数控机床的主传动系统(1)
数控车床的主传动系统设计PPT
在进行动态特性分析时，需要考虑主轴的转速、转矩和刚度等参数，以及传动系统的固有频率和阻尼比等特性。 通过分析这些参数，可以评估主传动系统在加工过程中的稳定性，预测可能出现的振动和噪声问题，并采取相应 的措施进行优化设计。
强度与刚度分析
总结词
强度与刚度分析是评估主传动系统在承受外力和变形时的性能表现，以确保系统的可靠性和稳定性。
总结词：传统设计
详细描述：该实例介绍了一种传统的数控车床主传动系统设计，主要采用齿轮传 动和链传动组合的方式，具有结构简单、可靠性高的优点，但效率较低，适用于 一般加工需求。
实例二：主传动系统的改进设计
总结词：优化设计
详细描述：该实例针对传统主传动系统的不足，进行了优化改进。采用新型轴承和材料，提高了传动效率和稳定性，减少了 维护成本，适用于高精度、高效率的加工需求。
设计目的和意义
设计目的
设计出高效、稳定、可靠的数控车床主传动系统，满足加工精度和效率的要求， 提高生产效率和产品质量。
意义
主传动系统设计的优劣直接影响到数控车床的性能和加工精度，进而影响到整个 机械制造行业的生产水平和产品质量。因此，对数控车床主传动系统进行合理设 计，对于提高机械制造行业的整体水平具有重要意义。
要点二
详细描述
在进行热特性分析时，需要考虑主轴的转速、切削力和材 料导热系数等参数。通过建立热传导模型，可以预测主传 动系统在不同工况下的温度变化和热变形情况。根据分析 结果，可以采取相应的散热措施和热补偿技术，提高系统 的热稳定性和加工精度。
06 主传动系统实例分析
实例一：某型号数控车床主传动系统设计
高耐磨材料
选用高耐磨材料，如陶瓷和硬质 合金，以提高主传动系统的使用 寿命和可靠性，减少维护成本。
第三章数控机床的主传动系统
第三章 数控机床的主传动系统
(3)突入滚道式润滑方式 如图3—10所示为适应该要求而设计的特殊轴承。 润滑油的进油口在内滚道附近，利用高速轴承的泵 效应，把润滑油吸人滚道。
若进油口较高，则泵效应差，当进油接近外滚道 时则成为排放口了，油液将不能进入轴承内部。
第三章 数控机床的主传动系统
3．冷却润滑技术的研究 过去，加工中心机床主轴轴承大都采用油脂润滑方 式，为了适应主轴转速向更高速化发展的需要，新 的冷却润滑方式相继开发出来，见表3—2。
第三章 数控机床的主传动系统
第一章 数控机床概述
(1)油气润滑方式 这种润滑方式不同于油雾方式， 油气润滑是用压缩空气把小油滴送进轴承空隙中， 油量大小可达最佳值，压缩空气有散热作用，润滑 油可回收，不污染周围空气。图3—8是油气润滑 原理图。
1．主轴部件常用滚动轴承的类型 图3—13a为锥孔双列圆柱滚子轴承，内圈 为1：12的锥孔，当内圈沿锥形轴颈轴向移 动时，内圈胀大以调整滚道的间隙。滚子数 目多，两列滚子交错排列，因而承载能力大， 刚性好，允许转速高。它的内、外圈均较薄， 因此，要求主轴颈与箱体孔均有较高的制造 精度，以免轴颈与箱体孔的形状误差使轴承 滚道发生畸变而影响主轴的旋转精度。该轴 承只能承受径向载荷。
第一章 数控机床概述
(2)热变形 电动机、主轴及传动件都是热源。低温升、小
的热变形是对主传动系统要求的重要指标。 (3)主轴的旋转精度和运动精度
主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转 动条件下测量主轴前端和距离前端300mm处的径 向圆跳动和端面圆跳动值。主轴在工作速度旋转时 测量上述的两项精度称为运动精度。数控机床要求 有高的旋转精度和运动精度。
数控机床主传动系统
数控机床主传动系统第一节概述1、对主传动系统的要求(1)调速范围 :多用途、通用性大的机床要求主轴的调速范围大，低速大转矩功能，较高的速度，如车削加工中心。
(2)热变形: 电动机、主轴及传动件都是热源。
低温升、小的热变形是对主传动系统要求的重要指标。
(3)主轴的旋转精度和运动精度: 主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动条件下测量主轴前端和距离前端300mm处的径向圆跳动和端面圆跳动值。
主轴在工作速度旋转时测量上述的两项精度称为运动精度。
数控机床要求有高的旋转精度和运动精度。
(4)主轴的静刚度和抗振性: 数控机床加工精度较高，主轴的转速又很高，因此对主轴的静刚度和抗振性要求较高。
主轴的轴颈尺寸、轴承类型及配置方式，轴承预紧量大小，主轴组件的质量分布是否均匀及主轴组件的阻尼等对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响。
(5)主轴组件的耐磨性: 主轴组件必须有足够的耐磨性，使之能够长期保持良好的精度。
