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)控機床的結構特點及要求；2.理解數(shù)控機床主軸變速方式、典型主軸部件結構及原理；預習1.直流或交流電動機的無級調速數(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)，它應具有一定的轉速（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)設計要求及配置2.2.1主傳動系統(tǒng)的設計要求1.主軸具有一定的轉速和足夠的轉速范圍，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.主傳動的有關結構，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，調整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機床的使用要求；5.結構簡單緊湊，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。主要應用在轉速較高、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）內裝電動機主軸傳動結構這種主傳動方式大大簡化了主軸箱體與主軸的結構，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)兩個電機分別驅動(d)內裝電動機主軸傳動結構

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)2.3主軸部件2.3.1主軸的構造主軸的構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，主軸端部的結構形狀已標準化。圖2-2所示為幾種機床上通用的結構形式。

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)

圖2-2主軸端部的結構形式

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)點適應轉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，具有較高的旋轉精度和剛度；軸承潤滑容易，維修、供應方便，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)主軸組件的轉速、承載能力及回轉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、外圈仍用軸承鋼制造；滾動體和內圈用陶瓷材料制成，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、轉速、抗振性及結構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

結構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根據(jù)剛度、轉速、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

由于結構上的原因，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構，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精度的影響是不同的。

①

前軸承內環(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

。說明前軸承內環(huán)的偏心量對主軸端部精度影響大，所以，前軸承精度應選高些，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，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）主軸滾動軸承的預緊軸承預緊是使軸承滾道預先承受一定的載荷，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緊和合理選擇預緊量，可以提高主軸部件的回轉精度、剛度和抗振性。一般主軸部件應在結構上保證能調整主軸的間隙。軸承預緊可分為徑向預緊和軸向預緊兩種方式。

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)徑向預緊方式

徑向預緊是利用軸承內圈膨脹，以消除徑向間隙的方法。如圖2-13所示

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

(1)修磨軸承圈

(2)內外隔套

(3)無控制裝置

(4)彈簧預緊

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整

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)圖2-14角接觸球軸承的預緊控制

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速無關，承載能力不隨轉速而變化。優(yōu)點：承載能力高；旋轉精度高,油膜有均化誤差的作用，可提高加工精度；抗振性好,運轉平穩(wěn)；既能在極低轉速下工作，也能在極高轉速下工作；摩擦小，軸承壽命長。缺點:需要一套專用供油設備，軸承制造工藝復雜、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，油膜應具有足夠的剛度，以使主軸軸心線偏移小，軸承精度高。（3）結構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塔刀架上帶有能使刀具旋轉的動力刀座，主軸具有按輪廓成型要求連續(xù)回轉（不等速回轉）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高速電主軸的結構高速主軸在結構上幾乎全部是交流伺服電機直接驅動的集成化結構，取消齒輪變速機構，并配備有強力的冷卻和潤滑設計。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子與主軸做成一體，即將無殼電機的空心轉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，形成內裝式電機主軸。這種電機與機床主軸“合二為一”的傳動結構形式，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，但實質都是一個轉子中空的電動機。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：機械結構簡單，轉動慣量小，因而快速響應好，能實現(xiàn)極高的速度、加減速度和定角度的快速準停。采用交流變頻調速的交流主軸驅動裝置，輸出功率大，調速范圍寬，有比較理想的轉矩——功率特性?？梢詫崿F(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；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提高旋轉精度提高主軸組件的旋轉精度，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（2）適當提高有關零件的精度與軸承配合的有關零件的尺寸誤差、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精度。①單個軸承安裝（如圖2-20所示）實測軸頸、軸承內環(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---軸承內環(huán)內孔中心o1相對于內環(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---軸承內環(huán)內孔中心o1相對于內環(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，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速，故不必考慮共振問題。但是對于高速主軸，特別是帶內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)采用三支承結構時，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摩擦，均會產生熱量，使軸承溫度上升。軸承直徑越大，轉速越高，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，使主軸組件產生熱變形，從而影響軸承的正常工作，導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軌的布局形式；（3）說明圖3所示數(shù)控機床的結構組成；（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