数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 第十四讲 一、备课教案 适用专业机械设计制造及其自动化 讲次第十四讲 上课 时间 年月日节 第四章主轴驱动及控制 第三节数控机床的主传动及主轴部件 数控机床主传动系统的要求 掌握数控机床主传动系统的要 教 二、主轴分段无级变速及控制 求：了解主轴分段无级变速及控 制：了解主轴部件 内 三、主轴部件 第四节主轴驱动装置与数控装置的信号连接 提 一、主轴转速指定信号及连接 及 其他开 要 二、其他开关量控制信号及连接 求 第五节电主轴 电主轴的结构 二、电主轴的基本参数 了解电主轴的结构、基本参数和 发展趋势。 三、电主轴的发展 教学实施手段 效果记录 课堂讲授 数控机床主传动系统的要求： √ 主轴分段无级变速及控制： 课堂讨论 √ 士轴转指定信号及连接方式 现场示教 小结讲评 难 其它 主轴分段 教具 CAL,黑板 陈德道主编数控技术及应用北京 参 国防工业出版社，2009 董玉红主编机床数控技术哈尔滨 后 书 哈尔滨工业大学出版社，2003 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 1 第十四讲 一、备课教案 适用专业 机械设计制造及其自动化 讲次 第十四讲 上课 时间 年 月 日 节 教 学 内 容 提 纲 及 要 求 第四章 主轴驱动及控制 第三节 数控机床的主传动及主轴部件 一、数控机床主传动系统的要求 掌握数控机床主传动系统的要 求；了解主轴分段无级变速及控 制；了解主轴部件 二、主轴分段无级变速及控制 三、主轴部件 第四节 主轴驱动装置与数控装置的信号连接 一、主轴转速指定信号及连接 了解主轴转速指定信号及连接方 式、其他开关量控制信号及连接 二、其他开关量控制信号及连接 方式 第五节 电主轴 一、电主轴的结构 了解电主轴的结构、基本参数和 发展趋势。 二、电主轴的基本参数 三、电主轴的发展 重 点 数控机床主传动系统的要求； 主轴分段无级变速及控制； 主轴部件； 主轴转速指定信号及连接方式。 教学实施手段 效果记录 课堂讲授 √ 课堂讨论 √ 现场示教 小结讲评 难 点 主轴分段无级变速及控制； 主轴转速指定信号及连接方式。 其 它 教具 CAI，黑板 推 荐 参 考 书 陈德道主编.数控技术及应用.北京: 国防工业出版社,2009 董玉红主编.机床数控技术.哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社,2003 教 学 后 记
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 二、讲稿 第四章主轴驱动及控制 第三节数控机床的主传动及主轴部件 一、数控机床主传动系统的要求 数控机床主传动系统是指数控机床的主运动传动系统。数控机床的主轴运动是机 床的成形运动之一，它的精度决定了零件的加工精度。数控机床的主轴系统必须满足如 下要求： ()具有较大的调速范围并实现无级调速。数控机床为了保证加工时能选用合理的 切削用量，从而获得最高的生产率以及较好的加工精度和表面质量，必须具有较大的调 速范围。对于加工中心机床，为了适应各种工序和各种加工材料的要求，主轴系统的调 速范围还应进一步扩大。 (②)具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低。数控机床加工精度的提高与主轴 系统的精度密切相关。为提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面应采用高频感应加热 淬火工艺以增加耐磨性。最后一级应采用斜齿轮传动，使传动平稳。应采用精度高的轴 承及合理的支撑跨距，以提高主轴组件的刚性。 (③)良好的抗振性和热稳定性。