2、主轴变速方式(1).无级变速(2)(分段无级变速 :1)带有变速齿轮的主传动2)通过带传动的主传动3)用两个电动机分别驱动主轴(3)(液压拨叉变速机构在带有齿轮传动的主传动系统中，齿轮的换挡主要靠液压拨耳来完成3、主轴部件主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。
机床的主轴部件满足的要求:主轴的回转精度、部件的结构刚度和抗振性、运转温度和热稳定性以及部件的耐磨性和精度保持能力等。
对于数控机床尤其是自动换刀数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸与夹持，还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置和主轴孔的清理装置等结构。
(1)、主轴端部的结构形状主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在设计要求上，应能保证定位准确、安装可靠、联接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩主轴为空心，前端有莫氏锥度孔，用以安装顶尖或心轴。
1)莫氏锥度是一个锥度的国际标准，用于静配合以精确定位。
数控机床的主传动系统方式
数控机床的主传动系统方式
1、数控机床对其主传动系统要求：
机床原点、坐标系和参考点
1）调速功能
2）功率要求
3）精度要求
4）动态响应性能
2、主传动方式
主轴在数控机床机械结构中起了非常重要的地位，如图1所示。
图数控机床的主轴系统
数控机床的主传动方式主要有三种：
1）带有二级齿轮变速的主传动方式。
2）通过定比传动的主传动方式，如1所示，主轴电机经定比传动传递给主轴，定比传动采用齿轮传动或带传动。
3）由主轴电机直接驱动的主传动方式，如图2所示。
图2 同步齿形带主传动方式图3 电主轴（电机直接驱动的主传动方式）
3、主轴部件结构
数控机床的主轴部件包括主轴、主轴的支承轴承和安装在主轴上的传动零件等。
主轴部件是机床的重要部件，其结构的先进性已成为衡量机床水平的标志之一。
4、主轴部件的支承
机床主轴带着刀具或夹具在支承件中作回转运动，需要传递切削扭矩，承受切削抗力，并保证必要的旋转精度。
数控机床主轴支承根据主轴部件的转速、承载能力及回转精度等要求的不同而采用不同种类的轴承。
5、主轴的准停装置
主轴的准停是指数控机床的主轴每次能准确停止在一个固定的位置上。
数控机床的主传动系统
三、 典型数控机床的主轴部件
主轴部件是数控机床的关键部件，其 精度、刚度和热变形对加工质量有直接的 影响。本节主要介绍数控车床、数控铣床 和加工中心的主轴部件结构。
在自动换刀过程时，能自动松开 和夹紧刀具夹紧是主轴部件典型
结构。
要求恒功率调速范围尽可能大，以便在尽 可能低的速度下，利用其全功率。
变速范围负载波动时，速度应稳定。
AD-15B FANUC αP18/6000i电机功能曲线图
控制功能的多样化 • 同步控制功能：CNC车床车螺纹用； • 主轴准停功能：加工中心自动换刀、自动装卸 、 CNC车床车螺纹用；（主轴实现定向控制） • 恒线速切削功能：CNC车床和CNC磨床在进行 端面加工时，为了保证端面加工的粗糙度要求 ，要求接触点处的线速度为恒值；(AD-15B以车 代磨，零件表面粗糙度能达到0.8，铝件0.4) • C轴控制功能：车削中心。
对加工中心除上述要求外，还应有：(在机械 结构方面) 刀具的自动夹紧装置 主轴的准停装置 主轴孔的清理装置等
1、主轴端部的结构
端部用于安装刀具或夹持工件的夹具， 因此，要保证刀具或夹具定位（轴向、定 心）准确，装夹可靠、牢固，而且装卸方 便。
目前，主轴的端部形状已标准化。
图2-9（a）所示为车床主轴端部，卡盘靠前端 的短圆锥面和凸缘端面定位，用端面键传递扭 矩，卡盘装有固定螺栓。卡盘装于主轴端部时， 螺栓从凸缘的孔中穿过，转动快卸卡盘将数个 螺栓同时拴住，再拧紧螺母将卡盘固定在主轴 端部。主轴为空心轴，前端为莫式锥孔，用于 安装顶尖或心轴。 图2-9（b）所示为铣镗床主轴端部（用拉杆从 主轴后端拉紧，铣刀上有螺纹孔） 图2-9（c）所示为外圆磨床砂轮主轴端部
20215302021530may3020213020215302021530202151212202151213主轴电动机202151214202151215主轴电动机202151216转速较高变速范围不大的小型数控机床常用它通过一级带传动实现变速不用齿轮变速受电动机调速范围的限制适用于高速低扭矩特性要求的主轴鑫盛ad15ad25202151217鑫盛ad15454500rmin454500rpm202151218202151219两个电动机分别驱动主轴图21c调速电动机直接驱动主轴图21de一种为
数控机床的主传动方式
