数控机床技术(第五章数控机床的主传动系统).ppt

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数数控控技技术术河北理工大学机械工程学院工程训练中心张好强v5.1对主传动系统的基本要求和变速方式对主传动系统的基本要求和变速方式v5.2数控机床的主轴部件数控机床的主轴部件v5.3高速主轴系统和电主轴高速主轴系统和电主轴第五章数控机床的主传动系统第五章第五章数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统5.1对主传动系统的基本要求和变速方式对主传动系统的基本要求和变速方式由主轴电动机经一系列传动元件和主轴构成的由主轴电动机经一系列传动元件和主轴构成的具有运动、传动联系的系统称为主传动系统。

数控具有运动、传动联系的系统称为主传动系统。

数控机床的主传动系统包括主轴电动机、传动装置、主机床的主传动系统包括主轴电动机、传动装置、主轴、主轴轴承、主轴定向装置等。

轴、主轴轴承、主轴定向装置等。

一、对主传动系统的基本要求一、对主传动系统的基本要求11主轴转速高，变速范围宽，并可实现无级变速。

主轴转速高，变速范围宽，并可实现无级变速。

22主轴传动平稳，噪声低，精度高主轴传动平稳，噪声低，精度高33具有良好的抗振性和热稳定性具有良好的抗振性和热稳定性44能实现刀具的快速和自动装卸能实现刀具的快速和自动装卸第五章数控机床的主传动系统二、主传动的变速方式二、主传动的变速方式数控机床主传动方式主要有数控机床主传动方式主要有无级变速、分段无级无级变速、分段无级变速变速两种。

两种。

主传动采用无级变速传动方式，不仅能在一定的主传动采用无级变速传动方式，不仅能在一定的变速范围内选择合理的切削速度，而且能在运动中自变速范围内选择合理的切削速度，而且能在运动中自动变速，此种变速传动方式采用直流主轴伺服电机或动变速，此种变速传动方式采用直流主轴伺服电机或交流主轴伺服电机作驱动。

交流主轴电动机及交流变交流主轴伺服电机作驱动。

交流主轴电动机及交流变频驱动装置（鼠笼型感应交流电动机配置矢量变换变频驱动装置（鼠笼型感应交流电动机配置矢量变换变频调速系统）由于没有电刷，不产生火花，所以使用频调速系统）由于没有电刷，不产生火花，所以使用寿命长，且性能已达到直流驱动系统的水平，甚至在寿命长，且性能已达到直流驱动系统的水平，甚至在噪声方面还有所降低，因此目前应用较为广泛。

噪声方面还有所降低，因此目前应用较为广泛。

第五章数控机床的主传动系统11主轴的传动类型主轴的传动类型第五章数控机床的主传动系统11主轴的传动类型主轴的传动类型（11）齿轮传动主轴（图）齿轮传动主轴（图aa）这是大中型数控机床较常采用的传动类型，它使这是大中型数控机床较常采用的传动类型，它使用无级变速交、直流电动机，再通过几对齿轮传动后，用无级变速交、直流电动机，再通过几对齿轮传动后，实现分段无级变速，这种变速方式使得变速范围扩大。

实现分段无级变速，这种变速方式使得变速范围扩大。

其优点是在低速时能满足主轴输出扭矩特性的要求。

其优点是在低速时能满足主轴输出扭矩特性的要求。

但齿轮变速机构通常采用液压拨叉或电磁离合器变速但齿轮变速机构通常采用液压拨叉或电磁离合器变速方式，造成主轴箱结构复杂，成本增高，另外这种传方式，造成主轴箱结构复杂，成本增高，另外这种传动机构容易引起振动和噪声。

动机构容易引起振动和噪声。

第五章数控机床的主传动系统（22）带传动主轴（图）带传动主轴（图bb）这种传动类型主要用在转速较高、变速范围不大的小型数这种传动类型主要用在转速较高、变速范围不大的小型数控机床上。

