数控机床的主传动系统.ppt

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1、第二章第二章 数控机床的结构数控机床的结构 模块模块2 2：机械结构：机械结构一、数控机床结构要求与总体布局一、数控机床结构要求与总体布局二、数控机床主运动的特点二、数控机床主运动的特点三、数控机床主轴的变速方式三、数控机床主轴的变速方式四、主轴部件四、主轴部件 本章内容本章内容一、数控机床结构要求数控机床结构要求 机床本体是数控机床的主体部分。来自于数控装置的各种运动和动作指令，都必须由机床本体转换成真实的、准确的机械运动和动作，才能实现数控机床的功能，并保证数控机床的性能要求。数控机床的机床本体由下列各部分组成：（1）主传动系统，其功用是实现主运动（2）进给系统，其功用是实现进给运动（3）

2、机床基础件，通常指床身、底座、立柱、滑座、工作台等。其功用是支承机床本体的零、部件，并保证这些零、部件在切削加工过程中占有的准确位置。（4）实现某些部件动作和某些辅助功能的装置，如液压、气动、润滑、冷却以及防护、排屑等装置。（5）实现工件回转、分度定位的装置和附件，如回转工作台。（6）刀库、刀架和自动换刀装置（7）自动托盘交换装置（8）特殊功能装置，如刀具破损检测、精度检测和监控装置等。其中，机床基础件、主传动系统、进给系统以及液压、润滑、冷却等辅助装置是构成数控机床的机床本体的基本部件，其他部件则按数控机床的功能和需要选用。尽管数控机床的机床本体的基本构成与传统的机床十分相似，但由于数控机床

3、在功能和性能上的要求与传统机床存在着巨大的差距，所以数控机床的机床本体在总体布局、结构、性能上与传统机床有许多明显的差异。数控技术、伺服驱动技术的发展及在机床上的应用，为数控机床的自动化、高精度、高效率提供了可能性，但要将可能性变成现实，则必须要求数控机床的机械结构具有优良的特性才能保证。这些特征包括结构的静刚度、抗振性、热稳定性、低速运动的平稳性及运动时的摩擦特性、几何精度、传动精度等。1、提高机床结构的静刚度 机床结构的静刚度是指在切削力和其他力的作用下，机床抵抗变形的能力。有标准规定数控机床的刚度系数应比类似的普通机床高50%。1）合理设计基础件的截面形状和尺寸 机床在外力的作用下，各基

4、础件将承受弯曲和扭转载荷，其弯曲和扭转变形的大小则取决于基础件的截面抗弯和抗扭惯性矩，抗弯、抗扭惯性矩大，变形则小，刚度就高。教材p56表3-1列出了在截面积相同（即重量相同）时，不同截面形状和尺寸的惯性矩。由表中数据可知：在形状和截面积相同时，减小壁厚，加大截面轮廓尺寸，可大大增加刚度；封闭截面的刚度远远高于不封闭截面的刚度；圆形截面的抗扭刚度高于方形截面，抗弯刚度则低于方形截面；矩形截面在尺寸大的方向具有很高的抗弯刚度。2）采用合理的结构布局，改善机床的受力状态，提高机床的静刚度 如教材P59图3-4所示3）采取补偿构件变形的结构措施 在外力作用下，机床的变形是不可避免的，如果能采取措施使

5、变形对加工精度的影响减小，其结果相当于提高了机床的刚度。依照这一思路，产生了许多补偿有关零、部件的静力变形的方法，这种方法普遍用于补偿因自重而引起的静力变形。如教材P60图3-6所示。2、提高机床结构的抗振性 机床的振动会在被加工工件表面留下振纹，影响工件的表面质量，严重时则使加工过程难以进行下去。机床加工时可能产生两种形式的振动：强迫振动和自激振动。机床的抗振性指的是抵抗这两种振动的能力。提高机床结构抗振性的措施：P623、减小机床的热变形热膨胀是各种金属和非金属材料的固有特性。机床在工作时，有许多部件和部位会产生大量热量，如电机、滚动轴承、切屑以及刀具与工件的切削部位、液压系统等。这些产生

6、热量的部件和部位称为热源。热源产生的热量通过传导、对流、辐射传递给机床的各个部件，引起温升，产生膨胀。由于热源分布不均匀，各热源产生的热量不等，零部件各处质量不均匀，形成机床各部位温升不一致，从而产生不均匀的温度场合不均与的热膨胀变形，以致破坏刀具与工件的正确相对位置，影响加工精度。4、改善运动导轨副的摩擦特性机床导轨是机床基本结构的要素之一。机床的加工精度和使用寿命很大程度上取决于机床导轨的质量，而对数控机床的导轨则有更高的要求，如：高速进给时不振动，低速进给时不爬行；有高的灵敏度，能在重载下长期连续工作；耐磨性要高，精度保持性要好等。这些都与导轨副的摩擦特性有关，要求摩擦系数小，静、动摩擦

