数控机床主传动系统方案
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数控车床的主传动系统设计PPT
详细描述
在进行动态特性分析时，需要考虑主轴的转速、转矩和刚度等参数，以及传动系统的固有频率和阻尼比等特性。 通过分析这些参数，可以评估主传动系统在加工过程中的稳定性，预测可能出现的振动和噪声问题，并采取相应 的措施进行优化设计。
强度与刚度分析
总结词
强度与刚度分析是评估主传动系统在承受外力和变形时的性能表现，以确保系统的可靠性和稳定性。
总结词：传统设计
详细描述：该实例介绍了一种传统的数控车床主传动系统设计，主要采用齿轮传 动和链传动组合的方式，具有结构简单、可靠性高的优点，但效率较低，适用于 一般加工需求。
实例二：主传动系统的改进设计
总结词：优化设计
详细描述：该实例针对传统主传动系统的不足，进行了优化改进。采用新型轴承和材料，提高了传动效率和稳定性，减少了 维护成本，适用于高精度、高效率的加工需求。
设计目的和意义
设计目的
设计出高效、稳定、可靠的数控车床主传动系统，满足加工精度和效率的要求， 提高生产效率和产品质量。
意义
主传动系统设计的优劣直接影响到数控车床的性能和加工精度，进而影响到整个 机械制造行业的生产水平和产品质量。因此，对数控车床主传动系统进行合理设 计，对于提高机械制造行业的整体水平具有重要意义。
要点二
详细描述
在进行热特性分析时，需要考虑主轴的转速、切削力和材 料导热系数等参数。通过建立热传导模型，可以预测主传 动系统在不同工况下的温度变化和热变形情况。根据分析 结果，可以采取相应的散热措施和热补偿技术，提高系统 的热稳定性和加工精度。
06 主传动系统实例分析
实例一：某型号数控车床主传动系统设计
高耐磨材料
选用高耐磨材料，如陶瓷和硬质 合金，以提高主传动系统的使用 寿命和可靠性，减少维护成本。
在进行动态特性分析时，需要考虑主轴的转速、转矩和刚度等参数，以及传动系统的固有频率和阻尼比等特性。 通过分析这些参数，可以评估主传动系统在加工过程中的稳定性，预测可能出现的振动和噪声问题，并采取相应 的措施进行优化设计。
强度与刚度分析
总结词
强度与刚度分析是评估主传动系统在承受外力和变形时的性能表现，以确保系统的可靠性和稳定性。
总结词：传统设计
详细描述：该实例介绍了一种传统的数控车床主传动系统设计，主要采用齿轮传 动和链传动组合的方式，具有结构简单、可靠性高的优点，但效率较低，适用于 一般加工需求。
实例二：主传动系统的改进设计
总结词：优化设计
详细描述：该实例针对传统主传动系统的不足，进行了优化改进。采用新型轴承和材料，提高了传动效率和稳定性，减少了 维护成本，适用于高精度、高效率的加工需求。
设计目的和意义
设计目的
设计出高效、稳定、可靠的数控车床主传动系统，满足加工精度和效率的要求， 提高生产效率和产品质量。
意义
主传动系统设计的优劣直接影响到数控车床的性能和加工精度，进而影响到整个 机械制造行业的生产水平和产品质量。因此，对数控车床主传动系统进行合理设 计，对于提高机械制造行业的整体水平具有重要意义。
要点二
详细描述
在进行热特性分析时，需要考虑主轴的转速、切削力和材 料导热系数等参数。通过建立热传导模型，可以预测主传 动系统在不同工况下的温度变化和热变形情况。根据分析 结果，可以采取相应的散热措施和热补偿技术，提高系统 的热稳定性和加工精度。
06 主传动系统实例分析
实例一：某型号数控车床主传动系统设计
高耐磨材料
选用高耐磨材料，如陶瓷和硬质 合金，以提高主传动系统的使用 寿命和可靠性，减少维护成本。
第三章数控机床的主传动系统
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人轴承滚道处。
第三章 数控机床的主传动系统
(3)突入滚道式润滑方式 如图3—10所示为适应该要求而设计的特殊轴承。 润滑油的进油口在内滚道附近，利用高速轴承的泵 效应，把润滑油吸人滚道。
若进油口较高，则泵效应差，当进油接近外滚道 时则成为排放口了，油液将不能进入轴承内部。
第三章 数控机床的主传动系统
3．冷却润滑技术的研究 过去，加工中心机床主轴轴承大都采用油脂润滑方 式，为了适应主轴转速向更高速化发展的需要，新 的冷却润滑方式相继开发出来，见表3—2。
第三章 数控机床的主传动系统
第一章 数控机床概述
(1)油气润滑方式 这种润滑方式不同于油雾方式， 油气润滑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。图3—8是油气润滑 原理图。
1．主轴部件常用滚动轴承的类型 图3—13a为锥孔双列圆柱滚子轴承，内圈 为1：12的锥孔，当内圈沿锥形轴颈轴向移 动时，内圈胀大以调整滚道的间隙。滚子数 目多，两列滚子交错排列，因而承载能力大， 刚性好，允许转速高。它的内、外圈均较薄， 因此，要求主轴颈与箱体孔均有较高的制造 精度，以免轴颈与箱体孔的形状误差使轴承 滚道发生畸变而影响主轴的旋转精度。该轴 承只能承受径向载荷。
第一章 数控机床概述
(2)热变形 电动机、主轴及传动件都是热源。低温升、小
的热变形是对主传动系统要求的重要指标。 (3)主轴的旋转精度和运动精度
主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转 动条件下测量主轴前端和距离前端300mm处的径 向圆跳动和端面圆跳动值。主轴在工作速度旋转时 测量上述的两项精度称为运动精度。数控机床要求 有高的旋转精度和运动精度。
第三章 数控机床的主传动系统
(3)突入滚道式润滑方式 如图3—10所示为适应该要求而设计的特殊轴承。 润滑油的进油口在内滚道附近，利用高速轴承的泵 效应，把润滑油吸人滚道。
若进油口较高，则泵效应差，当进油接近外滚道 时则成为排放口了，油液将不能进入轴承内部。
第三章 数控机床的主传动系统
3．冷却润滑技术的研究 过去，加工中心机床主轴轴承大都采用油脂润滑方 式，为了适应主轴转速向更高速化发展的需要，新 的冷却润滑方式相继开发出来，见表3—2。
第三章 数控机床的主传动系统
第一章 数控机床概述
(1)油气润滑方式 这种润滑方式不同于油雾方式， 油气润滑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。图3—8是油气润滑 原理图。
1．主轴部件常用滚动轴承的类型 图3—13a为锥孔双列圆柱滚子轴承，内圈 为1：12的锥孔，当内圈沿锥形轴颈轴向移 动时，内圈胀大以调整滚道的间隙。滚子数 目多，两列滚子交错排列，因而承载能力大， 刚性好，允许转速高。它的内、外圈均较薄， 因此，要求主轴颈与箱体孔均有较高的制造 精度，以免轴颈与箱体孔的形状误差使轴承 滚道发生畸变而影响主轴的旋转精度。该轴 承只能承受径向载荷。
第一章 数控机床概述
(2)热变形 电动机、主轴及传动件都是热源。低温升、小
的热变形是对主传动系统要求的重要指标。 (3)主轴的旋转精度和运动精度
主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转 动条件下测量主轴前端和距离前端300mm处的径 向圆跳动和端面圆跳动值。主轴在工作速度旋转时 测量上述的两项精度称为运动精度。数控机床要求 有高的旋转精度和运动精度。
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。
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（2）主轴准停装置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。
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尼也较小，容易引起振动和噪声； • 径向尺寸比滑动轴承大。
（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。
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
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
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
（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。
