数控机床主传动系统-课件

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1、 2.1 2.1 2.1 2.1 主轴变速方式主轴变速方式 2.2 2.2 2.2 2.2 主轴支承配置及轴承预紧主轴支承配置及轴承预紧 2.3 2.3 2.3 2.3 高速电主轴高速电主轴 数控机床主传动系统技能目标技能目标1.了解数控机床的结构特点及要求;了解数控机床的结构特点及要求;2.理解数控机床主轴变速方式、典型主轴部件结理解数控机床主轴变速方式、典型主轴部件结构及原理;构及原理;预习预习1.直流或交流电动机的无级调速直流或交流电动机的无级调速 数控机床主传动系统2.1 数控机床主传动系统的组成及特点数控机床主传动系统的组成及特点 功用:功用:主传动系统是用来实现机床主传动系统是用来

2、实现机床主运动主运动的传的传动系统,它应具有一定的转速(速度)和一定动系统,它应具有一定的转速(速度)和一定的变速范围,并能方便地实现运动的开停、变的变速范围,并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。速、换向和制动等。组成:组成:主要包括电动机、传动系统和主轴部件主要包括电动机、传动系统和主轴部件 主传动系统的特点:主传动系统的特点:转转速高、功率大速高、功率大 变变速范速范围宽围宽 主主轴变轴变速迅速可靠速迅速可靠 主轴组件的耐磨性高主轴组件的耐磨性高数控机床主传动系统2.2 主传动系统设计要求及配置主传动系统设计要求及配置2.2.1 主传动系统的设计要求主传动系统的设计要求1.主轴具

3、有一定的转速和足够的转速范围主轴具有一定的转速和足够的转速范围,以满以满足机床的足机床的运动要求运动要求;2.主电动机具有足够的功率,全部机构具有足够的主电动机具有足够的功率,全部机构具有足够的强度和刚度,以满足机床的强度和刚度,以满足机床的动力要求动力要求;3.主传动的有关结构,特别是主轴组件要有足够主传动的有关结构,特别是主轴组件要有足够高的精度、抗振性,热变形和噪声要小,传动效高的精度、抗振性,热变形和噪声要小,传动效率要高,以满足机床的率要高,以满足机床的工作性能要求工作性能要求;4.操纵灵活可靠,调整维修方便,润滑密封良好,操纵灵活可靠,调整维修方便,润滑密封良好,以满足机床的以满足

4、机床的使用要求使用要求;5.结构简单紧凑,工艺性好,成本低,以满足结构简单紧凑,工艺性好,成本低,以满足经经济性要求。济性要求。数控机床主传动系统2.2.2 数控机床主传动系统配置方式数控机床主传动系统配置方式()带有变速齿轮的主传动()带有变速齿轮的主传动 实实现现分分段段无无级级变变速速,扩扩大大输输出出扭扭矩矩,常常用用大大、中型数控机床。如图中型数控机床。如图2-1(a)2-1(a)所示;所示;()通过带传动的主传动()通过带传动的主传动 电电动动机机本本身身的的调调速速能能够够满满足足要要求求,可可以以避避免免齿齿轮轮传传动动引引起起的的振振动动与与噪噪声声。主主要要应应用用在在转转

5、速速较高、变速范围不大的机床。如图较高、变速范围不大的机床。如图2-1(b)2-1(b)所示;所示;数控机床主传动系统()用两个电动机分别驱动主轴()用两个电动机分别驱动主轴 上述两种方式的混合传动,具有上述两种性上述两种方式的混合传动,具有上述两种性能。能。如图如图2-1(c)2-1(c)所示;所示;()内装电动机主轴传动结构()内装电动机主轴传动结构 这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴这种主传动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,如图的结构,有效地提高了主轴部件的刚度,如图2-1(d)2-1(d)。数控机床主传动系统 图图2-1 2-1 数控机床主传动的四种

6、配置方式数控机床主传动的四种配置方式(a)(a)变速齿轮变速齿轮 (b)(b)带传动带传动 (c)(c)两个电机分别驱动两个电机分别驱动 (d)(d)内装电动机主轴内装电动机主轴传动结构传动结构数控机床主传动系统2.3 2.3 主轴部件主轴部件2.3.1 2.3.1 主轴的构造主轴的构造 主轴的构造和形状主要决定于主轴上所安装主轴的构造和形状主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承等零件的类型、数的刀具、夹具、传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法等。量、位置和安装定位方法等。主轴一般为主轴一般为空心阶梯轴空心阶梯轴,前端径向尺寸大,前端径向尺寸大,中间径向尺寸逐渐减小,尾

