1、第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 一、一、传动系统的特点传动系统的特点数控机床与普通机床比较，有下列特点：数控机床与普通机床比较，有下列特点：1.1.所选用电机的区别：目前，数控机床的主所选用电机的区别：目前，数控机床的主传动电机已不再采用普通的交流异步电机或传动电机已不再采用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机，它们已逐步被新型的传统的直流调速电机，它们已逐步被新型的交流调速电机和直流调速电机所代替。交流调速电机和直流调速电机所代替。2.转速高、功率大：它能使数控机床进行大转速高、功率大：它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。功率切削和高速切削，实现
2、高效率加工。第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 3.3.变速范围大：数控机床的主传动系统要求变速范围大：数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，一般有较大的调速范围，一般R R0 0100100，以保证加，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。的生产率、加工精度和表面质量。4.主轴速度的变换迅速可靠：数控机床的变主轴速度的变换迅速可靠：数控机床的变速是按照控制指令自动进行的。由于直流和速是按照控制指令自动进行的。由于直流和交流主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能交流主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能够方
3、便地实现宽范围的无级变速，而且减少够方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 2 2 数控机床主轴变速方式数控机床主轴变速方式 数控机床主传动主要有以下三种配置方数控机床主传动主要有以下三种配置方式，。式，。1.带有变速齿轮的主传动带有变速齿轮的主传动 2.通过带传动的主传动通过带传动的主传动 3.调速电机直接驱动的主传动调速电机直接驱动的主传动 如图如图2-22所示所示第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的
4、主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 1.带有变速齿轮的主传动带有变速齿轮的主传动 通过几对齿轮降速，成为分段无级变速，通过几对齿轮降速，成为分段无级变速，确保低速时有足够的扭矩，以满足主轴输出确保低速时有足够的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。滑移齿轮的位移常采用液扭矩特性的要求。滑移齿轮的位移常采用液压拨叉或直接有液压缸带动齿轮来实现。这压拨叉或直接有液压缸带动齿轮来实现。这种配置方式在大中型数控机床中应用较多，种配置方式在大中型数控机床中应用较多，也有一部分小型数控机床采用这种传动方式，也有一部分小型数控机床采用这种传动方式，获得强力切削需要的扭矩。如图获得强
5、力切削需要的扭矩。如图2-22a所示所示 第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 图图222 a b c第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 2.通过带传动的主传动通过带传动的主传动 同步带传动是一种综合了带、链传动同步带传动是一种综合了带、链传动优点的新型传动。带的工作面及带轮外圆优点的新型传动。带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，做无滑动的啮合传动。带内采用了承载后做无滑动的啮合传动。带内采用了承载
6、后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使主、从动带轮做无相对滑动节距不变，使主、从动带轮做无相对滑动的同步传动。如图的同步传动。如图2-22b所示。所示。图图2-22数控机床主传动的配置方式数控机床主传动的配置方式 第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 3.调速电机直接驱动的主传动调速电机直接驱动的主传动 这种传动方式大大简化了主轴箱与这种传动方式大大简化了主轴箱与主轴的结构，提高了主轴部件的刚度。主轴的结构，提高了主轴部件的刚度。但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴但主轴输出扭矩
7、小，电动机发热对主轴影响较大。近年来，多采用交流伺服电影响较大。近年来，多采用交流伺服电动机，它的功率一般很大，工作效率也动机，它的功率一般很大，工作效率也高。如图高。如图2-22c所示。所示。第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 三三 、主传动的基本要求、主传动的基本要求 数控机床和普通机床一样，主传动数控机床和普通机床一样，主传动系统也必须通过变速，才能使主轴获得系统也必须通过变速，才能使主轴获得不同的转速，以适应不同的加工要求。不同的转速，以适应不同的加工要求。并且在变速的同时，还要求传递一定的并且在变速的同时，还要求
8、传递一定的功率和足够的转矩，满足切削的需要。功率和足够的转矩，满足切削的需要。数控机床作为高度自动化的设备，它对数控机床作为高度自动化的设备，它对主传动系统的基本要求有以下几点主传动系统的基本要求有以下几点 第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 为了达到最佳切削效果，一般都应在最为了达到最佳切削效果，一般都应在最佳切削条件下工作，因此，主轴一般都要求佳切削条件下工作，因此，主轴一般都要求能实现无级变速。能实现无级变速。要求机床主轴系统必须具有足够高的转要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率，以适应高速、高效的加速
