课时2 数控机床的主传动机械结构
（CNC Machine Tool´S Main Transmission System）
1 数控机床主传动系统概述
1）．数控机床对主传动机械结构的要求
数控机床主传动系统的作用是产生主切削力。数控机床的主传动系统将电动机的转矩和功率传递给主轴部件，使安装在主轴内的工件或刀具实现主运动。由于数控机床的高自动化及高精度，对主传动提出了更高的要求。
(1) 具有较大的调速范围，并能实现无级调速。
为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、加工精度和表面质量，数控机床必须具有较大的调速范围。粗加工时，为保证较高的切削效率，一般采用低速和较大的切削用量；精加工时，为获得较高的精度，一般采用高速切削。对于自动换刀的数控机床，为了适应各种工序和各种加工材料的需要，主运动的调速范围还应进一步扩大。
(2) 有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。
数控机床加工精度的提高，与主传动系统具有较高的精度密切相关。为此，要提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面应高频感应加热淬火以增加耐磨性；主传动链尽可能短；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用精度高的轴承及合理的支承跨距等，以提高主轴组件的刚性。
(3) 良好的抗振性。
数控机床在加工时，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的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时可能破坏刀具或主传动系统中的零件，使其无法工作。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并进行循环润滑等。
(4)良好的热稳定性。
主传动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，造成加工误差。
2）．数控机床的主传动的特点
数控机床主传动系统的作用就是将电动机的扭矩或功率传递给主轴部件，使安装在主轴内的工件或刀具实现主切削运动，产生不同的主轴切削速度和切削力以满足不同的加工条件要求，与普通机床相比较，数控机床的主传动系统具有以下特点：
(1) 转速高，功率大，主轴的最高最低转速、转速范围、传递功率和动力特性，决定了数控机床的切削加工效率和加工工艺能力。数控机床的主传动系统能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。
(2) 主轴转数的变换迅速可靠，并能自动无级变速，使切削工作始终在最佳状态下进行。
(3) 为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设计有刀具自动装卸、主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。
2．数控机床的主传动系统的机械结构
数控机床的传动系统包括主传动系统和进给传动系统。图7.6 所示为某数控车床的传动系统结构示意图。主传动系统的机械结构主要包括主传动装置、主轴组件、主轴定向准停装置、主轴润滑装置与密封件等。
图7.6 某数控车床的结构示意图
1）主传动装置
数控机床主传动装置的功能是将主轴电动机产生的动力(转矩和速度)传递给主轴部件，其形式主要有以下几种：
（1）用变速齿轮的主传动
图7.7(a)所示为大中型数控机床通常采用的一种变速齿轮主传动的配置方式。它通过少数几对齿轮降速，使之成为分段无级变速，确保低速时的转矩，以满足输出转矩特性要求。一部分小型数控机床也采用此种传动方式，以获得强力切削时所需要的转矩。滑移齿轮的移位大多都采用液压拨叉或直接液压缸带动齿轮来实现。图7.7 (b)为采用变速齿轮的主传动实物。
图7.7 采用变速齿轮的主传动
（2）通过带传动的主传动
图7.8（a）所示为通过带传动的主传动的配置示意图。通过带传的主传动主要应用转速较高，变速范围不大的小型数控机床上，电动机本身的调速就能够满足要求，不需要再用变速齿轮，这样可以避免齿轮传动引起的振动和噪声。这种主传动配置只适用于高速低转矩特性要求的主轴，图7.8（b）所示为采用带传动的主传动实物图。
图7.8 通过带传动的主轴传动
