下的动平衡。
数控机床主传动系统
伺服驱动系统通常由伺服电机、控制器和驱动器组成，通过调整电机的输入电压或 电流实现主轴的精确位置和速度控制。
伺服驱动系统的性能决定了数控机床的动态特性和加工精度。
主轴与卡盘
主轴是数控机床主传动系统的输 出部件，它能够带动刀具或工件
旋转。
主轴通常采用高精度轴承和刀具 夹紧装置，以确保加工过程中的
稳定性和精度。
类型与分类
类型
数控机床主传动系统根据其结构和工作原理的不同，可以分为多种类型，如机械主传动系统、液压主 传动系统、电气主传动系统等。
分类
数控机床主传动系统还可以根据其传动方式的不同进行分类，如带传动、链传动、齿轮传动等。不同 类型的数控机床主传动系统具有不同的特点和应用范围，需要根据具体的加工需求和加工条件进行选 择。
主轴定位精度与重复定位精度
主轴定位精度
主轴在特定位置的准确度，决定了加 工零件的尺寸精度。定位精度越高， 加工精度越好。
重复定位精度
主轴在相同位置的重复精度，反映了 主轴运动的稳定性。重复定位精度越 高，主轴运动越稳定。
热稳定性与动态特性
热稳定性
主轴在切削过程中抵抗温度变化的能力，热稳定性越高，加工过程中主轴的性能越稳定。
动态特性
主轴在动态切削过程中的表现，包括振动、噪声等。动态特性越好，切削过程越平稳，加工表面质量越高。
04
主传动系统的控制技术
数控编程与加工技术
数控编程
根据加工需求，使用数控编程语言（如G代码）对机床进行编程，以控制主轴的运动轨 迹和加工过程。
加工工艺
根据工件材料、加工要求和刀具特性，选择合适的加工工艺，如粗加工、半精加工和精 加工等，以确保加工质量和效率。
特点
数控机床主传动系统具有高精度、高 效率、高稳定性等特点，能够满足复 杂、高效、高ห้องสมุดไป่ตู้度的加工需求。
伺服驱动系统的性能决定了数控机床的动态特性和加工精度。
主轴与卡盘
主轴是数控机床主传动系统的输 出部件，它能够带动刀具或工件
旋转。
主轴通常采用高精度轴承和刀具 夹紧装置，以确保加工过程中的
稳定性和精度。
类型与分类
类型
数控机床主传动系统根据其结构和工作原理的不同，可以分为多种类型，如机械主传动系统、液压主 传动系统、电气主传动系统等。
分类
数控机床主传动系统还可以根据其传动方式的不同进行分类，如带传动、链传动、齿轮传动等。不同 类型的数控机床主传动系统具有不同的特点和应用范围，需要根据具体的加工需求和加工条件进行选 择。
主轴定位精度与重复定位精度
主轴定位精度
主轴在特定位置的准确度，决定了加 工零件的尺寸精度。定位精度越高， 加工精度越好。
重复定位精度
主轴在相同位置的重复精度，反映了 主轴运动的稳定性。重复定位精度越 高，主轴运动越稳定。
热稳定性与动态特性
热稳定性
主轴在切削过程中抵抗温度变化的能力，热稳定性越高，加工过程中主轴的性能越稳定。
动态特性
主轴在动态切削过程中的表现，包括振动、噪声等。动态特性越好，切削过程越平稳，加工表面质量越高。
04
主传动系统的控制技术
数控编程与加工技术
数控编程
根据加工需求，使用数控编程语言（如G代码）对机床进行编程，以控制主轴的运动轨 迹和加工过程。
加工工艺
根据工件材料、加工要求和刀具特性，选择合适的加工工艺，如粗加工、半精加工和精 加工等，以确保加工质量和效率。
特点
数控机床主传动系统具有高精度、高 效率、高稳定性等特点，能够满足复 杂、高效、高ห้องสมุดไป่ตู้度的加工需求。
数控机床的主传动系统资料课件
机床型号
典型应用
该型号机床主要用于高效加工各种复杂零件，可进行铣削、钻孔 、攻丝等操作。
主轴特点
采用电主轴设计，具有高转速、高精度、高刚性的特点，确保零件 加工表面的质量和精度。
变速方式
采用交流变频调速，具有宽广的调速范围，满足不同零件加工需求 。
机床型号：Okuma CNC车削中心
典型应用
该型号机床主要用于高 效车削各种金属材料， 如钢、铸铁、有色金属 等。
定期更换润滑油
根据主传动系统的型号和使用条 件，定期更换合适的润滑油。
检查轴承和齿轮
定期检查轴承和齿轮的磨损情况， 如发现异常需及时更换。
清洗和更换滤清器
定期清洗空气滤清器和机油滤清器 ，如损坏需及时更换。
常见故障与排除方法
轴承发热
可能是润滑不良或轴承磨损， 需要检查润滑系统和轴承座。
齿轮磨损