数控机床加工时，可能由于断续切削、加工余量不 均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自振等原因引起冲击力和交变力，使主轴产生 振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至可能破坏刀具和主轴系统中的零件，使 其无法工作。主轴系统的发热使其中所有零部件产生热变形，降低传动效率，破坏零部 件之间的相对位置精度和运动精度，从而造成加工误差。因此，主轴组件要有较高的固 有频率，较好的动平衡，且要保持合适的配合间隙，并要进行循环润滑。 二、主轴分段无级变速及控制 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（笼型感应交流电动机配置矢量变频调速系 统)，没有电刷，不产生火花，使用寿命长，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。 主轴传递的功率或转矩与转速之间的关系如图417所示。当机床处在连续运转状 态下，主轴的转速在437~3500rmin范围内，主轴传递电动机的全部功率11kW,为 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 2 二、讲稿 第四章 主轴驱动及控制 第三节 数控机床的主传动及主轴部件 一、数控机床主传动系统的要求 数控机床主传动系统是指数控机床的主运动传动系统。数控机床的主轴运动是机 床的成形运动之一，它的精度决定了零件的加工精度。数控机床的主轴系统必须满足如 下要求： (1) 具有较大的调速范围并实现无级调速。数控机床为了保证加工时能选用合理的 切削用量，从而获得最高的生产率以及较好的加工精度和表面质量，必须具有较大的调 速范围。对于加工中心机床，为了适应各种工序和各种加工材料的要求，主轴系统的调 速范围还应进一步扩大。 (2) 具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低。数控机床加工精度的提高与主轴 系统的精度密切相关。为提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面应采用高频感应加热 淬火工艺以增加耐磨性。最后一级应采用斜齿轮传动，使传动平稳。应采用精度高的轴 承及合理的支撑跨距，以提高主轴组件的刚性。 (3) 良好的抗振性和热稳定性。数控机床加工时，可能由于断续切削、加工余量不 均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自振等原因引起冲击力和交变力，使主轴产生 振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至可能破坏刀具和主轴系统中的零件，使 其无法工作。主轴系统的发热使其中所有零部件产生热变形，降低传动效率，破坏零部 件之间的相对位置精度和运动精度，从而造成加工误差。因此，主轴组件要有较高的固 有频率，较好的动平衡，且要保持合适的配合间隙，并要进行循环润滑。 二、主轴分段无级变速及控制 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(笼型感应交流电动机配置矢量变频调速系 统)，没有电刷，不产生火花，使用寿命长，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。 主轴传递的功率或转矩与转速之间的关系如图 4-17 所示。当机床处在连续运转状 态下，主轴的转速在 437～3500r/min 范围内，主轴传递电动机的全部功率 11kW，为