数控机床的主传动方式数控机床的主传动方式有多种，常见的有伺服电机驱动方式、主轴伺服驱动方式和液压驱动方式。
1. 伺服电机驱动方式：伺服电机驱动方式是数控机床最常见的主传动方式之一。
伺服电机是一种特殊的电机，它能够根据控制信号精确地控制转速和位置。
在数控机床中，伺服电机通常用于驱动主轴、进给轴和其他重要的运动部件。
采用伺服电机驱动方式的数控机床具有运动精度高、响应速度快、动态性能好的优点，广泛应用于高精度加工领域。
2. 主轴伺服驱动方式：主轴伺服驱动方式是一种专门针对主轴进行优化设计的传动方式。
在数控机床中，主轴承担着主要的加工任务，因此主轴伺服驱动方式的设计对于整个机床的加工质量和效率具有重要影响。
主轴伺服驱动方式通常采用伺服电机和蜗轮蜗杆传动机构，通过伺服系统的精确控制来实现主轴的旋转运动。
采用主轴伺服驱动方式的数控机床具有转速范围宽、加工效率高、加工精度好的优点。
3. 液压驱动方式：液压驱动方式是一种利用液压系统实现主传动的方式。
液压驱动方式适用于大型数控机床，特别是用于锻压、冲压、剪切等需要大力矩和力量的加工任务。
液压驱动方式主要通过液压泵、液压缸和液压阀等液压元件实现主传动，具有输出力矩大、传动平稳、可靠性高的优点。
在液压驱动方式下，数控机床能够实现高压、高速、重载的大功率加工任务，适用于重型加工领域。
除了以上主要的传动方式，还有一些其他的传动方式，如：齿轮传动、带传动、链传动等，这些传动方式在一些特定的数控机床中也有应用。
需要根据具体的数控机床的加工任务和要求来选择合适的主传动方式，以实现高效、精密的加工。
数控机床的主传动系统
高速加工、精密定位
主轴驱动系统的设计与选择
设计原则
高可靠性 良好的动态响应 经济性考虑
选择因素
机床类型 加工要求 成本预算
常见类型
交流伺服驱动系统 直流传动系统 混合驱动系统
● 03
第3章 数控机床的进给传动 系统
进给传动系统的组成与作 用
进给传动系统主要包括进给驱动装置、进给传动 机构和进给系统的控制与调节三个部分。进给驱 动装置负责提供动力，进给传动机构负责传递动 力并实现所需的运动轨迹，进给系统的控制与调 节负责对整个系统的运行进行精确控制。
主传动系统是数控机床的核心部件之一，它主要 由主轴装置、传动装置、主轴驱动系统等组成， 负责传递动力并确保机床加工的精度和速度。
主轴的类型与特性
电主轴
高速、高精度
复合主轴
结合电主轴与机 械主轴特点
机械主轴
结构简单、成本 低
主轴定向控制
01 控制意义
保证加工精度
02 控制方法
光电编码器、霍尔效应
部分控制信号依赖于反馈信号
电气控制系统的故障诊断与维 护
故障诊断方法包括观察法、信号分析法、模拟法 等；故障诊断的步骤包括故障现象的观察、故障 原因的分析、故障诊断的结果等；电气控制系统 的维护措施包括定期检查、及时维修、更换故障 部件等。
● 06
第6章 总结
数控机床主传动系统的重要性和 影响因素
夹具系统的性能评价
夹具的刚度 与稳定性
夹具的刚度与稳 定性直接影响到
加工精度
夹具的重复 定位精度
夹具的重复定位 精度直接影响到
加工效率
夹具的装夹 误差
夹具的装夹误差 会导致工件加工
误差
数控主传动系统实训报告
一、实训目的通过本次数控主传动系统实训，使学生了解数控机床主传动系统的基本组成、工作原理及故障诊断方法，掌握数控机床主传动系统的操作技能，提高学生的实践能力和工程素质。
二、实训内容1. 数控机床主传动系统概述（1）数控机床主传动系统的组成数控机床主传动系统主要由主轴、主轴箱、传动轴、联轴器、带轮、齿轮等组成。
（2）数控机床主传动系统的工作原理数控机床主传动系统通过主轴带动工件进行旋转运动，实现工件的高精度加工。
主轴箱内的齿轮和带轮通过传动轴将动力传递到主轴，实现主轴的旋转。
2. 数控机床主传动系统操作（1）主轴启动与停止①启动主轴：按下启动按钮，主轴开始旋转。
②停止主轴：按下停止按钮，主轴停止旋转。
（2）主轴转速调节①通过操作面板上的转速选择按钮，选择所需的主轴转速。
②按下转速设置按钮，设置所需的主轴转速。
③按下确认按钮，主轴转速设定完成。
3. 数控机床主传动系统故障诊断与维修（1）故障诊断方法①观察法：观察主传动系统是否有异常现象，如振动、噪音等。
②听诊法：通过听诊器听取主传动系统的声音，判断故障原因。
③测量法：使用万用表等测量工具，测量主传动系统各部件的电压、电流、电阻等参数。
（2）常见故障及维修方法①主轴振动：检查主轴与轴承的配合是否紧密，如有松动，则进行紧固。
②主轴噪音：检查主轴箱内齿轮、带轮等部件是否有磨损，如有磨损，则进行更换。
③主轴转速不稳定：检查主轴箱内齿轮、带轮等部件的啮合情况，如有异常，则进行调整。
三、实训总结1. 通过本次实训，使学生了解了数控机床主传动系统的基本组成、工作原理及故障诊断方法，掌握了数控机床主传动系统的操作技能。