长期使用导致齿轮磨损，需更 换磨损的齿轮。
电机的响应速度和精度。
误差补偿技术
通过误差补偿技术，对传动链的 误差进行实时监测和修正，提高
整个传动系统的精度。
采用新材料与技术革新
1 2
新材料应用
采用高强度、轻质的新型材料，如钛合金、复合 材料等，减轻传动部件的重量，提高其刚性和抗 疲劳性能。
技术革新
采用先进的制造和加工技术，如精密铸造、纳米 涂层等，提高传动部件的表面质量和性能。
数控机床的主传动系统资料课件
• 数控机床主传动系统概述 • 数控机床主传动系统的设计 • 数控机床主传动系统的控制
• 数控机床主传动系统的维护与保 养
• 数控机床主传动系统的优化与发 展趋势
• 数控机床主传动系统实例分析
01 数控机床主传动系统概述
数控机床的主传动系统
性能要求高
电机过载能力强。要求有较长时间 (1~30min)和较大倍数的过载能力
在断续负载下，电机转速波动要小。 速度响应要快，升降速时间要短。 电机温升低，振动和噪音小，精度要高。 可靠性高，寿命长，维护容易。 要具有抗振性和热稳定性。 体积小，重量轻，与机床联接容易。
液体静压滑动轴承主要应用于主轴高转速、 高回转精度的场合，如应用于精密、超精 密的数控机床主轴、数控磨床主轴。
4 、 主轴准停装置
主轴准停也叫主轴定向。在加工中心等数控机 床上，由于有机械手自动换刀，要求刀柄上的 键槽对准主轴的端面键上，因此主轴每次必须 停在一个固定准确的位置上，以利于机械手换 刀。所以，主轴上必须设有准停装置。主轴准 停装置分为机械式准停、电气式准停。
二、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。 功用：
夹持工件或刀具实现切削运动； 传递运动及切削加工所需要的动力。 组成： 主轴、支承、传动零件、装夹刀具或工 件的附件及辅助零部件。
要求： 主轴的精度要高。包括运动精度(回转精 度、轴向串动)、和安装刀具或夹持工件 的夹具的定位精度(轴向、径向)。 部件的结构刚度和抗振性好。 较低的运转温升以及较好的热稳定性。 部件的耐磨性和精度保持性好。 自动可靠的装夹刀具或工件
（3）机床基础件，通常指床身、底座、立柱、滑 座、工作台等。其功用是支承机床本体的零、部件， 并保证这些零、部件在切削加工过程中占有的准确 位置。
一、概述
1、概念 主运动是机床实现切削的基本运动。即驱动主轴运动 的系统。在切削过程中，它为切除工件上多余的金属 提供所需的切削速度和动力，是切削过程中速度最高、 消耗功率最多的运动。 主传动系统是：由主轴电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。 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。
数控机床的主传动系统
目前，主轴准停装置很多，主要分为机械式和电气式两种。传统的做 法是采用机械挡块等来定向。图5-26为V形槽轮定位盘准停装置原理图 ，在主轴上固定一个V形槽定位盘，使V形槽与主轴上的端面键保持所 需要的相对位置关系。当主轴需要停车换刀时，发出降速信号，主轴转 换到最低速运转，时间继电器开始动作，并延时4～6s后，无触点开关1 接通电源，当主轴转到图示位置即V形槽轮定位盘3上的感应块2与无触 点开关1相接触后发出信号，使主轴电动机停转。另一延时继电器延时 0.2～0.4s后，压力油进入定位液压缸下腔，使定向活塞向左移动，当定 向活塞上的定向滚轮5顶入定位盘的V形槽内时，行程开关LS2发出信号 ，主轴准停完成。若延时继电器延时1s后行程开关LS2仍不发信号，说 明准停没完成，需使定向活塞 6后退，重新准停。当活塞杆向右移到位 时，行程开关LS1发出定向滚轮5退出凸轮定位盘凹槽的信号，此时主轴 可启动工作。
图5-29 电主轴部件 1-转子 2-定子 3-箱体 4-主轴
电主轴的出现大大简化了主运动系统结构，实现了所谓的“零传动”，它具有结 构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并可改善机床的动平衡，避免振动 和噪声，在超高速切削机床上得到了广泛的应用。
