第二章 数控机床的主传动系统

国内高速电主轴技术发展
国内生产的磨削用电主轴的转速在15O00r/min以内 加工中心用电主轴的转速最高3000Or/min 转矩达2OONm的加工中心用电主轴转速只4000r/min 车削用电主轴最高转速可达12000r/min. 最大功率只有llkw
在电主轴的润滑方面, 国外普遍采用先进的油气润滑技术 而我国主要以油脂润滑和油雾润滑为主������


国内高速电主轴技术发展
60年代 主要用于零件内表面磨削, 这种电主轴的功率低, 刚度小, 并且它采用无内圈式向心推力球轴承, 限制了高速电主轴的产业化 80年代 研制出系列高刚度高速电主轴, 广泛应用于各种内圆磨床和 各个机械制造领域 90年代 由磨用电主轴转向铣用电主轴, 它不仅能加工各种形体复杂的 模具, 而且开发了用于木工机械用的风冷式高速铁用电主轴。推 动了高速电主轴在铁削中的应用。
2.1.2主传动的变速方式
主要有无级变速和分段无级变速两种变速方式。主轴的传动类型：
1.采用变速齿轮传动 多用于大中型数控机床，滑动齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由 液压缸带动齿轮来实现。 2.采用同步齿形带传动 多用于转速较高、变速范围不大的数控机床。电动机本身的调速即可 满足要求，不用齿轮变速，避免了齿轮传动的振动和噪声，适应高速、低 转矩特性的主轴，常用的带有三角带和同步齿型带。 3.用两个电机分别驱动主轴 是上述两种方式的混合传动，此种结构高速时由一个电动机通过带传 动、低速时由另一个电动机通过齿轮传动，齿轮起到降速和扩大变速范围 的作用，这样使恒功率区增大，扩大变速范围，避免了低速时转矩不够且 电动机功率不能充分利用的问题。 4.采用主轴电机直接驱动（一体化主轴，电主轴） 多用于变速范围不大的高速主轴，但电动机发热对主轴影响较大，需 专门的有主轴冷却装置。
国内高速电主轴技术发展
国内研究机构： （1） 洛阳轴承研究所 早在1958 年就研制出了磨用电主轴 之后又研发了大功率高转速系列电主轴, 磁悬浮和气静压电主轴等 90 年代将电主轴在应用于大型数控铣床、加工中心和数控车床 我国电主轴技术的引领者 （2） 广州工业大学高速加工和机床研究所 开发研制了多种电主轴, 并应用于数控铣床 由于近些年数控加工技术的飞速发展 同济大学、北京机床研究所和上海机床厂在高速电主轴方面也取 得了很大的成就������
变速齿轮传动
同步齿形带传动
主轴电机直接驱动
电主轴
2. 主传动的齿轮变速装臵
主传动的齿轮变速常用的两种装置是液压拨叉变速和 电磁离合变速装置。 图2-5 图2-5
图2-7
图2-8
2.2 数控机床的主轴部件及主轴箱
2.2.1 主轴端部结构
主轴端部用于安装刀具或者夹持工件的夹具。
主轴部件
2.2.2 主轴轴承
发生偏斜，破坏了刀杆的正确定位，影响零件的加工精 度，甚至会使零件超差报废。
主轴拉钉
主 轴 端 面 键
2.4 高速主轴系统和电主轴
什么是电主轴？
电机内装式主轴的简称
（high-speed motorized spindle） 将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件内部 即将主轴与电动机合二为一 通过交流无级调速使主轴获得所需的工作转速和 扭矩 广泛应用于高速高精度机床加工 决定高速高精度机床发展的关键技术之一������
电主轴的结构特点
电主轴润滑及冷却技术
温升的影响 （1）主轴、工件热变形 （2）导致永磁体的永久退磁, 直接影响电机性能
润滑系统： 冷却系统与润滑系统的设计关系密切,如果润滑系统性能优 越, 则会产生相对较少的热量, 也就减轻了冷却系统的负担 。

因此均匀有效的润滑及冷却系统对高速电主轴系统的精度有 决定作用������
磁悬浮轴承
混合陶瓷球轴承
主轴电机及控制技术

主轴电机设计决定了主轴的最大功率和力矩, 以 及电主轴的性能。
永磁同步电动机 控制精度高，调速范围广 结构紧凑，适合高精度强力重载加工场合
伺服控制多采用矢量控制算法, 控制系统由电流 内环速度环和位臵环组成，全数字处理器实现。


主轴电机及控制技术

大功率高转速永磁主轴电机方面与发达国家差 距较大, 特别是功率40kw,转速10000r/min以上 的永磁主轴电机及其控制技术的研究仍是我国 目前电主轴研制的一项关键技术。
方式，具有较好的高速性能； 后支承结构有采用2个角接触球轴承支承的； 也有用一个圆柱滚子轴承支承的，吸收热膨胀量 的能力，适用于高速、轻载和精密的数控机床主 轴 ；
(3) 图 c 圆锥滚子轴承。这种轴承径向和轴向刚
度高，能承受重载荷，尤其能承受较大的动载 荷，安装与调整性能好； 但是这种轴承配臵方式限制了主轴的最高转速 和精度； 所以仅适用于中等精度、低速与重载的数控机 床主轴。


