數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)-課件

項目二數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)

2.1主軸變速方式2.2主軸支承配置及軸承預(yù)緊2.3高速電主軸

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)技能目標1.了解數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點及要求；2.理解數(shù)控機床主軸變速方式、典型主軸部件結(jié)構(gòu)及原理；預(yù)習1.直流或交流電動機的無級調(diào)速數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)2.1數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的組成及特點

功用：主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機床主運動的傳動系統(tǒng)，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速（速度）和一定的變速范圍，并能方便地實現(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動等。

組成：主要包括電動機、傳動系統(tǒng)和主軸部件主傳動系統(tǒng)的特點：

①轉(zhuǎn)速高、功率大②變速范圍寬③主軸變速迅速可靠④主軸組件的耐磨性高數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)2.2主傳動系統(tǒng)設(shè)計要求及配置2.2.1主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求1.主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍，以滿足機床的運動要求；

2.主電動機具有足夠的功率，全部機構(gòu)具有足夠的強度和剛度，以滿足機床的動力要求；3.主傳動的有關(guān)結(jié)構(gòu)，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪聲要小，傳動效率要高，以滿足機床的工作性能要求；4.操縱靈活可靠，調(diào)整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機床的使用要求；5.結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經(jīng)濟性要求。

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)2.2.2數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)配置方式（１）帶有變速齒輪的主傳動實現(xiàn)分段無級變速，擴大輸出扭矩，常用大、中型數(shù)控機床。如圖2-1(a)所示；（２）通過帶傳動的主傳動電動機本身的調(diào)速能夠滿足要求，可以避免齒輪傳動引起的振動與噪聲。主要應(yīng)用在轉(zhuǎn)速較高、變速范圍不大的機床。如圖2-1(b)所示；數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)（３）用兩個電動機分別驅(qū)動主軸上述兩種方式的混合傳動，具有上述兩種性能。如圖2-1(c)所示；

（４）內(nèi)裝電動機主軸傳動結(jié)構(gòu)這種主傳動方式大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，如圖2-1(d)。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)圖2-1數(shù)控機床主傳動的四種配置方式

(a)變速齒輪(b)帶傳動(c)兩個電機分別驅(qū)動(d)內(nèi)裝電動機主軸傳動結(jié)構(gòu)

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)2.3主軸部件2.3.1主軸的構(gòu)造主軸的構(gòu)造和形狀主要決定于主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動件、軸承等零件的類型、數(shù)量、位置和安裝定位方法等。主軸一般為空心階梯軸，前端徑向尺寸大，中間徑向尺寸逐漸減小，尾部徑向尺寸最小。也有實心階梯軸。主軸的前端型式取決于機床類型和安裝夾具或刀具的型式。主軸端部用于安裝刀具或夾持工件的夾具，主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀已標準化。圖2-2所示為幾種機床上通用的結(jié)構(gòu)形式。

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)

圖2-2主軸端部的結(jié)構(gòu)形式

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)2.3.2主軸滾動支承

主軸支承是指主軸軸承，支承座及其相關(guān)零件的組合體，其中核心元件是軸承。采用滾動軸承的支承稱為主軸滾動支承（1）滾動軸承的主要優(yōu)點適應(yīng)轉(zhuǎn)速和載荷變動的范圍大；能在零間隙或負間隙（一定的過盈量）條件下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，具有較高的旋轉(zhuǎn)精度和剛度；軸承潤滑容易，維修、供應(yīng)方便，摩擦系數(shù)小。（2）滾動軸承的缺點滾動軸承的滾動體數(shù)目有限，剛度是變化的，阻尼也較小，容易引起振動和噪聲；徑向尺寸比滑動軸承大。

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)（3）主軸支承的選用

數(shù)控機床主軸支承根據(jù)主軸組件的轉(zhuǎn)速、承載能力及回轉(zhuǎn)精度等要求的不同而采用不同種類的軸承。一般中小型數(shù)控機床（車床、銑床、加工中心、磨床）的主軸組件多采用滾動軸承；重型數(shù)控機床采用液體靜壓軸承；高精度數(shù)控機床（如坐標磨床）采用氣體靜壓軸承；轉(zhuǎn)速達（2-10）×104r/min的主軸可采用磁力軸承或陶瓷滾珠軸承。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)（4）主軸常用滾動軸承的類型