图示为刀具的夹紧状态，碟形弹簧13通过拉杆7，双瓣卡爪5，在内 套21的作用下，将刀柄的尾端拉紧。当换刀时，要求松开刀柄，此时， 在主轴上端油缸的上腔A通入压力油，活塞14的端部即推动拉杆7向下移 动，同时压缩碟形弹簧13，当拉杆7下移到使卡爪5的下端移出套筒时， 在弹簧6的作用下，卡爪张开，喷气头20将刀柄顶松，刀具即可由机械 手拔出。待机械手将新刀装入后，油缸12的下腔通入压力油，活塞14向 上移，碟形弹簧伸长将拉杆7和卡爪5拉着向上，卡爪5重新进入套筒21 ，将刀柄拉紧。活塞14移动的两个极限位置都有相应的行程开关作用， 作为刀具松开和夹紧的回答信号。
第2章 数控机床主传动系统
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2.3 主轴部件
2.3.2 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。
无论是普通钢还是合金钢，其E值基本相同。因此，对于一
般要求的机床其主轴可用价格便宜的中碳钢、45钢，进行调 质处理后硬度为22~28HRC；当载荷较大或存在较大的冲 击时，或者精密机床的主轴为减少热处理后的变形，或者需 要作轴向移动的主轴为了减少它的磨损时，则可选用合金钢。
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2.4 主轴准停与主轴的同步运行功能
目前大多数数控机床采用电气方式定位。电气准停有三种方 式，即磁传感器型、编码器型以及数控系统控制完成的主轴 准停。 （1）磁传感器准停。 如YASKAWA主轴驱动加上可选定位件后可具有磁传感器 主轴准停控制功能。当执行M19时，数控系统只需发出主轴 启动命令ORT即可。主轴驱动完成准停后会向数控装置输出 完成信号ORE，然后数控系统再进行下面工作，其基本结构 如图2-34所示。 （2）编码器型主轴准停。 如YASKAWA主轴驱动VS-626MT配置选件可具有编码器 主轴准停功能。这种准停功能也是由主轴驱动完成，CNC只 需发出ORT信号即可。主轴驱动完成准停后输出准停完成信 号ORE。
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2.3 主轴部件
2.3.6 主轴内切屑清除装置
为了保持主轴锥孔的清洁，常采用的方法是使用压缩空气吹 屑。在活塞推动拉杆松开刀柄的过程中，压缩空气由喷头经 过活塞中心孔和拉杆中的孔吹出，将锥孔清理干净，防止主 轴锥孔中掉入切屑和灰尘，把主轴孔表面和刀杆的锥柄划伤， 保证刀具的正确位置。为了提高吹屑效率，喷气小孔要有合 理的喷射角度，并均匀布置。
数控机床的主传动系统(1)
31
第一章 数控机床概述
根据轴承供油量的要求，定时器的循环时间可从 1～99min定时，二位二通气阀每定时开通一次， 压缩空气进入注油器，把少量油带人混合室，经节 流阀的压缩空气，经混合室，把油带进塑料管道内， 油液沿管道壁被风吹进轴承内，此时，油成小油滴 状。
32
第三章 数控机床的主传动系统
(2)喷注润滑方式 这是最近开始采用的新型润滑方式，其原理如图
3—9所示。它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，而是用两台排油液压泵强制 排油。
33
第三章 数控机床的主传动系统
34
第三章 数控机床的主传动系统
(3)突入滚道式润滑方式 内径为lOOmm的轴承以2000r／min速度旋转时，线速
21
第三章 数控机床的主传动系统
22
第一章 数控机床概述
23
第三章 数控机床的主传动系统
三、高速主轴的设计
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。的关系。
38
第三章 数控机床的主传动系统
39
第三章 数控机床的主传动系统
第二节 主轴部件
主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴的支承、 安装在主轴上的传动零件等。主轴部件质量的好坏直 接影响加工质量。 机床的主轴部件满足的要求：主轴的回转精度、部件 的结构刚度和抗振性、运转温度和热稳定性以及部件 的耐磨性和精度保持能力等。对于数控机床尤其是自 动换刀数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸 与夹持，还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装 置和主轴孔的清理装置等结构。