它通过一级带传动实现变速，其优点是结构简单，控机床上。

它通过一级带传动实现变速，其优点是结构简单，安装调试方便。

电动机本身的调整就能够满足要求，不用齿轮安装调试方便。

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。

但变速范变速，可以避免由齿轮传动时所引起的振动和噪声。

但变速范围受电动机调速范围的限制，只能适用于高速低转矩特性要求围受电动机调速范围的限制，只能适用于高速低转矩特性要求的主轴带传动变速中，常用的带类型有的主轴带传动变速中，常用的带类型有VV带、平带、多楔带和同带、平带、多楔带和同步带。

步带。

第五章数控机床的主传动系统（33）两个电动机分别驱动主轴（图）两个电动机分别驱动主轴（图cc）这是上述两种方式的混合传动类型，兼有上述两这是上述两种方式的混合传动类型，兼有上述两种方式的性能。

高速时，由一个电动机通过带传动；种方式的性能。

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，因而就使恒功率区增大，速和扩大变速范围的作用，因而就使恒功率区增大，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功率不能充分利用的问题，但两个电动机不能同时工作。

作。

第五章数控机床的主传动系统（44）调速电动机直接驱动主轴（图）调速电动机直接驱动主轴（图dd、图、图ee）这种主传动类型又分两种。

一种如图这种主传动类型又分两种。

一种如图dd所示，主轴电动机所示，主轴电动机输出轴通过精密联轴器与主轴连接，其优点是结构紧凑，传输出轴通过精密联轴器与主轴连接，其优点是结构紧凑，传动效率高；但主轴转速的变化及转矩的输出完全与电动机的动效率高；但主轴转速的变化及转矩的输出完全与电动机的输出特性一致，因而在使用上受到一定限制。

输出特性一致，因而在使用上受到一定限制。

另一种为内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一另一种为内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体（图体（图ee）。

其优点是省去了中间的所有传动环节，主轴组件）。

其优点是省去了中间的所有传动环节，主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高启动、停止的响应特性，结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高启动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声；缺点是电动机运转产生的热量易使并利于控制振动和噪声；缺点是电动机运转产生的热量易使主轴产生热变形。

因此，温度控制和冷却是使用内装电动机主轴产生热变形。

因此，温度控制和冷却是使用内装电动机主轴的关键问题。

下图主轴的关键问题。

下图2-42-4所示为内装电动机主轴的结构示意所示为内装电动机主轴的结构示意图。

图。

第五章数控机床的主传动系统第五章数控机床的主传动系统22主传动的齿轮变速装置主传动的齿轮变速装置常用的两种装置是液压拨叉变速和电磁离合器变常用的两种装置是液压拨叉变速和电磁离合器变速装置。

速装置。

（11）液压拨叉变速装置）液压拨叉变速装置在齿轮传动的主传动系统中，齿轮的换挡主要靠在齿轮传动的主传动系统中，齿轮的换挡主要靠液压拨叉来完成。

液压拨叉来完成。

液压拨叉换挡在主轴停转之后才能进行，但主轴液压拨叉换挡在主轴停转之后才能进行，但主轴停转后拨叉带动齿轮块移动又可能产生停转后拨叉带动齿轮块移动又可能产生“顶齿顶齿”现象。

现象。

因此，在这种主运动系统中通常增设一台微电动机，因此，在这种主运动系统中通常增设一台微电动机，它在拨叉移动齿轮块的同时带动各传动齿轮作低速回它在拨叉移动齿轮块的同时带动各传动齿轮作低速回转，使移动齿轮与主动齿轮顺利啮合。

转，使移动齿轮与主动齿轮顺利啮合。

第五章数控机床的主传动系统第五章数控机床的主传动系统第五章数控机床的主传动系统（22）电磁离合器变速装置）电磁离合器变速装置电磁离合器变速装置是利用电磁效应，通过接通电磁离合器变速装置是利用电磁效应，通过接通或断开电磁离合器的运动部件实现变速。

其优点是便或断开电磁离合器的运动部件实现变速。

其优点是便于实现操作自动化，并有现成的系列产品可供选用，于实现操作自动化，并有现成的系列产品可供选用，因而其已成为自动装置中常用的执行元件。

因而其已成为自动装置中常用的执行元件。

电磁离合器应用于数控机床的主传动时，能简化电磁离合器应用于数控机床的主传动时，能简化变速机构，通过若干个安装在各传动轴上离合器之吸变速机构，通过若干个安装在各传动轴上离合器之吸合与分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主合与分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。