9、和足够大的功率，以适应高速、高效的加工要求。工要求。为了降低噪声、减少发热、减少振动，为了降低噪声、减少发热、减少振动，主传动系统应简化结构，减少传动件。主传动系统应简化结构，减少传动件。第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 在加工中心上，还必须具有安装刀具和在加工中心上，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、机向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。械手的正确啮合。为了扩大机床功能，实现对为了扩大机床功能，实现对C轴
10、位置轴位置（主轴回转角度）的控制，主轴还需要安装（主轴回转角度）的控制，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。位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制。第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 四四 主轴的联结形式主轴的联结形式 1.1.用辅助机械变速机构联接用辅助机械变速机构联接 在大、中型数控机床上，为了使主轴在低速在大、中型数控机床上，为了使主轴在低速时获得大转矩和扩大恒功率调速范围，通常在时获得大转矩和扩大恒功率调速范围，通常在使用无级变速传动的基础上，再增加两级或三使用无级变速传动的基础上，再增加两级或三
11、级辅助机械变速机构作为补充。级辅助机械变速机构作为补充。它使主轴的低速输出扭矩提高它使主轴的低速输出扭矩提高了了4倍，恒功倍，恒功率范围由原来率范围由原来的的1：4增加到了增加到了1：16，而主轴的，而主轴的最高转速仍保持最高转速仍保持6000 r/min不变不变。第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 图图2-23主轴输出转矩、功率曲线主轴输出转矩、功率曲线 第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 2.定传动比的联结形式定传动比的联结形式 在小型数控机床上，
12、主电动机和主轴一在小型数控机床上，主电动机和主轴一般采用定传动比的联结形式，或是主电动机般采用定传动比的联结形式，或是主电动机和主轴直接联结的形式。在使用定传动比传和主轴直接联结的形式。在使用定传动比传动时，为了降低噪声与振动，通常采用动时，为了降低噪声与振动，通常采用V带带或同步皮带传动。电动机和主轴直接联结的或同步皮带传动。电动机和主轴直接联结的形式，可以大大简化主轴传动系统的结构，形式，可以大大简化主轴传动系统的结构，有效提高主轴刚度和可靠性。有效提高主轴刚度和可靠性。第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 3.采用电主
13、轴采用电主轴 在高速加工机床上，大多数使用电动机转在高速加工机床上，大多数使用电动机转子和主轴一体的电主轴，可以使主轴达到每分子和主轴一体的电主轴，可以使主轴达到每分钟数万转、甚至十几万转的高速，主轴传动系钟数万转、甚至十几万转的高速，主轴传动系统的结构更简单、刚性更好。统的结构更简单、刚性更好。第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 五、主轴部件的支承五、主轴部件的支承 主轴部件是数控机床的关键部件之一，主轴部件是数控机床的关键部件之一，它直接影响机床的加工质量。主轴部件包括它直接影响机床的加工质量。主轴部件包括主轴的支承、
14、安装在主轴上的传动零件等。主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。1.1.主轴轴承主轴轴承数控机床的主轴一般都采用滚动轴承作为支数控机床的主轴一般都采用滚动轴承作为支承，承，图图2-24所示为主轴的几种滚动轴承所示为主轴的几种滚动轴承。第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 图图2-24所示为主轴的几种滚动轴承。所示为主轴的几种滚动轴承。第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 轴承的性能比较见表轴承的性能比较见表第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动
15、系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 2.轴承的配置轴承的配置 合理配置轴承，可以提高主轴精度，降低合理配置轴承，可以提高主轴精度，降低温升，简化支承结构。在数控机床上配置轴温升，简化支承结构。在数控机床上配置轴承时，前后轴承都应承受径向载荷，支承间承时，前后轴承都应承受径向载荷，支承间的距离要选择合理，并根据机床的实际情况的距离要选择合理，并根据机床的实际情况配置承受轴向力的轴承。图配置承受轴向力的轴承。图2-25是几种常见的是几种常见的轴承配置形式示意图。轴承配置形式示意图。第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床
16、的机械结构 图图2-25 几种常见的轴承配置形式示意图几种常见的轴承配置形式示意图第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 六六 电主轴与高速主轴系统电主轴与高速主轴系统 在高速加工机床上，大多数使用电动机在高速加工机床上，大多数使用电动机转子和主轴一体的电主轴，可以使主轴达到转子和主轴一体的电主轴，可以使主轴达到每分钟数万转、甚至十几万转的高速，主轴每分钟数万转、甚至十几万转的高速，主轴传动系统的结构更简单、刚性更好。电主轴传动系统的结构更简单、刚性更好。电主轴最早应用于磨床上，随着高速加工机床的发最早应用于磨床上，随着高速加