7、系数之差小。现代数控机床采用的导轨主要由塑料滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。二、数控机床的总体布局二、数控机床的总体布局|数控车床的常用布局形式数控车床的常用布局形式|卧式数控镗铣床（卧式加工中心）卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布局形式的常用布局形式|立式数控镗铣床（立式加工中心）立式数控镗铣床（立式加工中心）的常用布局形式的常用布局形式|数控机床交换工作台的布局数控机床交换工作台的布局|高速加工数控机床的特殊布局高速加工数控机床的特殊布局|虚拟轴机床虚拟轴机床1、数控车床的常用布局形式数控车床的常用布局形式平床身平床身斜床身斜床身立式床身立式床身 图图2-1 数控车床的三种常用布局数控车

8、床的三种常用布局(a)平床身布局平床身布局(b)斜床身布局斜床身布局(c)立式床身布局立式床身布局|常用布局形式常用布局形式 这三种布局方式各有特点，一般经济型、普及型数控车这三种布局方式各有特点，一般经济型、普及型数控车床以及数控化改造的车床，大都采用平床身；性能要求较高床以及数控化改造的车床，大都采用平床身；性能要求较高的中、小规格数控车床采用斜床身（有的机床是用平床身斜的中、小规格数控车床采用斜床身（有的机床是用平床身斜滑板）；大型数控车床或精密数控车床采用立式床身。滑板）；大型数控车床或精密数控车床采用立式床身。1）水平床身水平床身的工艺性好，便于导轨面的加工。水平床身配上水平放置的刀

9、架可提高刀架的运动精度，一般可用于大型数控车床或小型精密数控车床的布局。但是水平床身由于下部空间下，故排屑困难。从结构尺寸上看，刀架水平放置使得滑板横向尺寸较长，从而加大了机床宽度方向的结构尺寸。如下图所示：2）斜床身 水平床身配置倾斜放置的滑板，并配置倾斜式导轨防护罩，这种布局形式一方面有水平床身工艺性好的特点，另一方面机床宽度方向的尺寸较水平配置滑板的要小，且排屑方便。水平床身配上倾斜放置的滑板和斜床身配置斜滑板布局形式被中、小型数控车床所普遍采用。此两种布局形式的特点是排屑容易，热铁屑不会堆积在导轨上，也便于安装自动排屑器；操作方便，易于安装机械手，以实现单机自动化；机床占地面积小，外形

10、简单、美观，容易实现封闭式防护。斜床身其导轨倾斜的角度分别为30、45、60、75和90（称为立式床身）。若倾斜角度小，排屑不便；若倾斜角度大，导轨的导向性差，受力情况也差。导轨倾斜角度的大小还会直接影响机床外形尺寸高度与宽度的比例。综合考虑上面的因素，中小规格的数控车床其床身的倾斜角度以60为宜。2、卧式数控镗铣床（、卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布）的常用布局形式局形式 卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的布局形式种类较多，卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的布局形式种类较多，其主要区别在于立柱的结构形式和其主要区别在于立柱的结构形式和X、Z坐标轴的移动方式坐标轴的移动方式上（上（Y轴移动方

11、式无区别）。轴移动方式无区别）。单立柱单立柱框架结构双立柱框架结构双立柱图图2-2卧式数控镗铣床（卧式加工中心）常见的布局形式卧式数控镗铣床（卧式加工中心）常见的布局形式|常用的立柱常用的立柱 Z坐标轴的移动方式有工作台移动式（图坐标轴的移动方式有工作台移动式（图2-2a、b）和立柱移动式）和立柱移动式（图（图2-2c）两种。以上基本形式通过不同组合，还可以派生其他）两种。以上基本形式通过不同组合，还可以派生其他多种变形，如多种变形，如X、Z两轴都采用立柱移动，工作台完全固定的结构两轴都采用立柱移动，工作台完全固定的结构形式；或形式；或X轴为立柱移动、轴为立柱移动、Z轴为工作台移动的结构形式等

12、。轴为工作台移动的结构形式等。图2-2 卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的 常用布局形式 在图在图2-2所示的三种中、小规格卧式数控镗铣床（卧式加工中心）所示的三种中、小规格卧式数控镗铣床（卧式加工中心）常见的布局形式中，图常见的布局形式中，图2-2a所示的结构形式和传统的卧式镗床相所示的结构形式和传统的卧式镗床相同，多见于早期的数控机床或数控化改造的机床；图同，多见于早期的数控机床或数控化改造的机床；图2-2b所示的所示的采用了框架结构双立柱、采用了框架结构双立柱、Z轴工作台移动式布局，为中、小规格卧轴工作台移动式布局，为中、小规格卧式数控机床常用的结构形式。图式数控机床常用的结构形式。图2-