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 主轴的恒功率区域Ⅱ（实线）。在这个区域内，主轴的最大输出转矩(245N·m)随着主轴 转速的增高而变小。主轴转速在35~437rmin范围内，主轴的输出转矩不变，称为主 轴的恒转矩区域（实线）。在这个区域内，主轴所能传递的功率随着主轴转速的降低而减 小。图中虚线所示为电动机超载（允许超载30mi)时，恒功率区域和恒转矩区域。电动 机的超载功率为15kW。,超载的最大输出转矩为334N·m。 100 0002000300( 恒转矩 7恒功 350 转速r,min 图4-17主轴功率转矩特性 2.分段无级变速 数控机床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。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，见表4-3。 表43分段无极变速 变速形式 说明 用 ● 大中型数控机床较常采用的配置方式，通过少数儿对齿轮传动，扩 带有变速齿 大变速范围 轮的主传动 滑移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 见图4-18 通过带传动 见图4-18B 的主传动 常用的是同步齿形带 用两个电动 机分别驱动 。高速时由一个电动机通过壶使动，低速时由另一个电动机通过齿轮 见图4-18 主轴 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 3 主轴的恒功率区域Ⅱ(实线)。在这个区域内，主轴的最大输出转矩(245N·m)随着主轴 转速的增高而变小。主轴转速在 35～437r/min 范围内，主轴的输出转矩不变，称为主 轴的恒转矩区域 I(实线)。在这个区域内，主轴所能传递的功率随着主轴转速的降低而减 小。图中虚线所示为电动机超载(允许超载 30min)时，恒功率区域和恒转矩区域。电动 机的超载功率为 15kW。，超载的最大输出转矩为 334N·m。 图 4-17 主轴功率转矩特性 2．分段无级变速 数控机床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。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，见表 4-3。 表 4-3 分段无极变速 变速形式 说 明 图 带有变 速齿 轮的主传动 ⚫ 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 ⚫ 滑移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 见图 4-18a 通过带 传动 的主传动 ⚫ 主要用在转速较高、变速范围不大的机床 ⚫ 适用于高速、低转矩特性的主轴 ⚫ 常用的是同步齿形带 见图 4-18b 用两个 电动 机分别 驱动 主轴 ⚫ 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 见图 4-18c
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 电动机 电动机 6 电动机 C) 3.分段变速机构 (1)液压拨叉变速机构。在带有齿轮传动的主传动系统中，齿轮的换挡主要都靠液 压拨叉来完成，图4-19是三位液压拨叉的原理图。 通过改变不同的通油方式可以使三联齿轮块获得三个不同的变速位置。该机构除液 压缸和活塞杆外，还增加了套筒4。当液压缸1通入压力油，而液压缸5卸压时（图4-19）， 活塞杆2便带动拨叉3向左移动到极限位置，此时拨叉带动三联齿轮块移动到左端。当 液压缸5通压力油，而液压缸1卸压时（图4-19b),活塞2和套筒4一起向右移动，在 套筒4碰到液压缸5的端部后，活塞杆2继续右移到极限位置，此时，三联齿轮块被拨 叉3移动到右端。当压力油同时进入液压缸1和5时（图4-19c),由于活塞杆2的两端 直径不同，使活塞杆处在中间位置。在设计活塞杆2和套简4的截面直径时，应使套简 4的圆环面上的向右推力大于活塞杆2的向左的推力。液压拨叉换挡在主轴停机之后才 能进行，但停机时拨叉带动齿轮块移动又可能产生”顶齿"现象，因此在这种主运动系 统中通常设一台微电动机，它在拨叉移动齿轮块的同时带动各传动齿轮作低速回转，使 移动齿轮与主动齿轮顺利啮合，其结构如图4-20所示，正常工作时，微型电动机工作 离合器脱开：齿轮变速时，主轴电动机M1停止工作，微型电动机工作离合器吸合，微 兰州交通大学机电工程学院 4