7、部径向尺寸最小。也中间径向尺寸逐渐减小,尾部径向尺寸最小。也有有实心阶梯轴实心阶梯轴。主主轴轴的的前前端端型型式式取取决决于于机机床床类类型型和和安安装装夹夹具具或或刀刀具具的的型型式式。主主轴轴端端部部用用于于安安装装刀刀具具或或夹夹持持工工件件的的夹夹具具,主主轴轴端端部部的的结结构构形形状状已已标标准准化化。图图2-22-2所示为几种机床上通用的结构形式。所示为几种机床上通用的结构形式。数控机床主传动系统 图图2-2 主轴端部的结构形式主轴端部的结构形式 数控机床主传动系统2.3.2 2.3.2 主轴滚动支承主轴滚动支承 主轴支承是指主轴轴承,支承座及其相关零件主轴支承是指主轴轴承,支承

8、座及其相关零件的组合体,其中核心元件是轴承。的组合体,其中核心元件是轴承。采用滚动轴承的支承称为主轴滚动支承采用滚动轴承的支承称为主轴滚动支承 (1 1)滚动轴承的主要优点)滚动轴承的主要优点适应转速和载荷变动的范围大;适应转速和载荷变动的范围大;能在零间隙或负间隙(一定的过盈量)条件下稳能在零间隙或负间隙(一定的过盈量)条件下稳定运转,具有较高的旋转精度和刚度;定运转,具有较高的旋转精度和刚度;轴承润滑容易,维修、供应方便,摩擦系数小。轴承润滑容易,维修、供应方便,摩擦系数小。(2 2)滚动轴承的缺点)滚动轴承的缺点滚动轴承的滚动体数目有限,刚度是变化的,阻滚动轴承的滚动体数目有限,刚度是变

9、化的,阻尼也较小,容易引起振动和噪声;尼也较小,容易引起振动和噪声;径向尺寸比滑动轴承大。径向尺寸比滑动轴承大。数控机床主传动系统(3)主轴支承的选用主轴支承的选用 数数控控机机床床主主轴轴支支承承根根据据主主轴轴组组件件的的转转速速、承承载载能能力力及及回回转转精精度度等等要要求求的的不不同同而而采采用用不不同同种种类类的轴承。的轴承。一一般般中中小小型型数数控控机机床床(车车床床、铣铣床床、加加工工中中心心、磨床)的主轴组件多采用磨床)的主轴组件多采用滚动轴承;滚动轴承;重型数控机床采用重型数控机床采用液体静压轴承;液体静压轴承;高高精精度度数数控控机机床床(如如坐坐标标磨磨床床)采采用用

10、气气体体静静压压轴轴承;承;转转速速达达(2-102-10)10104 4r/minr/min的的主主轴轴可可采采用用磁磁力力轴轴承承或陶瓷滚珠轴承。或陶瓷滚珠轴承。数控机床主传动系统(4 4)主轴常用滚动轴承的类型主轴常用滚动轴承的类型 圆锥孔双列圆柱滚子轴承圆锥孔双列圆柱滚子轴承 圆锥圆锥滚滚子子轴轴承承 双向推力角接触球轴承双向推力角接触球轴承 角接触球轴承角接触球轴承(向心推力球轴承)向心推力球轴承)陶瓷陶瓷滚动轴滚动轴承承滚动滚动体用陶瓷材料制成,而内、外圈仍用体用陶瓷材料制成,而内、外圈仍用轴轴承承钢钢制造;制造;滚动滚动体和内圈用陶瓷材料制成,外圈用体和内圈用陶瓷材料制成,外圈用

11、轴轴承承钢钢制造;制造;全陶瓷轴承,即滚动体、内外圈全都用陶瓷材料制成。全陶瓷轴承,即滚动体、内外圈全都用陶瓷材料制成。磁浮轴承磁浮轴承数控机床主传动系统图图2-4 2-4 几种典型的主轴滚动轴承几种典型的主轴滚动轴承(a)(a)、(b)(b)双列圆柱滚子轴承双列圆柱滚子轴承 (c)(c)双列圆锥轴承双列圆锥轴承 (d)(d)双向推力角接触球轴双向推力角接触球轴承承 (e)双列空心圆锥滚子轴承双列空心圆锥滚子轴承 (f)特殊双列球轴承特殊双列球轴承 (g)角接触球轴承角接触球轴承 (h)单列圆锥滚子轴承单列圆锥滚子轴承 数控机床主传动系统(5)(5)主轴滚动轴承的选择主轴滚动轴承的选择 轴承类

