数控机床的主运动系统.ppt

数 控 技 术,华中科技大学机械科学与工程学院,1,第5章 运动系统与典型机构,5.1 概述 5.2 数控机床的主运动 5.3 数控机床的进给运动 5.4 数控机床的换刀运动,2,主轴转速n（r/min）：,主轴的最低和最高转速：,r/min,主轴调速范围：,r/min,r/min,（1）主轴转速和调速范围,5.2.1 主运动参数,5.2 数控机床的主运动,3,（2）主运动的功率、转矩特性,kw,PZ 主切削力（N） v 切削速度（m/min） T 切削扭矩（Nm） n 主轴转速（r/min）,主运动所需输出的功率：,主运动的转矩特性：,最大功率（或扭矩）与运动速度之间的关系。,5.2 数控机床的主运动,4,恒扭矩输出：常用于一些特殊工序加工，如光车、攻大直径螺纹、铰大直径孔、精镗、成形铣削等，需要的输出功率较小的情况。,5.2 数控机床的主运动,5,5.2 数控机床的主运动,5.2.2 主运动的传动形式,（1）带有简单变速机构的主传动,优点：能满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范围调节速度的能力。 缺点：结构复杂，需要润滑及温度控制装置；成本较高；制造和维修难。 应用：一般大中型铣床多采用这种结构。,6,（2）通过皮带传动的主传动,优点：结构简单，安装调试方便，传动平衡，在一定条件下能满足转速与转矩的输出要求。 缺点：调速范围比（恒功率调速范围与恒扭矩调速范围之比）受电机调速范围比的约束。 应用：低扭矩输出要求的小型数控机床主轴上。,5.2 数控机床的主运动,7,（3）电机直接驱动的主轴结构（两种类型）,电机通过精密联轴器与主轴联接。 特点：结构紧凑、传动效率高的，主轴的特性完全与电机输出特性一致，因而在使用上受到一定限制。,主轴与电机转子为一体，称电主轴。 特点：结构紧凑，惯量小，响应快。制造和控制要求高。如主轴的散热、动平衡、支承、润滑及控制等。造价高。 应用：多用于高速加工。,5.2 数控机床的主运动,8,5.2.3 主轴典型控制功能,1. 主轴准停装置,机械式准停装置：,功能：当特殊加工或自动换刀，主轴能实现准确的停止在一个固定位置上。,1-无触点开关 2-感应块 3-凸轮定位盘 4-定位液压缸 5-定向滚轮 6-定位活塞,机械准停装置比较准确可靠，但结构较复杂。,5.2 数控机床的主运动,9,电气式准停装置：,1-主轴 2-同步感应器 3-主轴电动机 4-永久磁铁 5-磁传感器,磁力传感器准停装置工作原理： 数控装置发出主轴停转指令时，主轴电动机3立即降速，当永久磁铁4对准磁传感器5时，磁传感器发出准停信号，由定向电路使电动机准确地停止在规定的周向位置上。,1）利用主轴上光电脉冲产生准停信号。 2）利用磁力传感器检产生准停信号。,5.2 数控机床的主运动,10,2. 刀具自动夹紧装置、切屑清除装置,自动换刀卧式镗床（镗铣加工中心）的主轴部件,5.2 数控机床的主运动,11,3. C轴控制与同步速度控制,主轴的回转位置（转角）控制可进给伺服电机实现，也可以由主轴电机实现，此时主轴的位置（角度)由装于主轴上（不是主轴电机）上的高分辨率编码器检测，主轴作为进给伺服轴工作。,对应Z轴的回转轴（即绕主轴回转）为C轴。,C轴与进给轴（Z轴或X轴）联动进行插补控制，可以实现任意曲线的加工。如：螺纹，端面曲线，非圆柱或圆锥的异形回转表面等。,C轴控制与同步速度控制的功能：,C轴的控制方式：,5.2 数控机床的主运动,12,5.2.4 电主轴,结构紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高 具备精确的主轴定位及C轴传动功能。 