1、數(shù)控技術(shù) 河北理工大學(xué)機械工程學(xué)院 工程訓(xùn)練中心 張好強5.1 對主傳動系統(tǒng)的基本要求和變速方式5.2 數(shù)控機床的主軸部件 5.3 高速主軸系統(tǒng)和電主軸第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)第五章 數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)5.1 對主傳動系統(tǒng)的基本要求和變速方式 由主軸電動機經(jīng)一系列傳動元件和主軸構(gòu)成的具有運動、傳動聯(lián)系的系統(tǒng)稱為主傳動系統(tǒng)。數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)包括主軸電動機、傳動裝置、主軸、主軸軸承、主軸定向裝置等。 一、對主傳動系統(tǒng)的基本要求 1主軸轉(zhuǎn)速高，變速范圍寬，并可實現(xiàn)無級變速。 2主軸傳動平穩(wěn)，噪聲低，精度高 3具有良好的抗振性和熱穩(wěn)定性 4能實現(xiàn)刀具的快速和自動裝卸 第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)

2、二、主傳動的變速方式 數(shù)控機床主傳動方式主要有無級變速、分段無級變速兩種。 主傳動采用無級變速傳動方式，不僅能在一定的變速范圍內(nèi)選擇合理的切削速度，而且能在運動中自動變速，此種變速傳動方式采用直流主軸伺服電機或交流主軸伺服電機作驅(qū)動。交流主軸電動機及交流變頻驅(qū)動裝置（鼠籠型感應(yīng)交流電動機配置矢量變換變頻調(diào)速系統(tǒng)）由于沒有電刷，不產(chǎn)生火花，所以使用壽命長，且性能已達到直流驅(qū)動系統(tǒng)的水平，甚至在噪聲方面還有所降低，因此目前應(yīng)用較為廣泛。 第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)1主軸的傳動類型 第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)1主軸的傳動類型（1）齒輪傳動主軸（圖a） 這是大中型數(shù)控機床較常采用的傳動類型，它使用無級

3、變速交、直流電動機，再通過幾對齒輪傳動后，實現(xiàn)分段無級變速，這種變速方式使得變速范圍擴大。其優(yōu)點是在低速時能滿足主軸輸出扭矩特性的要求。但齒輪變速機構(gòu)通常采用液壓撥叉或電磁離合器變速方式，造成主軸箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增高，另外這種傳動機構(gòu)容易引起振動和噪聲。第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)（2）帶傳動主軸（圖b） 這種傳動類型主要用在轉(zhuǎn)速較高、變速范圍不大的小型數(shù)控機床上。它通過一級帶傳動實現(xiàn)變速，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)試方便。電動機本身的調(diào)整就能夠滿足要求，不用齒輪變速，可以避免由齒輪傳動時所引起的振動和噪聲。但變速范圍受電動機調(diào)速范圍的限制，只能適用于高速低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸帶傳動變速中，常用的帶

4、類型有V帶、平帶、多楔帶和同步帶。 第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)（3）兩個電動機分別驅(qū)動主軸（圖c） 這是上述兩種方式的混合傳動類型，兼有上述兩種方式的性能。高速時，由一個電動機通過帶傳動；低速時，由另一個電動機通過齒輪傳動，齒輪起到降速和擴大變速范圍的作用，因而就使恒功率區(qū)增大，擴大了變速范圍，避免了低速時轉(zhuǎn)矩不夠，且電動機功率不能充分利用的問題，但兩個電動機不能同時工作。第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)（4）調(diào)速電動機直接驅(qū)動主軸（圖d、圖e） 這種主傳動類型又分兩種。一種如圖d所示，主軸電動機輸出軸通過精密聯(lián)軸器與主軸連接，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率高；但主軸轉(zhuǎn)速的變化及轉(zhuǎn)矩的輸出完全與電動機的

5、輸出特性一致，因而在使用上受到一定限制。 另一種為內(nèi)裝電動機主軸，即主軸與電動機轉(zhuǎn)子合為一體（圖e）。其優(yōu)點是省去了中間的所有傳動環(huán)節(jié)，主軸組件結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，慣量小，可提高啟動、停止的響應(yīng)特性，并利于控制振動和噪聲；缺點是電動機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量易使主軸產(chǎn)生熱變形。因此，溫度控制和冷卻是使用內(nèi)裝電動機主軸的關(guān)鍵問題。下圖2-4所示為內(nèi)裝電動機主軸的結(jié)構(gòu)示意圖。第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 2主傳動的齒輪變速裝置 常用的兩種裝置是液壓撥叉變速和電磁離合器變速裝置。 （1）液壓撥叉變速裝置 在齒輪傳動的主傳動系統(tǒng)中，齒輪的換擋主要靠液壓撥叉來完成。 液壓撥叉換擋在主軸停轉(zhuǎn)之