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 4 a) b) c) d) 图 4-18 数控机床主传动的四种配置方式 a) 齿轮变速 b) 带传动 c) 两个电动机分别驱动 d) 内装电动机主轴 3．分段变速机构 (1) 液压拨叉变速机构。在带有齿轮传动的主传动系统中，齿轮的换挡主要都靠液 压拨叉来完成，图 4-19 是三位液压拨叉的原理图。 通过改变不同的通油方式可以使三联齿轮块获得三个不同的变速位置。该机构除液 压缸和活塞杆外，还增加了套筒4。当液压缸1通入压力油，而液压缸5卸压时(图4-19a)， 活塞杆 2 便带动拨叉 3 向左移动到极限位置，此时拨叉带动三联齿轮块移动到左端。当 液压缸 5 通压力油，而液压缸 1 卸压时(图 4-19b)，活塞 2 和套筒 4 一起向右移动，在 套筒 4 碰到液压缸 5 的端部后，活塞杆 2 继续右移到极限位置，此时，三联齿轮块被拨 叉 3 移动到右端。当压力油同时进入液压缸 1 和 5 时(图 4-19c)，由于活塞杆 2 的两端 直径不同，使活塞杆处在中间位置。在设计活塞杆 2 和套筒 4 的截面直径时，应使套筒 4 的圆环面上的向右推力大于活塞杆 2 的向左的推力。液压拨叉换挡在主轴停机之后才 能进行，但停机时拨叉带动齿轮块移动又可能产生”顶齿"现象，因此在这种主运动系 统中通常设一台微电动机，它在拨叉移动齿轮块的同时带动各传动齿轮作低速回转，使 移动齿轮与主动齿轮顺利啮合，其结构如图 4-20 所示，正常工作时，微型电动机工作 离合器脱开；齿轮变速时，主轴电动机 M1 停止工作，微型电动机工作离合器吸合，微
数控技术及应用数案及讲癌 上部分：数控技术及编程 型电动机M2工作时，带动主轴慢速转动。同时，液压拨叉移动齿轮，保证齿轮顺利啮 合。 b) c 图419三位液压拨叉工作原理图 1、5液压缸2-活塞杆3拔叉4套筒 离合器 M2 M 图4-20液压拨叉顶齿问题的解决措施 液压拨叉变速虽是一种有效的办法，但它增加了数控机床液压系统的复杂性，而且 必须将数控装置送来的电信号先转换成电磁阀的机械动作，然后再将压力油分配到相应 的液压缸，因而增加了变速的中间环节，带来了更多的不可靠因素。图4-21所示为应 用液压拔叉变速的数控车床的主轴箱结构。 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 5 型电动机 M2 工作时，带动主轴慢速转动。同时，液压拨叉移动齿轮，保证齿轮顺利啮 合。 图 4-19 三位液压拨叉工作原理图 1、5-液压缸 2-活塞杆 3-拨叉 4-套筒 图 4-20 液压拨叉顶齿问题的解决措施 液压拨叉变速虽是一种有效的办法，但它增加了数控机床液压系统的复杂性，而且 必须将数控装置送来的电信号先转换成电磁阀的机械动作，然后再将压力油分配到相应 的液压缸，因而增加了变速的中间环节，带来了更多的不可靠因素。图 4-21 所示为应 用液压拔叉变速的数控车床的主轴箱结构
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 图4-21液压拨叉变速数控机床的主轴箱 (②)电磁离合器。电磁离合器可以控制其线圈的接通切断，来控制传动的进行和脱 开，便于实现自动化操作。缺点是体积大，易使机械零件磁化。在数控机床主轴传动中， 使用电磁离合器能够简化变速机构，通过各传动轴离合器的吸合与分离，形成不同的运 动组合传动线路，实现主轴变速。图4-22所示为THK6380型自动换刀数控铣镗床的主 传动系统图，该机床采用双速电动机和六个电磁离合器完成18级变速。 z=74 =85 w min 图4-22THK6380型自动换刀数控铣镗床的主传动系统 图4-23是数控铣镗床主轴箱中使用的无集电环摩擦片式电磁离合器。