13、2c所示的采用了所示的采用了T形床身、框架形床身、框架结构双立柱、立柱移动式（结构双立柱、立柱移动式（Z轴）布局，为卧式数控机床典型结构。轴）布局，为卧式数控机床典型结构。框架结构双立柱采用了对称结构，主轴箱在两立柱中间上、下框架结构双立柱采用了对称结构，主轴箱在两立柱中间上、下运动，与传统的主轴箱侧挂式结构相比，大大提高了结构刚度。运动，与传统的主轴箱侧挂式结构相比，大大提高了结构刚度。另外，主轴箱是从左、右两导轨的内侧进行定位，热变形产生的另外，主轴箱是从左、右两导轨的内侧进行定位，热变形产生的主轴轴线变位被限制在垂直方向上，因此，可以通过对主轴轴线变位被限制在垂直方向上，因此，可以通过对

14、Y轴的补偿，轴的补偿，减小热变形的影响。减小热变形的影响。卧式数控镗铣床（卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布局形）的常用布局形式式 T形床身布局可以使工作台沿床身做形床身布局可以使工作台沿床身做X 方向移动时，在全行程方向移动时，在全行程范围内，工作台和工件完全支承在床身上，因此，机床刚性好，范围内，工作台和工件完全支承在床身上，因此，机床刚性好，工作台承载能力强，加工精度容易得到保证。而且，这种结构可工作台承载能力强，加工精度容易得到保证。而且，这种结构可以很方便地增加以很方便地增加X轴行程，便于机床品种的系列化、零部件的通用轴行程，便于机床品种的系列化、零部件的通用化和标准化。化和标准

15、化。立柱移动式结构的优点是：首先，这种形式减少了机床的结构立柱移动式结构的优点是：首先，这种形式减少了机床的结构层次，使床身上只有回转工作台、工作台，共三层结构，它比传层次，使床身上只有回转工作台、工作台，共三层结构，它比传统的四层十字工作台，更容易保证大件结构刚性；同时又降低了统的四层十字工作台，更容易保证大件结构刚性；同时又降低了工件的装卸高度，提高了操作性能。其次，工件的装卸高度，提高了操作性能。其次，Z轴的移动在后床身上轴的移动在后床身上进行，进给力与轴向切削力在同一平面内，承受的扭曲力小，镗进行，进给力与轴向切削力在同一平面内，承受的扭曲力小，镗孔和铣削精度高。此外，由于孔和铣削精度

16、高。此外，由于Z轴的导轨的承重是固定不变的，它轴的导轨的承重是固定不变的，它不随工件重量改变而改变，因此有利于提高不随工件重量改变而改变，因此有利于提高Z轴的定位精度和精度轴的定位精度和精度的稳定性。但是，由于的稳定性。但是，由于Z轴承载较重，对提高轴承载较重，对提高Z轴的快速性不利，轴的快速性不利，这是其不足之处。这是其不足之处。3、立式数控镗铣床（、立式数控镗铣床（立式加工中心）的常用布）的常用布局形式局形式 立式数控镗铣床（立式加工中心）的布局形式与卧式数控镗铣床立式数控镗铣床（立式加工中心）的布局形式与卧式数控镗铣床类似，图类似，图2-3所示的是三种常见布局形式。所示的是三种常见布局形

17、式。这三种布局形式中，图这三种布局形式中，图2-3a所示的结构形式是常见的工所示的结构形式是常见的工作台移动式数控镗铣床（立式加工中心）的布局，为中、小规格作台移动式数控镗铣床（立式加工中心）的布局，为中、小规格机床的常用结构形式；图机床的常用结构形式；图2-3C所示的采用了所示的采用了T形床身，形床身，X、Y、Z三三轴都是立柱移动式的布局，多见于长床身（大轴都是立柱移动式的布局，多见于长床身（大X轴行程）或采用交轴行程）或采用交换工作台的立式数控机床。这三种布局形式的结构特点，基本和换工作台的立式数控机床。这三种布局形式的结构特点，基本和卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的对应结构相同。卧式数控

18、镗铣床（卧式加工中心）的对应结构相同。同样，以上基本形式通过不同组合，还可以派生其他多种变同样，以上基本形式通过不同组合，还可以派生其他多种变形，如形，如X、Z两轴都采用立柱移动、工作台完全固定的结构形式，两轴都采用立柱移动、工作台完全固定的结构形式，或或X轴为立柱移动、轴为立柱移动、Z轴为工作台移动的结构形式等等。轴为工作台移动的结构形式等等。图图2-3立式数控镗铣床（立式加工中心）常见的布局形式立式数控镗铣床（立式加工中心）常见的布局形式图2-3立式数控镗铣床（立式数控镗铣床（立式加工中心）的常用布局形式）的常用布局形式 4、数控机床交换工作台的布局、数控机床交换工作台的布局 为了提高数控

