数控机床的主传动系统及主轴部件

9.1.1 对数控机床主传动系统的要求

数控机床是高效率的机床，它的加工精度决定了零件的加工精度，因此它的主传动系统必须满足如下要求：

（1）调速范围广并可实现无级调速 数控机床的主传动系统要有较宽的转速范围及相应的输出力矩，一般变速范围要大于100，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率和表面质量。同时数控机床还应能够进行大功率切削和高速切削，以实现高效率加工。现代数控机床的主传动电动机已不再采用普通的交流异步电动机或传统的直流调速电动机，一般采用直流或交流主轴电动机。这种电动机调速范围广，可实现无级调速，并可使主轴箱结构简化。

（2）主轴变速迅速可靠 数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于数控机床主传动系统采用了可实现无级调速的电动机，机械变速档一般采用液压缸推动滑移齿轮或电磁离合器实现，因此变速稳定可靠。

（3）良好的回转精度、结构刚度和抗振性 数控机床在加工时，主轴部件直接装夹刀具对工件切削，对加工质量及刀具寿命有很大影响，并且在加工过程中不进行人工调整，因此主轴部件必须具有良好的回转精度；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的冲击力和交变力的干扰，可能会使主轴产生振动、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。因此要求机床要有良好的结构刚度和抗振性。为此，主轴组件要有较高的固有频率，实现动平衡，保持合适的配合间隙。

（4）良好的热稳定性 数控机床主轴转速、进给速度远高于普通机床，电动机、轴承、液压系统等热源散发的热量，切屑及刀具与工件的相对运动的摩擦产生的热量，通过传导、对流、辐射等方式传递给机床各个部件，引起温升，产生膨胀。由于热源分布不均，散热性能不同，导致主传动系统各部分温升不一致，因而产生不均匀的热膨胀变形，以至于影响刀具和工件的正确相对位置，影响了加工精度。为此要采取减少热变形的措施，如改进机床布局和结构及加强冷却和润滑等。

9.1.2 主传动系统的配置方式

根据数控机床的类型与大小，其主传动主要有以下几种形式：

（1）带有定比同步齿形带传动的主传动 主轴电动机经过定比同步齿形带传动传递给主轴，如图9-1（a）所示，也有采用齿轮传动的，适用于高速、低转矩特性的主轴。电动机本身的调速就能够满足要求，且带传动平稳，噪声低，结构简单，安装调试方便。这种传动主要应用在转速高、变速范围不大的数控机床上。

（2）由主轴电动机直接驱动的主传动 采用内装电动机，即主轴与电动机转子合二为一，如图9-1（b）所示。这种方式大大简化了主轴箱结构，有效地提高了主轴刚度，但主轴输出扭矩小，且电动机的发热对主轴精度影响较大，因此使用受到限制。

（3）用两个电动机分别驱动的主传动 如图9-1（c）所示，高速时由电动机1通过同步齿形带传动使主轴旋转，传动平稳；低速时，电动机2通过二级齿轮降速，扩大变速范围，使恒功率区增大，克服了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的缺陷，但结构较为复杂。

（4）带有变速齿轮的主传动系统 如图9-1（d）所示，使用双联滑移齿轮实现二级变速。由于现代数控机床使用可无级调速的电动机，所以经过齿轮变速后可实现分段无级变速，扩大了调速范围。又可以通过降速传动扩大输出扭矩，满足主轴低速时对输出扭矩特性的要求。滑移齿轮的移位大都采用液压缸加拨叉，或者直接由液压缸带动齿轮来实现。大、中型数控机床常采用这种形式。

（5）车削中心的主传动系统 车削中心的主传动系统与数控车床基本相同，只是增加了主轴的c轴坐标功能，以实现主轴的定向停车和圆周进给，并在数控装置控制下实现c轴、z轴联动插补，或c轴、x轴联动插补，以进行圆柱面上或端面上任意部位的钻削、铣削、攻螺纹及曲面的加工。c轴传动有多种结构形式。图9-2所示为MOC200MS3车削柔性加工单元的c轴传动及主传动的传动示意图。c轴分度采用可啮合和脱开的精密蜗杆蜗轮副结构，由伺服电动机驱动蜗杆1及主轴上的蜗轮3，当机床处于铣削和钻削状态时，即主轴需通过c轴回转或分度时，蜗杆与蜗轮啮合。c轴的分度精度由脉冲编码器7保证，分度精度为0.01°。