①圓錐孔雙列圓柱滾子軸承②圓錐滾子軸承③雙向推力角接觸球軸承

④角接觸球軸承(向心推力球軸承）⑤陶瓷滾動軸承滾動體用陶瓷材料制成，而內(nèi)、外圈仍用軸承鋼制造；滾動體和內(nèi)圈用陶瓷材料制成，外圈用軸承鋼制造；全陶瓷軸承，即滾動體、內(nèi)外圈全都用陶瓷材料制成。

⑥磁浮軸承數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)圖2-4幾種典型的主軸滾動軸承(a)、(b)雙列圓柱滾子軸承(c)雙列圓錐軸承(d)雙向推力角接觸球軸承(e)雙列空心圓錐滾子軸承(f)特殊雙列球軸承(g)角接觸球軸承(h)單列圓錐滾子軸承

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)(5)

主軸滾動軸承的選擇

軸承類型及型號選用主要根據(jù)主軸組件的剛度、承載能力、轉(zhuǎn)速、抗振性及結(jié)構(gòu)等要求合理進行選定。

①承載能力和剛度徑向：圓柱、圓錐滾子軸承→球軸承軸向：推力軸承→圓錐滾子軸承→向心推力球軸承

②

轉(zhuǎn)速徑向：向心球軸承→向心推力球軸承→圓錐滾子軸承軸向：向心推力球軸承→圓錐滾子軸承→推力軸承

③

結(jié)構(gòu)要求選輕型或特輕型軸承一個支承中裝兩個軸承采用滾針軸承數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)滾動軸承選用原則(1)中高速重載雙列向心短圓柱滾子軸承配雙向推力角接觸球軸承。(2)高速輕載向心推力球軸承，根據(jù)載荷大小，每個支承可用一個、二個甚至三個。(3)軸向載荷為主精度不高時，選用推力軸承配單列向心球軸承；精度較高，選用向心推力軸承。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)（6）主軸軸承的配置型式

主軸軸承的配置型式應(yīng)根據(jù)剛度、轉(zhuǎn)速、承載能力、抗振性和噪聲等要求來選擇。常見有如下幾種典型的配置型式：速度型、剛度型、剛度速度型。如圖2-7所示。

①

速度型

(如圖2-7(a)）、（圖2-8）

主軸前后軸承都采用角接觸球軸承（兩聯(lián)或三聯(lián)）。

②

剛度型(如圖2-7(b))、（圖2-9）前支承采用雙列短圓柱滾子軸承承受徑向載荷和60°角接觸雙列向心推力球軸承承受軸向載荷，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承。

③

剛度速度型(如圖2-7(c))、（圖2-10）數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)

圖2-7主軸單元(a)速度型數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)圖2-8高速CNC車床主軸組件

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)圖2-7主軸單元(b)剛度型數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)圖2-9CNC型車床主軸

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)

圖2-7主軸單元(c)剛度速度型

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)圖2-10臥式銑床主軸

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)④三支承主軸

由于結(jié)構(gòu)上的原因，主軸箱長度較大，主軸支承跨距超過兩支承合理跨距很多，則增加中間支承有利于提高剛度和抗振性。通常只有兩個支承起主要作用，而另一個支承起輔助作用，即處于所謂“浮動”狀態(tài)。如圖2-11所示為前、中支承為主要支承的三支承主軸組件的典型結(jié)構(gòu)，前、中支承采用一對高精度的雙列短圓柱滾子軸承。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)