19、机床的加工效率，在加工中心上经常采用双交换为了提高数控机床的加工效率，在加工中心上经常采用双交换工作台，进行工件的自动交换，以进一步缩短辅助加工时间，提工作台，进行工件的自动交换，以进一步缩短辅助加工时间，提高机床效率。高机床效率。图图2-4a是移动式双交换工作台布局图，用于工作台移动是移动式双交换工作台布局图，用于工作台移动式加工中心。对于图示的初始状态，其工作过程是：首先在式加工中心。对于图示的初始状态，其工作过程是：首先在工工位工作台上装上工件，交换开始后，位工作台上装上工件，交换开始后，X轴自动运动到轴自动运动到工位的位置，工位的位置，并松开工作台夹紧机构；交换机构通过液压缸或辅助电动

20、机将机并松开工作台夹紧机构；交换机构通过液压缸或辅助电动机将机床上的工作台拉到床上的工作台拉到工位上；工位上；X轴再自动运动到轴再自动运动到工位的位置，交工位的位置，交换机构将装有工件的换机构将装有工件的工位工作台送到机床上，并夹紧。在机床工位工作台送到机床上，并夹紧。在机床进行工件加工的同时，操作者可以在进行工件加工的同时，操作者可以在工位装卸工件，准备第二工位装卸工件，准备第二次交换。这样就使得工件的装卸和机床加工可以同时进行，节省次交换。这样就使得工件的装卸和机床加工可以同时进行，节省了加工辅助时间，提高了机床的效率。了加工辅助时间，提高了机床的效率。图图2-4所示的是两种常见的双交换工

21、作台布局形式所示的是两种常见的双交换工作台布局形式4、数控机床交换工作台的布局、数控机床交换工作台的布局 图图2-4b 是回转式双交换工作台布局图，用于立柱移动是回转式双交换工作台布局图，用于立柱移动式加工中心。其工作过程是：首先在式加工中心。其工作过程是：首先在工位（装卸工位）工作工位（装卸工位）工作台上装上工件，交换开始后，台上装上工件，交换开始后，工位（加工工位）的工作台夹工位（加工工位）的工作台夹紧机构自动松开；交换回转台抬起，进行紧机构自动松开；交换回转台抬起，进行180 回转，将回转，将工位工位上工作台转到上工作台转到工位的位置，并夹紧。在机床进行工件加工的工位的位置，并夹紧。在机

22、床进行工件加工的同时，操作者可以在同时，操作者可以在工位装卸工件，准备第二次交换。工位装卸工件，准备第二次交换。回转式双交换工作台的优点是交换速度快，定位精度高；回转式双交换工作台的优点是交换速度快，定位精度高；对冷却、切屑的防护容易；缺点是结构较复杂，占地面积大。对冷却、切屑的防护容易；缺点是结构较复杂，占地面积大。4、数控机床交换工作台的布局、数控机床交换工作台的布局 此外，还有一种通过双工作区，进行工件交换的布局形此外，还有一种通过双工作区，进行工件交换的布局形式（如图式（如图2-5所示），多用于长床身（所示），多用于长床身（X轴行程在轴行程在1500mm以上）以上），且，且X、Y、Z三

23、轴都是立柱移动式的加工中心上。它的基本结三轴都是立柱移动式的加工中心上。它的基本结构和立柱移动式机床完全相同，区别仅在于利用中间防护，使构和立柱移动式机床完全相同，区别仅在于利用中间防护，使机床原工作台分成了两个相对独立的操作区域。其工作过程是：机床原工作台分成了两个相对独立的操作区域。其工作过程是：立柱首先运动到立柱首先运动到区，对安装在该区的零件进行正常加工；与区，对安装在该区的零件进行正常加工；与此同时，操作者可以在此同时，操作者可以在区装卸工件。在区装卸工件。在区的零件加工完成区的零件加工完成后，通过后，通过X轴的快速移动，将立柱运动到轴的快速移动，将立柱运动到区，进行区，进行区零件区

24、零件的加工；操作者可以在的加工；操作者可以在区装卸工件，如此循环。机床通过电区装卸工件，如此循环。机床通过电气控制系统实现严格的互锁，对于加工区的防护门也需要通过气控制系统实现严格的互锁，对于加工区的防护门也需要通过机电联锁装置予以封闭，确保机床的安全性、可靠性。机电联锁装置予以封闭，确保机床的安全性、可靠性。图图2-5 双工作区交换的布局图双工作区交换的布局图图图2-5 双工作区交换的布局图双工作区交换的布局图5、高速加工数控机床的特殊布局5、高速加工数控机床的特殊布局图6、虚拟轴机床三、数控机床的主传动系统三、数控机床的主传动系统|主传动的基本要求和变速方式主传动的基本要求和变速方式|主轴

25、的联接形式主轴的联接形式|主轴部件的支承主轴部件的支承|主轴部件的结构主轴部件的结构 1、主传动的基本要求和变速方式、主传动的基本要求和变速方式 数控机床和普通机床一样，主传动系统也必须通过变速，才数控机床和普通机床一样，主传动系统也必须通过变速，才能使主轴获得不同的传递，以适应不同的加工要求，并且，在变能使主轴获得不同的传递，以适应不同的加工要求，并且，在变速的同时，还要求传递一定的功率和速的同时，还要求传递一定的功率和 足够的转矩，满足切削的足够的转矩，满足切削的需要。需要。|数控机床作为高度自动化的设备，它对主传动系统的基本数控机床作为高度自动化的设备，它对主传动系统的基本要求有以下几点