2. 实训过程中，学生积极参与，认真操作，提高了实践能力和工程素质。
3. 本次实训有助于提高学生对数控机床主传动系统的认识，为今后从事数控机床维修和操作工作打下基础。
四、实训建议1. 在实训过程中，教师应加强对学生的指导，确保实训过程的安全、顺利进行。
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第三章 数控机床的主传动系统
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第一 数控机床概述
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第三章 数控机床的主传动系统
三、高速主轴的设计
自20世纪80年代以来，数控机床、加工中心主轴向高 速化发展。
高速主轴的发展是以航空工业、家电、汽车等工业 追求机械零件的轻量化而普遍采用铝合金零件后，提 出的轻铝合金高速加工的课题而产生的。的关系。
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第一章 数控机床概述
(2)热变形 电动机、主轴及传动件都是热源。低温升、小的
热变形是对主传动系统要求的重要指标。 (3)主轴的旋转精度和运动精度
主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转 动条件下测量主轴前端和距离前端300mm处的径 向圆跳动和端面圆跳动值。主轴在工作速度旋转时 测量上述的两项精度称为运动精度。数控机床要求 有高的旋转精度和运动精度。
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第三章 数控机床的主传动系统
(2)通过带传动的主传动(见图3-2b) 此种传动主要用在转速较高、变速范围不大的机
床。 电动机本身的调整就能够满足要求，不用齿轮变
速，可以避免由齿轮传动时所引起的振动和噪声。 它适用于高速低转矩特性的主轴。
常用的是同步齿形带。
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第三章 数控机床的主传动系统
(3)用两个电动机分别驱动主轴 (见图3-2c) 上述两种方式的混合传动，具有上述两种性能
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，这样就使恒功率区增大，扩大了变 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。但两个电动机不能同时工作，也 是一种浪费。
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第三章 数控机床的主传动系统
3．液压拨叉变速机构 在带有齿轮传动的主传动系统中，齿轮的换挡主
第三章 数控机床的主传动系统
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第三章 数控机床的主传动系统
主轴高速化首先要解决的技术问题有三方面： 1．高速电动机的控制技术 高速电动机的控制技术是一项新技术。 2．高速轴承的开发 高速时选用陶瓷轴承的方案已在加工中心机床上采用， 其轴承的滚动体是用陶瓷材料制成，而内、外圈仍用 轴承钢制造。
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第二章 数控机床的主传动系统
典
型
机
电
产
品
构
造
1
第三章 数控机床的主传动系统
第一节 概述 第二节 主轴部件 第三节 主轴准停装置 第四节 传动带 第五节 主传动部件的调整、维护及维修
2
第三章 数控机床的主传动系统
第一节 概述
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，与普通机床的主传动系统相比，结构 比较简单，
18
第三章 数控机床的主传动系统
19
第三章 数控机床的主传动系统
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第三章 数控机床的主传动系统
5．内装电动机主轴变速 这种主传动是电动机直接带动主轴旋转，如图3-2d 所示，因而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，但主轴输出转矩小， 电动机发热对主轴的精度影响较大。
5
第三章 数控机床的主传动系统
(4)主轴的静刚度和抗振性 数控机床加工精度较高，主轴的转速又很高，因此对
主轴的静刚度和抗振性要求较高。 主轴的轴颈尺寸、轴承类型及配置方式，轴承预紧
