數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)及主軸部件

徐曉峰機(jī)電工程系數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用

第一部分?jǐn)?shù)控機(jī)床

數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用項(xiàng)目一走近數(shù)控機(jī)床項(xiàng)目二數(shù)控機(jī)床的典型結(jié)構(gòu)項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件項(xiàng)目四數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)項(xiàng)目五數(shù)控機(jī)床的選用、安裝、調(diào)試和驗(yàn)收第二部分?jǐn)?shù)控原理

數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用項(xiàng)目六

計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）裝置項(xiàng)目七伺服驅(qū)動(dòng)裝置項(xiàng)目八數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置項(xiàng)目九數(shù)控系統(tǒng)中可編程控制器（PLC）

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件第一部分?jǐn)?shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床對(duì)主傳動(dòng)的要求主軸的傳動(dòng)形式和變速方式數(shù)控機(jī)床的主軸部件高速主軸

任務(wù)一對(duì)主傳動(dòng)的基本要求項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件主軸轉(zhuǎn)速高、調(diào)速范圍寬并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速主軸部件具有較大的剛度和較高的精度良好的抗振性和熱穩(wěn)定性數(shù)控機(jī)床主軸具有特有的刀具安裝結(jié)構(gòu)

任務(wù)二數(shù)控機(jī)床主軸的變速與傳動(dòng)項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件

主傳動(dòng)的變速方式

1.無(wú)級(jí)變速1）交、直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（早期-直流，現(xiàn)在-交流）2）變頻器帶變頻電動(dòng)機(jī)（經(jīng)濟(jì)型、普及型數(shù)控機(jī)床）3）電主軸（轉(zhuǎn)子和主軸一體，數(shù)萬(wàn)～十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘）

2.分段無(wú)級(jí)變速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)變速系統(tǒng)常常在無(wú)級(jí)變速電機(jī)之后串聯(lián)機(jī)械有級(jí)變速傳動(dòng)，以滿足機(jī)床要求的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩特性。

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件

主軸的傳動(dòng)形式

1.帶有變速齒輪的主傳動(dòng)通過(guò)兩對(duì)齒輪變速，使主軸獲得高、低兩檔變速范圍使之成為分段無(wú)級(jí)變速，大、中型數(shù)控機(jī)床采用較多。主軸電動(dòng)機(jī)主軸電動(dòng)機(jī)

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件

2.通過(guò)皮帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)1-強(qiáng)力層；2-帶齒；3-包布層；4-帶背主軸電機(jī)通過(guò)皮帶直接帶動(dòng)主軸，小型數(shù)控機(jī)床采用。常用的皮帶是同步齒形帶，綜合了帶、鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)主、從動(dòng)帶輪無(wú)相對(duì)滑動(dòng)的同步傳動(dòng)。主軸電動(dòng)機(jī)主軸電動(dòng)機(jī)

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件

3.兩個(gè)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸這是上述兩種方式的混合傳動(dòng)，具有上述兩種性能。高速時(shí)，電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶輪直接驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)；低速時(shí)，另一個(gè)電動(dòng)機(jī)通過(guò)兩級(jí)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。

4.高速主軸的主傳動(dòng)

1）直驅(qū)式高速主軸：電機(jī)軸與主軸用聯(lián)軸器聯(lián)接，大大簡(jiǎn)化了主軸箱和主軸結(jié)構(gòu)，有效提高了主軸部件剛度。

2）高速電主軸：由內(nèi)裝交流高頻伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速高、功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高轉(zhuǎn)速下可保持良好的動(dòng)平衡。

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件電主軸主軸電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)（一體化主軸，電主軸）

任務(wù)三主軸部件項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件

主軸部件的運(yùn)動(dòng)方式1）只做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（車(chē)床、銑床和磨床）2）既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又有軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（鉆床和鏜床）3）既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又有軸向調(diào)整移動(dòng)（滾齒機(jī)、部分立式銑床）4）既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又有徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（臥式鏜床）5）既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又做行星運(yùn)動(dòng)（新式內(nèi)圓磨床）行星運(yùn)動(dòng)的主軸1-主軸；2-支撐套；3-箱體；4-套筒；5-傳動(dòng)帶；6-蝸桿

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件

主軸1.主軸的主要尺寸參數(shù)1）主軸直徑直徑越大，剛性越高，保證旋轉(zhuǎn)精度就困難，極限轉(zhuǎn)速也下降。2）主軸內(nèi)孔直徑直徑越大，可通過(guò)棒料的直徑就越大，主軸部件越輕，空心主軸的剛度下降。3）懸伸長(zhǎng)度對(duì)主軸的剛度影響很大，越短剛度越好。4）支承跨度跨距對(duì)主軸綜合剛度的影響不是單向的，有一個(gè)最佳值，太大或太小都會(huì)降低主軸的綜合剛度。