图9-1 主传动的配置方式

图9-2 车削中心的C轴传动及主传动的传动示意

1-蜗杆　 2-主轴 3-蜗轮　 4-齿形带　 5-主轴电动机　 6-同步齿形带　 7-脉冲编码器　 8-C轴伺服电机

9.1.3 主轴部件结构

数控机床的主轴部件，既要满足精加工时精度较高的要求，又要具备粗加工时高效切削的能力，因此应有更高的动、静刚度和抵抗变形的能力。主轴部件主要包括主轴、轴承、传动件和密封件，对于具有自动换刀能力的数控机床，主轴部件还应有刀具自动装卸装置、主轴准停装置和吹屑装置等。

9.1.3.1 主轴的支承

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、润滑和冷却都直接影响了主轴部件的工作性能。

（1）滚动轴承 滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简便，能在一定的转速范围和载荷变动范围下稳定工作。在数控机床上被广泛应用。但与滑动轴承相比，滚动轴承的噪音大，刚度是变化的，抗振性稍差且对转速有较大的限制。

近来，采用陶瓷滚珠的滚动轴承开始使用，由于陶瓷材料重量轻，热膨胀系数小，耐高温，所以离心力小，动摩擦力小，预紧力稳定，弹性变形小，刚度高。

数控机床主轴支承可以有多种配置形式。图9-3所示为TND360型车床主轴部件。因为主轴在切削时要承受较大的切削力，所以轴径较大，刚性好。前轴承为3个推力角接触球轴承，前面两个轴承大口朝向主轴前端，接触角为25°，以承受轴向切削力；后面轴承大口朝向主轴后端，接触角为14°，3个轴承的内外圈轴向由轴肩和箱体孔的台阶固定，以承受轴向负荷。后支承由一对背靠背的推力角接触球轴承组成，只承受径向载荷，并由后压套进行预紧。

图9-3 TND360型车床主轴部件

1、2-后轴承　 3、4、5-前轴承

（2）静压滑动轴承 静压滑动轴承的油膜压强由外界液压系统供给，与转速的高低无关。它的承载能力不随转速变化而变化，而且无磨损，启动和运转时的摩擦阻力矩相同，因此滑动轴承的刚度大，回转精度高。但静压轴承需要一套液压装置，成本较高。

液体静压轴承装置主要由供油系统、节流器和轴承3部分组成，其工作原理如图9-4所示。在轴承的内圆柱表面上，对称地开了4个矩形油腔2和回油槽5，油腔与回油槽之间的圆弧面4成为周向封油面，封油面与主轴之间有0.02～0.04mm的径向间隙。系统的压力油经各节流器降压后进入各油腔。在压力油的作用下，将主轴浮起而处在平衡状态。油腔内的压力油经封油边流出后，流回油箱。当轴受到外部载荷F的作用时，主轴轴颈产生偏移，上下油腔的回油间隙发生变化，上腔回油量增大，而下腔回油量减少。根据液压原理中节流器的流量q与节流器两端的压强差p之间的关系式q=Kp可知，当节流器进口油的压强保持不变时，流量的改变，节流器出油口的压强也随之改变。因此，上腔压强p1下降，下腔压强p3增大，若油腔面积为A，当A（p3-p1）=F时，平衡了外部载荷F。这样主轴轴心线始终保持在回转中心轴线上。

图9-4 静压轴承

1-进油孔　 2-油腔　 3-轴向封油面　 4-周向封油面　 5-回油槽

（3）磁力轴承 磁力轴承是利用电磁力使主轴悬浮在磁场中，使其具有无摩擦、无磨损、无需润滑、发热少、刚度高、工作时无噪声等优点，非常适合高速切削的主轴。主轴的位置用非接触传感器测量，信号处理器则根据测量值以每秒10 000次的速度计算出校正主轴位置的电流值。如图9-5所示是一种采用的是激磁式磁力轴承的内装高频电动机的主轴部件。