第一章 数控机床概述
根据轴承供油量的要求，定时器的循环时间可从 1～99min定时，二位二通气阀每定时开通一次， 压缩空气进入注油器，把少量油带人混合室，经节 流阀的压缩空气，经混合室，把油带进塑料管道内， 油液沿管道壁被风吹进轴承内，此时，油成小油滴 状。
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第三章 数控机床的主传动系统
(2)喷注润滑方式 这是最近开始采用的新型润滑方式，其原理如图
3—9所示。它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，而是用两台排油液压泵强制 排油。
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第三章 数控机床的主传动系统
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第三章 数控机床的主传动系统
(3)突入滚道式润滑方式 内径为lOOmm的轴承以2000r／min速度旋转时，线速
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第三章 数控机床的主传动系统
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第三章 数控机床的主传动系统
三、高速主轴的设计
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。的关系。
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第三章 数控机床的主传动系统
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第三章 数控机床的主传动系统
第二节 主轴部件
主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴的支承、 安装在主轴上的传动零件等。主轴部件质量的好坏直 接影响加工质量。 机床的主轴部件满足的要求：主轴的回转精度、部件 的结构刚度和抗振性、运转温度和热稳定性以及部件 的耐磨性和精度保持能力等。对于数控机床尤其是自 动换刀数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸 与夹持，还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装 置和主轴孔的清理装置等结构。
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国内高速电主轴技术发展
国内生产的磨削用电主轴的转速在15O00r/min以内 加工中心用电主轴的转速最高3000Or/min 转矩达2OONm的加工中心用电主轴转速只4000r/min 车削用电主轴最高转速可达12000r/min. 最大功率只有llkw
在电主轴的润滑方面, 国外普遍采用先进的油气润滑技术 而我国主要以油脂润滑和油雾润滑为主������
国内高速电主轴技术发展
60年代 主要用于零件内表面磨削, 这种电主轴的功率低, 刚度小, 并且它采用无内圈式向心推力球轴承, 限制了高速电主轴的产业化 80年代 研制出系列高刚度高速电主轴, 广泛应用于各种内圆磨床和 各个机械制造领域 90年代 由磨用电主轴转向铣用电主轴, 它不仅能加工各种形体复杂的 模具, 而且开发了用于木工机械用的风冷式高速铁用电主轴。推 动了高速电主轴在铁削中的应用。
2.1.2主传动的变速方式
主要有无级变速和分段无级变速两种变速方式。主轴的传动类型：
