数控机床主传动系统
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第四章 数控机床主传动系统
（c）双列圆锥滚子轴 承。这种轴承的特点 是内、外列滚子数量 相差一个，能使振动 频率不一致，因此， 可以改善轴承的动态 性能。轴承可以同时 承受径向载荷和轴向 载荷，通常用作主轴 的前支承。
（d）带凸肩的双列圆 锥滚子轴承。结构 和图（c）相似，特 点是滚子被做成空 心，故能进行有效 润滑和冷却；此外， 还能在承受冲击载 荷时产生微小变形， 增加接触面积，起 到有效吸振和缓冲 作用。
4. 电主轴
电主轴又称内装式主轴电机，即主轴与电机转子 合为一体，其优点是主轴部件结构紧凑、重量轻、惯 量小，可提高启动、停止的响应特性，利于控制振动 和噪声。转速高，目前最高可达200000 r/min。其缺 点是电机运转产生的振动和热量将直接影响到主轴， 因此，主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是内装 式电机主轴的关键问题
①轴承类型
（a） 锥孔双列圆柱滚子轴承：内 圈为1：12的锥孔，当内圈沿锥 形轴轴向移动时，内圈胀大，可 以调整滚道间隙。滚子与内外圈 线性接触，承载能力大，刚性好。 允许极限转速较高。对箱体孔、 主轴颈的加工精度要求高，且只 能承受径向载荷。
（b）双列推力向心球轴 承，接触角为60°。球 径小、数量多，允许转 速高，轴向刚度较高， 能承受双向轴向载荷。 该种轴承一般与双列圆 柱滚子轴承配套用作主 轴的前支承。
（e）高速电主轴轴承：
随着速度的提高，轴承的温度升高，离心力增加, 振动和噪声增大，寿命降低。
可采用磁浮轴承、液体动静压轴承、陶瓷球轴承 三种形式。磁浮轴承的高速性能好、精度高，容 易实现诊断和在线监控，但电磁测控系统过于复 杂。液体动静压轴承综合了液体静压轴承和液体 动压轴承的优点，但这种轴承必须根据具体机床 专门进行设计，单独生产，标准化程度低，维护 保养也困难。
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。
第3章数控机床主传动系统设计
3.3无级变速传动链的设计
数控机床的主运动广泛采用无级变速 。 无级变速优势： 在一定范围内，转速(或速度)能连续地变 换，从而获取最有利的切削速度。 数控机床一般都采用由直流或调速电动 机作为驱动源的电气无级调速。
(2)主要设计内容:
拟定结构式或结构网; 拟定转速图， 拟定各传动副的传动比; 确定带轮直径、齿轮齿数; 布置、排列齿轮，绘制传动系统图。
3. 2 分级变速主传动系统设计
3. 2. 1转速图的概念
转速图由“三线一点”组成，即传动轴线、转速 线、传动线和转速点。
3. 2 分级变速主传动系统设计
由Z, φ, n1可知主轴的各级转速应为: 31.5, 45, 63, 90, 125, 180, 250，500、710、 1000、1400。
2)变速组和传动副数的确定 :
变速组和传动副数可能的方案有: 12=4×3 12=3×4 12=3×2×2 12=2×3×2 12=2×2×3
3. 2 分级变速主传动系统设计
②绘制转速图: A、 本例所选定的结构式共有三个变速 组，变速机构共需4根轴，加上电动机轴 共5根轴，(电动机到I轴为定比带传动)故 转速图需5条竖线。主轴共12级转速，电 动机轴转速与主轴最高转速相近，故需 12条横线。然后，标注主轴的各级转速 及电动机轴的转速。
3. 1 主传动系统设计概述
（2)按传动装置类型 可分为机械传动装置 液压传动装置 电气传动装置 以及它们的组合
3. 1 主传动系统设计概述
(3)按变速的连续性 可以分为分级变速传动和无级变速传动。 分级变速传动是在一定的变速范围内均 匀、离散地分布着有限级数的转速，变 速级数一般不超过20~30级。 分级变速传动方式有滑移齿轮变速、交 换齿轮变速和离合器(如摩擦片式、牙嵌 式、齿轮式离合器)变速。
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。
数控机床的主传动系统
联轴器直接与主轴联接
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 受电机的限制，随着主轴电机性能的提高，这种形式越来越多地被采用；
内装电机主轴
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，主轴转速高，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度 影响较大。
数控机床的主传动系统
1.1 主传动系统的结构与特点 1.数控机床的传动系统 在数控机床的主轴电机、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。由于现代数控机床常采用直 流或交流调速电机作为主运动的动力源，主要由电机实现主运 动的变速，使得数控机床的主传动系统的结构大大简化。
1）带有变速齿轮的主传动
排油泵强制排油到恒温邮箱，以达到润滑、冷却的目的。
2．主轴的密封
主轴的密封有接触式和非接触式两种。 接触式: 有摩擦和磨损，发热严重，用于低速主轴。 非接触式: 迷宫式和隙缝式，发热很小，应用广泛。 为保证密封作用，旋转部分与固定部分之间的径向间隙应小于
（a）主轴准停换刀
4.主轴组件的润滑与密封
1）主轴润滑 主轴润滑的作用减少摩擦，降低机床温度，是带走摩擦所产生的热量，
减少机床热变形。机床的润滑凡是主要有以下两种： （1）油气润滑方式。油气润滑是定时定量地把油雾送进轴承空隙中，这
种送油方式是间歇式的；而油雾润滑则是连续供给油雾。 （2）喷注润滑方式。它用较大流量的恒温油喷注到主轴轴承上，然后由