26、：要求有以下几点：1)为了达到最佳的切削效果，一般都应在最佳的切削条件为了达到最佳的切削效果，一般都应在最佳的切削条件下工作，因此，主轴一般都要求能自动实现无级变速。下工作，因此，主轴一般都要求能自动实现无级变速。2)要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率，以适应高效、高速的加工需要。率，以适应高效、高速的加工需要。1、主传动的基本要求和变速方式、主传动的基本要求和变速方式 3)为了降低噪声、减轻发热、减少振动，主传动系统应为了降低噪声、减轻发热、减少振动，主传动系统应简化结构，减少传动件。简化结构，减少传动件。4)在加工中心上，还必

27、须具有安装道具和刀具交换所需在加工中心上，还必须具有安装道具和刀具交换所需要的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和要的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。主轴、刀库、机械手的正确啮合。5)为了扩大机床的功能，实现对为了扩大机床的功能，实现对C轴的控制，主轴还需轴的控制，主轴还需安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制。安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制。数数控控机机床床的的变变速速是是按按照照控控制制指指令令自自动动进进行行的的，因因此此变变速速机机构构必必须须适适应应自自动动操操作作的的再再求求。故故大大多多数数数数控控机机床床

28、采采用用无无级级变速系统，数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式。变速系统，数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式。数数控控机机床床的的主主传传动动要要求求较较大大的的调调速速范范围围，以以保保证证加加工工时时能能选选用用合合理理的的切切削削用用量量，从从而而获获得得最最佳佳的的生生产产率率、加加工工精度和表面质量。精度和表面质量。1、主传动的基本要求和变速方式、主传动的基本要求和变速方式这种配置方式大、中型数控机床采用较多。这种配置方式大、中型数控机床采用较多。它它通通过过少少数数几几对对齿齿轮轮降降速速，使使之之成成为为分分段段无无级级变变速速，确确保保低低速速时的扭矩，以满足主轴输出

29、扭矩特性的要求。时的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。但但有有一一部部分分小小型型数数控控机机床床也也采采用用这这种种传传动动方方式式，以以获获得得强强力力切切削时所需要的扭矩。削时所需要的扭矩。滑滑移移齿齿轮轮的的移移位位大大都都采采用用液液压压拨拨叉叉或或直直接接由由液液压压缸缸带带动动齿齿轮轮来来实现。实现。（1 1）带有变速齿轮的主传动（如图）带有变速齿轮的主传动（如图）主主要要应应用用在在小小型型数数控控机机床床上上，可可以以避避免免齿齿轮轮传传动动时时引引起起的的振振动动和和噪噪声声，但但它它只只能能适适用于低扭矩特性要求的主轴。用于低扭矩特性要求的主轴。（2 2）通过带传动的主

30、传动（如图）通过带传动的主传动（如图）同同步步带带的的结结构构和和传传动动如如图图所所示示。带带的的工工作作面面及及带带轮轮外外圆圆上上均均制制成成齿齿形形，通通过过带带轮轮与与轮轮齿齿相相嵌嵌合合，作作无无滑滑动动的啮合传动。的啮合传动。带带内内采采用用了了承承载载后后无无弹弹性性伸伸长长的的材材料料作作强强力力层层，以以保保持持带带的的节节距距不不变变，使使主主、从从动动带带轮轮可可作作无无相相对对滑滑动动的的同同步步传传动。动。同同步步带带传传动动是是一一种种综综合合了了带带、链链传传动动优点的新型传动。优点的新型传动。这这种种主主传传动动方方式式大大大大简简化化了了主主轴轴箱箱体体与与

31、主主轴轴的的结结构构，有有效效地地提提高高了了主主轴轴部部件件的的刚刚度度，但但主主轴轴输输出出扭扭矩矩小小，电动机发热对主轴的精度影响较大。电动机发热对主轴的精度影响较大。（3 3）由调速电动机直接驱动的主传动（如图）由调速电动机直接驱动的主传动（如图）从从直直流流主主轴轴电电动动机机的的速速度度与与转转矩矩关关系系图图中中可可以以看看出出，在在低低于于额额定定转转速速时时为为恒恒转转矩矩输输出出，高高于于额额定定转转矩矩时时为为恒恒功功率输出。率输出。使使用用这这种种电电动动机机可可实实现现纯纯电电气气定定向向，而而且且主主轴轴的的控控制制功功能能可可以以很很容容易易与与数数控控系系统统相

