5.2数控机床的主运动系统
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（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
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。
16
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。
（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。
17
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，配作转子的精车工序。 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 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。
19
5.2 数控机床的主运动
（3） 解决电主轴的发热问题的措施
20
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。
6
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） 电机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。 主轴与电机转子为一体，称电主轴。 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。
C轴的控制方式：
主轴的回转位臵（转角）控制可进给伺服电机实现，也可以 由主轴电机实现，此时主轴的位臵（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。
11
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
PZ —主切削力（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： 最大功率（或扭矩）与运动速度之间的关系。
3
5.2 数控机床的主运动
恒扭矩输出：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 出功率较小的情况。
21
5.2 数控机床的主运动
（5）润滑方式
油脂润滑、油雾润滑和油气润滑等。
目前国际上最流行的是油气润滑。其原理是用微量泵定时 打出定量小油滴，经通过净化冷却的干燥空气润滑每个轴承 的润滑点。
润滑的注意事项：
润滑系统先于主轴启动而后于主轴停止运行。
油雾润滑、油气润滑时需注意压缩空气的干燥及洁净程 度。
22
5.2 数控机床的主运动
（6）电主轴发展趋势
高速度、高刚度、高精度、高可靠性；
高速大功率、低速大转矩；
电主轴内装电机性能和形式多样化；
轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化；
刀具接口提高刀具在高速下的应用性能；
电主轴的多功能和智能化。
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5.2 数控机床的主运动
课后思考
4
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
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 滑及温度控制装臵；成本 较高；制造和维修难。 应用：一般大中型铣床多 采用这种结构。
5
5.2 数控机床的主运动
（2）通过皮带传动的主传动 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。
nmax 1000vmax r/min d min
1000v n r/min d
nmax vmax dmax 主轴调速范围： Rn nmin vmin dmin
2
5.2 数控机床的主运动
（2）主运动的功率、转矩特性
主运动所需输出的功率：
Pz v Tn Nc 60000 955000 kw
4-永久磁铁 5-磁传感器
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5.2 数控机床的主运动
2. 刀具自动夹紧装臵、切屑清除装臵
自动换刀卧式镗床（镗铣加工中心）的主轴部件
10
5.2 数控机床的主运动
3. C轴控制与同步速度控制
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。
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5.2 数控机床的主运动
5.2.3 主轴典型控制功能 1. 主轴准停装臵 功能：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臵上。 机械式准停装臵：
机械准停装臵比较准确可 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
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5.2 数控机床的主运动
数
控
ຫໍສະໝຸດ Baidu
技
术
华中科技大学机械科学与工程学院
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
1
5.2 数控机床的主运动
5.2.1 主运动参数
（1）主轴转速和调速范围
主轴转速n（r/min）： 主轴的最低和最高转速：
nmin 1000vmin r/min d max
1. 主运动的传动方式有哪些？各自特点及应用？ 2. 主轴的功能有哪些？其相应的实现方式有哪些？
3. 查阅资料，了解电主轴的性能，以及其润滑、冷却
等方式。
24
结束
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。
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5.2 数控机床的主运动
电主轴
电主轴
13
5.2 数控机床的主运动
电主轴的结构
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5.2 数控机床的主运动
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5.2 数控机床的主运动
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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：电动机的发热和轴承的发热。
动机的发热：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。
电气式准停装臵： 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。 磁力传感器准停装臵工作原理： 数控装臵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臵上。
1-主轴 2-同步感应器 3-主轴电动机
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
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。
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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。
（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。
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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，配作转子的精车工序。 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 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。
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5.2 数控机床的主运动
（3） 解决电主轴的发热问题的措施
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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。
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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） 电机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。 主轴与电机转子为一体，称电主轴。 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。
C轴的控制方式：
主轴的回转位臵（转角）控制可进给伺服电机实现，也可以 由主轴电机实现，此时主轴的位臵（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。
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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
PZ —主切削力（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： 最大功率（或扭矩）与运动速度之间的关系。
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5.2 数控机床的主运动
恒扭矩输出：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 出功率较小的情况。
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5.2 数控机床的主运动
（5）润滑方式
油脂润滑、油雾润滑和油气润滑等。
目前国际上最流行的是油气润滑。其原理是用微量泵定时 打出定量小油滴，经通过净化冷却的干燥空气润滑每个轴承 的润滑点。
润滑的注意事项：
润滑系统先于主轴启动而后于主轴停止运行。
油雾润滑、油气润滑时需注意压缩空气的干燥及洁净程 度。
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5.2 数控机床的主运动
（6）电主轴发展趋势
高速度、高刚度、高精度、高可靠性；
高速大功率、低速大转矩；
电主轴内装电机性能和形式多样化；
轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化；
刀具接口提高刀具在高速下的应用性能；
电主轴的多功能和智能化。
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5.2 数控机床的主运动
课后思考
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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
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 滑及温度控制装臵；成本 较高；制造和维修难。 应用：一般大中型铣床多 采用这种结构。
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5.2 数控机床的主运动
（2）通过皮带传动的主传动 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。
nmax 1000vmax r/min d min
1000v n r/min d
nmax vmax dmax 主轴调速范围： Rn nmin vmin dmin
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5.2 数控机床的主运动
（2）主运动的功率、转矩特性
主运动所需输出的功率：
Pz v Tn Nc 60000 955000 kw
4-永久磁铁 5-磁传感器
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5.2 数控机床的主运动
2. 刀具自动夹紧装臵、切屑清除装臵
自动换刀卧式镗床（镗铣加工中心）的主轴部件
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5.2 数控机床的主运动
3. C轴控制与同步速度控制
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。
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5.2 数控机床的主运动
5.2.3 主轴典型控制功能 1. 主轴准停装臵 功能：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臵上。 机械式准停装臵：
机械准停装臵比较准确可 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
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5.2 数控机床的主运动
数
控
ຫໍສະໝຸດ Baidu
技
术
华中科技大学机械科学与工程学院
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
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5.2 数控机床的主运动
5.2.1 主运动参数
（1）主轴转速和调速范围
主轴转速n（r/min）： 主轴的最低和最高转速：
nmin 1000vmin r/min d max
1. 主运动的传动方式有哪些？各自特点及应用？ 2. 主轴的功能有哪些？其相应的实现方式有哪些？
3. 查阅资料，了解电主轴的性能，以及其润滑、冷却
等方式。
24
结束
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。
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5.2 数控机床的主运动
电主轴
电主轴
13
5.2 数控机床的主运动
电主轴的结构
14
5.2 数控机床的主运动
15
5.2 数控机床的主运动
18
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：电动机的发热和轴承的发热。
动机的发热：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。
电气式准停装臵： 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。 磁力传感器准停装臵工作原理： 数控装臵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臵上。
1-主轴 2-同步感应器 3-主轴电动机