传动齿轮1 通过螺钉固定在联接件2的端面上，根据不同的传动结构，运动既可以从齿轮1输入， 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 6 图 4-21 液压拨叉变速数控机床的主轴箱 (2) 电磁离合器。电磁离合器可以控制其线圈的接通切断，来控制传动的进行和脱 开，便于实现自动化操作。缺点是体积大，易使机械零件磁化。在数控机床主轴传动中， 使用电磁离合器能够简化变速机构，通过各传动轴离合器的吸合与分离，形成不同的运 动组合传动线路，实现主轴变速。图 4-22 所示为 THK6380 型自动换刀数控铣镗床的主 传动系统图，该机床采用双速电动机和六个电磁离合器完成 18 级变速。 图 4-22 THK6380 型自动换刀数控铣镗床的主传动系统 图 4-23 是数控铣镗床主轴箱中使用的无集电环摩擦片式电磁离合器。传动齿轮 1 通过螺钉固定在联接件 2 的端面上，根据不同的传动结构，运动既可以从齿轮 1 输入
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 也可以从套简3输入。联接件2的外周开有6条直槽，并与外摩擦片4上的六个花键齿 相配，这样就把齿轮1的转动直接传递给外摩擦片4。套筒3的内孔和外圆都有花键， 而且和挡环6用螺钉11连成一体。内摩擦片5通过内孔花键套装在筒3上，并一起转 动。当线圈8通电时，衔铁10被吸引右移，把内摩擦片5和外摩擦片4压紧在挡环6 上，通过摩擦力矩把齿轮1与套简3结合在一起。无集电环电磁离合器的线圈8和铁心 9是不转动的，在铁心9的右侧均匀分布着六条键槽，用斜键将铁心固定在变速箱的壁 上。当线圈8断电时，外摩擦片4的弹性爪使衔铁10迅速恢复到原来位置，内、外摩 擦片互相分离，运动被切断。这种离合器的优点在于省去了电刷，避免了摩损和接触不 良带来的故障，因此比较适合于高速运转的主运动系统。由于采用摩擦片来传递转矩， 所以允许不停机变速。但也带来了另外的缺点，这就是变速时将产生大量的摩擦热，还 由于线圈和铁心是静止不动的，这就必须在旋转的套筒上装滚动轴承7，因而增加了离 合器的径向尺寸。此外，这种摩擦离合器的磁力线通过钢质的摩擦片，在线圈断电之后 会有剩磁，所以增加了离合器的分离时间 图4-23无集电环摩擦片式电磁离合器 1-传动齿轮2-连接件3套筒4外摩擦片5内摩擦片 6-档环7-滚动轴承8-绕组9-铁心10-衔铁11-螺钉 图4-24为啮合式电磁离合器。它是在摩擦面上做了一定齿形，来提高传递的扭矩。 线圈1通电，带有端面齿的衔铁2又通过渐开线形花键与定位环5相联，再通过螺钉7 与传动件相联。磁轭内孔的花键送给另一个轴，这样，就使与螺钉7相联的轴与另一轴 同时旋转。隔离环6是防止传动轴分离一部分磁力线，进而削弱电磁吸引力。衔铁采用 渐开线花键与定位环5相联是为了保证同轴度。这种离合器必须在低于1~2rmin的转 速下变速。 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 7 也可以从套筒 3 输入。联接件 2 的外周开有 6 条直槽，并与外摩擦片 4 上的六个花键齿 相配，这样就把齿轮 1 的转动直接传递给外摩擦片 4。套筒 3 的内孔和外圆都有花键， 而且和挡环 6 用螺钉 11 连成一体。内摩擦片 5 通过内孔花键套装在筒 3 上，并一起转 动。当线圈 8 通电时，衔铁 10 被吸引右移，把内摩擦片 5 和外摩擦片 4 压紧在挡环 6 上，通过摩擦力矩把齿轮 1 与套筒 3 结合在一起。无集电环电磁离合器的线圈 8 和铁心 9 是不转动的，在铁心 9 的右侧均匀分布着六条键槽，用斜键将铁心固定在变速箱的壁 上。当线圈 8 断电时，外摩擦片 4 的弹性爪使衔铁 10 迅速恢复到原来位置，内、外摩 擦片互相分离，运动被切断。这种离合器的优点在于省去了电刷，避免了摩损和接触不 良带来的故障，因此比较适合于高速运转的主运动系统。由于采用摩擦片来传递转矩， 所以允许不停机变速。但也带来了另外的缺点，这就是变速时将产生大量的摩擦热，还 由于线圈和铁心是静止不动的，这就必须在旋转的套筒上装滚动轴承 7，因而增加了离 合器的径向尺寸。