第七章 数控机床的主运动部件

1. 数控技术 第七章 数控机床的主运动部件 长江大学机械工程学院

2. 本章主要内容 一、对主轴驱动的要求 二、主轴驱动装置和主轴部件功率特性的匹配 三、数控机床主轴传动方式、特点及应用范围 四、主轴的支承方式 五、数控机床主轴的密封与润滑 六、数控机床典型主轴部件

3. 一、对主轴驱动的要求

4. 1．调速范围足够大 • 数控机床主轴驱动要求有较大的调速范围，以满足各种工况的切削，获得最合理的切削速度，从而保证加工精度、加工表面质量及高的生产效率。特别是对于具有自动换刀装置的加工中心，为适应各种刀具、各种材料的加工，对主轴的调速范围要求更高。

5. 2．实现无级变速 • 数控机床主轴的速度是由数控加工程序中的Ｓ指令控制的，要求能在较大的转速范围内进行无级调速。 一般要求主轴具备 1∶（100～1000）的恒转矩调速范围； 1∶10的恒功率调速范围。

6. 3．主传动要求有四象限的驱动能力 • 数控机床要求主轴在正、反转动时均可进行加减速控制，即要求主轴有四象限驱动能力，并尽可能缩短加减速时间。

7. 4．车削中心上，要求主轴具有C轴控制功能 • 在车削中心上，为了使之具有螺纹车削功能，要求主轴与进给驱动实行同步控制，即主轴具有旋转进给轴（C轴）的控制功能。

8. 5．加工中心上要求主轴具有准停功能 • 在加工中心上自动换刀时，主轴须停止在一个固定不变的方位上，以保证换刀位置的准确以及某些加工工艺的需要，即要求主轴具有高精度的准停功能。

9. 6．具有恒线速度切削控制功能 • 利用车床和磨床进行工件端面加工时，为了保证端面加工时粗糙度的一致性，要求刀具切削的线速度为恒定值。 • 随着刀具的径向进给，切削直径的逐渐减小，应不断提高主轴转速，并维持线速度Ｖ＝nπD为常数，式中Ｖ是切削线速度，ｎ为主轴转速，Ｄ为加工时切削直径。在控制系统中，Ｄ可由坐标轴的进给量算出，然后计算出对应的主轴转速ｎ，以保证切削的线速度保持不变。

10. 对主轴驱动的要求： 1．调速范围足够大 2．实现无级变速 3．主传动要求有四象限的驱动能力 4．车削中心上，要求主轴具有C轴控制功能 5．加工中心上要求主轴具有准停功能 6．具有恒线速度切削控制功能 下面介绍： 主轴驱动装置和主轴部件功率特性的匹配

11. 二、主轴驱动装置和主轴部件功率特性的匹配

12. 分级变速箱 • 数控机床的主轴驱动常采用直流复励电动机和交流变频电动机，并实现无级变速。由于电机功率和扭矩特性一般不能满足机床主轴的使用要求，因此需要通过一个中间装置来协调驱动电机和机床主轴部件的功率和扭矩特性，这个中间装置便是分级变速箱。

13. 1．直流电动机的无级调速 直流电动机是采用调压和调磁方式来得到主轴所需的转速。其调速范围与功率特性如图所示。 功率特性曲线

14. 1．直流电动机无级调速 • 恒扭矩调速 电机从最低转速至额定转速，是通过调节电枢电压，保持励磁电流恒定的方法进行调节。 起动力矩大，响应快，能满足低速切削需要。 • 恒功率调速 从额定转速至最高转速，是通过改变励磁电流，从而改变励磁磁通，保持电枢电压恒定的方法进行调速。

15. 2．交流电动机无级调速 • 调频调速 交流电动机一般为笼式感应电动机结构，体积小，转动惯性小，动态响应快，且无电刷，因而最高转速不受火花限制。 全封闭结构，具有空气强冷，保证高转速和较强的超载能力，具有很宽的调速范围。 • 例 兰州电机厂生产的额定转速为1500r/min或2000r/min的交流调速电机，恒功率调速范围可达1：4或1：5。

16. 交流调速电动机功率特性曲线

17. 3．主轴驱动电机和主轴部件功率特性匹配 • 数控机床主轴运动的传动，电动机和主轴的功率特性必须相匹配。由于主轴要求的恒功率变速范围Rnp远大于电动机的恒功率变速范围Rdp，所以在电动机和主轴之间要串联一个分级变速箱，以扩大其恒功率调速范围，满足低速大功率切削时对电动机的输出功率的要求。

18. 三、数控机床主轴传动方式、特点及应用范围

19. １．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。 • —般要求在中、高速段为恒功率传动，在低速段为恒转矩传动。 • 为了确保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，有的数控机床在交流或直流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，即解决电机驱动和主轴传动功率的匹配问题，使之成为分段无级变速。

20. 分段无级变速图例

21. 分段无级变速的特点 • 在带有齿轮变速的分段无级变速系统中，主轴的正、反向启动与停止、制动是由电动机实现的，主轴变速则由电动机无级变速与齿轮有级变速相配合来实现。 • 这种配置适合于大中型机床，确保主轴低速时输出大扭矩、高速时输出恒功率特性的要求。

22. 分段无级变速操纵方式 常用的变速操纵方式： • 液压拨叉 • 电磁离合器 下面介绍液压拨叉工作原理

23. １通油、５卸荷，滑移齿轮在最左侧 三位液压拨叉工作原理图 5通油、1卸荷，滑移齿轮在最右侧 1、5同时通油，滑移齿轮在中间 1，5 缸体 2活塞杆 3 拨叉 4套筒