1.采用变速齿轮传动 多用于大中型数控机床，滑动齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由 液压缸带动齿轮来实现。 2.采用同步齿形带传动 多用于转速较高、变速范围不大的数控机床。电动机本身的调速即可 满足要求，不用齿轮变速，避免了齿轮传动的振动和噪声，适应高速、低 转矩特性的主轴，常用的带有三角带和同步齿型带。 3.用两个电机分别驱动主轴 是上述两种方式的混合传动，此种结构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，这样使恒功率区增大，扩大变速范围，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。 4.采用主轴电机直接驱动（一体化主轴，电主轴） 多用于变速范围不大的高速主轴，但电动机发热对主轴影响较大，需 专门的有主轴冷却装置。
国内高速电主轴技术发展
国内研究机构： （1） 洛阳轴承研究所 早在1958 年就研制出了磨用电主轴 之后又研发了大功率高转速系列电主轴, 磁悬浮和气静压电主轴等 90 年代将电主轴在应用于大型数控铣床、加工中心和数控车床 我国电主轴技术的引领者 （2） 广州工业大学高速加工和机床研究所 开发研制了多种电主轴, 并应用于数控铣床 由于近些年数控加工技术的飞速发展 同济大学、北京机床研究所和上海机床厂在高速电主轴方面也取 得了很大的成就������
变速齿轮传动
同步齿形带传动
主轴电机直接驱动
电主轴
2. 主传动的齿轮变速装臵
主传动的齿轮变速常用的两种装置是液压拨叉变速和 电磁离合变速装置。 图2-5 图2-5
图2-7
图2-8
2.2 数控机床的主轴部件及主轴箱
2.2.1 主轴端部结构
主轴端部用于安装刀具或者夹持工件的夹具。
主轴部件
2.2.2 主轴轴承
发生偏斜，破坏了刀杆的正确定位，影响零件的加工精 度，甚至会使零件超差报废。
主轴拉钉
主 轴 端 面 键
2.4 高速主轴系统和电主轴
什么是电主轴？
电机内装式主轴的简称
（high-speed motorized spindle） 将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件内部 即将主轴与电动机合二为一 通过交流无级调速使主轴获得所需的工作转速和 扭矩 广泛应用于高速高精度机床加工 决定高速高精度机床发展的关键技术之一������
电主轴的结构特点
电主轴润滑及冷却技术
温升的影响 （1）主轴、工件热变形 （2）导致永磁体的永久退磁, 直接影响电机性能
润滑系统： 冷却系统与润滑系统的设计关系密切,如果润滑系统性能优 越, 则会产生相对较少的热量, 也就减轻了冷却系统的负担 。
因此均匀有效的润滑及冷却系统对高速电主轴系统的精度有 决定作用������
磁悬浮轴承
混合陶瓷球轴承
主轴电机及控制技术
主轴电机设计决定了主轴的最大功率和力矩, 以 及电主轴的性能。
永磁同步电动机 控制精度高，调速范围广 结构紧凑，适合高精度强力重载加工场合
伺服控制多采用矢量控制算法, 控制系统由电流 内环速度环和位臵环组成，全数字处理器实现。
主轴电机及控制技术
大功率高转速永磁主轴电机方面与发达国家差 距较大, 特别是功率40kw,转速10000r/min以上 的永磁主轴电机及其控制技术的研究仍是我国 目前电主轴研制的一项关键技术。
方式，具有较好的高速性能； 后支承结构有采用2个角接触球轴承支承的； 也有用一个圆柱滚子轴承支承的，吸收热膨胀量 的能力，适用于高速、轻载和精密的数控机床主 轴 ；
(3) 图 c 圆锥滚子轴承。这种轴承径向和轴向刚
度高，能承受重载荷，尤其能承受较大的动载 荷，安装与调整性能好； 但是这种轴承配臵方式限制了主轴的最高转速 和精度； 所以仅适用于中等精度、低速与重载的数控机 床主轴。
电主轴的最高转速取决于轴承的大小布臵和润 滑方法。
高速主轴轴承
高速性能好
动态负荷承载力高 润滑性能好 发热量小
高速主轴轴承
常用轴承
滚动轴承
优点
好的高速性能 价格低 综合性能好
陶瓷球膨胀系小 提高速度使用寿命 降低了轴温
缺点
巨大的离心力和陀螺力矩 动载荷超出切削负荷 控制较复杂 技术不够成熟 价格较高
图2-17 液压卡盘结构简图 1—回转液压缸 2—拉杆 3—连接套 4—滑套 5—接套 6—活塞7、10—螺钉 8—回转液压缸箱体 9—卡盘体 11— 卡爪座 12—卡爪
主轴编码器
光敏元件 透光狭缝 码盘基片 光欄板 透镜
z
b
a m+τ/4 节距τ 光源
信号处理装置
Z Z B BA A
