徐曉峰機電工程系數控技術及應用

第一部分數控機床

數控技術及應用項目一走近數控機床項目二數控機床的典型結構項目三數控機床的主傳動及主軸部件項目四數控機床的進給傳動系統項目五數控機床的選用、安裝、調試和驗收第二部分數控原理

數控技術及應用項目六

計算機數控（CNC）裝置項目七伺服驅動裝置項目八數控機床的檢測裝置項目九數控系統中可編程控制器（PLC）

項目三數控機床的主傳動及主軸部件第一部分數控機床數控機床對主傳動的要求主軸的傳動形式和變速方式數控機床的主軸部件高速主軸

任務一對主傳動的基本要求項目三數控機床的主傳動及主軸部件主軸轉速高、調速范圍寬并實現無級調速主軸部件具有較大的剛度和較高的精度良好的抗振性和熱穩定性數控機床主軸具有特有的刀具安裝結構

任務二數控機床主軸的變速與傳動項目三數控機床的主傳動及主軸部件

主傳動的變速方式

1.無級變速1）交、直流主軸驅動系統（早期-直流，現在-交流）2）變頻器帶變頻電動機（經濟型、普及型數控機床）3）電主軸（轉子和主軸一體，數萬～十幾萬轉/分鐘）

2.分段無級變速數控機床主傳動變速系統常常在無級變速電機之后串聯機械有級變速傳動，以滿足機床要求的調速范圍和轉矩特性。

項目三數控機床的主傳動及主軸部件

主軸的傳動形式

1.帶有變速齒輪的主傳動通過兩對齒輪變速，使主軸獲得高、低兩檔變速范圍使之成為分段無級變速，大、中型數控機床采用較多。主軸電動機主軸電動機

項目三數控機床的主傳動及主軸部件

2.通過皮帶傳動的主傳動1-強力層；2-帶齒；3-包布層；4-帶背主軸電機通過皮帶直接帶動主軸，小型數控機床采用。常用的皮帶是同步齒形帶，綜合了帶、鏈傳動的優點，可實現主、從動帶輪無相對滑動的同步傳動。主軸電動機主軸電動機

項目三數控機床的主傳動及主軸部件

3.兩個電動機分別驅動主軸這是上述兩種方式的混合傳動，具有上述兩種性能。高速時，電動機通過皮帶輪直接驅動主軸旋轉；低速時，另一個電動機通過兩級齒輪傳動驅動主軸旋轉。

4.高速主軸的主傳動

1）直驅式高速主軸：電機軸與主軸用聯軸器聯接，大大簡化了主軸箱和主軸結構，有效提高了主軸部件剛度。

2）高速電主軸：由內裝交流高頻伺服電動機直接驅動，轉速高、功率大、結構簡單、高轉速下可保持良好的動平衡。

項目三數控機床的主傳動及主軸部件電主軸主軸電動機直接驅動（一體化主軸，電主軸）

任務三主軸部件項目三數控機床的主傳動及主軸部件

主軸部件的運動方式1）只做旋轉運動（車床、銑床和磨床）2）既有旋轉運動又有軸向進給運動（鉆床和鏜床）3）既有旋轉運動又有軸向調整移動（滾齒機、部分立式銑床）4）既有旋轉運動又有徑向進給運動（臥式鏜床）5）既有旋轉運動又做行星運動（新式內圓磨床）行星運動的主軸1-主軸；2-支撐套；3-箱體；4-套筒；5-傳動帶；6-蝸桿

項目三數控機床的主傳動及主軸部件

主軸1.主軸的主要尺寸參數1）主軸直徑直徑越大，剛性越高，保證旋轉精度就困難，極限轉速也下降。2）主軸內孔直徑直徑越大，可通過棒料的直徑就越大，主軸部件越輕，空心主軸的剛度下降。3）懸伸長度對主軸的剛度影響很大，越短剛度越好。4）支承跨度跨距對主軸綜合剛度的影響不是單向的，有一個最佳值，太大或太小都會降低主軸的綜合剛度。

項目三數控機床的主傳動及主軸部件2.主軸端部的結構形式主軸端部用來安裝刀具或夾持工件的夾具，其結構與其需實現的功能有關。在設計上，應保證定位準確、安裝可靠、聯接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的轉矩。主軸端部的結構已標準化。數控車床數控銑、鏜床數控外圓磨床

項目三數控機床的主傳動及主軸部件3.主軸的材料主軸材料可根據強度、剛度、耐磨性、載荷特點和熱處理變形大小等因素來選擇。對于一般要求的機床主軸可用45鋼；當載荷較大或存在較大的沖擊、或為減少熱處理后的變形，可選用合金鋼。