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件2.主軸端部的結(jié)構(gòu)形式主軸端部用來(lái)安裝刀具或夾持工件的夾具，其結(jié)構(gòu)與其需實(shí)現(xiàn)的功能有關(guān)。在設(shè)計(jì)上，應(yīng)保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、聯(lián)接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的轉(zhuǎn)矩。主軸端部的結(jié)構(gòu)已標(biāo)準(zhǔn)化。數(shù)控車(chē)床數(shù)控銑、鏜床數(shù)控外圓磨床

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件3.主軸的材料主軸材料可根據(jù)強(qiáng)度、剛度、耐磨性、載荷特點(diǎn)和熱處理變形大小等因素來(lái)選擇。對(duì)于一般要求的機(jī)床主軸可用45鋼；當(dāng)載荷較大或存在較大的沖擊、或?yàn)闇p少熱處理后的變形，可選用合金鋼。

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件

主軸軸承數(shù)控機(jī)床的主軸多采用滾動(dòng)軸承，精度有E級(jí)（高級(jí)）、D級(jí)（精密級(jí)）、C級(jí)（特精級(jí)）和B級(jí)（超精級(jí)）四個(gè)等級(jí)。前支承的軸承精度一般比后支承的軸承精度高一個(gè)等級(jí)。一般數(shù)控機(jī)床前支承采用C、D級(jí)軸承，后支承則常采用D、E級(jí)軸承。特高精度的數(shù)控機(jī)床前后支承均用B級(jí)精度軸承。錐孔雙列圓柱滾子軸承雙列推力角接觸球軸承雙列圓錐滾子軸承帶凸肩的雙列圓柱滾子軸承

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件

主軸滾動(dòng)軸承的配置1.圖示的結(jié)構(gòu)配置形式是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)中剛性最好的一種。它使主軸的綜合剛度得到大幅度提高，可以滿足強(qiáng)力切削的要求，所以目前各類(lèi)數(shù)控機(jī)床的主軸普遍采用這種配置形式。向心推力球軸承雙列推力角接觸球軸承圓柱滾子軸承

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件2.前支承采用3個(gè)超精密級(jí)角接觸球軸承組合方式，具有較好的高速性能。后支承結(jié)構(gòu)有采用2個(gè)角接觸球軸承支承的，也有用一個(gè)圓柱滾子軸承支承的，吸收熱膨脹量的能力，適用于高速、輕載和精密的數(shù)控機(jī)床主軸。角接觸球軸承

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件3.圓錐滾子軸承，這種軸承徑向和軸向剛度高，能承受重載荷，尤其能承受較大的動(dòng)載荷。但是這種軸承配置方式限制了主軸的最高轉(zhuǎn)速和精度，所以僅適用于中等精度、低速與重載的數(shù)控機(jī)床主軸。雙列圓錐滾子軸承單列圓錐滾子軸承

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件

主軸準(zhǔn)停裝置

功能：主軸準(zhǔn)停功能又稱主軸定位功能，即當(dāng)主軸停止時(shí)，主軸能準(zhǔn)確地停止在一個(gè)固定的位置上。

用途：主要用于加工中心ATC（刀具自動(dòng)交換），由于刀具安裝在主軸上，因此在主軸前端設(shè)置一個(gè)突鍵，當(dāng)?shù)毒哐b入主軸時(shí)，刀柄上的鍵槽必須與突鍵對(duì)準(zhǔn)，才能順利換刀。

形式：機(jī)械控制和電氣控制。

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件1.機(jī)械準(zhǔn)停控制

系統(tǒng)組成：典型的V形槽輪定位盤(pán)準(zhǔn)停結(jié)構(gòu)。

準(zhǔn)停控制過(guò)程：主軸減速至某一可以設(shè)定的低速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)有效信號(hào)被檢測(cè)到后，立即使主軸電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)并斷開(kāi)主傳動(dòng)鏈，同時(shí)準(zhǔn)停油缸定位銷(xiāo)伸出并壓向定位盤(pán)。當(dāng)定位盤(pán)V形槽與定位銷(xiāo)正對(duì)時(shí)，定位銷(xiāo)插進(jìn)V形槽中，準(zhǔn)停到信號(hào)有效，表明準(zhǔn)停動(dòng)作完成。

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件2.電氣準(zhǔn)?？刂?/p>

優(yōu)點(diǎn)：（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化；（2）準(zhǔn)停時(shí)間縮短；（3）可靠性增加；（4）性價(jià)比進(jìn)步。