合机床的镗孔车端面头主轴组件。 （5）主轴作旋转运动又作行星运动的主轴组件。
2）主轴端部的结构
主轴端部用于安装刀具或夹持安装工件的夹具。其结构应保证 定位准确，夹紧牢固可靠，能传递足够大的扭矩，安装、拆卸 方便。主轴端部的结构已经标准化，如图3-4所示为六种通用 的结构形式。
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
01
高精度传动
数控机床主传动系统采用高精度轴承、齿轮等传动元件，确保主轴的高
精度旋转。高精度传动有助于提高加工精度和降低表面粗糙度。
02 03
动态稳定性
主传动系统具备良好的动态稳定性，能够抵抗各种外部干扰和切削力变 化。动态稳定性确保了机床在高速、重负荷切削条件下的稳定运行，提 高加工效率和成品率。
自动化加工
数控机床能够按照预先编程的加工程序，自动完成工件 的切削、钻孔、铣削等各种加工操作。
主传动系统的重要性
机床核心部件
主传动系统是数控机床的核心部件之一，它负责 将电机的动力传递给主轴，从而驱动刀具进行切 削加工。
加工精度和效率
主传动系统的性能直接影响到数控机床的加工精 度和加工效率，因此，对主传动系统进行深入研 究具有重要意义。
传动装置
功能Байду номын сангаас述
传动装置负责将主电机产生的动 力传递到变速机构或主轴，以实
现机床的切削加工。
常见类型
传动装置可采用带传动、链传动 、齿轮传动或同步带传动等方式
。
设计要点
在传动装置的设计过程中，需要 考虑传动效率、传动精度、噪音 、振动、抗冲击能力等因素，确 保传动装置能够满足机床的加工
精度和稳定性要求。
结构特点
主轴通常采用高精度轴承支撑，确保高速旋转时的稳定性 和精度。同时，主轴上还可能配备有冷却系统、润滑系统 、主轴电机等辅助装置。
性能要求
主轴应具有足够的刚度、抗震性和热稳定性，以确保在各 种切削条件下均能保持较高的加工精度和表面质量。
03
主传动系统的工作原理
电动机驱动
电动机选择
数控机床主传动系统通常采用交 流伺服电动机或直流伺服电动机 作为动力源，以满足高精度、高 速度和高刚度的要求。
第3章数控机床的主传动系统
第3章数控机床的主传动系统
THK6380加工中心主轴部件结构图
•拆•1234567891下..0拆将拆切拆抽.与分下主卸卸断下出主解液联主轴凸前机套主轴主压接轴向轮支床筒轴相轴缸座箱左，撑动、右连刀，螺盖移抽主力垫端的具及钉出出件电圈的气自相及凸主源、轴管动连联轮轴，碟向油•夹的接两拆拆簧定管紧油座边下位装管的卸主套置螺轴工前端艺盖、拆下主轴后端防护罩，
• 图3-41是CK7815型数控车床主轴部件结构图 • 拆卸及调整过程 • 拆卸与调整过程需要注意的事项
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第3章数控机床的主传动系统
•图3-41 CK7815型数控车床主轴部件结构图
•TIANJIN •中德培训中心
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第3章数控机床的主传动系统
•CK7815型数控车床主轴部件拆卸及调整过程
拨叉来完
成。图3-
3是三位
液压拨叉
的原理图。
•图3-3 三位液压拨叉工作原理图
•1、5－液压缸； 2－活塞杆； 3－拨叉； 4－套筒
。
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第3章数控机床的主传动系统
4．电磁离合器变速
电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件， 由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供
选用，因而它已成为自动装置中常用的操纵元件。
图3-1 主轴功率转矩特性
2．分段无级变速 (1)带有变速齿轮的主传动(见图3-2a)。 (2)通过带传动的主传动(见图3-2b) 。 (3)用两个电动机分别驱动主轴 (见图3-2c) 。
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第3章数控机床的主传动系统
3．液压拨叉变速机构
带有齿轮
传动的主
传动系统
中，齿轮
的换挡主
数控机床主传动系统
图3-1 VMC-15型加工中心的外形图 1—对刀仪 2—工作台(X，Y轴进给) 3—第四轴旋转头 4—刀库 5—防护装置 6—主轴箱(Z轴进给) 7—操作面板
数控机床主传动系统
• 课程导引 • （1）主传动系统
如图3-2所示为VMC-15加工中心的主传动结构，其主 传动路线为：交流主电动机(150～7500r／min无级调 速)→1∶1多楔带传动→主轴。
a)各种钻床
b)铣、镗床
c)外圆磨床、平面磨统
• 3.2 主轴及其部件结构
• 2.主轴的主要尺寸参数 • （1）主轴直径
主轴直径越大，其刚度越高，但增加直径使得轴承和 轴上其他零件的尺寸相应增大。轴承直径越大，同精度等 级的轴承公差值也越大，同时轴承极限转速下降，要保证 主轴的旋转精度就越困难。
• 3.1 数控机床的主轴系统
数控机床主传动系统
• 3.1.2 主传动变速的方式
•
数控机床主运动调速范围很宽，其主轴的传动变速方
式主要有以下几种：
图3-4 数控机床主传动的四种配置方式 a)齿轮变速 b)带传动 c)两个电动机分别驱动 d)电主轴
• 1.带有变速齿轮的主轴传动（分段无级变速）
数控机床主传动系统
数控机床结构与故障检修
Structure and maintenance of NC
第3章 数控机床主传动系统
The main drive system of NC
CONTENTS 目 录
一 数控机床的主轴系统 二 主轴及其部件结构 三 典型机床主轴结构
• 课程导引