此外，这种摩擦离合器的磁力线通过钢质的摩擦片，在线圈断电之后 会有剩磁，所以增加了离合器的分离时间。 图 4-23 无集电环摩擦片式电磁离合器 1-传动齿轮 2-连接件 3-套筒 4-外摩擦片 5-内摩擦片 6-档环 7-滚动轴承 8-绕组 9-铁心 10-衔铁 11-螺钉 图 4-24 为啮合式电磁离合器。它是在摩擦面上做了一定齿形，来提高传递的扭矩。 线圈 1 通电，带有端面齿的衔铁 2 又通过渐开线形花键与定位环 5 相联，再通过螺钉 7 与传动件相联。磁轭内孔的花键送给另一个轴，这样，就使与螺钉 7 相联的轴与另一轴 同时旋转。隔离环 6 是防止传动轴分离一部分磁力线，进而削弱电磁吸引力。衔铁采用 渐开线花键与定位环 5 相联是为了保证同轴度。这种离合器必须在低于 1～2r/min 的转 速下变速
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 【61线阳？衔铁合式电览资5 8-旋 啮合式电磁离合器能够传递较大的转矩，主轴箱的结构紧凑。啮合过程无滑动，但 带有旋转集电环9，电刷与滑环之问有摩擦，影响了变速的可靠性，还应避免在很高的 转速下工作。离合器必须在低于1~2r/min的转速F变速，这给自动变速带来不便。 啮合式电磁离合器较适宜于在要求温升小和结构紧凑的数控机床上使用。 4.内置电动机主轴变速 近年来出现了一种新式的内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体。其优点 是主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高启动、停止的响应特性，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的关键问题。图4-25所示为结构示意图以及冷却油流经路线。 图4-26是日本研制的立式加工中心主轴组件，其内装电动机主轴的最高转速可达20 000rmin。 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 8 图 4-24 啮合式电磁离合器 1-线圈 2-衔铁 3-螺钉 4-弹簧 5-定位环 6-隔离环 7-链接螺钉 8-旋转集电环 9-磁轭 啮合式电磁离合器能够传递较大的转矩，主轴箱的结构紧凑。啮合过程无滑动，但 带有旋转集电环 9，电刷与滑环之问有摩擦，影响了变速的可靠性，还应避免在很高的 转速下工作。离合器必须在低于 1～2r／min 的转速 F 变速，这给自动变速带来不便。 啮合式电磁离合器较适宜于在要求温升小和结构紧凑的数控机床上使用。 4．内置电动机主轴变速 近年来出现了一种新式的内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体。其优点 是主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高启动、停止的响应特性，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的关键问题。图 4-25 所示为结构示意图以及冷却油流经路线。 图 4-26 是日本研制的立式加工中心主轴组件，其内装电动机主轴的最高转速可达 20 000 r/min
数控技术及应用数案及讲癌 上部分：数控技术及编程 图426立式加工中心主轴组件 主轴部件由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等组成。机床加工时， 主轴带动工件或刀具直接参与表面成型运动，所以主轴的精度、刚度和热变形对加工质 量和生产效率等有着重要的影响。而且由于数控机床在加工过程中不进行人工调整，这 些影响就更为重要。 （一).主轴部件的要求 ()回转精度高。当主轴作回转运动时，线速度为零的点的连线称为主轴的回转中 心线。