工作時(shí)，主軸接收到數(shù)控系統(tǒng)發(fā)來(lái)的準(zhǔn)停啟動(dòng)信號(hào)ORT，立即變速至某一爬行速度。若磁傳感器信號(hào)出現(xiàn)，主軸驅(qū)動(dòng)立即進(jìn)入磁傳感器作為反饋元件的位置閉環(huán)控制，目標(biāo)位置即為準(zhǔn)停位置。準(zhǔn)停完成后，主軸驅(qū)動(dòng)裝置向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出準(zhǔn)停完成號(hào)ORE。（1）磁傳感器型準(zhǔn)停準(zhǔn)?？刂朴芍鬏S驅(qū)動(dòng)裝置完成

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件工作時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)只需發(fā)出準(zhǔn)停啟動(dòng)信號(hào)ORT即可，主軸驅(qū)動(dòng)完成準(zhǔn)停后輸出準(zhǔn)停信號(hào)ORE。這種準(zhǔn)停方式可采用主軸電動(dòng)機(jī)內(nèi)部安裝的編碼器信號(hào)（來(lái)自于主軸驅(qū)動(dòng)裝置），也可在主軸上直接安裝其他編碼器。（2）編碼器型準(zhǔn)停準(zhǔn)?？刂朴芍鬏S驅(qū)動(dòng)裝置完成，靈活性比磁傳感器型準(zhǔn)停好。

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行M19或M19S_時(shí)，首先將M19送至可編程控制器，可編程控制器經(jīng)譯碼送出控制信號(hào)，使主軸驅(qū)動(dòng)進(jìn)入伺服狀態(tài)，同時(shí)數(shù)控系統(tǒng)控制主軸電動(dòng)機(jī)降速，尋找零位脈沖。如執(zhí)行M19指令，則主軸定位于相對(duì)零位脈沖的某一缺省位置（可由數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定）；如執(zhí)行M19S_，則主軸定位于指令位置，也就是相對(duì)零位脈沖S_度的角度位置處。（3）數(shù)控系統(tǒng)型準(zhǔn)停（M19）準(zhǔn)?？刂朴蓴?shù)控系統(tǒng)完成

任務(wù)四高速主軸系統(tǒng)和電主軸項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件

高速主軸系統(tǒng)簡(jiǎn)介切削速度高：鋁件-(2500-4500)m/min,鋼件-(400-1600)m/min，鑄鐵-(800-42000)m/min；切削效率高，加工表面質(zhì)量好、切削溫度低、刀具壽命長(zhǎng)；高速主軸有較高的角加速度和減速度；高速主軸動(dòng)平衡性很高，剛性好，熱穩(wěn)定性好；主軸轉(zhuǎn)數(shù)大于40000r/min,主軸功率大于15KW；采用主軸電機(jī)一體化的電主軸。

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件

電主軸的結(jié)構(gòu)與布局電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和主軸一體，取消了從主電動(dòng)機(jī)到主軸之間的一切機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)（如齒輪、傳動(dòng)帶、離合器等），實(shí)現(xiàn)了主電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸的一體化，使機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了所謂的“零轉(zhuǎn)動(dòng)”。

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件1.電主軸的主要特點(diǎn)

1）機(jī)械結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，極高的速度、加（減）速度和定角度的快速準(zhǔn)停；2）采用交流主軸驅(qū)動(dòng)裝置，輸出功率大，調(diào)速范圍寬，有比較理想的轉(zhuǎn)矩；3）主軸部件的單元化。

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件2.電主軸的安裝方式

將主電動(dòng)機(jī)置于主軸前、后軸承之間，把電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子與主軸做成一體，即將無(wú)殼電動(dòng)機(jī)的空心轉(zhuǎn)子用壓配合的形式直接裝在機(jī)

床主軸上，帶有冷卻套

的定子則安裝在主軸單

元的殼體中，形成內(nèi)裝

式電動(dòng)機(jī)主軸。

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件3.電主軸的發(fā)熱和解決方法1）油氣潤(rùn)滑方式