利用主轴编码器检测主轴的运动信号，一方面实现主轴 调速的数字反馈，另一方面可用于进给运动的同步控制， 如车螺纹。
加工中心主轴的准停、夹紧机构
主轴内刀具的自动夹紧和切屑清除装臵
刀杆使用大锥度锥柄，既有利于定心，也为松夹带 来了方便。在锥柄尾端轴颈被拉紧的同时，通过锥柄的 定心和摩擦作用将刀杆夹紧于主轴的端部。
自动清除主轴孔内的灰尘和切屑是换刀过程中的
一个不容忽视的问题，如有灰尘和切屑等，在拉紧刀杆
时，锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，甚至回使刀杆
电主轴润滑及冷却技术
冷却系统：针对定转子和轴承的发热
电主轴润滑及冷却技术
润滑系统：国内外高速电主轴润滑和冷却系统 , 一般均采用油气润滑系统
电主轴动平衡技术
动平衡的稳定性决定了机床的加工质量和切削能 力。
振动过大会出现剧烈的磨耗和破损, 增加主轴承 载的动态负荷, 降低寿命和精度。������ 动平衡问题, 受迫力和自激振动能力两大因素， 都应具有良好的抵抗能力������
国内外高速电主轴技术的主要对比
高速电主轴的发展趋势
向高速度、高刚度方向发展 向高速大功率、低速大转矩方向发展
电机形式与控制方式多样化方向发展
电主轴的优点
（1）结构简单，无需皮带、齿轮等中间传动，空间紧凑。 现代某些机床由于结构空间限制，使用电主轴会方便得多。
（2）采用变频器控制使得主轴调速范围增大，调速简单方便。 （3）减少了中间传动环节的能量损失和动力传递不均， 主轴振动小、加工精度高、噪声低、传动效率高， 同时还能减少环境污染。 （4）安装方便，调试简单。
滚动轴承 图2-10
静压滑动轴承 图2-11
2.2.2 主轴轴承的配臵形式
主轴滚动轴承配臵形式
(1)图a所示的结构配臵形式是现代数控机床主
轴结构中刚性最好的一种。它使主轴的综合刚
度得到大幅度提高，可以满足强力切削的要求， 所以目前各类数控机床的主轴普遍采用这种配 臵形式；
(2)图b前支承采用3个超精密级角接触球轴承组合
电主轴的关键技术
在高速主轴轴承的研制 主轴电机及控制技术 高速和高精度情况下的冷却技术和振动的抑制 主轴零件与电机的装配问题
高速主轴轴承
高速高刚度 设计非常高精度的主轴而言, 很高的DmN值(指主轴 轴承的平均直径(mm)与主轴与的极限转速(r/min) 的乘积值), 应该满足在要求的转速下的DmN值。
数控技术
第二章 数控机床的主传动 系统
第二章
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
数控机床的主传动系统
2.1 对主传动系统的基本要求和变速方式
2.2 数控机床的主轴部件 2.3 典型数控机床的主轴部件
2.4 高速主轴系统和电主轴
2.1 对主传动系统的基本要求和变速方式
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。结构较普通机床主传动系统简单，因为大部分或全部变速功 能由主轴电机的无级调速来承担。省去了复杂的齿轮变速机构。
国外高速电主轴技术发展
世界著名的机床电主轴功能部件制造商（系列化、标准化） 美国福特公司和Ingersoll公司联合推出的HVM800卧式加工 中心的大功率电主轴最高转速达15000r/min，由静止升至最 高转速仅需15s。
瑞士IBAG公司技术领先，被公认为代表了行业的发展趋势
电主轴最大转速可达140000r/min ,直径范围33到300mm, 功率范围125W-80kW，扭矩范围0.02 一300Nm
车床夹具
夹具一般使用各种卡盘
如图2-17a所示，液压卡盘固定安装在主轴前端，回转液压缸1与接套5用 螺钉7连接，接套通过螺钉与主轴后端面连接，使回转液压缸随主轴一起转 动。卡盘的夹紧与松开由回转液压缸通过一根空心拉杆2来驱动，拉杆后端 与液压缸内的活塞6用螺纹连接，连接套3的 两端螺纹分别与拉杆2和滑套4 连接。图3-15b为卡盘内楔形机构示意图，当液压缸内的压力油推动活塞和 拉杆向卡盘方向移动时，滑套4向右移动，由于滑套上楔形槽的作用，使得 卡爪座11带着卡爪12沿径向向外移动，则卡盘松开。反之液压缸内的压力 油推动活塞和拉杆向主轴后端移动时，通过楔形机构，使卡盘夹紧工件。 卡盘体9用螺钉10固定安装在主轴前端。8为回转液压缸的箱体。