图2-8 高速CNC车床主轴组件
图 2-7 主轴单元 (b) 刚度型
图2-9 CNC型车床主轴
图 2-7 主轴单元 (c) 刚度速度型
图2-10 卧式铣床主轴
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。
（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。
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
（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。
• 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。
（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)。
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
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）
图 2-7 主轴单元 (a) 速度型
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 + P3 Ps =恒量 P3
上油腔1：节流器的压力降P1增大 ∵ Ps = P1 + P1 Ps =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。
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。
⑥磁浮轴承
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
(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
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
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Leabharlann （8） 主轴滚动轴承的预紧
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。
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
a1
L L
aa
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
b1
a L
b
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
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。
•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。
（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）
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。
车削中心的传动系统
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” 。
图2-2 主轴端部的结构形式
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
图2-14 角接触球轴承的预紧控制
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。
（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。
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
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
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
（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。
图2-8 高速CNC车床主轴组件
图 2-7 主轴单元 (b) 刚度型
图2-9 CNC型车床主轴
图 2-7 主轴单元 (c) 刚度速度型
图2-10 卧式铣床主轴
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。
（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。
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
（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。
• 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。
（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)。
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
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）
图 2-7 主轴单元 (a) 速度型
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 + P3 Ps =恒量 P3
上油腔1：节流器的压力降P1增大 ∵ Ps = P1 + P1 Ps =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。
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。
⑥磁浮轴承
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
(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
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
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Leabharlann （8） 主轴滚动轴承的预紧
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。
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
a1
L L
aa
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
b1
a L
b
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
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。
•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。
（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）
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。
车削中心的传动系统
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” 。
图2-2 主轴端部的结构形式
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
图2-14 角接触球轴承的预紧控制
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。