量大小，主轴组件的质量分布是否均匀及主轴组件的 阻尼等对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响。
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第三章 数控机床的主传动系统
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第一章 数控机床概述
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第三章 数控机床的主传动系统
10
第三章 数控机床的主传动系统
2．分段无级变速 数控机床在实际生产中，并不需要在整个变速范
围内均为恒功率。 一般要求在中、高速段为恒功率传动，在低速
段为恒转矩传动。 为了确保数控机床主轴低速时有较大的转矩和
主轴的变速范围尽可能大，有的数控机床在交流或 直流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之 成为分段无级变速，
要靠液压拨耳来完成。 图3-3是三位液压拨叉的原理图。
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第三章 数控机床的主传动系统
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第三章 数控机床的主传动系统
Ⅳ Ⅰ
Ⅲ Ⅱ
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第三章 数控机床的主传动系统
4.电磁离合器变速 电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元
件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品 可供选用。
电磁离合器用于数控机产的主传动时，能简化变速 机构，通过若干个安装在各传动轴上的离合器的吸合 和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴 的变速。 机床采用双速电机和六个电磁离合器完成18级变速。
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第三章 数控机床的主传动系统
(1)带有变速齿轮的主传动(见图3-2a) 大中型数控机床较常采用的配置方式，通过少数
几对齿轮传动，扩大变速范围。 由于电动机在额定转速以上的恒功率调速范围为
2～5，当需扩大这个调速范围时常用变速齿轮的办 法来扩大调速范围，滑移齿轮的移位大概采用液压 拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。
3
第三章 数控机床的主传动系统
一、对主传动系统的要求 (1)调速范围
多用途、通用性大的机床要求主轴的调速范围大，不 但有低速大转矩功能，而且还要有较高的速度，如车削 加工中心；
专用数控机床就不需要较大的调速范围，如数控齿轮 加工机床、为汽车工业大批量生产而设计的数控钻镗床； 还有些数控机床，不但要求能够加工黑色金属材料，还 要加工铝合金等有色金属材料，这就要求变速范围大， 且能超高速切削。
(5)主轴组件的耐磨性 主轴组件必须有足够的耐磨性，使之能够长期保持良
好的精度。 凡机械摩擦的部件，如轴承、锥孔等都应有足够高
的硬度，轴承处还应有良好的润滑。
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第一章 数控机床概述
二、主轴变速方式 1.无级变速 数控机床一般采用直流或交流主轴伺服电动机实现 主轴无级变速。 交流主轴电动机及交流变频驱动装置，寿命长，性 能稳定，应用广泛。
第三章 数控机床的主传动系统
陶瓷材料为Si3N4，其优点是重量轻，为轴承钢的40％； 热膨胀率低，是轴承钢的25％；弹性模量大，是轴承 的1.5倍。 采用陶瓷滚动体，可大大减小离心力和惯性滑移，有 利于提高主轴转速。 目前的问题是陶瓷价格昂贵，且有关寿命、可靠性试 验数据尚不充分，需进一步试验和完善。
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第三章 数控机床的主传动系统
对于钢铁等黑色金属的加工，由于刀具寿命的限制， 目前的最高主轴转速在10000r／min已经足够充裕，而 铝合金的切削性能就不同，根据日本大隈铁工所做的 铝合金切削试验，速度提高，表面粗糙度Ra值降低。 表3—1是铝合金在切削实验中切削速度和表面粗糙度 的关系。
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