回转中心线的空间位置，在理想的情况下应是固定不变的，称为理想回转中心线。 实际上，由于主轴部件中各种因素的影响，回转中心线的空间位置每一瞬间都是变化的， 这些瞬时回转中心线的平均空间位置称为瞬时回转中心线。瞬时回转中心线相对于理想 回转中心线的距离，就是主轴的回转误差。而回转误差的范围，就是主轴的回转精度。 径向误差、角度误差和轴向误差很少单独存在，当径向误差和角度误差同时存在时，构 成径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在时构成端面跳动。 (②)刚度大。主轴部件的刚度是指受外力作用时，主轴部件抵抗变形的能力。主轴 部件的刚度越大，主轴受力后的变形越小。若主轴部件的刚度不足，在切削力及其他力 的作用下，主轴将产生较大的弹性变形，不仅影响工件的加工质量，还会破坏齿轮、轴 承的正常工作条件，加快其磨损，降低精度。主轴部件的刚度与主轴的结构尺寸、支承 跨距、所选用的轴承类型及其配置形式、轴承间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有 关。 (③)抗振性强。主轴部件的抗振性是指切削加工时，主轴保持平稳运转而不发生振 动的能力。若主轴部件抗振性差，工作时容易产生振动，不仅会降低加工质量，而且限 制了机床生产率的提高，使刀具的耐用度下降。提高主轴的抗振性必须提高主轴部件的 静刚度，常采用较大阻尼比的前轴承，必要时要安装阻尼（消振）器，使主轴部件的固有 频率远远大于激振力的频率。 (4)温升低。主轴部件运转中的温升过高会引起两方面的不良结果：一是主轴部件 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 9 图 4-25 电动机内装式主轴 图 4-26 立式加工中心主轴组件 二、主轴部件 主轴部件由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等组成。机床加工时， 主轴带动工件或刀具直接参与表面成型运动，所以主轴的精度、刚度和热变形对加工质 量和生产效率等有着重要的影响。而且由于数控机床在加工过程中不进行人工调整，这 些影响就更为重要。 (一)．主轴部件的要求 (1) 回转精度高。当主轴作回转运动时，线速度为零的点的连线称为主轴的回转中 心线。回转中心线的空间位置，在理想的情况下应是固定不变的，称为理想回转中心线。 实际上，由于主轴部件中各种因素的影响，回转中心线的空间位置每一瞬间都是变化的， 这些瞬时回转中心线的平均空间位置称为瞬时回转中心线。瞬时回转中心线相对于理想 回转中心线的距离，就是主轴的回转误差。而回转误差的范围，就是主轴的回转精度。 径向误差、角度误差和轴向误差很少单独存在，当径向误差和角度误差同时存在时，构 成径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在时构成端面跳动。 (2) 刚度大。主轴部件的刚度是指受外力作用时，主轴部件抵抗变形的能力。主轴 部件的刚度越大，主轴受力后的变形越小。若主轴部件的刚度不足，在切削力及其他力 的作用下，主轴将产生较大的弹性变形，不仅影响工件的加工质量，还会破坏齿轮、轴 承的正常工作条件，加快其磨损，降低精度。主轴部件的刚度与主轴的结构尺寸、支承 跨距、所选用的轴承类型及其配置形式、轴承间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有 关。 (3) 抗振性强。主轴部件的抗振性是指切削加工时，主轴保持平稳运转而不发生振 动的能力。若主轴部件抗振性差，工作时容易产生振动，不仅会降低加工质量，而且限 制了机床生产率的提高，使刀具的耐用度下降。提高主轴的抗振性必须提高主轴部件的 静刚度，常采用较大阻尼比的前轴承，必要时要安装阻尼(消振)器，使主轴部件的固有 频率远远大于激振力的频率。 (4) 温升低。主轴部件运转中的温升过高会引起两方面的不良结果：一是主轴部件