12、型及型号选用主要根据主轴组件的刚度、承轴承类型及型号选用主要根据主轴组件的刚度、承载能力、转速、抗振性及结构等要求合理进行选定。载能力、转速、抗振性及结构等要求合理进行选定。承载能力和刚度承载能力和刚度径向:圆柱、圆锥滚子轴承径向:圆柱、圆锥滚子轴承球轴承球轴承轴向:推力轴承轴向:推力轴承圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承向心推力球轴承向心推力球轴承 转速转速径向:径向:向心球轴承向心球轴承向心推力球轴承向心推力球轴承圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承轴向:轴向:向心推力球轴承向心推力球轴承圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承推力轴承推力轴承 结构要求结构要求选轻型或特轻型轴承选轻型或特轻型轴承一个支承中装两个轴承一个支承中

13、装两个轴承采用滚针轴承采用滚针轴承数控机床主传动系统滚动轴承选用原则滚动轴承选用原则(1)(1)中中高高速速重重载载 双双列列向向心心短短圆圆柱柱滚滚子子轴轴承承配配双双向向推推力角接触球轴承。力角接触球轴承。(2)(2)高高速速轻轻载载 向向心心推推力力球球轴轴承承,根根据据载载荷荷大大小小,每每个支承可用一个个支承可用一个 、二个甚至三个。、二个甚至三个。(3)(3)轴轴向向载载荷荷为为主主 精精度度不不高高时时,选选用用推推力力轴轴承承配配单单列向心球轴承;精度较高,选用向心推力轴承。列向心球轴承;精度较高,选用向心推力轴承。数控机床主传动系统(6 6)主轴轴承的配置型式主轴轴承的配置型

14、式 主主轴轴轴轴承承的的配配置置型型式式应应根根据据刚刚度度、转转速速、承承载载能能力力、抗抗振振性性和和噪噪声声等等要要求求来来选选择择。常常见见有有如如下下几几种种典典型型的的配配置置型型式式:速速度度型型、刚刚度度型型、刚刚度度速速度型。如图度型。如图2-72-7所示。所示。速度型速度型 (如如图图2-7(a)2-7(a))、(图、(图2-8)主主轴轴前前后后轴轴承承都都采采用用角角接接触触球球轴轴承承(两两联联或或三三联)。联)。刚度型刚度型(如图如图2-7(b)2-7(b)、(图、(图2-92-9)前前支支承承采采用用双双列列短短圆圆柱柱滚滚子子轴轴承承承承受受径径向向载载荷荷和和6

15、060角角接接触触双双列列向向心心推推力力球球轴轴承承承承受受轴轴向向载载荷荷,后支承采用双列短圆柱滚子轴承。后支承采用双列短圆柱滚子轴承。刚度速度型刚度速度型(如图如图2-7(c)2-7(c)、(图、(图2-102-10)数控机床主传动系统 图图 2-7 2-7 主轴单元主轴单元 (a)速度型速度型数控机床主传动系统图图2 2-8 高速高速CNC车床主轴组件车床主轴组件 数控机床主传动系统图图 2-7 2-7 主轴单元主轴单元 (b)(b)刚度型刚度型数控机床主传动系统图图2-9 CNC型车床主轴型车床主轴 数控机床主传动系统 图图 2-7 2-7 主轴单元主轴单元 (c)刚度速度型刚度速度

16、型 数控机床主传动系统图图2-10 卧式铣床主轴卧式铣床主轴 数控机床主传动系统 三支承主轴三支承主轴 由于结构上的原因,主轴箱长度较大,主由于结构上的原因,主轴箱长度较大,主轴支承跨距超过两支承合理跨距很多,则增加轴支承跨距超过两支承合理跨距很多,则增加中间支承有利于提高刚度和抗振性。通常只有中间支承有利于提高刚度和抗振性。通常只有两个支承起主要作用,而另一个支承起辅助作两个支承起主要作用,而另一个支承起辅助作用,即处于所谓用,即处于所谓“浮动浮动”状态。状态。如图如图2-112-11所示为前、中支承为主要支承的所示为前、中支承为主要支承的三支承主轴组件的典型结构,前、中支承采用三支承主轴组

17、件的典型结构,前、中支承采用一对高精度的双列短圆柱滚子轴承。一对高精度的双列短圆柱滚子轴承。数控机床主传动系统 图图2-11 三支承数控车床主轴组件三支承数控车床主轴组件 数控机床主传动系统(7 7)滚动轴承精度等级的选择滚动轴承精度等级的选择 主主轴轴轴轴承承中中,前前、后后轴轴承承的的精精度度对对主主轴轴旋旋转转精精度的影响是不同的。度的影响是不同的。前轴承内环偏心前轴承内环偏心 如如图图2-12(a)2-12(a)所所示示,前前轴轴承承轴轴心心有有偏偏移移 a a,后后轴轴承承偏偏移移量量为为零零,由由偏偏移移量量 a a引引起起的的主主轴轴端端轴轴心心偏移为偏移为:a1a1:a a=(