將少量的潤(rùn)滑油不經(jīng)霧化而直接由壓縮空氣定時(shí)、定量地沿著專用的油氣管道壁被均勻帶到軸承潤(rùn)滑區(qū)。

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件2）噴注潤(rùn)滑方式

用較大流量的恒溫油噴注到主軸軸承，用兩臺(tái)排油液壓泵強(qiáng)制回油。

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件3）突入滾道式潤(rùn)滑方式

要使?jié)櫥屯黄菩D(zhuǎn)氣流，采用突入滾道式潤(rùn)滑方式可將油送入軸承滾道處。

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件4.電主軸冷卻和散熱

電主軸外殼有進(jìn)行強(qiáng)制冷卻的水槽，中空套筒用于直接安裝機(jī)床主軸。電主軸電動(dòng)機(jī)用循環(huán)冷卻液冷卻和散熱，在定子與殼體連接處設(shè)計(jì)循環(huán)冷卻水套，套外環(huán)有螺旋水槽，通入冷卻液進(jìn)行冷卻。

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件5.電主軸的動(dòng)平衡設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵守結(jié)構(gòu)對(duì)稱性原則，避免使用鍵和螺紋連接；電主軸轉(zhuǎn)子外徑裝配前留有一定加工余量，以主軸前、后軸徑為定位支承，把主軸裝夾在車(chē)床上對(duì)轉(zhuǎn)子精車(chē)；在轉(zhuǎn)子的兩個(gè)端蓋上對(duì)稱地加工16-24個(gè)直徑不同的螺紋孔，當(dāng)電主軸組裝完畢后，根據(jù)動(dòng)平衡機(jī)的測(cè)試結(jié)果，在一定方位上，旋入相應(yīng)的動(dòng)平衡螺釘并調(diào)節(jié)深度，完全達(dá)到動(dòng)平衡精度后，將螺釘固化。

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件汽車(chē)輪胎的動(dòng)平衡動(dòng)平衡塊動(dòng)平衡測(cè)試儀

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件

電主軸的軸承接觸式軸承：摩擦因數(shù)大，最高轉(zhuǎn)速低（角接觸球軸承）；

非接觸式軸承：摩擦因數(shù)小，最高轉(zhuǎn)速高（空氣軸承、液體動(dòng)靜壓軸承、磁懸浮軸承）。1.液體動(dòng)靜壓軸承原理：采用流體動(dòng)、靜力結(jié)合的方法，使主軸在油膜支撐中旋轉(zhuǎn)。特點(diǎn)：剛性好、壽命長(zhǎng)，主要用在低速重載場(chǎng)合，但其無(wú)通用性，維護(hù)保養(yǎng)困難。

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件2.磁懸浮軸承原理：利用電磁力將主軸無(wú)機(jī)械接觸地懸浮起來(lái)。特點(diǎn)：高速性能好、精度高，易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)診斷和在線監(jiān)控，但價(jià)格較高，系統(tǒng)復(fù)雜，發(fā)熱問(wèn)題難以解決，故無(wú)法推廣應(yīng)用。

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件3.混合陶瓷角接觸球軸承原理：滾動(dòng)體是陶瓷材料，內(nèi)外圈用軸承鋼制造。特點(diǎn)：轉(zhuǎn)速極限、承載能力、剛度、精度等各方面均能很好地滿足高速主軸要求。標(biāo)準(zhǔn)化程度高，價(jià)格低廉。

任務(wù)五思考與練習(xí)數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)變速有哪幾種方式？數(shù)控機(jī)床主軸有幾種傳動(dòng)方式？數(shù)控機(jī)床主軸的材料一般是什么？對(duì)于數(shù)控機(jī)床主軸的支承軸承有什么要求？主軸軸承的配置形式有幾種？主軸的準(zhǔn)停形式有哪兩種？簡(jiǎn)述電主軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)？電主軸常采用哪類(lèi)軸承？

項(xiàng)目三數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)及主軸部件常用機(jī)械中包含著大量的作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零部件，例如各種傳動(dòng)軸、主軸、電動(dòng)機(jī)和汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子等，統(tǒng)稱為回轉(zhuǎn)體。在理想的情況下回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時(shí)與不旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)軸承產(chǎn)生的壓力是一樣的，這樣的回轉(zhuǎn)體是平衡的回轉(zhuǎn)體。但工程中的各種回轉(zhuǎn)體，由于材質(zhì)不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產(chǎn)生的誤差，甚至設(shè)計(jì)時(shí)就具有非對(duì)稱的幾何形狀等多種因素，使得回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上每個(gè)微小質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消，離心慣性力通過(guò)軸承作用到機(jī)械及其基礎(chǔ)上，引起振動(dòng)，產(chǎn)生了噪音，加速軸承磨損，縮短了機(jī)械壽命，嚴(yán)重時(shí)能造成破壞性事故。為此，必須對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡，使其達(dá)到允許的平衡精度等級(jí)，或使因此產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)幅度降在允許的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡和靜平衡的區(qū)別。外軌道和內(nèi)軸承是兩塊磁鐵，利用異性相斥的原理