6、后才能進行，但主軸停轉(zhuǎn)后撥叉帶動齒輪塊移動又可能產(chǎn)生“頂齒”現(xiàn)象。因此，在這種主運動系統(tǒng)中通常增設(shè)一臺微電動機，它在撥叉移動齒輪塊的同時帶動各傳動齒輪作低速回轉(zhuǎn)，使移動齒輪與主動齒輪順利嚙合。 第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)（2）電磁離合器變速裝置 電磁離合器變速裝置是利用電磁效應(yīng)，通過接通或斷開電磁離合器的運動部件實現(xiàn)變速。其優(yōu)點是便于實現(xiàn)操作自動化，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因而其已成為自動裝置中常用的執(zhí)行元件。 電磁離合器應(yīng)用于數(shù)控機床的主傳動時，能簡化變速機構(gòu)，通過若干個安裝在各傳動軸上離合器之吸合與分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，

7、實現(xiàn)主軸的變速。 第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 5.2數(shù)控機床的主軸部件 主軸部件是主運動的執(zhí)行件，它夾持刀具或工件，并帶動其旋轉(zhuǎn)。數(shù)控機床主軸部件的精度、剛度、抗振性和熱變形對加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率等有著直接的影響。 數(shù)控機床的主軸部件包括主軸、主軸支承、裝在主軸上的傳動件和密封件等，對于加工中心的主軸，為實現(xiàn)刀具的快速和自動裝卸，主軸部件還包括刀具的自動裝卸、主軸定向停止（準停）和主軸孔內(nèi)的切屑清除等裝置。第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 一、主軸端部結(jié)構(gòu) 主軸端部用于安裝刀具或夾持工件的夾具。在設(shè)計要求上，應(yīng)能保證定位準確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的扭矩

8、。主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀都已標準化，圖2-9所示為普通機床和數(shù)控機床通用的幾種結(jié)構(gòu)形式。第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 二、主軸軸承 主軸軸承是主軸部件的重要組成部分。它的類型、結(jié)構(gòu)、配置、精度、安裝、調(diào)整、潤滑和冷卻都直接影響主軸的工作性能。在數(shù)控機床上，主軸軸承常用的有滾動軸承和靜壓滑動軸承。 1滾動軸承 圖2-10所示為數(shù)控機床主軸常用的幾種滾動軸承。第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 2靜壓滑動軸承 數(shù)控機床上常用的靜壓滑動軸承是液體靜壓滑動軸承。此種靜壓滑動軸承的油膜壓強由液壓缸從外界供給，與主軸轉(zhuǎn)速無關(guān)。它的承載能力不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，而且

9、無磨損，啟動和運轉(zhuǎn)時摩擦力矩相同。所以，液體靜壓滑動軸承的剛度大，回轉(zhuǎn)精度高，但液體靜壓滑動軸承需要一套液壓裝置，成本較高。 液體靜壓滑動軸承裝置主要由供油系統(tǒng)、節(jié)流器和軸承三部分組成，其工作原理如圖2-11所示。 第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 三、主軸軸承的配置形式 圖2-12所示為數(shù)控機床主軸軸承常見的三種配置形式。第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 四、主軸準停裝置 在數(shù)控銑床、加工中心上，由于需要進行自動換刀，要求主軸每次停在一個固定的準確的角位置上。所以，主軸上必須設(shè)有準停裝置。主軸準停裝置分： 機械式 電氣式第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 5.3 高速主軸系統(tǒng)和電主軸

10、 一、高速主軸系統(tǒng) 高速切削是20世紀70年代后期發(fā)展起來的一種新工藝。這種工藝采用的切削速度比常規(guī)的要高幾倍至十多倍，如加工鋼件為400-1600m/min；加工鑄鐵為800-2000 m/min，進給速度也相應(yīng)提高很多倍。這種加工工藝不僅切削效率高，而且具有加工表面質(zhì)量好、切削溫度低和刀具壽命長等優(yōu)點。高速切削技術(shù)的關(guān)鍵是具備高速主軸系統(tǒng)，高速主軸是高速切削機床最重要的部件。 第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 高速主軸的單元類型主要有電主軸、氣動主軸、水動主軸。需要主軸有較高的角減速度和角加速度。如果通過帶傳動等中間環(huán)節(jié)不僅會在高速下打滑，產(chǎn)生振動和噪聲，而且會增加轉(zhuǎn)動慣量給機床快速準停造成很大