32、相连连接接并并实实现现修修调调输输入入、速速度度和和负载测量输出等。负载测量输出等。（4）采用电主轴）采用电主轴 在高速加工机床上，大多数使用电动机转子和主轴一体的在高速加工机床上，大多数使用电动机转子和主轴一体的电主轴，可以使主轴达到每分钟数万转、甚至十几万转的高速，电主轴，可以使主轴达到每分钟数万转、甚至十几万转的高速，主轴传动系统的结构更简单，刚性更好。主轴传动系统的结构更简单，刚性更好。车床用电主轴车床用电主轴铣床用电主轴铣床用电主轴 机机床床的的主主轴轴部部件件是是机机床床重重要要部部件件之之一一，它它带带动动工工件件或或刀刀具具执执行行机机床床的的切切削削运运动动，因因此此数数控控

33、机机床床主主轴轴部部件件的的精精度度，抗抗振振性性和和热热变变形形对对加加工工质质量量有有直直接接的的影影响响，由由于于数数控控机机床床在在加加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重。所以：工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重。所以：2 2、主轴部件、主轴部件主轴在结构上要处理好卡盘或刀具的装卡，主轴在结构上要处理好卡盘或刀具的装卡，主轴的卸荷，主轴的卸荷，主轴轴承的定位和间隙调整，主轴轴承的定位和间隙调整，主轴部件的润滑和密封等一系列问题。主轴部件的润滑和密封等一系列问题。对对于于数数控控镗镗铣铣床床的的主主轴轴为为实实现现刀刀具具的的快快速速或或自自动动装装卸卸，主主轴轴上上还还

34、必必须须设设计计有有刀刀具具的的自自动动装装卸卸，主主轴轴定定向向停停止止和和主主轴轴孔孔内内的切屑清除装置的切屑清除装置。数数控控机机床床的的主主轴轴部部件件主主要要有有以以下下几几个个部部分分：主主轴轴本本体体及及密密封封装装置置、支支承承主主轴轴的的轴轴承承、配配置置在在主主轴轴内内部部的的刀刀具具卡卡进进及及吹吹屑屑装装置置、主主轴轴的的准准停装置等。停装置等。1）主轴本体 主轴端部的结构形状（见P88图4-5）主轴的材料和热处理2 2）数控机床的主轴轴承）数控机床的主轴轴承 3）轴承的配置）轴承的配置 合理配置轴承合理配置轴承,可以提高主轴精度可以提高主轴精度,降低温升降低温升,简化

35、支承结简化支承结构。在数控机床上配制轴承时构。在数控机床上配制轴承时,前后轴承都应能承受径向载荷前后轴承都应能承受径向载荷,支承间的距离要选择合理支承间的距离要选择合理,并根据机床的实际情况配制轴向力并根据机床的实际情况配制轴向力的轴承。的轴承。在图（a)所示的配置形式中，前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60角接触球轴承组合，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用成对角接触球轴承，这种配置可提高主轴的综合刚度，满足强力切削的要求，普遍应用于各类数控机床。在图(b)所示的配置形式中，前轴承采用角接触球轴承，由23个轴承组成一套，背靠背安装，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，这种配置

36、适用于高速、重载的主轴部件。在图(c)所示前后支承均采用成对角接触球轴承，以承受径向载荷和轴向载荷，这种配置适用于高速、轻载荷精密的数控机床主轴。在图(d)所示前支承采用双列圆锥滚子轴承，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用单列圆锥滚子轴承，这种配置可承受重载荷和较强的动载荷，安装与调整性能好，但主轴转速和精度的提高受到限制，适用于中等精度，低速与重载荷的数控机床主轴。在在自自动动换换刀刀的的数数控控机机床床中中为为了了实实现现刀刀具具在在主主轴轴内内的的自自动动装装卸卸，其其主主轴轴必必须须设设计计有有刀刀具的自动夹紧机构，如图所示。具的自动夹紧机构，如图所示。3 3、主轴内刀具的自动夹紧和切

37、屑清除装置、主轴内刀具的自动夹紧和切屑清除装置刀刀杆杆采采用用7 7：2424的的大大锥锥度度锥锥柄柄，采采用用大大锥锥度度的的锥锥柄柄既既有有利利于于定定心心，也也为为松松夹夹带来了方便。带来了方便。在在锥锥柄柄的的尾尾端端轴轴颈颈被被拉拉紧紧的的同同时时，通通过过锥锥柄柄的的定定心心和摩擦作用将刀杆夹紧于主轴的端部。和摩擦作用将刀杆夹紧于主轴的端部。在在蝶蝶形形弹弹簧簧8 8的的作作用用下下，拉拉杆杆7 7始始终终保保持持约约10000N10000N的的拉拉力力；并并通通过过拉拉杆杆右右端端的的钢钢球球6 6将将刀刀杆杆的的尾尾部轴颈拉紧。部轴颈拉紧。换换刀刀时时首首先先将将压压力力油油通