易实现高速化，其动态精度和动态稳定性更好。 主轴运行平稳，使主轴轴承的寿命得到延长。 主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是关键。,电主轴具有如下特点：,5.2 数控机床的主运动,13,电主轴,电主轴,5.2 数控机床的主运动,14,电主轴的结构,5.2 数控机床的主运动,15,5.2 数控机床的主运动,16,（1）电主轴电机的类型,根据电主轴内装式电机的控制方法,普通交流变频电主轴结构简单，成本低，但存在低速输出功率不稳的问题，难以满足低速大扭矩的要求。,交流伺服电主轴特点：低速输出性能好，可实现闭环控制，经常用于加工中心等要求主轴定位或有C轴功能传动的数控机床。,根据电主轴内装式电机的输出特性,恒转矩电主轴转矩是恒定的，输出功率与转速成正比。适合于磨削及高速钻削，电主轴的转速越高，输出功率越大。,5.2 数控机床的主运动,17,恒功率电主轴在低速段的输出是恒转矩，高速段则是恒功率。主要用于镗、铣、车削等切削范围广、工况变化大的场合。,（2） 解决电主轴的振动问题的措施,电主轴的最高转速：一般在10000/min以上，甚至高达60000100000r/min。 电主轴的振动类型：电主轴的谐振、电磁振荡和机械振动。,关键问题：提高电主轴的动平衡。,5.2 数控机床的主运动,18,电主轴上零件精密加工、装配和调校。 电主轴上机构必须遵守对称性原则，键连接和螺纹连接在电主轴上是被禁止的。 电主轴上的转子应与主轴装配后，以主轴、后轴径为定位支撑，配作转子的精车工序。 在电机转子的两个端盖上，对称地加工1624个直径略有不同的螺纹孔（M4或M6），根据动平衡测试结果，旋入相应的动平衡螺钉并调节旋入深度，进行动平衡的调节，用环氧树脂将这些螺钉固化。,主要措施：,5.2 数控机床的主运动,19,（3）电主轴的散热措施,电主轴的热源：电动机的发热和轴承的发热。,动机的发热：采用外循环油水冷却系统进行冷却； 轴承的发热：采用角接触陶瓷轴承，滚珠用Si3N4材料制成，直径比同规格球轴承小1/3；同时，采用强制循环油冷却的方式对主轴轴承进行冷却； 设计电主轴组件时，电主轴上零件，最好采用同样密度、同样比热的材料，以保证整个电主轴组件运转的热平衡性。,5.2 数控机床的主运动,20,（3） 解决电主轴的发热问题的措施,5.2 数控机床的主运动,21,（4）电主轴的支承,滚动轴承支承：高速性能好，支承刚性好、价格适中、便于维修更换的优点，应用广泛。高速精密电主轴一般采用小钢球精密角接触球轴承。,复合陶瓷轴承：发展较快的一种支撑形式。其耐磨耐热，能满足在一些特殊工作条件下的要求，寿命是传统轴承的数倍。,气压和液压的动、静压轴承支承，电磁悬浮轴承：其内外圈小接触，理论上寿命无限长，结构简单并能达到很高的转速。电磁轴承价格较高，主要应用在超高速加工等高科技设备上，而动、静压轴承在多种精密、高速设备中应用非常普遍。,5.2 数控机床的主运动,22,（5）润滑方式,油脂润滑、油雾润滑和油气润滑等。,目前国际上最流行的是油气润滑。其原理是用微量泵定时打出定量小油滴，经通过净化冷却的干燥空气润滑每个轴承的润滑点。,润滑系统先于主轴启动而后于主轴停止运行。 油雾润滑、油气润滑时需注意压缩空气的干燥及洁净程度。,润滑的注意事项：,5.2 数控机床的主运动,23,（6）电主轴发展趋势,高速度、高刚度、高精度、高可靠性； 高速大功率、低速大转矩； 电主轴内装电机性能和形式多样化； 轴承及其预载荷施加方式、润滑方