18、L+a):L=(L+a):L数控机床主传动系统 后轴承内环偏心后轴承内环偏心 图图2 2-12(b)表示后轴承有偏移表示后轴承有偏移 b b ,前轴承偏移为,前轴承偏移为零时,引起主轴端部的偏移为零时,引起主轴端部的偏移为:b1b1:b b=a:L=a:L 图图2-12 2-12 主主轴轴轴轴承承对对主主轴轴旋旋转转精度的影响精度的影响 (b)后轴承偏移量的影响后轴承偏移量的影响 数控机床主传动系统 讨论讨论 当轴承当轴承 a a=b b时,时,a1a1 b1b1。说明前轴承内环的偏说明前轴承内环的偏心量对主轴端部精度影响大,所以,前轴承精度应心量对主轴端部精度影响大,所以,前轴承精度应选高些

19、,通常比后轴承高一级。选高些,通常比后轴承高一级。在安装主轴轴承时,如将前、后轴承的偏移方向放在安装主轴轴承时,如将前、后轴承的偏移方向放在同一侧,如图在同一侧,如图2 2-12(c)所示,可以有效地减少主轴所示,可以有效地减少主轴端部的偏移。如后轴承的偏移量适当地比前轴承的端部的偏移。如后轴承的偏移量适当地比前轴承的大,可使主轴端部的偏移量为零。大,可使主轴端部的偏移量为零。图图2-12 2-12 主轴轴承对主轴旋转精度的影响主轴轴承对主轴旋转精度的影响(c)前、后轴承的综合影响前、后轴承的综合影响 数控机床主传动系统 主轴轴承精度主轴轴承精度 机床主轴轴承的精度通常采用机床主轴轴承的精度通

20、常采用P P2、P P4、P P5、P P6(相当于旧标准的(相当于旧标准的B B、C C、D D、E E)4级,此外又级,此外又规定了规定了2种辅助精度级种辅助精度级SPSP(特殊精密级)和(特殊精密级)和UPUP(超精密级)。主轴轴承精度选择可参考表(超精密级)。主轴轴承精度选择可参考表2-2-3 3 表表4-3 4-3 主轴轴承精度主轴轴承精度 数控机床主传动系统(8 8)主轴滚动轴承的预紧主轴滚动轴承的预紧轴轴承承预预紧紧是是使使轴轴承承滚滚道道预预先先承承受受一一定定的的载载荷荷,消消除除间间隙隙,并并使使得得滚滚动动体体与与滚滚道道之之间间发发生生一一定定的的变变形形,增增大大接接

21、触触面面积积,轴轴承承受受力力时时变变形形减减小小,抵抵抗抗变形的能力增大。变形的能力增大。对对主主轴轴滚滚动动轴轴承承进进行行预预紧紧和和合合理理选选择择预预紧紧量量,可可以提高主轴部件的回转精度、刚度和抗振性。以提高主轴部件的回转精度、刚度和抗振性。一般主轴部件应在结构上保证能调整主轴的间隙。一般主轴部件应在结构上保证能调整主轴的间隙。轴承预紧可分为径向预紧和轴向预紧两种方式。轴承预紧可分为径向预紧和轴向预紧两种方式。数控机床主传动系统径向预紧方式径向预紧方式 径向预紧是利用轴承径向预紧是利用轴承内圈膨胀内圈膨胀,以消除径向,以消除径向间隙的方法。如图间隙的方法。如图2-132-13所示所

22、示 轴向预紧方式轴向预紧方式 通通过过轴轴承承内内、外外圈圈之之间间的的相相对对轴轴向向位位移移进进行行预预紧紧。图图2-14所所示示为为角角接接触触球球轴轴承承的的几几种种预预紧紧控制方式。控制方式。(1)修磨轴承圈修磨轴承圈 (2)内外隔套内外隔套 (3)无控制装置无控制装置 (4)弹簧预紧弹簧预紧 数控机床主传动系统图图2-13 双列圆柱滚子轴承双列圆柱滚子轴承的间隙调整的间隙调整 数控机床主传动系统图图2 2-14 角接触球轴承的预紧控制角接触球轴承的预紧控制 数控机床主传动系统2.3.3 液体静压轴承液体静压轴承 液液体体静静压压轴轴承承系系统统由由一一套套专专用用供供油油系系统统、