数控机床主传动系统
如图所示VMC-15加工中 心，工作台行程X/Y/Z向 20in/16in/20in（ 1inc=25.4mm），快进速 度400in/min，主轴转速 150—7500r/min，定位精 度±0.0002in，主电机功 率11.2KW。
数控机床主传动系统
• 课程导引 • （1）主传动系统
如图3-2所示为VMC-15加工中心的主传动结构，其主 传动路线为：交流主电动机(150～7500r／min无级调 速)→1∶1多楔带传动→主轴。
a)各种钻床
b)铣、镗床
c)外圆磨床、平面磨统
• 3.2 主轴及其部件结构
• 2.主轴的主要尺寸参数 • （1）主轴直径
主轴直径越大，其刚度越高，但增加直径使得轴承和 轴上其他零件的尺寸相应增大。轴承直径越大，同精度等 级的轴承公差值也越大，同时轴承极限转速下降，要保证 主轴的旋转精度就越困难。
• 3.1 数控机床的主轴系统
数控机床主传动系统
• 3.1.2 主传动变速的方式
•
数控机床主运动调速范围很宽，其主轴的传动变速方
式主要有以下几种：
图3-4 数控机床主传动的四种配置方式 a)齿轮变速 b)带传动 c)两个电动机分别驱动 d)电主轴
• 1.带有变速齿轮的主轴传动（分段无级变速）
数控机床主传动系统
数控机床结构与故障检修
Structure and maintenance of NC
第3章 数控机床主传动系统
The main drive system of NC
CONTENTS 目 录
一 数控机床的主轴系统 二 主轴及其部件结构 三 典型机床主轴结构
• 课程导引
数控机床主传动系统
如图所示VMC-15加工中 心，工作台行程X/Y/Z向 20in/16in/20in（ 1inc=25.4mm），快进速 度400in/min，主轴转速 150—7500r/min，定位精 度±0.0002in，主电机功 率11.2KW。
数控机床主传动系统概述
数控机床主传动系统概述主运动系统是指驱动主轴运动的系统，主轴是数控机床上带动刀具和工件旋转，产生切削运动的运动轴，它往往是数控机床上单轴功率消耗最大的运动轴。
其主要功用有：① 传递动力，传递切削加工所需要的动力；② 传递运动，传递切削加工所需要的运动；③ 运动掌握，掌握主运动运行速度的大小、方向和起停。
与进给伺服系统相比，它具有转速高、传递的功率大等特点，是数控机床的关键部件之一，对它的运动精度、刚度、噪声、温升、热变形都有较高的要求。
1.对主运动系统的要求动力功率高由于对高效率的要求日益增长，加之刀具材料和技术的进步，大多数NC机床均要求有足够高的功率来满意高速强力切削。
一般NC 机床的主轴驱动功率在3.7kW～250kW之间。
调速范围宽除了功率方面的要求外，还应使主轴转速具有足够大的调整范围。
调速范围是指最高转速与最低转速之比，即：Rn=nmax/nmin在主运动系统中调速范围有恒扭矩、恒功率调速范围之分，如图5-1所示，在基本转速(额定转速nc )以下是恒转速调速范围，通过调整电枢电压来实现，在nc以上是恒功率调速，通过调磁调速。
而且现在恒功率调速范围尽可能大，以便在尽可能低的速度下，利用其全功率(在低速时往往由于电流的限制，只能进行恒扭矩调速。
由于加工一些难加工材料所需求的转速范围相差很大，例如，钛需要低速加工，而铝合金材料却需要高速加工，而采纳齿轮变速箱扩大变速范围的方法已不能满意要求。
掌握功能的多样化由于NC机床的种类繁多，不同的机床对主轴功能有不同的要求。
如：NC车床车螺纹时要求有同步掌握功能；加工中心为了能进行自动换刀需要主轴准停功能；NC车床和NC磨床在进行端面加工时，为了保证端面加工的粗糙度要求，要求接触点处的线速度为恒值，需要恒线速切削功能；还有些NC机床有C轴掌握功能。
性能要求高对主轴电机的性能要求如下：①电机抗过载力量强，要求有较长时间(1～30min)和较大倍数的抗过载力量；②在断续负载下，电机转速波动要小；③速度响应要快，升降速时间要短；④电机温升低，振动和噪音小；⑤牢靠性高，寿命长，维护简单；⑥体积小，重量轻，与机床联接简单。
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。
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2.2.2 数控机床主传动系统配置方 • （１）带有变速齿式轮的主传动
• 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；
• 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
CNC
• 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
• 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；
CNC
CNC （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
CNC
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
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
CNC (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
CNC
• （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)。
CNC
•
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
CNC