項目三數控機床的主傳動及主軸部件

主軸軸承數控機床的主軸多采用滾動軸承，精度有E級（高級）、D級（精密級）、C級（特精級）和B級（超精級）四個等級。前支承的軸承精度一般比后支承的軸承精度高一個等級。一般數控機床前支承采用C、D級軸承，后支承則常采用D、E級軸承。特高精度的數控機床前后支承均用B級精度軸承。錐孔雙列圓柱滾子軸承雙列推力角接觸球軸承雙列圓錐滾子軸承帶凸肩的雙列圓柱滾子軸承

項目三數控機床的主傳動及主軸部件

主軸滾動軸承的配置1.圖示的結構配置形式是現代數控機床主軸結構中剛性最好的一種。它使主軸的綜合剛度得到大幅度提高，可以滿足強力切削的要求，所以目前各類數控機床的主軸普遍采用這種配置形式。向心推力球軸承雙列推力角接觸球軸承圓柱滾子軸承

項目三數控機床的主傳動及主軸部件2.前支承采用3個超精密級角接觸球軸承組合方式，具有較好的高速性能。后支承結構有采用2個角接觸球軸承支承的，也有用一個圓柱滾子軸承支承的，吸收熱膨脹量的能力，適用于高速、輕載和精密的數控機床主軸。角接觸球軸承

項目三數控機床的主傳動及主軸部件3.圓錐滾子軸承，這種軸承徑向和軸向剛度高，能承受重載荷，尤其能承受較大的動載荷。但是這種軸承配置方式限制了主軸的最高轉速和精度，所以僅適用于中等精度、低速與重載的數控機床主軸。雙列圓錐滾子軸承單列圓錐滾子軸承

項目三數控機床的主傳動及主軸部件

主軸準停裝置

功能：主軸準停功能又稱主軸定位功能，即當主軸停止時，主軸能準確地停止在一個固定的位置上。

用途：主要用于加工中心ATC（刀具自動交換），由于刀具安裝在主軸上，因此在主軸前端設置一個突鍵，當刀具裝入主軸時，刀柄上的鍵槽必須與突鍵對準，才能順利換刀。

形式：機械控制和電氣控制。

項目三數控機床的主傳動及主軸部件1.機械準?？刂?/p>

系統組成：典型的V形槽輪定位盤準停結構。

準?？刂七^程：主軸減速至某一可以設定的低速轉動，當無觸點開關有效信號被檢測到后，立即使主軸電動機停轉并斷開主傳動鏈，同時準停油缸定位銷伸出并壓向定位盤。當定位盤V形槽與定位銷正對時，定位銷插進V形槽中，準停到信號有效，表明準停動作完成。

項目三數控機床的主傳動及主軸部件2.電氣準停控制

優點：（1）機械結構簡化；（2）準停時間縮短；（3）可靠性增加；（4）性價比進步。

工作時，主軸接收到數控系統發來的準停啟動信號ORT，立即變速至某一爬行速度。若磁傳感器信號出現，主軸驅動立即進入磁傳感器作為反饋元件的位置閉環控制，目標位置即為準停位置。準停完成后，主軸驅動裝置向數控系統發出準停完成號ORE。（1）磁傳感器型準停準停控制由主軸驅動裝置完成

項目三數控機床的主傳動及主軸部件工作時，數控系統只需發出準停啟動信號ORT即可，主軸驅動完成準停后輸出準停信號ORE。這種準停方式可采用主軸電動機內部安裝的編碼器信號（來自于主軸驅動裝置），也可在主軸上直接安裝其他編碼器。（2）編碼器型準停準?？刂朴芍鬏S驅動裝置完成，靈活性比磁傳感器型準停好。

項目三數控機床的主傳動及主軸部件數控系統執行M19或M19S_時，首先將M19送至可編程控制器，可編程控制器經譯碼送出控制信號，使主軸驅動進入伺服狀態，同時數控系統控制主軸電動機降速，尋找零位脈沖。如執行M19指令，則主軸定位于相對零位脈沖的某一缺省位置（可由數控系統設定）；如執行M19S_，則主軸定位于指令位置，也就是相對零位脈沖S_度的角度位置處。（3）數控系統型準停（M19）準?？刂朴蓴悼叵到y完成

任務四高速主軸系統和電主軸項目三數控機床的主傳動及主軸部件

高速主軸系統簡介切削速度高：鋁件-(2500-4500)m/min,鋼件-(400-1600)m/min，鑄鐵-(800-42000)m/min；切削效率高，加工表面質量好、切削溫度低、刀具壽命長；高速主軸有較高的角加速度和減速度；高速主軸動平衡性很高，剛性好，熱穩定性好；主軸轉數大于40000r/min,主軸功率大于15KW；采用主軸電機一體化的電主軸。

項目三數控機床的主傳動及主軸部件

電主軸的結構與布局電動機轉子和主軸一體，取消了從主電動機到主軸之間的一切機械傳動環節（如齒輪、傳動帶、離合器等），實現了主電動機與機床主軸的一體化，使機床的主傳動系統實現了所謂的“零轉動”。