23、节节流流器器和轴承三部分组成。和轴承三部分组成。液液体体静静压压轴轴承承油油膜膜压压强强与与主主轴轴转转速速无无关关,承承载载能能力不随转速而变化。力不随转速而变化。优优点点:承承载载能能力力高高;旋旋转转精精度度高高,油油膜膜有有均均化化误误差差的的作作用用,可可提提高高加加工工精精度度;抗抗振振性性好好,运运转转平平稳稳;既既能能在在极极低低转转速速下下工工作作,也也能能在在极极高高转转速速下下工工作作;摩摩擦小,轴承寿命长。擦小,轴承寿命长。缺点缺点:需要一套专用供油设备,轴承制造工艺复杂、需要一套专用供油设备,轴承制造工艺复杂、成本较高。成本较高。数控机床主传动系统(1)组成)组成供油

24、系统供油系统节流器节流器轴承轴承(2)正常工作条件)正常工作条件轴颈需始终浮在压力油中,保持液体摩擦;轴颈需始终浮在压力油中,保持液体摩擦;有外载时,油膜应具有足够的刚度,以使主轴轴心有外载时,油膜应具有足够的刚度,以使主轴轴心线偏移小,轴承精度高。线偏移小,轴承精度高。(3)结构)结构 定压式静压轴承的工作原理如图定压式静压轴承的工作原理如图2-17所示。所示。油腔油腔:在轴承上开:在轴承上开4个,开在轴承内圆柱面上间隔个,开在轴承内圆柱面上间隔相等对称分布的压力区。相等对称分布的压力区。封油面:油腔与回油槽之间的凸起面,又称节流边。封油面:油腔与回油槽之间的凸起面,又称节流边。数控机床主传

25、动系统 图图2 2-17 定压式静压轴承定压式静压轴承节流作用:压力降:节流作用:压力降:P=Ps-P0,(Ps=P0+P),P0-油腔压力油腔压力 P=Q Rhc Q-流量;流量;Rhc-节流器阻力节流器阻力数控机床主传动系统(4)工作原理)工作原理 压力油从油泵打出来后,压力为压力油从油泵打出来后,压力为Ps,经,经4个节流个节流器进入器进入4个独立的油腔中,将轴颈浮起推向中央,个独立的油腔中,将轴颈浮起推向中央,然后压力油经过封油面与轴颈之间间隙然后压力油经过封油面与轴颈之间间隙h0流回油箱。流回油箱。无外载作用:无外载作用:4个油腔的封油间隙相等;个油腔的封油间隙相等;4个油腔的排油量

26、相等;个油腔的排油量相等;4个节流器的节流作用完全一致;个节流器的节流作用完全一致;4个节流器的压力个节流器的压力降降 P相等。相等。轴在轴在4个互相垂直的指向轴心的相等力的作用下浮个互相垂直的指向轴心的相等力的作用下浮了起来。了起来。数控机床主传动系统有外加载荷(包括轴自重):有外加载荷(包括轴自重):下油腔下油腔3:节流器的压力降节流器的压力降 P3减小减小 Ps=P3+P3 Ps=恒量恒量 P3 上油腔上油腔1:节流器的压力降节流器的压力降 P1增大增大 Ps=P1+P1 Ps=恒量恒量 P1 使轴受到一个向上的推力使轴受到一个向上的推力F=A(P3-P1)以平衡)以平衡外载荷外载荷F。

27、数控机床主传动系统2.4 车削中心车削中心C轴功能 车车削削中中心心的的转转塔塔刀刀架架上上带带有有能能使使刀刀具具旋旋转转的的动动力力刀刀座座,主主轴轴具具有有按按轮轮廓廓成成型型要要求求连连续续回回转转(不不等等速速回回转转)运运动动和和进进行行连连续续精精确确分分度的度的C C轴功能,并能与轴功能,并能与X X轴或轴或Z Z轴联动。轴联动。数控机床主传动系统数控机床主传动系统 车削中心的传动系统车削中心的传动系统数控机床主传动系统2.5 高速电主轴的结构高速电主轴的结构高速主轴在结构上几乎全部是交流伺服电机直接驱动高速主轴在结构上几乎全部是交流伺服电机直接驱动的的集成化结构集成化结构,取

28、消齿轮变速机构,并配备有强力的,取消齿轮变速机构,并配备有强力的冷却和润滑设计。冷却和润滑设计。集成集成电机主轴电机主轴的特点是振动小、噪声低、体积紧凑。的特点是振动小、噪声低、体积紧凑。集成主轴有两种构成方式:集成主轴有两种构成方式:一种是通过联轴器把电机与主轴直接连接;一种是通过联轴器把电机与主轴直接连接;另一种则是把电机转子与主轴做成一体,即将无壳另一种则是把电机转子与主轴做成一体,即将无壳电机的电机的空心转子空心转子用压配合的形式直接用压配合的形式直接装在机床主轴装在机床主轴上,上,带有冷却套的带有冷却套的定子定子则则安装在主轴单元的壳体安装在主轴单元的壳体中,形成中,形成内装式电机主