常用的带传动有V带传动和同步齿形带传动。同步齿形带传动是一种综合了带和链传动优点的新型传动，带的工作面以及带轮外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相啮合传动；带内部采用承载后无弹性伸长的材料作为强力层，以保持带的节距不变，可使得主、从动带轮做无相对滑动的同步传动。与一般的带传动相比，同步齿型带传动具有传动比准确、传动效率高、传动平稳、适用范围广等优点。但同步齿型带传动在其安装时，对中中心距要求严格，且带与带轮制造工艺复杂、成本高。
（3）经联轴器驱动主轴的主传动
图7.9 所示为经联轴器驱动主轴的主传动方式示意图。这种主传动方式结构紧凑、传动效率高，但主轴的转速和转矩与电动机完全一致，低速性能的改善是其广泛应用的关键。
图7.9 经连轴器驱动的主轴传动
(4 ) 用两个电动机分别驱动主轴的主传动
图7.10 所示主传动是由齿轮传动和带传动两种方式组成的混合传动，因此这种传动方式兼有齿轮传动和带传动的性能。高速时下部的电动机可通过带轮直接驱动主轴旋转；低速时，上部的电动机通过两级齿轮传动驱动主轴旋转，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用。这种方式使恒定功率区域增大，扩大了变速范围，从而克服了低速时转矩不够和电动机功率不能被充分利用的缺陷。
图7.10 两个电机分别驱动主轴的主传动
（5）采用电主轴结构(一体化主轴)
图7.11(a) 所示为电主轴主传动示意图。采用电主轴结构的主传动方式可以大大简一主轴箱与主轴的结构，有效提高主轴部件的刚度，缺点是主轴输出转矩小，电动机发热对主轴的精度影响较大。使用这种调速电动机可实现纯电气定向，而且主轴的控制功能可以很容易与数控系统相连接并实现修调输入、速度和负载测量输出等。
图7.11 采用电主轴的主轴传动
2）主轴组件
主轴组件由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等组成。机床的主轴组件是机床重要部件之一，它带动工件或刀具执行机床的切削运动，因此数控机床主轴部件的精度、抗振性和热变形对加工质量有直接的影响，由于数控机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重。
（1）主轴组件的要求
①旋转精度。主轴组件的旋转精度是指机床处于空载手动或机床低速旋转情况下在主轴前端安装工件或刀具的基准面上所测得的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。旋转精度取决于各主要件如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精度。工作转速下旋转的精度还取决于主轴的转速、轴承的设计和性能，润滑剂和主轴的平衡。
②刚度。主轴组件的刚度是指受外力作用时，主轴组件抵抗变形的能力。主轴组件抵抗的刚度越大，主轴受力后的变形越小。影响主轴组件刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量、预紧和配置形式，前后支承的距离和主轴前端的悬伸量，传动件的布置方式，主轴组件的制造和装配质量等。
③抗振性。主轴组件的振动会影响工件的表面质量，刀具的耐用度和主轴轴承的寿命，还会产生噪声，影响工作环境。如果产生切削自激振动，将严重影响加工质量，甚至使切削无法进行。
④温升和热变形。主轴组件温升和热变形，使机床各部件间相对位置精度遭到磁坏，影响工件的加工精度，高精度机床尤为严重；热变形造成主轴弯曲，使传动齿轮和轴承的工作状态变坏；热变形还使主轴和轴承，轴承与轴承座之间已经调整好的间隙和配合发生变化，影响轴承的正常工作，间隙过小将加速齿轮和轴承等零件的磨损，严重时甚至发生轴承抱轴现象。
（2）主轴
主轴是主轴组件的重要部分，它的结构、尺寸和形状、制造精度、材料及热处理对主轴组建工作性能都有很大的影响。主轴结构随主轴系统设计要求的不同而有多种形式。主轴的主要尺寸参数包括：主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨度。评价和考虑主轴主要尺寸参数的依据是主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适用范围。
（3）主轴支承