轴的变速。

第五章数控机床的主传动系统第五章数控机床的主传动系统5.25.2数控机床的主轴部件数控机床的主轴部件主轴部件是主运动的执行件，它夹持刀具或工件，主轴部件是主运动的执行件，它夹持刀具或工件，并带动其旋转。

数控机床主轴部件的精度、刚度、抗并带动其旋转。

数控机床主轴部件的精度、刚度、抗振性和热变形对加工质量和生产效率等有着直接的影振性和热变形对加工质量和生产效率等有着直接的影响。

响。

数控机床的主轴部件包括主轴、主轴支承、装在数控机床的主轴部件包括主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等，对于加工中心的主轴，主轴上的传动件和密封件等，对于加工中心的主轴，为实现刀具的快速和自动装卸，主轴部件还包括刀具为实现刀具的快速和自动装卸，主轴部件还包括刀具的自动装卸、主轴定向停止（准停）和主轴孔内的切的自动装卸、主轴定向停止（准停）和主轴孔内的切屑清除等装置。

屑清除等装置。

第五章数控机床的主传动系统一、主轴端部结构一、主轴端部结构主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具。

在设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、连接牢固、计要求上，应能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。

主轴端部的结构形装卸方便，并能传递足够的扭矩。

主轴端部的结构形状都已标准化，图状都已标准化，图2-92-9所示为普通机床和数控机床通所示为普通机床和数控机床通用的几种结构形式。

用的几种结构形式。

第五章数控机床的主传动系统第五章数控机床的主传动系统二、主轴轴承二、主轴轴承主轴轴承是主轴部件的重要组成部分。

它的类型、主轴轴承是主轴部件的重要组成部分。

它的类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接影响主轴的工作性能。

在数控机床上，主轴轴承常用影响主轴的工作性能。

在数控机床上，主轴轴承常用的有滚动轴承和静压滑动轴承。

的有滚动轴承和静压滑动轴承。

11滚动轴承滚动轴承图图2-102-10所示为数控机床主轴常用的几种滚动轴承。

所示为数控机床主轴常用的几种滚动轴承。

第五章数控机床的主传动系统第五章数控机床的主传动系统22静压滑动轴承静压滑动轴承数控机床上常用的静压滑动轴承是液体静压滑动数控机床上常用的静压滑动轴承是液体静压滑动轴承。

此种静压滑动轴承的油膜压强由液压缸从外界轴承。

此种静压滑动轴承的油膜压强由液压缸从外界供给，与主轴转速无关。

它的承载能力不随转速的变供给，与主轴转速无关。

它的承载能力不随转速的变化而变化，而且无磨损，启动和运转时摩擦力矩相同。

化而变化，而且无磨损，启动和运转时摩擦力矩相同。

所以，液体静压滑动轴承的刚度大，回转精度高，但所以，液体静压滑动轴承的刚度大，回转精度高，但液体静压滑动轴承需要一套液压装置，成本较高。

液体静压滑动轴承需要一套液压装置，成本较高。

液体静压滑动轴承装置主要由供油系统、节流器液体静压滑动轴承装置主要由供油系统、节流器和轴承三部分组成，其工作原理如图和轴承三部分组成，其工作原理如图2-112-11所示。

所示。

第五章数控机床的主传动系统第五章数控机床的主传动系统三、主轴轴承的配置形式三、主轴轴承的配置形式图图22-1212所示为数控机床主轴轴承常见的三种配置所示为数控机床主轴轴承常见的三种配置形式。

形式。

第五章数控机床的主传动系统四、主轴准停装置四、主轴准停装置在数控铣床、加工中心上，由于需要进行自动换刀，要在数控铣床、加工中心上，由于需要进行自动换刀，要求主轴每次停在一个固定的准确的角位置上。

所以，主轴上必求主轴每次停在一个固定的准确的角位置上。

所以，主轴上必须设有准停装置。

须设有准停装置。

主轴准停装置分：

主轴准停装置分：

机械式机械式电气式电气式第五章数控机床的主传动系统5.35.3高速主轴系统和电主轴高速主轴系统和