9.1.3.2 自动定心液压动力卡盘

为了减少辅助时间和劳动强度，并适应自动化和半自动化加工的需要，数控车床多采用动力卡盘装夹工件，目前使用较多的是自动定心液压动力卡盘。

图9-6所示为液压动力卡盘结构，该卡盘主要由引油导套、液压缸和卡盘3部分组成。卡盘通过盘体11及过渡法兰安装在机床主轴上。回转液压缸体2通过法兰盘4及连接件固定在主轴尾部，随主轴一起旋转。引油导套1固定在动力卡盘的壳体上，通过前后滚珠轴承支承液压缸转动。当程序段指令发出夹紧或松开控制信息后，液压系统控制活塞产生轴向位移，再通过活塞杆5和与之连接的拉杆6使滑体7轴向移动。卡爪滑座8和滑体7是以斜楔接触，当滑体7轴向移动时，卡爪滑座8可在盘体11上的3个T形槽内作径向移动。卡爪10用螺钉与T形滑块9紧固在卡爪滑座8的齿面上，与卡爪滑座构成一个整体。当卡爪滑座作径向移动时，卡爪10将工件夹紧或松开。根据需要夹紧工件的直径大小，改变卡爪10在齿面上的位置，即可完成夹紧调整。这种液压动力卡盘夹紧力较大，性能稳定，适用于强力切削和高速切削，其夹紧力可以通过液压系统进行调整，因此，能够适应包括薄壁零件在内的各类零件加工。这种卡盘还具有结构紧凑，动作灵敏等特点。

图9-5 用磁力轴承的高速主轴部件

1-刀具系统　 2、9-轴承　 3、8-传感器　 4、7-径向磁力轴承　 5-轴向止推轴承　 6-高频电动机　 10-冷却水管路　 11-气液压力放大器

图9-6 自动定心液压动力卡盘

1-引油导套　 2-回转液压缸体　 3-活塞　 4-法兰盘　 5-活塞杆　 6-拉杆　 7-滑体　 8-卡爪滑座　 9-T形滑块　 10-卡爪　 11-盘体

9.1.3.3 刀具自动夹紧装置

在带有刀库的数控机床中，为了实现刀具的自动装卸，主轴内设有刀具自动夹紧装置。

图9-7所示为自动换刀数控铣镗床的主轴部件，其主轴前端的7∶24锥孔用于装夹锥柄刀具或刀杆。主轴的端面键可用于传递刀具的扭矩，也可用于刀具的周向定位。在自动交换刀具时要求能自动松开和夹紧刀具。图示为刀具的夹紧状态，碟形弹簧11产生的约10 000N推力，通过拉杆7、双瓣卡爪5和套筒14的作用，将刀柄的尾端拉紧。当要求松开刀柄时，在主轴上端油缸的上腔A通入压力油，活塞12的端部推动拉杆7向下移动，同时克服碟形弹簧11的推力，当拉杆7下移到使双瓣卡爪5的下端移出套筒14时，在弹簧6的作用下，卡爪张开，喷气头13将刀柄顶松，刀具即可由机械手拔除。待机械手将新刀装入后，油缸10的下腔通入压力油，活塞12向上移，碟形弹簧伸长将拉杆7和双瓣卡爪5拉着向上，双瓣卡爪5重新进入套筒14，将刀柄拉紧。活塞12移动的两个极限位置都有相应的行程开关（LSl、LS2）作用，作为刀具松开和夹紧的回答信号。

图9-7 刀具自动夹紧装置

1-调整半环　 2-双列圆柱滚子轴承　 3-双向向心球轴承　 4、9-调整环　 5-双瓣卡爪　 6-弹簧　 7-拉杆　 8-向心推力球轴承　 10-油缸　 11-碟形弹簧　 12-活塞　 13-喷气头　 14-套筒

9.1.3.4 主轴准停装置

主轴准停功能又称主轴定位功能，即主轴停止时控制其停在固定的位置。这是换刀所必需的功能，因为每次换刀时都要保证刀具锥柄处的键槽对准主轴上的端面键，也要保证在精镗孔完毕退刀时不会划伤已加工表面。准停装置分为机械式和电气式两种。现代数控机床一般都采用电气式主轴准停装置，只要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确定位。

较常用的电气方式有两种，一种是利用主轴上光电脉冲发生器的同步脉冲信号；另一种是利用磁力传感器检测定向。图9-8所示为利用磁力传感器检测定向的工作原理，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1～2mm处，固定有一个磁传感器5，当机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。此信号经过放大后，由定向电路使电动机进行制动，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，发磁体与磁传感器间没有接触摩擦，准停的定位精度能满足一般换刀要求，而且定向时间短，可靠性较高。

图9-8 磁力传感器定向装置

1-主轴　 2-同步齿形带　 3-主轴电动机　 4-永久磁铁　 5-磁传感器