尼也较小，容易引起振动和噪声； • 径向尺寸比滑动轴承大。
（3）主轴支承的选用
数控机床主轴支承根据主轴组件的转速、承 载能力及回转精度等要求的不同而采用不同种 类的轴承。 • 一般中小型数控机床（车床、铣床、加工中心、 磨床）的主轴组件多采用滚动轴承； • 重型数控机床采用液体静压轴承； • 高精度数控机床（如坐标磨床）采用气体静压 轴承； • 转速达（2-10）×104r/min的主轴可采用磁力轴 承或陶瓷滚珠轴承。
项目二 数控机床主传动系统
2.1 主轴变速方式 2.2 主轴支承配置及轴承预紧 2.3 高速电主轴
技能目标
1. 了解数控机床的结构特点及要求； 2. 理解数控机床主轴变速方式、典型主轴部件结
构及原理； 预习 1. 直流或交流电动机的无级调速
2.1 数控机床主传动系统的组成及特点
功用：主传动系统是用来实现机床主运动的传 动系统，它应具有一定的转速（速度）和一定 的变速范围，并能方便地实现运动的开停、变 速、换向和制动等。 组成：主要包括电动机、传动系统和主轴部件 主传动系统的特点： ① 转速高、功率大 ② 变速范围宽 ③ 主轴变速迅速可靠 ④ 主轴组件的耐磨性高
（4）主轴常用滚动轴承的类型
①圆锥孔双列圆柱滚子轴承 ②圆锥滚子轴承 ③双向推力角接触球轴承 ④角接触球轴承(向心推力球轴承） ⑤陶瓷滚动轴承
• 滚动体用陶瓷材料制成，而内、外圈仍用轴承钢制造； • 滚动体和内圈用陶瓷材料制成，外圈用轴承钢制造； • 全陶瓷轴承，即滚动体、内外圈全都用陶瓷材料制成。
图2-8 高速CNC车床主轴组件
图 2-7 主轴单元 (b) 刚度型
图2-9 CNC型车床主轴
图 2-7 主轴单元 (c) 刚度速度型
图2-10 卧式铣床主轴
④ 三支承主轴
由于结构上的原因，主轴箱长度较大，主 轴支承跨距超过两支承合理跨距很多，则增加 中间支承有利于提高刚度和抗振性。通常只有 两个支承起主要作用，而另一个支承起辅助作 用，即处于所谓“浮动”状态。
（1）组成
• 供油系统 • 节流器 • 轴承 （2）正常工作条件 • 轴颈需始终浮在压力油中，保持液体摩擦； • 有外载时，油膜应具有足够的刚度，以使主轴轴心
线偏移小，轴承精度高。
（3）结构 定压式静压轴承的工作原理如图2-17所示。
• 油腔 ：在轴承上开4个，开在轴承内圆柱面上间隔 相等对称分布的压力区。
图2-19 高速电主轴的组成 1-后轴承； 2-电机定子； 3-电机转子； 4-前轴承； 5-主轴
（1） 电主轴的主要特点：
• 机械结构简单，转动惯量小，因而快速响应好， 能实现极高的速度、加减速度和定角度的快速准 停。
• 采用交流变频调速的交流主轴驱动装置，输出功 率大，调速范围宽，有比较理想的转矩——功率 特性。
• 轴承预紧是使轴承滚道预先承受一定的载荷，消 除间隙，并使得滚动体与滚道之间发生一定的变 形，增大接触面积，轴承受力时变形减小，抵抗 变形的能力增大。
• 对主轴滚动轴承进行预紧和合理选择预紧量，可 以提高主轴部件的回转精度、刚度和抗振性。
• 一般主轴部件应在结构上保证能调整主轴的间隙。 • 轴承预紧可分为径向预紧和轴向预紧两种方式。
（３）用两个电动机分别驱动主轴 上述两种方式的混合传动，具有上述两种性
能。 如图2-1(c)所示； （４）内装电动机主轴传动结构
这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴 的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，如图 2-1(d)。
图2-1 数控机床主传动的四种配置方式 (a)变速齿轮 (b)带传动 (c)两个电机分别驱动 (d)内装电动机主 轴传动结构
主轴前后轴承都采用角接触球轴承（两联或三 联）。 ② 刚度型 (如图2-7(b)) 、（图2-9）
前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷 和60°角接触双列向心推力球轴承承受轴向载荷， 后支承采用双列短圆柱滚子轴承。 ③ 刚度速度型 (如图2-7(c)) 、（图2-10）
图 2-7 主轴单元 (a) 速度型
有外加载荷（包括轴自重）：
下油腔3：节流器的压力降P3减小 ∵ Ps = P3 + P3 Ps =恒量 P3
上油腔1：节流器的压力降P1增大 ∵ Ps = P1 + P1 Ps =恒量 P1
使轴受到一个向上的推力F’=A（ P3 - P1）以平衡 外载荷F。
2.4 车削中心C轴功能
车削中心的转塔刀架上带有能使刀具旋转 的动力刀座，主轴具有按轮廓成型要求连续 回转（不等速回转）运动和进行连续精确分 度的C轴功能，并能与X轴或Z轴联动。
⑥磁浮轴承
图2-4 几种典型的主轴滚动轴承 (a)、(b) 双列圆柱滚子轴承 (c) 双列圆锥轴承 (d) 双向推力角接触球
轴承 (e) 双列空心圆锥滚子轴承 (f) 特殊双列球轴承 (g) 角接触球轴承 (h) 单列圆锥滚子轴承
(5) 主轴滚动轴承的选择