29、轴。内装式电机主轴。这种电机与机床主轴这种电机与机床主轴“合二为一合二为一”的传动结构形式,的传动结构形式,把机床主传动链的长度缩短为零,实现了机床的把机床主传动链的长度缩短为零,实现了机床的“零零传动传动”。数控机床主传动系统 电主轴外形虽然各不相同,但实质都是一个转电主轴外形虽然各不相同,但实质都是一个转子中空的电动机。外壳有强制冷却的水槽(通恒子中空的电动机。外壳有强制冷却的水槽(通恒温油或水)或采取强制通气冷却,中空套筒用于温油或水)或采取强制通气冷却,中空套筒用于直接安装各种机床主轴。从而取消了从主电动机直接安装各种机床主轴。从而取消了从主电动机到主轴之间一切中间的机械传动环节,实现

30、了主到主轴之间一切中间的机械传动环节,实现了主电动机与机床主轴的一体化,电动机与机床主轴的一体化,图图2 2-19所示为用于立式加工中心的高速电主轴所示为用于立式加工中心的高速电主轴的组成。由于高速电主轴对轴上零件的动平衡要的组成。由于高速电主轴对轴上零件的动平衡要求很高,因此,轴承的定位元件与主轴不宜采用求很高,因此,轴承的定位元件与主轴不宜采用螺纹连接,电机转子与主轴也不宜采用键连接,螺纹连接,电机转子与主轴也不宜采用键连接,而普遍采用可拆的阶梯而普遍采用可拆的阶梯过盈连接过盈连接。数控机床主传动系统图图2-19 2-19 高速电主轴的组成高速电主轴的组成1-后轴承;后轴承;2-电机定子;

31、电机定子;3-电机转子;电机转子;4-前轴承;前轴承;5-主轴主轴 数控机床主传动系统(1)电主轴的主要特点:电主轴的主要特点:机械结构简单,转动惯量小,因而快速响应好,机械结构简单,转动惯量小,因而快速响应好,能实现极高的速度、加减速度和定角度的快速准能实现极高的速度、加减速度和定角度的快速准停。停。采用交流采用交流变频调速变频调速的交流主轴驱动装置,输出功的交流主轴驱动装置,输出功率大,调速范围宽,有比较理想的转矩率大,调速范围宽,有比较理想的转矩功率功率特性。特性。可以实现主轴部件的单元化。电主轴可独立做成可以实现主轴部件的单元化。电主轴可独立做成标准功能部件,由专业厂进行系列化生产;根

32、据标准功能部件,由专业厂进行系列化生产;根据用户的不同要求进行选用,可很方便的组成各种用户的不同要求进行选用,可很方便的组成各种性能的高速机床,符合现代机床设计模块化的发性能的高速机床,符合现代机床设计模块化的发展方向。展方向。数控机床主传动系统()()电主轴的安装形式电主轴的安装形式主电机置于主轴前、后轴承之间(如图主电机置于主轴前、后轴承之间(如图2-19所所示)。主轴轴向尺寸较短,主轴刚度高,适用示)。主轴轴向尺寸较短,主轴刚度高,适用于中、大型高速加工中心。目前大多数加工中于中、大型高速加工中心。目前大多数加工中心采用这种形式。心采用这种形式。主电机置于主轴后轴承之后,即主轴箱和主电主

33、电机置于主轴后轴承之后,即主轴箱和主电机作轴向的同轴布置。有利于减小电主轴的径机作轴向的同轴布置。有利于减小电主轴的径向尺寸,散热较好。但主轴单元轴向尺寸较大,向尺寸,散热较好。但主轴单元轴向尺寸较大,用于小型高速数控机床,尤其适用于模具型腔用于小型高速数控机床,尤其适用于模具型腔的高速精密加工。的高速精密加工。数控机床主传动系统2.6 提高主轴组件性能的措施提高主轴组件性能的措施 2.6.1 提高旋转精度提高旋转精度 提高主轴组件的旋转精度,首先是要保证主轴和提高主轴组件的旋转精度,首先是要保证主轴和轴承具有一定的精度轴承具有一定的精度 (1 1)采用旋转精度较高的轴承)采用旋转精度较高的轴