圖2-11三支承數(shù)控車床主軸組件

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)（7）滾動軸承精度等級的選擇

主軸軸承中，前、后軸承的精度對主軸旋轉(zhuǎn)精度的影響是不同的。

①

前軸承內(nèi)環(huán)偏心如圖2-12(a)所示，前軸承軸心有偏移a，后軸承偏移量為零，由偏移量a引起的主軸端軸心偏移為:a1:a=(L+a):L數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)②后軸承內(nèi)環(huán)偏心圖2-12(b)表示后軸承有偏移b，前軸承偏移為零時，引起主軸端部的偏移為:

b1:b=a:L圖2-12主軸軸承對主軸旋轉(zhuǎn)精度的影響(b)后軸承偏移量的影響

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)③討論當軸承a=b時，a1>b1

。說明前軸承內(nèi)環(huán)的偏心量對主軸端部精度影響大，所以，前軸承精度應(yīng)選高些，通常比后軸承高一級。在安裝主軸軸承時，如將前、后軸承的偏移方向放在同一側(cè)，如圖2-12(c)所示，可以有效地減少主軸端部的偏移。如后軸承的偏移量適當?shù)乇惹拜S承的大，可使主軸端部的偏移量為零。圖2-12主軸軸承對主軸旋轉(zhuǎn)精度的影響(c)前、后軸承的綜合影響

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)④主軸軸承精度機床主軸軸承的精度通常采用P2、P4、P5、P6（相當于舊標準的B、C、D、E）4級，此外又規(guī)定了2種輔助精度級SP（特殊精密級）和UP（超精密級）。主軸軸承精度選擇可參考表2-3

表4-3主軸軸承精度

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)（8）主軸滾動軸承的預(yù)緊軸承預(yù)緊是使軸承滾道預(yù)先承受一定的載荷，消除間隙，并使得滾動體與滾道之間發(fā)生一定的變形，增大接觸面積，軸承受力時變形減小，抵抗變形的能力增大。對主軸滾動軸承進行預(yù)緊和合理選擇預(yù)緊量，可以提高主軸部件的回轉(zhuǎn)精度、剛度和抗振性。一般主軸部件應(yīng)在結(jié)構(gòu)上保證能調(diào)整主軸的間隙。軸承預(yù)緊可分為徑向預(yù)緊和軸向預(yù)緊兩種方式。

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)徑向預(yù)緊方式

徑向預(yù)緊是利用軸承內(nèi)圈膨脹，以消除徑向間隙的方法。如圖2-13所示

軸向預(yù)緊方式通過軸承內(nèi)、外圈之間的相對軸向位移進行預(yù)緊。圖2-14所示為角接觸球軸承的幾種預(yù)緊控制方式。

(1)修磨軸承圈

(2)內(nèi)外隔套

(3)無控制裝置

(4)彈簧預(yù)緊

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)圖2-13雙列圓柱滾子軸承的間隙調(diào)整

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)圖2-14角接觸球軸承的預(yù)緊控制

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)2.3.3液體靜壓軸承

液體靜壓軸承系統(tǒng)由一套專用供油系統(tǒng)、節(jié)流器和軸承三部分組成。液體靜壓軸承油膜壓強與主軸轉(zhuǎn)速無關(guān)，承載能力不隨轉(zhuǎn)速而變化。優(yōu)點：承載能力高；旋轉(zhuǎn)精度高,油膜有均化誤差的作用，可提高加工精度；抗振性好,運轉(zhuǎn)平穩(wěn)；既能在極低轉(zhuǎn)速下工作，也能在極高轉(zhuǎn)速下工作；摩擦小，軸承壽命長。缺點:需要一套專用供油設(shè)備，軸承制造工藝復(fù)雜、成本較高。

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)（1）組成供油系統(tǒng)節(jié)流器軸承（2）正常工作條件軸頸需始終浮在壓力油中，保持液體摩擦；有外載時，油膜應(yīng)具有足夠的剛度，以使主軸軸心線偏移小，軸承精度高。（3）結(jié)構(gòu)定壓式靜壓軸承的工作原理如圖2-17所示。油腔：在軸承上開4個，開在軸承內(nèi)圓柱面上間隔相等對稱分布的壓力區(qū)。封油面：油腔與回油槽之間的凸起面，又稱節(jié)流邊。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)

圖2-17定壓式靜壓軸承節(jié)流作用：壓力降：P=Ps-P0，(Ps=

P0+P)，P0---油腔壓力

P=QRhcQ---流量；Rhc---節(jié)流器阻力數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)（4）工作原理壓力油從油泵打出來后，壓力為Ps，經(jīng)4個節(jié)流器進入4個獨立的油腔中，將軸頸浮起推向中央，然后壓力油經(jīng)過封油面與軸頸之間間隙h0流回油箱。無外載作用：