38、通入入主主轴轴尾尾部部的的液液压压缸缸左左腔腔，活活塞塞1 1推推动动拉拉杆杆7 7向向有有移移动动，将刀柄松开，同时使蝶形弹簧将刀柄松开，同时使蝶形弹簧8 8压紧。压紧。拉拉杆杆7 7的的右右移移使使右右端端的的钢钢球球6 6位位于于套套筒筒的的喇喇叭叭口口处处，消除了刀杆上的拉力。消除了刀杆上的拉力。当当拉拉杆杆继继续续右右移移时时，喷喷气气嘴嘴的的端端部部把把刀刀具具顶顶松松，使使机械手方便地取出刀杆。机械手方便地取出刀杆。机机械械手手将将应应换换刀刀具具装装入入后后，电电磁磁换换向向阀阀动动作作使使压压力力油油通通入入油油缸缸右右腔腔，活活塞塞1 1向向左左退退回回原原位位，蝶蝶形形弹

39、弹簧簧复复原原又又将将刀刀杆杆拉拉紧紧、螺螺旋旋弹弹簧簧2 2使使活活塞塞1 1在在液液压压缸缸右右腔腔无压力油时也始终退在最左端。无压力油时也始终退在最左端。当当活活塞塞处处于于左左右右两两个个极极限限位位置置时时，相相应应限限位位开开关关1212、1313发出松开和夹紧的信号。发出松开和夹紧的信号。自自动动清清除除主主轴轴孔孔内内的的灰灰尘尘和和切切屑屑是是换换刀过程中的一个不容忽视的问题。刀过程中的一个不容忽视的问题。如如果果主主轴轴锥锥孔孔中中落落入入了了切切屑屑、灰灰尘尘或或其其它它污污物物，在在拉紧刀杆时，锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，拉紧刀杆时，锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，

40、甚至会使刀杆发生偏斜，破坏了刀杆的正确定位，甚至会使刀杆发生偏斜，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。影响零件的加工精度，甚至会使零件超差报废。为为了了保保持持主主轴轴锥锥孔孔的的清清洁洁，常常采采用用的的方方法法是是使使用用压压缩空气吹屑。缩空气吹屑。如如图图所所示示活活塞塞1 1的的心心部部钻钻有有压压缩缩空空气气通通道道，当当活活塞塞向向左左移移动动时时，压压缩缩空空气气经经过过活活塞塞由由主主轴轴孔孔内内的的空空气气嘴嘴喷出，将锥孔清理干净。喷出，将锥孔清理干净。为为了了提提高高吹吹屑屑效效率率，喷喷气气小小孔孔要要有有合合理理的的喷喷射射角角度度，并均匀布

41、置。并均匀布置。图4 为自动换刀数控立式镗铣床的主轴部件结构图：刀杆采用7:24的大锥度锥柄，既有利于定心，也为松夹带来了方便。在锥柄的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。在碟形弹簧5的作用下，拉杆4始终保持约10000N的拉力，并通过拉杆右端的钢球12将刀杆的尾部轴颈拉紧。换刀时首先将压力油通入主轴尾部的液压缸7左腔，液压缸活塞6推动拉杆4向右移动。将刀柄松开，同时使碟形弹簧5压紧。拉杆4的右移使右端的钢球12位于套筒的喇叭口处，消除了刀杆上的拉力。当拉杆继续右移时，喷气嘴的端部把刀具顶松，使机械手可方便地取出刀杆。机械手将应换刀具装入后，电磁换向阀动作使压

42、力油通入液压缸右腔，液压缸活塞6向左退回原位，碟形弹簧复原又将刀杆拉紧。螺旋弹簧11使液压缸活塞6在液压缸右腔无压力时也始终退在最左端，当活塞处于左右两个极限位置时，相应限位行程开关8、10发出松开和夹紧的信号。在数控镗床、数控铣床和以镗铣为主的加工中心上，为在数控镗床、数控铣床和以镗铣为主的加工中心上，为了实现自动换刀，使机械手准确地将刀具装入主轴孔中，刀了实现自动换刀，使机械手准确地将刀具装入主轴孔中，刀具的键槽必须与主轴的键位在周向对准；在镗削加工退刀时，具的键槽必须与主轴的键位在周向对准；在镗削加工退刀时，要求刀具向刀尖反方向径向移动一段距离后才能退出，以免要求刀具向刀尖反方向径向移动

43、一段距离后才能退出，以免划伤工件，这都需要主轴具有周向定位功能；另外，一些特划伤工件，这都需要主轴具有周向定位功能；另外，一些特殊工艺要求情况下，如在通过前壁小孔镗内壁的同轴大孔，殊工艺要求情况下，如在通过前壁小孔镗内壁的同轴大孔，或进行反倒角等加工时，也要求主轴实现准停，使刀尖停在或进行反倒角等加工时，也要求主轴实现准停，使刀尖停在一个固定的方位上，以便主轴偏移一定尺寸后，使大切削刃一个固定的方位上，以便主轴偏移一定尺寸后，使大切削刃能通过前壁小孔进入箱体内对大孔进行镗削，所以在主轴上能通过前壁小孔进入箱体内对大孔进行镗削，所以在主轴上必须设有准停装置。必须设有准停装置。目前，主轴准停装置很