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 和箱体因热膨胀而变形，主轴的回转中心线和机床其他元件的相对位置发生变化，直接 影响加工精度：二是轴承等元件会因温度过高而改变己调好的间隙，破坏正常润滑条件， 影响轴承的正常工作，严重时甚至会发生“抱轴”。数控机床为解决温升问题，一般采 用恒温主轴箱。 (⑤)耐磨性好。主轴部件必须有足够的耐磨性，以便能长期保持精度。主轴上易磨损 的地方是刀具或工件的安装部位，以及移动式主轴的工作表面。为了提高耐磨性，主轴 的上述部位应该淬硬，或经氮化处理，以提高硬度，增加耐磨性。主轴轴承也需要有良 好的润滑，以提高其耐磨性。 (仁).主轴部件的类型 主轴部件按运动方式可分为五类： (1)只作旋转运动的主轴部件。这类主轴部件结构较为简单，如车床、铣床和磨床 等的主轴部件。 (②)既有旋转运动又有轴向进给运动的主轴部件。如钻床和镗床等的主轴部件。其 主轴部件与轴承装在套简内，主轴在套简内作旋转主运动，套筒在主轴箱的导向孔内作 直线进给运动。 (③)既有旋转运动又有轴向调整移动的主轴部件。如滚齿机、部分立式铣床等的主 轴部件。主轴在套筒内作旋转运动，并可根据需要随主轴套筒一起作轴向调整移动。主 轴部件工作时，用其中的夹紧装置将主轴套筒夹紧在主轴箱内，以提高主轴部件的刚度。 (④)既有旋转运动又有径向进给运动的主轴部件。如卧式镗床的平旋盘主轴部件、 组合机床的镗孔车端面头主轴部件。主轴作旋转运动时，装在主轴前端平旋盘上的径向 滑块可带动刀具作径向进给运动。 (⑤)主轴作旋转运动又作行星运动的主轴部件。如新式内圆磨床砂轮的主轴部件， 如图4-27所示。砂轮主轴1在支撑套2的偏心孔内作旋转主运动。支承套2安装在套 筒4内。套筒4的轴线与工件被加工孔的轴线重合，套筒4由蜗杆6经蜗轮W传动， 在箱体3中缓慢地旋转，带动套筒及砂轮主轴作行星运动，即圆周进给运动。通过传动 支承套2来调整主轴与套筒4的偏心距e,实现横向进给。 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 10 和箱体因热膨胀而变形，主轴的回转中心线和机床其他元件的相对位置发生变化，直接 影响加工精度；二是轴承等元件会因温度过高而改变已调好的间隙，破坏正常润滑条件， 影响轴承的正常工作，严重时甚至会发生“抱轴"。数控机床为解决温升问题，一般采 用恒温主轴箱。 (5)耐磨性好。主轴部件必须有足够的耐磨性，以便能长期保持精度。主轴上易磨损 的地方是刀具或工件的安装部位，以及移动式主轴的工作表面。为了提高耐磨性，主轴 的上述部位应该淬硬，或经氮化处理，以提高硬度，增加耐磨性。主轴轴承也需要有良 好的润滑，以提高其耐磨性。 (二)．主轴部件的类型 主轴部件按运动方式可分为五类： (1) 只作旋转运动的主轴部件。这类主轴部件结构较为简单，如车床、铣床和磨床 等的主轴部件。 (2) 既有旋转运动又有轴向进给运动的主轴部件。如钻床和镗床等的主轴部件。其 主轴部件与轴承装在套筒内，主轴在套筒内作旋转主运动，套筒在主轴箱的导向孔内作 直线进给运动。 (3) 既有旋转运动又有轴向调整移动的主轴部件。如滚齿机、部分立式铣床等的主 轴部件。主轴在套筒内作旋转运动，并可根据需要随主轴套筒一起作轴向调整移动。主 轴部件工作时，用其中的夹紧装置将主轴套筒夹紧在主轴箱内，以提高主轴部件的刚度。 (4) 既有旋转运动又有径向进给运动的主轴部件。如卧式镗床的平旋盘主轴部件、 组合机床的镗孔车端面头主轴部件。主轴作旋转运动时，装在主轴前端平旋盘上的径向 滑块可带动刀具作径向进给运动。 (5) 主轴作旋转运动又作行星运动的主轴部件。如新式内圆磨床砂轮的主轴部件， 如图 4-27 所示。砂轮主轴 1 在支撑套 2 的偏心孔内作旋转主运动。支承套 2 安装在套 筒 4 内。套筒 4 的轴线与工件被加工孔的轴线重合，套筒 4 由蜗杆 6 经蜗轮 W 传动， 在箱体 3 中缓慢地旋转，带动套筒及砂轮主轴作行星运动，即圆周进给运动。通过传动 支承套 2 来调整主轴与套筒 4 的偏心距 e，实现横向进给