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
• 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
C N C （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
柱滚子பைடு நூலகம்承。
CNC
•
图2-11 三支承数控车床主轴组件
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
CNC
（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 ；
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
CNC 2.2 主传动系统设计要求及配 • 2.2.1 主传动系统的置设计要求
• ② 转速 • 径向：向心球轴承→向心推力球轴承→圆锥滚子轴承
CNC
•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。
向载荷和60°角接触双列向心推力球轴承
CNC
•
图 2-7 主轴单元 (a) 速度型
CNC
• 图2-8 高速CNC车床主轴组件
CNC
• 图 2-7 主轴单元 (b) 刚度型
CNC
• 图2-9 CNC型车床主轴
CNC
• 图 2-7 主轴单元 (c) 刚度速度型
CNC
• 图2-10 卧式铣床主轴
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
CNC
•
图2-2 主轴端部的结构形
式
CNC
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
CNC
项目二 数控机床主传动系统
2.1 主轴变速方式 2.2 主轴支承配置及轴承预紧 2.3 高速电主轴
CNC
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
CNC
2.1 数控机床主传动系统的组成 • 功用：主传动系及统特是点用来实现机床主运
• 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；
• 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
CNC
• 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
• 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；
CNC
CNC （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
CNC
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
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
CNC (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
CNC
• （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)。
CNC
•
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
CNC
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
• 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
C N C （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
柱滚子பைடு நூலகம்承。
CNC
•
图2-11 三支承数控车床主轴组件
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
CNC
（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 ；
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
CNC 2.2 主传动系统设计要求及配 • 2.2.1 主传动系统的置设计要求
• ② 转速 • 径向：向心球轴承→向心推力球轴承→圆锥滚子轴承
CNC
•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。
向载荷和60°角接触双列向心推力球轴承
CNC
•
图 2-7 主轴单元 (a) 速度型
CNC
• 图2-8 高速CNC车床主轴组件
CNC
• 图 2-7 主轴单元 (b) 刚度型
CNC
• 图2-9 CNC型车床主轴
CNC
• 图 2-7 主轴单元 (c) 刚度速度型
CNC
• 图2-10 卧式铣床主轴
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
CNC
•
图2-2 主轴端部的结构形
式
CNC
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
CNC
项目二 数控机床主传动系统
2.1 主轴变速方式 2.2 主轴支承配置及轴承预紧 2.3 高速电主轴
CNC
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
CNC
2.1 数控机床主传动系统的组成 • 功用：主传动系及统特是点用来实现机床主运