44、多，主要分为机械式和电气式两目前，主轴准停装置很多，主要分为机械式和电气式两种。种。4 4、主轴、主轴准停装置准停装置 1)1)、定位盘准停原理示意图、定位盘准停原理示意图 传统的做法是采用机械挡块等来定向。图2为V形槽轮定位盘准停装置原理图，在主轴上固定一个V形槽轮定位盘，使V形槽与主轴上的端面键保持所需要的相对位置关系。当主轴需要停车换刀时，发出降速信号，主轴转换到最低速运转，延时继电器开始动作，并延时4s6s后，无触点开关 1接通电源，当主轴转到图示位置即 V形槽轮定位盘 3上的感应块2与无触点开关1相接触后发出信号，使主轴电动机停转。另一延时继电器延时后，压力油进入定位液压缸4下腔，使

45、定向活塞向左移动，当定向活塞上的定向滚轮 5顶入定位盘的 V形槽内时，行程开关 LS2发出信号，主轴准停完成。若延时继电器延时1s后行程开关LS2仍不发信号，说明准停没完成，需使定向活塞6后退，重新准停。当活塞杆向右移到位时，行程开关LS1发出定向滚轮5退出凸轮定位盘凹槽的信号，此时主轴可启动工作。机械式主轴准停装置准确可靠，但结构较复杂。现代数控机床一般采用电气式主轴准停装置，只要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确的定向。2）、凸轮准停装置见教材见教材P96图图4-19 3）磁传感器主轴准停 在主轴上安装有一个永久磁铁4与主轴一起旋转，在距离永久磁铁4旋转轨迹外12mm处固定有一个磁传感器

46、5，当铣床主轴需要停车换刀时，数控装置发出主轴停转的指令，主轴电动机3立即降速，使主轴以很低的转速回转，当永久磁铁4对准磁传感器5时，磁传感器发出准停信号，此信号经放大后，由定向电路使电动机准确地停止在规定的周向位置上。这种准停装置机械结构简单，发磁体与磁感传感器间没有接触摩擦，准停的定位精度可达1。,能满足一般换刀要求。而且定向时间短，可靠性较高。4）编码器型主轴准停 这种准停功能也是由主轴驱动完成的，控制结构如下图所示。CNC只需发出ORT命令，主轴驱动完成准停后回答准停完成信号ORE。其控制步骤与传感器类似，所不同的是准停角度可由编码（12位）设定，更加灵活方便。5）数控系统控制准停 这

47、种准停控制方式是由数控系统完成的，其原理与进给位置控制的原理非常相似，如图所示。图3为JCS018加工中心主轴电气准停装置原理图，在带动主轴旋转的多楔带轮1的端面上装有一个厚垫片4，垫片4上装有一个体积很小的永久磁铁3，在主轴箱体对应主轴准停的位置上，装有磁传感器2。当机床需要停车换刀时，数控装置发出主轴停转指令，主轴电动机立即降速，在主轴以最低转速慢转几圈、永久磁铁3对准磁传感器2时，磁传感器2发出准停信号，该信号经放大后，由定向电路控制主轴电动机停在规定的周向位置上，同时限位开关发出信号，表示准停已完成。，当当主主轴轴需需要要停停车车换换刀刀时时，发发出出降降速速信信号号，主主轴轴箱箱自自

48、动动改改变变传传动动路路线线，使使主主轴轴换换到到最最低低转转速速运运转转。在在时时间间继继电电器器延延时时数数秒秒后后，开开始接通无触点开关。始接通无触点开关。主主轴轴的的准准停停装装置置设设置置在在主主轴轴的的尾尾端端（如如图图）。交交流流调调速速电电动动机机1111通通过过多多联三角带联三角带9 9和皮带轮和皮带轮1010带动主轴旋转，带动主轴旋转，在在凸凸轮轮上上的的感感应应片片对对准准无无触触点点开开关关时时，发发出出准准停停信信号号，立立即即切切断断主主轴轴电电动动机机电电源源，脱脱开开与与主主轴轴的的传传动动联联系系，以以排排除除传传动动系系统统中中大大部部分分回回转转零零件件的的惯惯性性对对主轴准停的影响，使主轴作低速惯性空转。主轴准停的影响，使主轴作低速惯性空转。位位于于图图中中带带轮轮5 5左左侧侧的的永永久久磁磁铁铁4 4对对准准磁磁传传感感器器3 3时时，主主轴轴准准确确停停止止，同同时时限限位位开开关关发发出出信信号号，表表示示已完成。已完成。电电气气式式主主轴轴定定向向控控制制的的特特点点是是：不不需需要要机机械械部部件件，定定向向时时间间短短可可靠靠性性高高，只只需需要要简简单单的的强强电电顺序控制，精度和刚度高。顺序控制，精度和刚度高。