①主轴轴承。主轴轴承也是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却等直接影响主轴组件的工作性能。数控机床上常用的主轴轴承有滚动轴承和滑动轴承。
滚动轴承。滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围内稳定地工作。滚动轴承由专业工厂生产，选购维修方便，因而在数控机床上被广泛采用。但与滑动轴承相比，滚动轴承的噪声大，滚动体数目有限，刚度变化大，抗振性略差，并且对转速有很大的限制。一般数控机床的主轴组件尽可能使用滚动轴承，特别是立式主轴和装在套筒内能做轴向移动的主轴。为了适应主轴高速发展的要求，滚动轴承的滚珠可采用陶瓷滚珠。滑动轴承。数控机床上常用的滑动轴承是静压滑动轴承。静压滑动轴承的油膜强由液压缸从外界供给，与主轴转速的高低无关(忽略旋转时的动压效应)。它的承载能力不随转速而变化，而且无磨损，启动和运转时摩擦力矩相同。所以静压轴承的刚度大，同转精度高。但静压轴承需要一套液压装置，成本较高，污染较大。
②主轴轴承的配置。主轴轴承的配置型式应根据精度、刚度、转速、承载能力、抗振性和噪声等要求来选择。数控机床常用的主轴轴承配置形式有三种，如图7.12所示，图7.12 (a)所示结构的前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力球轴承组合，后支承采用成对向心推力球轴承。这种结构的综合刚度高，可以满足强力切削要求。目前各类数控机床普遍采用这种配置形式。
图7.12(b)所示结构的前支承采用多列(图中为三列)高精度向心推力球轴承，后支承采用单列(或者双列)向心推力球轴承。这种配置的高速性能好，主轴转速可达4000r／min，但这种配置形式承载能力较小，所以只适用于高速、轻载和精密数控图7.12 c ) 所示结构为前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥滚子轴承。这种配置的径向和轴向刚度很高，可承受重载荷，尤其能承受较大的动载荷，但这种配置形式限制了主轴最高转速和精度，因而仅适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。
图7.12 主轴轴承配置示意图
（4）主轴组件的润滑与密封
主轴组件的润滑与密封是使用和维护过程中非常重要的内容。良好的润滑效果可以降低轴承的工作温度，延长其使用寿命。密封的作用是防止灰尘、屑末和切削液进入，还要防止润滑油的泄漏。
①主轴润滑。数控机床主轴的转速高，为减少主轴发热，防止烧粘，延长疲劳寿命，排除摩擦热冰冷却，必须对轴承进行有效的润滑。润滑的作用是在摩擦副表面形成一层薄油膜，以减少摩擦发热。常用的润滑方式有油脂、油雾、油气、喷射等润滑方式。
的低速主轴一般采用油脂润滑(dm为轴承内外径的平均值，单位mm；n为转速单位r／min) 
高速主轴一般多采用油雾、油气、喷射方式。
②主轴的密封。主轴的密封有接触式和非接触式两种。图7.13所示为三种非接触式密封的结构形式。图7.13(a)是利用轴承盖与轴的间隙密封，在轴承盖的孔内开槽是为了提高密封效果。这种密封用于工作环境比较清洁的油脂润滑处。图7.13(b)是在螺母的外圆上开锯齿形环槽，当油向外流时，靠主轴转动的离心力把油沿斜面甩到端盖的空腔内，油液再流回箱内。图7.13(c)是迷宫式密封的结构，在切屑多、灰尘大的工作环境下可获得可靠的密封效果；这种结构适用于油脂或油液润滑的密封。接触式密封主要有油毡圈和耐油橡胶密封圈密封两种，如图7.14所示。
图7.13 非接触式密封 图7.13 接触式密封
3）主轴准停装置
在数控钻床、数控铣床以及镗铣为主的加工中心上，由于特殊加工或自动换刀，要求主轴每次停在一个固定的准确的位置上，所以在主轴上必须设有准停装置。准停装置分机械式和电气式两种，如图7.15 所示。主轴准停控制原理已在前面章节中介绍过。
图7.15 主轴准停装置
4）．主轴的进给功能
在车削中心的主传动系统中，主轴除需具备数控车床主传动的功能外，还增加了主轴的进给功能。主轴的进给功能即为主轴的C轴坐标功能，以实现主轴的定向停车和圆周进给，并在数控装置的控制下实现C轴、Z轴插补或C轴、X轴插补，以配合动力刀具进行圆柱面或端面上任意部位的钻削、铣削、攻螺纹及曲面铣加工。图7.16所示为主轴c轴功能的示意图。随着主轴驱动技术的发展，C轴坐标除了通过伺服电动机用机械结构实现外，目前更多地采用带C轴功能的主轴电动机，直接进行分度和定位。
图7.16 主轴C轴功能示意图