項目三數控機床的主傳動及主軸部件1.電主軸的主要特點

1）機械結構最為簡單，轉動慣量小，極高的速度、加（減）速度和定角度的快速準停；2）采用交流主軸驅動裝置，輸出功率大，調速范圍寬，有比較理想的轉矩；3）主軸部件的單元化。

項目三數控機床的主傳動及主軸部件2.電主軸的安裝方式

將主電動機置于主軸前、后軸承之間，把電動機的轉子與主軸做成一體，即將無殼電動機的空心轉子用壓配合的形式直接裝在機

床主軸上，帶有冷卻套

的定子則安裝在主軸單

元的殼體中，形成內裝

式電動機主軸。

項目三數控機床的主傳動及主軸部件3.電主軸的發熱和解決方法1）油氣潤滑方式

將少量的潤滑油不經霧化而直接由壓縮空氣定時、定量地沿著專用的油氣管道壁被均勻帶到軸承潤滑區。

項目三數控機床的主傳動及主軸部件2）噴注潤滑方式

用較大流量的恒溫油噴注到主軸軸承，用兩臺排油液壓泵強制回油。

項目三數控機床的主傳動及主軸部件3）突入滾道式潤滑方式

要使潤滑油突破旋轉氣流，采用突入滾道式潤滑方式可將油送入軸承滾道處。

項目三數控機床的主傳動及主軸部件4.電主軸冷卻和散熱

電主軸外殼有進行強制冷卻的水槽，中空套筒用于直接安裝機床主軸。電主軸電動機用循環冷卻液冷卻和散熱，在定子與殼體連接處設計循環冷卻水套，套外環有螺旋水槽，通入冷卻液進行冷卻。

項目三數控機床的主傳動及主軸部件5.電主軸的動平衡設計嚴格遵守結構對稱性原則，避免使用鍵和螺紋連接；電主軸轉子外徑裝配前留有一定加工余量，以主軸前、后軸徑為定位支承，把主軸裝夾在車床上對轉子精車；在轉子的兩個端蓋上對稱地加工16-24個直徑不同的螺紋孔，當電主軸組裝完畢后，根據動平衡機的測試結果，在一定方位上，旋入相應的動平衡螺釘并調節深度，完全達到動平衡精度后，將螺釘固化。

項目三數控機床的主傳動及主軸部件汽車輪胎的動平衡動平衡塊動平衡測試儀

項目三數控機床的主傳動及主軸部件

電主軸的軸承接觸式軸承：摩擦因數大，最高轉速低（角接觸球軸承）；

非接觸式軸承：摩擦因數小，最高轉速高（空氣軸承、液體動靜壓軸承、磁懸浮軸承）。1.液體動靜壓軸承原理：采用流體動、靜力結合的方法，使主軸在油膜支撐中旋轉。特點：剛性好、壽命長，主要用在低速重載場合，但其無通用性，維護保養困難。

項目三數控機床的主傳動及主軸部件2.磁懸浮軸承原理：利用電磁力將主軸無機械接觸地懸浮起來。特點：高速性能好、精度高，易實現實時診斷和在線監控，但價格較高，系統復雜，發熱問題難以解決，故無法推廣應用。

項目三數控機床的主傳動及主軸部件3.混合陶瓷角接觸球軸承原理：滾動體是陶瓷材料，內外圈用軸承鋼制造。特點：轉速極限、承載能力、剛度、精度等各方面均能很好地滿足高速主軸要求。標準化程度高，價格低廉。

任務五思考與練習數控機床的主傳動變速有哪幾種方式？數控機床主軸有幾種傳動方式？數控機床主軸的材料一般是什么？對于數控機床主軸的支承軸承有什么要求？主軸軸承的配置形式有幾種？主軸的準停形式有哪兩種？簡述電主軸的結構特點？電主軸常采用哪類軸承？

項目三數控機床的主傳動及主軸部件常用機械中包含著大量的作旋轉運動的零部件，例如各種傳動軸、主軸、電動機和汽輪機的轉子等，統稱為回轉體。在理想的情況下回轉體旋轉時與不旋轉時，對軸承產生的壓力是一樣的，這樣的回轉體是平衡的回轉體。但工程中的各種回轉體，由于材質不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產生的誤差，甚至設計時就具有非對稱的幾何形狀等多種因素，使得回轉體在旋轉時，其上每個微小質點產生的離心慣性力不能相互抵消，離心慣性力通過軸承作用到機械及其基礎上，引起振動，產生了噪音，加速軸承磨損，縮短了機械壽命，嚴重時能造成破壞性事故。為此，必須對轉子進行平衡，使其達到允許的平衡精度等級，或使因此產生的機械振動幅度降在允許的范圍內。轉子動平衡和靜平衡的區別。外軌道和內軸承是兩塊磁鐵，利用異性相斥的原理