11、困難，所以要求高速主軸動平衡性很好，剛性好，回轉(zhuǎn)精度高，并有良好的熱穩(wěn)定性，能傳遞足夠的力矩和功率，能承受高的離心力，帶有準確的恒溫裝置和高效的冷卻裝置，主軸轉(zhuǎn)速一般大于40000r/min，主軸功率大于15kW。 第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 目前，通常采用主軸電動機一體化的電主軸部件，實現(xiàn)無中間環(huán)節(jié)的直接傳動，電動機大多采用感應(yīng)式集成主軸電動機。而隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了一種用稀有材料鈮作永磁材料的永磁電動機，該電動機能更高效、大功率地傳遞扭矩，所傳扭矩很大，易于對使用中產(chǎn)生的溫升進行在線控制，且冷卻簡單，不用安裝昂貴的冷卻器，加之電動機體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，所以有良好的發(fā)展前景。 第五章數(shù)控機床

12、的主傳動系統(tǒng) 1電主軸 高速主軸系統(tǒng)的驅(qū)動多采用內(nèi)裝電動機式主軸，簡稱電主軸。這是將電動機置于主軸內(nèi)部、通過驅(qū)動電源直接驅(qū)動主軸進行工作，實現(xiàn)了電動機、主軸的一體化。這種主軸結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小，有利于提高主軸啟動或停止時的響應(yīng)特性。 電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件：電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置等。 第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 2高速電主軸所融合的技術(shù) （l）高速軸承技術(shù) 高速時選用陶瓷軸承的方案已在加工中心機床上采用，其軸承的滾動體是用陶瓷材料制成的，而內(nèi)、外圈仍用軸承鋼制造。陶瓷材料重量輕，熱膨脹率低，彈性模量大。采用陶瓷滾動體，可大大減

13、小離心力和慣性滑移，有利于提高主軸轉(zhuǎn)速。電主軸通常采用復(fù)合陶瓷軸承，有時也采用電磁懸浮軸承，或靜壓軸承，內(nèi)外圈不接觸，理論上壽命無限長。 （2）高速電動機技術(shù) 電主軸是電動機與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電動機的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，所以可以把電主軸看作一臺高速電動機。 第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) （3）冷卻潤滑技術(shù) 1）油氣潤滑方式 它是用壓縮空氣把小油滴送進軸承空隙中，油量大小可達最佳值，壓縮空氣有散熱作用，潤滑油可回收，不污染周圍空氣。電主軸的潤滑一般采用定時定量油氣潤滑、噴射潤滑，也可以采用脂潤滑。 2）噴注潤滑方式 噴注潤滑是一種新興的潤滑方式，它是用較大流量的恒溫油（每個軸承3-4L/

14、min）噴注到主軸軸承，以達到冷卻潤滑的目的?；赜蛣t不是自然回流，而是用兩臺液壓泵強制排油。 3）突入滾道式潤滑方式 軸承高速旋轉(zhuǎn)時，伴隨流動的空氣流速可達50m/s。要使?jié)櫥屯黄七@層旋轉(zhuǎn)氣流很不容易，采用突入滾道式潤滑方式則可以可靠地將油送入軸承滾道處。 第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) （4）內(nèi)置脈沖編碼器 為了實現(xiàn)自動換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內(nèi)置一脈沖編碼器，以實現(xiàn)準確的相位控制以及與進給的配合。 （5）自動換刀裝置 為了適用于加工中心，電主軸配備了能進行自動換刀的裝置，包括碟形彈簧、拉刀油缸。 （6）高速刀具的裝夾方式 BT、ISO刀具，已被實踐證明不適合于高速加工。這種情況下出現(xiàn)了HS