17、工机床的发展，电主轴以其卓越的高速性能，被广泛用展，电主轴以其卓越的高速性能，被广泛用于其他数控机床。于其他数控机床。第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 1.电主轴的主要特点电主轴的主要特点 主轴部件采用电主轴的传动方式有以下特主轴部件采用电主轴的传动方式有以下特点：点：(1 1)机械结构最为简单，传动惯量小，因机械结构最为简单，传动惯量小，因而快速响应性好，能实现极高的速度、加而快速响应性好，能实现极高的速度、加（减）速度和定角度的快速准停（减）速度和定角度的快速准停（C C轴控制）。轴控制）。(2)通过采用交流变频调速
18、或磁场矢量控通过采用交流变频调速或磁场矢量控制的交流主轴驱动装置，输出功率大，调速制的交流主轴驱动装置，输出功率大，调速范围宽，并有比较理想的转矩范围宽，并有比较理想的转矩功率特性。功率特性。第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 (3)3)可以实现了主轴部件的单元化。电主可以实现了主轴部件的单元化。电主轴可独立做成标准功能部件，并由专业厂进行轴可独立做成标准功能部件，并由专业厂进行系列化生产；机床生产厂只需根据用户的不同系列化生产；机床生产厂只需根据用户的不同要求进行选用，可很方便的组成各种性能的高要求进行选用，可很方便的组
19、成各种性能的高速机床，符合现代机床设计模块化的发展方向。速机床，符合现代机床设计模块化的发展方向。(4)(4)电主轴的制造工艺的要求非常严格。电主轴的制造工艺的要求非常严格。新的技术难题，诸如内置电动机的散热、高速新的技术难题，诸如内置电动机的散热、高速主轴的动平衡、主轴支撑及其润滑方式的合理主轴的动平衡、主轴支撑及其润滑方式的合理设计等问题，须妥善地得到解决，才能确保主设计等问题，须妥善地得到解决，才能确保主轴稳定可靠地高速运转，实现高效精密加工。轴稳定可靠地高速运转，实现高效精密加工。第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构
20、 2 2 电主轴的安装形式电主轴的安装形式(1)(1)主电动机置于主轴前、后轴承之间。这种主电动机置于主轴前、后轴承之间。这种方式的优点是：主轴单元的轴向尺寸较短，方式的优点是：主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度高，出力大，较适用于中、大型高主轴刚度高，出力大，较适用于中、大型高速加工中心，目前大多数加工中心都采用这速加工中心，目前大多数加工中心都采用这种结构形式。种结构形式。(2)主电动机置于主轴后轴承之后，即主轴主电动机置于主轴后轴承之后，即主轴箱和主电动机作轴向的同轴布置（有的用联箱和主电动机作轴向的同轴布置（有的用联轴器）。这种布局方式有利于减少电主轴前轴器）。这种布局方式有利于减少电主
21、轴前端的径向尺寸，电动机的散热条件也较好。端的径向尺寸，电动机的散热条件也较好。第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构(3)(3)电主轴的发热及其解决方法电主轴的发热及其解决方法 与一般的主轴部件不同，电主轴最突出与一般的主轴部件不同，电主轴最突出的问题之一是内藏式高速主电动机的发热。的问题之一是内藏式高速主电动机的发热。由于主电动机旁边就是主轴轴承，电动机的由于主电动机旁边就是主轴轴承，电动机的发热会直接降低轴承的工作精度。发热会直接降低轴承的工作精度。为此，电主轴一般都采用外循环油为此，电主轴一般都采用外循环油水水冷却系统
22、进行冷却。冷却系统进行冷却。第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 高速主轴系统的轴承配置要求高速主轴系统的轴承配置要求 提高轴承尺寸公差及旋转精度，以适应高提高轴承尺寸公差及旋转精度，以适应高精度切削要求。精度切削要求。采用角接触球轴承取代圆柱滚子轴承和推采用角接触球轴承取代圆柱滚子轴承和推力球轴承，也承受径向和轴向载荷，并适应高力球轴承，也承受径向和轴向载荷，并适应高速切削的需要。速切削的需要。应减少径向截面尺寸，以减少主轴系统的应减少径向截面尺寸，以减少主轴系统的体积，并有利于系统的热传导体积，并有利于系统的热传导。第四
23、节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 应尽量采用小而多的滚动体，以减少高应尽量采用小而多的滚动体，以减少高速旋转惯性力并提高轴系的动刚度。速旋转惯性力并提高轴系的动刚度。采用高强度、轻质保持架，选用合理的采用高强度、轻质保持架，选用合理的引导方式，以适应高速旋转。引导方式，以适应高速旋转。尽量采用配对轴承，以保证轴承的旋转尽量采用配对轴承，以保证轴承的旋转精度与刚度。精度与刚度。第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 七七 主轴部件的结构主轴部件的结构 机床主轴
24、部件的结构根据不同的机床有较机床主轴部件的结构根据不同的机床有较大的差别，图大的差别，图2-26和图和图2-27是两种卧式车床的是两种卧式车床的主轴部件结构图。如图主轴部件结构图。如图2-26，是主轴和电动机，是主轴和电动机间采用的是传动带联结的定传动比传动方式；间采用的是传动带联结的定传动比传动方式；如图如图2-27，是采用了电主轴。，是采用了电主轴。第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 图图 2-26第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 第四节第四节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 图图227第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构