电主轴的最高转速取决于轴承的大小布臵和润 滑方法。
高速主轴轴承
高速性能好
动态负荷承载力高 润滑性能好 发热量小
高速主轴轴承
常用轴承
滚动轴承
优点
好的高速性能 价格低 综合性能好
陶瓷球膨胀系小 提高速度使用寿命 降低了轴温
缺点
巨大的离心力和陀螺力矩 动载荷超出切削负荷 控制较复杂 技术不够成熟 价格较高
图2-17 液压卡盘结构简图 1—回转液压缸 2—拉杆 3—连接套 4—滑套 5—接套 6—活塞7、10—螺钉 8—回转液压缸箱体 9—卡盘体 11— 卡爪座 12—卡爪
主轴编码器
光敏元件 透光狭缝 码盘基片 光欄板 透镜
z
b
a m+τ/4 节距τ 光源
信号处理装置
Z Z B BA A
利用主轴编码器检测主轴的运动信号，一方面实现主轴 调速的数字反馈，另一方面可用于进给运动的同步控制， 如车螺纹。
加工中心主轴的准停、夹紧机构
主轴内刀具的自动夹紧和切屑清除装臵
刀杆使用大锥度锥柄，既有利于定心，也为松夹带 来了方便。在锥柄尾端轴颈被拉紧的同时，通过锥柄的 定心和摩擦作用将刀杆夹紧于主轴的端部。
自动清除主轴孔内的灰尘和切屑是换刀过程中的
一个不容忽视的问题，如有灰尘和切屑等，在拉紧刀杆
时，锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，甚至回使刀杆
电主轴润滑及冷却技术

冷却系统：针对定转子和轴承的发热
电主轴润滑及冷却技术

润滑系统：国内外高速电主轴润滑和冷却系统 , 一般均采用油气润滑系统
电主轴动平衡技术

动平衡的稳定性决定了机床的加工质量和切削能 力。
振动过大会出现剧烈的磨耗和破损, 增加主轴承 载的动态负荷, 降低寿命和精度。������ 动平衡问题, 受迫力和自激振动能力两大因素， 都应具有良好的抵抗能力������
国内外高速电主轴技术的主要对比
高速电主轴的发展趋势
向高速度、高刚度方向发展 向高速大功率、低速大转矩方向发展
电机形式与控制方式多样化方向发展
电主轴的优点
（1）结构简单，无需皮带、齿轮等中间传动，空间紧凑。 现代某些机床由于结构空间限制，使用电主轴会方便得多。
（2）采用变频器控制使得主轴调速范围增大，调速简单方便。 （3）减少了中间传动环节的能量损失和动力传递不均， 主轴振动小、加工精度高、噪声低、传动效率高， 同时还能减少环境污染。 （4）安装方便，调试简单。
滚动轴承 图2-10
静压滑动轴承 图2-11
2.2.2 主轴轴承的配臵形式
主轴滚动轴承配臵形式
(1)图a所示的结构配臵形式是现代数控机床主
轴结构中刚性最好的一种。它使主轴的综合刚
度得到大幅度提高，可以满足强力切削的要求， 所以目前各类数控机床的主轴普遍采用这种配 臵形式；
(2)图b前支承采用3个超精密级角接触球轴承组合
电主轴的关键技术

在高速主轴轴承的研制 主轴电机及控制技术 高速和高精度情况下的冷却技术和振动的抑制 主轴零件与电机的装配问题
高速主轴轴承

高速高刚度 设计非常高精度的主轴而言, 很高的DmN值(指主轴 轴承的平均直径(mm)与主轴与的极限转速(r/min) 的乘积值), 应该满足在要求的转速下的DmN值。
数控技术
第二章 数控机床的主传动 系统
第二章
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
数控机床的主传动系统
2.1 对主传动系统的基本要求和变速方式
2.2 数控机床的主轴部件 2.3 典型数控机床的主轴部件
2.4 高速主轴系统和电主轴
2.1 对主传动系统的基本要求和变速方式
数控机床的主传动系统包括主轴电动机、传动系统和主轴组 件。结构较普通机床主传动系统简单，因为大部分或全部变速功 能由主轴电机的无级调速来承担。省去了复杂的齿轮变速机构。
国外高速电主轴技术发展
世界著名的机床电主轴功能部件制造商（系列化、标准化） 美国福特公司和Ingersoll公司联合推出的HVM800卧式加工 中心的大功率电主轴最高转速达15000r/min，由静止升至最 高转速仅需15s。

瑞士IBAG公司技术领先，被公认为代表了行业的发展趋势
电主轴最大转速可达140000r/min ,直径范围33到300mm, 功率范围125W-80kW，扭矩范围0.02 一300Nm
车床夹具
夹具一般使用各种卡盘
如图2-17a所示，液压卡盘固定安装在主轴前端，回转液压缸1与接套5用 螺钉7连接，接套通过螺钉与主轴后端面连接，使回转液压缸随主轴一起转 动。卡盘的夹紧与松开由回转液压缸通过一根空心拉杆2来驱动，拉杆后端 与液压缸内的活塞6用螺纹连接，连接套3的 两端螺纹分别与拉杆2和滑套4 连接。图3-15b为卡盘内楔形机构示意图，当液压缸内的压力油推动活塞和 拉杆向卡盘方向移动时，滑套4向右移动，由于滑套上楔形槽的作用，使得 卡爪座11带着卡爪12沿径向向外移动，则卡盘松开。反之液压缸内的压力 油推动活塞和拉杆向主轴后端移动时，通过楔形机构，使卡盘夹紧工件。 卡盘体9用螺钉10固定安装在主轴前端。8为回转液压缸的箱体。