4個油腔的封油間隙相等；4個油腔的排油量相等；

4個節(jié)流器的節(jié)流作用完全一致；4個節(jié)流器的壓力降P相等。軸在4個互相垂直的指向軸心的相等力的作用下浮了起來。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)有外加載荷（包括軸自重）：下油腔3：節(jié)流器的壓力降P3減小∵Ps=P3+P3Ps=恒量P3上油腔1：節(jié)流器的壓力降P1增大∵Ps=P1+P1Ps=恒量P1使軸受到一個向上的推力F’=A（P3-P1）以平衡外載荷F。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)2.4車削中心C軸功能車削中心的轉(zhuǎn)塔刀架上帶有能使刀具旋轉(zhuǎn)的動力刀座，主軸具有按輪廓成型要求連續(xù)回轉(zhuǎn)（不等速回轉(zhuǎn)）運動和進行連續(xù)精確分度的C軸功能，并能與X軸或Z軸聯(lián)動。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)

車削中心的傳動系統(tǒng)數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)2.5高速電主軸的結(jié)構(gòu)高速主軸在結(jié)構(gòu)上幾乎全部是交流伺服電機直接驅(qū)動的集成化結(jié)構(gòu)，取消齒輪變速機構(gòu)，并配備有強力的冷卻和潤滑設(shè)計。集成電機主軸的特點是振動小、噪聲低、體積緊湊。集成主軸有兩種構(gòu)成方式：一種是通過聯(lián)軸器把電機與主軸直接連接；另一種則是把電機轉(zhuǎn)子與主軸做成一體，即將無殼電機的空心轉(zhuǎn)子用壓配合的形式直接裝在機床主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體中，形成內(nèi)裝式電機主軸。這種電機與機床主軸“合二為一”的傳動結(jié)構(gòu)形式，把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機床的“零傳動”。

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)電主軸外形雖然各不相同，但實質(zhì)都是一個轉(zhuǎn)子中空的電動機。外殼有強制冷卻的水槽（通恒溫油或水）或采取強制通氣冷卻，中空套筒用于直接安裝各種機床主軸。從而取消了從主電動機到主軸之間一切中間的機械傳動環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了主電動機與機床主軸的一體化，圖2-19所示為用于立式加工中心的高速電主軸的組成。由于高速電主軸對軸上零件的動平衡要求很高，因此，軸承的定位元件與主軸不宜采用螺紋連接，電機轉(zhuǎn)子與主軸也不宜采用鍵連接，而普遍采用可拆的階梯過盈連接。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)圖2-19高速電主軸的組成1-后軸承；2-電機定子；3-電機轉(zhuǎn)子；4-前軸承；5-主軸

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)（1）電主軸的主要特點：機械結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)動慣量小，因而快速響應(yīng)好，能實現(xiàn)極高的速度、加減速度和定角度的快速準停。采用交流變頻調(diào)速的交流主軸驅(qū)動裝置，輸出功率大，調(diào)速范圍寬，有比較理想的轉(zhuǎn)矩——功率特性。可以實現(xiàn)主軸部件的單元化。電主軸可獨立做成標準功能部件，由專業(yè)廠進行系列化生產(chǎn)；根據(jù)用戶的不同要求進行選用，可很方便的組成各種性能的高速機床，符合現(xiàn)代機床設(shè)計模塊化的發(fā)展方向。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)（２）電主軸的安裝形式主電機置于主軸前、后軸承之間（如圖2-19所示）。主軸軸向尺寸較短，主軸剛度高，適用于中、大型高速加工中心。目前大多數(shù)加工中心采用這種形式。主電機置于主軸后軸承之后，即主軸箱和主電機作軸向的同軸布置。有利于減小電主軸的徑向尺寸，散熱較好。但主軸單元軸向尺寸較大，用于小型高速數(shù)控機床，尤其適用于模具型腔的高速精密加工。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)2.6提高主軸組件性能的措施

2.6.1提高旋轉(zhuǎn)精度提高主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度，首先是要保證主軸和軸承具有一定的精度