24. 2．主轴带传动变速 主轴带传动变速主要是将电机的旋转运动通过带传动传递给主轴。 这种传动方式多见于数控车床和中、小型加工中心。 它可避免齿轮传动时引起的振动与噪声。

25. 带传动变速图例 传动带 主轴

26. 传动带类型 • 常用多楔带和同步带。 • 同步带又称为同步齿形带，按齿形不同又可分为梯形齿同步带和圆弧齿同步带两种。其中梯形齿多用在转速不高或小功率动力传动中，而圆弧齿多用在数控加工中心等要求较高的数控机床主运动传动系统中。 梯形齿 圆弧齿

27. 同步带特点 • 无滑动，传动比准确。 • 传动效率高，可达98﹪。 • 传动平稳，噪声小（具有吸振的功能）。 • 使用范围较广，速度可达50m/s，传动比可达10左右，传递功率由几瓦至数千瓦。 • 维修保养方便，不需要润滑。

28. 3．调速电机直接驱动主轴传动 • 数控机床—般采用直流或交流主轴伺服电动机直接驱动主轴实现无级变速。 • 交流主轴电动机及交流变频驱动装置（笼型感应交流电动机配置矢量变换变频调速系统），由于没有电刷不产生火花，所以使用寿命长，且性能已达到直流驱动系统的水平，甚至在噪声方面还有所降低。因此，目前应用较为广泛。

29. 电机直接驱动原理图

30. 主轴传递的功率或转矩与转速之间关系 • 图示中，当机床处在连续运转状态时，主轴的转速在437～3500r／min范围内，主轴传递电动机的全部功率为llkW，为主轴的恒功率区域Ⅱ(图中实线部分)。在这个区域内，主轴的最大输出扭矩(245N·m)随着主轴转速的增高而变小。 • 主轴转速在35～437r／min范围内，主轴的输出转矩不变，称为主轴的恒转矩区域Ⅰ(图中实线部分)。在这个区域内，主轴所能传递的功率随着主轴转速的降低而减小。

31. 内置电动机主轴变速 • 将调速电动机与主轴合成一体（电动机转子轴即为机床主轴），这是近年来新出现的一种结构。这种变速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，但主轴的输出转矩较小，电动机发热对主轴精度影响较大。

32. 以上介绍了数控机床主轴传动方式、特点及应用范围 。 下面将介绍： 主轴的支承方式

33. 四、主轴的支承方式

34. 1．数控机床主轴部件常用轴承类型（1） 锥孔双列圆柱滚子轴承 • 内圈为l∶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。 • 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。

35. 锥孔双列圆柱滚子轴承图例

36. 1．数控机床主轴部件常用轴承类型（1） 锥孔双列圆柱滚子轴承 • 内圈为l∶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。 • 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。

37. 1．数控机床主轴部件常用轴承类型（2） 双列推力向心球轴承 • 接触角60°，球径小，数目多，能承受双向轴向载荷。 • 磨薄中间隔套，可以调整间隙或预紧，轴向刚度较高，允许转速高。 • 该轴承一般与双列圆柱滚子轴承配套用作主轴的前支承，并将其外圈外径作成负公差，保证只承受轴向载

38. 双列推力向心球轴承图例

39. 1．数控机床主轴部件常用轴承类型（3） 双列圆锥滚子轴承 • 它有—个公用外圈和两个内圈，由外圈的凸肩在箱体上进行轴向定位，箱体孔可以镗成通孔。 • 磨薄中间隔套可以调整间隙或预紧，两列滚子的数目相差—个，能使振动频率不—致，明显改善了轴承的动态特性。 • 这种轴承能同时承受径向和轴向载荷，通常用作主轴的前支承。

40. 双列圆锥滚子轴承图例

41. 1．数控机床主轴部件常用轴承类型（4） 角接触球轴承（1） • 这种类型的轴承既可承受径向载荷，又可承受轴向载荷。 • 接触角有α=15°，α=25°和α=40°三种。15°接触角多用于轴向载荷较小，转速较高的场合；25°、40°接触角多用于轴向载荷较大的场合。 • 将内、外圈相对轴向位移，可以调整间隙，实现预紧。它们多用于高速主轴。

42. 角接触球轴承图例

43. 1．数控机床主轴部件常用轴承类型（5） 角接触球轴承（2） • 角接触球轴承有三种基本组合方式 图a为背靠背组合，图b为面对面组合，图c为同向组合。 • 这三种方式，两个轴承都共同承担径向载荷；图a和图b可承受双向轴向载荷；图c则只能承受单向载荷，但承载能力较大，轴向刚度较高。这种轴承还可以三联组配、四联组配。

44. a） b） c） 角接触球轴承成对使用时的几种安装方式 背靠背组合 面对面组合 同向组合

45. 2．主轴常见支承方式（1） • 前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力球轴承组合，后支承采用成对向心推力球轴承。 • 此配置可提高主轴的综合刚度，可满足强力切削的要求，普遍用于各类数控机床主轴。

46. 2．主轴常见支承方式（2） • 前支承采用高精度双列向心推力球轴承(如图b)。向心推力轴承有良好的高速性，主轴最高转速可达4000r/min，但它的承载能力小。适于高速，轻载，高精密的数控机床主轴。

47. 2．主轴常见支承方式（3） • 前后支承采用双列和单列圆锥滚子轴承。轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其是可承受较强的动载荷。安装，调整性能好，但这种支承方式限制了主轴转速和精度，所以用于中等精度，低速，重载的数控机床的主轴。

48. 数控机床主轴常见支承方式图例

49. 3．主轴支承的典型结构 （1） • 如图所示为数控车床主轴，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，适用于中等转速，能承受较大的切削负载，主轴刚性高。

50. 数控车床主轴支承图例