34、承 轴承的精度等级要与机床的精度等级相适应轴承的精度等级要与机床的精度等级相适应(2 2)适当提高有关零件的精度)适当提高有关零件的精度 与轴承配合的有关零件的尺寸误差、形状误差、与轴承配合的有关零件的尺寸误差、形状误差、相对位置误差不能大于轴承有关表面的规定误差相对位置误差不能大于轴承有关表面的规定误差 数控机床主传动系统(3)采用轴承选配)采用轴承选配 对于同样精度等级的轴承,如能合理的选配安装,对于同样精度等级的轴承,如能合理的选配安装,就可提高主轴的旋转精度。就可提高主轴的旋转精度。单个轴承安装单个轴承安装 (如图如图2 2-20所示所示)实测轴颈、轴承内环径跳;实测轴颈、轴承内环径跳

35、;数值相接近分为一组;数值相接近分为一组;跳动量最大处按相反方向装配。跳动量最大处按相反方向装配。o-主轴端部锥孔中心主轴端部锥孔中心 ;o1-主轴轴颈中心;主轴轴颈中心;o2-轴承内圈滚道中心;轴承内圈滚道中心;1 1-主轴主轴端部锥孔中心端部锥孔中心o相对于主轴轴颈中心相对于主轴轴颈中心o1的偏的偏心量;心量;2 2-轴承轴承内环内孔中心内环内孔中心o1相对于内环滚道中心相对于内环滚道中心o2的的偏心量。偏心量。数控机床主传动系统显然,若两个偏心的偏移方向相同(图显然,若两个偏心的偏移方向相同(图2 2-20(a)),则主轴锥孔中心的偏心量为;),则主轴锥孔中心的偏心量为;=1 1+2 2

36、若方向相反若方向相反(图图2-20(b)2-20(b),则偏差为,则偏差为 =|1 1-2 2|表明后者的主轴组件旋转精度较高。表明后者的主轴组件旋转精度较高。若若 1 1=2 2 时,时,=0 精度提高精度提高一般情况一般情况:=1 1+2 2数控机床主传动系统 图图2 2-20 径向跳动量的合成径向跳动量的合成o-主轴端部锥孔中心;主轴端部锥孔中心;o1-主轴轴颈中心;主轴轴颈中心;o2-轴承内圈滚道中心轴承内圈滚道中心 1 1-主轴主轴端部锥孔中心端部锥孔中心o相对于主轴轴颈中心相对于主轴轴颈中心o1的偏心量;的偏心量;2 2-轴承轴承内环内孔中心内环内孔中心o1相对于内环滚道中心相对于

37、内环滚道中心o2的偏心量。的偏心量。数控机床主传动系统 正确选配前后轴承正确选配前后轴承 前、后轴承选配合理时,可以减小主轴端部径向前、后轴承选配合理时,可以减小主轴端部径向跳动量。如图跳动量。如图2-21所示,设前、后轴承的径向跳动所示,设前、后轴承的径向跳动量为量为 1 1、2 2,主轴端部的径向跳动量为,主轴端部的径向跳动量为 ,利用相似,利用相似三角形关系,可得三角形关系,可得 为使为使=0=0,必须,必须 =-=-由于由于L L、a a均为正数,要上式成立,则均为正数,要上式成立,则 1 1、2 2符号必符号必须相反,且须相反,且|2 2|1 1|即轴承装配时,使前后轴承最大径向跳动

38、点在同即轴承装配时,使前后轴承最大径向跳动点在同一轴向平面内,且在轴线的同一方。一轴向平面内,且在轴线的同一方。数控机床主传动系统 图图2-21 轴承径向跳动对主轴端部的影响轴承径向跳动对主轴端部的影响数控机床主传动系统2.6.2 改善动态特性改善动态特性 通通常常,主主轴轴组组件件的的固固有有频频率率是是很很高高的的,远远远远高高于于主主轴轴的的最最高高转转速速,故故不不必必考考虑虑共共振振问问题题。但但是是对对于于高高速速主主轴轴,特特别别是是带带内内装装式式电电机机的的高高速速主主轴轴,则则要要考考虑虑共共振振问问题题。改改善善动动态态特特性性的的主主要要措措施施有有以下一些:以下一些:

39、(1)使主轴组件的固有频率避开激振力的频率使主轴组件的固有频率避开激振力的频率 ;(2)主主轴轴轴轴承承的的阻阻尼尼对对主主轴轴组组件件的的抗抗振振性性影影响响很很大大,特别是前轴承特别是前轴承 ;(3)采采用用三三支支承承结结构构时时,其其中中辅辅助助支支承承的的作作用用在在很很大程度上是为提高抗振性;大程度上是为提高抗振性;(4)采用消振装置。采用消振装置。数控机床主传动系统2.6.3 控制主轴组件温升控制主轴组件温升 主轴运转时滚动轴承的滚动体在滚道中摩擦、主轴运转时滚动轴承的滚动体在滚道中摩擦、搅油,滑动轴承承载油膜受到剪切内摩擦,均会搅油,滑动轴承承载油膜受到剪切内摩擦,均会产生热量