15、K、 SKI等高速刀柄。 （7）高頻變頻裝置 要實現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必須用高頻變頻裝置來驅(qū)動電主軸的內(nèi)置高速電動機，變頻器的輸出頻率甚至需要達到幾千赫茲。第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 3電主軸的最新技術(shù)與發(fā)展趨勢 高速主軸單元技術(shù)在一些工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)發(fā)展到較高水平，廣泛應(yīng)用于高速機床上。電主軸最早是用在磨床上，后來才發(fā)展到加工中心。早在20年前高速切削就在瑞士流行，電主軸的功率和品質(zhì)都不斷得到提高。從總體上講，我國的高速、超高速加工技術(shù)水平還不高，同世界先進水平還有相當(dāng)?shù)牟罹?。而高速電主軸單元技術(shù)是制約我國超高速加工技術(shù)的瓶頸。為了趕上高速加工技術(shù)發(fā)展的潮流，我國正在不斷加

16、大對超高速加工關(guān)鍵功能部件電主軸單元的研究力度。第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 二、電主軸的結(jié)構(gòu) 目前，多數(shù)機床采用內(nèi)裝式主軸電動機一體化的電主軸。它采用無外殼電動機，將帶有冷卻套的電動機定子裝配在主軸單元的殼體上，轉(zhuǎn)子和機床主軸的旋轉(zhuǎn)部件做成一體，主軸的變速范圍完全由變頻交流電動機控制，使變頻電動機和機床主軸合二為一。 電主軸的結(jié)構(gòu)特點：電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、振動小、噪聲低、響應(yīng)快等優(yōu)點，可以減少齒輪傳動，簡化機床外形設(shè)計，易于實現(xiàn)主軸定位，是高速主軸單元中一種理想結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代的高速電主軸是一種智能型功能部件，它的種類多，應(yīng)用范圍日益廣泛。第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 電主軸的主要部件

17、有： 1軸殼 軸殼是電主軸的主要部件。通常將軸承座孔直接設(shè)計在軸殼上。電主軸為加裝電動機定子，必須開放一端。高速大功率和超高速電主軸的轉(zhuǎn)子直徑往往大于軸承外徑，為控制整機裝配精度，應(yīng)將后軸承安裝部分設(shè)計成無間隙配合。 2轉(zhuǎn)軸 轉(zhuǎn)軸是高速電主軸的主要回轉(zhuǎn)體，它的制造精度直接影響電主軸的最終精度。成品轉(zhuǎn)軸的尺寸精度和形位公差的要求很高。轉(zhuǎn)軸高速運轉(zhuǎn)時，由偏心質(zhì)量引起振動，必須對轉(zhuǎn)軸及其上的部分零件進行嚴格的動態(tài)測試。 第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 3軸承 高速電主軸的核心支撐部件是高速精密軸承。目前，常用的是陶瓷軸承、動靜壓軸承和磁懸浮軸承等。 4定子和轉(zhuǎn)子 高速電主軸的定子是由具有高磁導(dǎo)率的優(yōu)質(zhì)矽

18、鋼片疊壓而成。疊壓成形的定子內(nèi)腔帶有沖制嵌線槽。轉(zhuǎn)子是中頻電動機的旋轉(zhuǎn)部分，它的功能是將定子的電磁場能量轉(zhuǎn)換成機械能。轉(zhuǎn)子是由轉(zhuǎn)子鐵心、鼠籠、轉(zhuǎn)軸三部分組成。 第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 三、電主軸的軸承 1對電主軸軸承的要求 1）軸承尺寸公差及旋轉(zhuǎn)精度允差要小，以適應(yīng)高精度切削要求； 2）用角接觸球軸承取代圓柱滾子軸承和推力球軸承承受徑向和軸向載荷，并適應(yīng)高速切削； 3）減小徑向截面尺寸，以減小主軸系統(tǒng)的體積并有利于系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)； 4）盡量采用小而多的滾動體，以減小高速旋轉(zhuǎn)慣性力并進而提高軸系的動剛度； 5）采用高強度、輕質(zhì)保持架，選擇合理的引導(dǎo)方式，以適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)； 6）盡量采用配對軸承，以保證軸承的旋轉(zhuǎn)精度與剛度。第五章數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng) 2軸承的選用 電主軸軸承的支承核心是高速精密主軸軸承。高速主軸選用的軸承主要是高速球軸承和磁力軸承。 高速球軸承主要分為角接觸球軸承和陶瓷球軸承。高速精密角接觸球軸承主要用于載荷較輕的高速旋轉(zhuǎn)場合，常作高速電主軸的支承件成對安裝使用。目前，應(yīng)用較多的球軸承還有陶瓷球軸承，這種軸承標準化程度高，具有極限轉(zhuǎn)速高、溫升小、剛性大、壽命長等特點，性價比較好，便于維修和保養(yǎng)，特別適用于高速運行場合。 第五章數(shù)控機床的主