（1）采用旋轉(zhuǎn)精度較高的軸承軸承的精度等級要與機床的精度等級相適應(yīng)（2）適當提高有關(guān)零件的精度與軸承配合的有關(guān)零件的尺寸誤差、形狀誤差、相對位置誤差不能大于軸承有關(guān)表面的規(guī)定誤差

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)（3）采用軸承選配對于同樣精度等級的軸承，如能合理的選配安裝，就可提高主軸的旋轉(zhuǎn)精度。①單個軸承安裝（如圖2-20所示）實測軸頸、軸承內(nèi)環(huán)徑跳；數(shù)值相接近分為一組；跳動量最大處按相反方向裝配。

o---主軸端部錐孔中心；

o1---主軸軸頸中心；

o2---軸承內(nèi)圈滾道中心；1---主軸端部錐孔中心o相對于主軸軸頸中心o1的偏心量；2---軸承內(nèi)環(huán)內(nèi)孔中心o1相對于內(nèi)環(huán)滾道中心o2的偏心量。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)顯然，若兩個偏心的偏移方向相同（圖2-20(a)），則主軸錐孔中心的偏心量為；

=

1+

2若方向相反(圖2-20(b))，則偏差為

=|1-

2|

表明后者的主軸組件旋轉(zhuǎn)精度較高。若1=

2時，

=0精度提高一般情況：

=

1+

2數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)圖2-20徑向跳動量的合成

o---主軸端部錐孔中心；o1---主軸軸頸中心；o2---軸承內(nèi)圈滾道中心

1---主軸端部錐孔中心o相對于主軸軸頸中心o1的偏心量；

2---軸承內(nèi)環(huán)內(nèi)孔中心o1相對于內(nèi)環(huán)滾道中心o2的偏心量。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)②正確選配前后軸承前、后軸承選配合理時，可以減小主軸端部徑向跳動量。如圖2-21所示，設(shè)前、后軸承的徑向跳動量為1、2，主軸端部的徑向跳動量為

，利用相似三角形關(guān)系，可得

為使=0，必須=-

由于L、a均為正數(shù)，要上式成立，則1、2符號必須相反，且|2|>|1|即軸承裝配時，使前后軸承最大徑向跳動點在同一軸向平面內(nèi)，且在軸線的同一方。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)圖2-21軸承徑向跳動對主軸端部的影響數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)2.6.2改善動態(tài)特性通常，主軸組件的固有頻率是很高的，遠遠高于主軸的最高轉(zhuǎn)速，故不必考慮共振問題。但是對于高速主軸，特別是帶內(nèi)裝式電機的高速主軸，則要考慮共振問題。改善動態(tài)特性的主要措施有以下一些：(1)使主軸組件的固有頻率避開激振力的頻率；(2)主軸軸承的阻尼對主軸組件的抗振性影響很大，特別是前軸承；(3)采用三支承結(jié)構(gòu)時，其中輔助支承的作用在很大程度上是為提高抗振性；(4)采用消振裝置。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)2.6.3控制主軸組件溫升主軸運轉(zhuǎn)時滾動軸承的滾動體在滾道中摩擦、攪油，滑動軸承承載油膜受到剪切內(nèi)摩擦，均會產(chǎn)生熱量，使軸承溫度上升。軸承直徑越大，轉(zhuǎn)速越高，發(fā)熱量就越大。故軸承是主軸組件的主要熱源。前后軸承溫度的升高不一致，使主軸組件產(chǎn)生熱變形，從而影響軸承的正常工作，導(dǎo)致機床加工精度降低。

(1)減少支承發(fā)熱量；

(2)采用散熱裝置。

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)習題2

一.圖形解釋（1）說明圖1、圖2、圖3、圖4所示數(shù)控機床的類型；（2）說明圖1所示數(shù)控機床的用途及床身和導(dǎo)軌的布局形式；（3）說明圖3所示數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)組成；（4）說明圖4所示機床的特點。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)圖1圖2數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)圖3圖4數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)立柱主軸部件工作臺桿件滑板工作空間數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)二、填空題1.主軸組件由主軸、

和安裝在主軸上的、組成。2.主軸的功用是

，承受

等載荷，完成表面成形運動。3.主軸