40、,使轴承温度上升。轴承直径越大,转产生热量,使轴承温度上升。轴承直径越大,转速越高,发热量就越大。速越高,发热量就越大。故轴承是主轴组件的主要热源。前后轴承温度故轴承是主轴组件的主要热源。前后轴承温度的升高不一致,使主轴组件产生热变形,从而影的升高不一致,使主轴组件产生热变形,从而影响轴承的正常工作,导致机床加工精度降低。响轴承的正常工作,导致机床加工精度降低。(1)减少支承发热量;减少支承发热量;(2)采用散热装置。采用散热装置。数控机床主传动系统习题习题2一一.图形解释图形解释(1)说明图)说明图1、图、图2、图、图3、图、图4所示数控机床的类型;所示数控机床的类型;(2)说明图)说明图1

41、所示数控机床的用途及床身和导轨的所示数控机床的用途及床身和导轨的布局形式;布局形式;(3)说明图)说明图3所示数控机床的结构组成;所示数控机床的结构组成;(4)说明图)说明图4所示机床的特点。所示机床的特点。数控机床主传动系统图图1 图图2数控机床主传动系统图图3 图图4数控机床主传动系统立立立立 柱柱柱柱主轴部件主轴部件主轴部件主轴部件工作台工作台工作台工作台杆杆杆杆 件件件件滑滑滑滑 板板板板工作空间工作空间工作空间工作空间数控机床主传动系统二、填空题二、填空题1.主轴组件由主轴、主轴组件由主轴、和安装在主轴上和安装在主轴上的的 、组成。组成。2.主轴的功用是主轴的功用是 ,承受承受 等载

42、荷,完成表面成形运等载荷,完成表面成形运动。动。3.主轴支承是指主轴支承是指 、及其相关零件及其相关零件的组合体,其中核心元件是的组合体,其中核心元件是 。4.为提高主轴组件的刚度,通常采用为提高主轴组件的刚度,通常采用 系系列轴承,因为当轴承外径一定时其列轴承,因为当轴承外径一定时其 较大。较大。5.线接触的滚子轴承比点接触球轴承的线接触的滚子轴承比点接触球轴承的 要高,要高,但但 要低。要低。数控机床主传动系统6.前支承的精度比后支承对主轴部件的旋转精度前支承的精度比后支承对主轴部件的旋转精度影响影响 ,因此,前轴承的精度一般比后轴,因此,前轴承的精度一般比后轴承精度承精度 。7.对主轴滚

43、动轴承进行预紧和合理选择预紧量,对主轴滚动轴承进行预紧和合理选择预紧量,可以提高主轴部件的可以提高主轴部件的 、和和抗振性。抗振性。8.径向预紧是利用轴承径向预紧是利用轴承 ,以消除径,以消除径向间隙的方法。向间隙的方法。9.轴向预紧是通过轴承轴向预紧是通过轴承 进进行预紧。行预紧。10.主轴的结构参数是主轴的结构参数是 。数控机床主传动系统三、名词解释三、名词解释旋转精度旋转精度刚度刚度主轴与一般传动轴的异同点主轴与一般传动轴的异同点零传动零传动数控机床主传动系统 直流或交流电动机无级调速直流或交流电动机无级调速 1.1.调速电动机的功率和转矩特性调速电动机的功率和转矩特性 机床上常用的无级

44、变速机构为直流或交流调速电机床上常用的无级变速机构为直流或交流调速电动机。动机。直流电动机直流电动机从额定转速向上至最高转速,用调节从额定转速向上至最高转速,用调节电流电流调速,属于恒功率;从额定转速向下至最低转调速,属于恒功率;从额定转速向下至最低转速,用调节速,用调节电压电压调速,属恒转矩。调速,属恒转矩。交流交流调调速速电动电动机机靠靠调节调节供供电电频频率率的的办办法法调调速。因速。因此常称此常称为调频为调频主主轴电动轴电动机。机。通通常常,直直流流或或交交流流调调速速电电动动机机,恒恒功功率率调调速速范范围围很小,恒转矩调速范围则很大。很小,恒转矩调速范围则很大。直直流流或或交交流流调调速速电电动动机机,可可直直接接利利用用恒恒转转矩矩调调速速范范围围拖拖动动直直线线运运动动执执行行机机构构;如如用用于于拖拖动动旋旋转转运运动动,通常要串联分级变速箱来扩大恒功率调速范围。通常要串联分级变速箱来扩大恒功率调速范围。数控机床主传动系统 图图 直流和交流电动机的功率转矩特性直流和交流电动机的功率转矩特性 -恒功率区恒功率区 -恒转矩区恒转矩区数控机床主传动系统

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