轴承类型及型号选用主要根据主轴组件的刚度、承 载能力、转速、抗振性及结构等要求合理进行选定。 ① 承载能力和刚度 • 径向：圆柱、圆锥滚子轴承→球轴承 • 轴向：推力轴承→圆锥滚子轴承→向心推力球轴承 ② 转速 • 径向：向心球轴承→向心推力球轴承→圆锥滚子轴承 • 轴向：向心推力球轴承→圆锥滚子轴承→推力轴承 ③ 结构要求 • 选轻型或特轻型轴承 • 一个支承中装两个轴承 • 采用滚针轴承
图2-12 主轴轴承对主轴旋转精度的影响 (c) 前、后轴承的综合影响
④ 主轴轴承精度
机床主轴轴承的精度通常采用P2、P4、P5、 P6（相当于旧标准的B、C、D、E）4级，此外 又规定了2种辅助精度级SP（特殊精密级）和 UP（超精密级）。主轴轴承精度选择可参考表 2-3
表4-3 主轴轴承精度Leabharlann （8） 主轴滚动轴承的预紧
③ 讨论
• 当轴承a =b时， a1 > b1 。说明前轴承内环的偏 心量对主轴端部精度影响大，所以，前轴承精度应 选高些，通常比后轴承高一级。
• 在安装主轴轴承时，如将前、后轴承的偏移方向放 在同一侧，如图2-12(c)所示，可以有效地减少主轴 端部的偏移。如后轴承的偏移量适当地比前轴承的 大，可使主轴端部的偏移量为零。
轴承偏移量为零，由偏移量a引起的主轴端轴心
偏移为: a1: a =(L+a):L
a1
L L
aa
② 后轴承内环偏心
图2-12(b)表示后轴承有偏移b ，前轴承偏移为 零时，引起主轴端部的偏移为: b1: b =a:L
b1
a L
b
图2-12 主轴轴承对主轴旋转精度的影响 (b) 后轴承偏移量的影响
电主轴外形虽然各不相同，但实质都是一个转 子中空的电动机。外壳有强制冷却的水槽（通恒 温油或水）或采取强制通气冷却，中空套筒用于 直接安装各种机床主轴。从而取消了从主电动机 到主轴之间一切中间的机械传动环节，实现了主 电动机与机床主轴的一体化，
图2-19所示为用于立式加工中心的高速电主轴 的组成。由于高速电主轴对轴上零件的动平衡要 求很高，因此，轴承的定位元件与主轴不宜采用 螺纹连接，电机转子与主轴也不宜采用键连接， 而普遍采用可拆的阶梯过盈连接。
•滚动轴承选用原则
(1) 中高速重载 双列向心短圆柱滚子轴承配双向 推力角接触球轴承。
(2) 高速轻载 向心推力球轴承，根据载荷大小， 每个支承可用一个 、二个甚至三个。
(3) 轴向载荷为主 精度不高时，选用推力轴承配 单列向心球轴承；精度较高，选用向心推力轴承。
（6）主轴轴承的配置型式
主轴轴承的配置型式应根据刚度、转速、承载 能力、抗振性和噪声等要求来选择。常见有如下 几种典型的配置型式：速度型、刚度型、刚度速 度型。如图2-7所示。 ① 速度型 (如图2-7(a)）、（图2-8）
2.2 主传动系统设计要求及配置
2.2.1 主传动系统的设计要求 1. 主轴具有一定的转速和足够的转速范围 ，以满
足机床的运动要求； 2. 主电动机具有足够的功率，全部机构具有足够的
强度和刚度，以满足机床的动力要求； 3. 主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够
高的精度、抗振性，热变形和噪声要小，传动效 率要高，以满足机床的工作性能要求； 4. 操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好， 以满足机床的使用要求； 5. 结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经 济性要求。
车削中心的传动系统
2.5 高速电主轴的结构 • 高速主轴在结构上几乎全部是交流伺服电机直接驱
动的集成化结构，取消齿轮变速机构，并配备有强 力的冷却和润滑设计。 • 集成电机主轴的特点是振动小、噪声低、体积紧凑。 • 集成主轴有两种构成方式：
一种是通过联轴器把电机与主轴直接连接； 另一种则是把电机转子与主轴做成一体，即将无 壳电机的空心转子用压配合的形式直接装在机床主 轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体 中，形成内装式电机主轴。 • 这种电机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式， 把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的 “零传动” 。
图2-2 主轴端部的结构形式
2.3.2 主轴滚动支承
主轴支承是指主轴轴承，支承座及其相关零件 的组合体，其中核心元件是轴承。
采用滚动轴承的支承称为主轴滚动支承 （1）滚动轴承的主要优点 • 适应转速和载荷变动的范围大； • 能在零间隙或负间隙（一定的过盈量）条件下稳
定运转，具有较高的旋转精度和刚度； • 轴承润滑容易，维修、供应方便，摩擦系数小。 （2）滚动轴承的缺点 • 滚动轴承的滚动体数目有限，刚度是变化的，阻
图2-14 角接触球轴承的预紧控制
2.3.3 液体静压轴承
液体静压轴承系统由一套专用供油系统、节流器 和轴承三部分组成。
液体静压轴承油膜压强与主轴转速无关，承载能 力不随转速而变化。 优点：承载能力高；旋转精度高,油膜有均化误差的 作用，可提高加工精度；抗振性好,运转平稳；既 能在极低转速下工作，也能在极高转速下工作；摩 擦小，轴承寿命长。 缺点:需要一套专用供油设备，轴承制造工艺复杂、 成本较高。