机床主轴精度设计.doc

成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） 机床主轴精度设计成都电子机械高等专科学校成教院毕 业 设 计（论 文）论文题目： 机床主轴精度设计教 学 点： 重庆科创职业学院指导老师： 梁雪峰 职 称： 讲师 学生姓名： 赵伟龙 学 号: 09124411061专 业： 机电一体化技术成都电子机械高等专科学校成教院制 年 月 日14成都电子机械高等专科学校成教院毕业设计（论文）任务书题目： 机床主轴精度控制设计任务与要求：了解的相关名词及掌握机床主轴精度设计的参数和机床主轴结构设计中核心部件和主轴箱问题的解决方法。时间： 年 月 日 至 年 月 日 共 周教 学 点： 重庆科创职业学院学生姓名： 赵伟龙 学 号：09124411061专业： 机电一体化技术指导单位或教研室： 指导教师： 梁雪峰 职 称：成都电子机械高等专科学校成教院制毕业设计(论文)进度计划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字4月15日至4月20日准备良好*教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一。摘 要主轴作为数控机床的核心功能部件，其制造精度和加工性能直接影响到零件的加工质量。传统机床主轴是通过中间的传动装置（如皮带，齿轮登）带动主轴旋转进行工作。电主轴又称内置式电动机主轴单元，就是将高速电动机置于机床主轴部件的内部，通过交流变频控制系统，使主轴获得所需的二作速度和扭矩。电主轴及其驱动系统是一种技术含量很高的机电一体化产品。涉及机械，电动机，驱动控制，支承，润滑，材料热处理及振动等诸多领域，是一套相对独立，完整的功能部件。本课题主要对机床主轴所牵涉的诸多领域进行详细的分析，结合机床主轴在实际操作中遇到的问题进行研究，最终得到数控机床主轴的最优设计。关键词：机床，主轴，控制AbstractCam is a widely used in a variety of automated machinery, apparatus and control devices to manipulate the mechanical parts. Cam has been the reason why such a wide range of applications, mainly due to a variety of cam mechanism can be achieved sports complex requirements, but also the structure of simple, compact. Cam cam can be a continuous rotation or move converted to Follower continuous or to move or swing. Compared with the linkage mechanism, cam mechanism to facilitate the realization of the given rules and track the movement; and compact structure is simple; but the cam and follower high-ah, deputy contact and easy to wear. In this paper, the design of cam need to understand the relevant terms and the need for the design of the cam and cam design parameters appear in the actual contours of the distortion curve and a sharp change, as well as the solution to the problem in the design should pay attention to the issue of the system Introduction and summary.Key words：Cam、high deputy、automation目 录第一章 数控机床主轴结构1第一节 数控机床的核心部件1第二节 数控机床主轴箱2第三节 机床主轴材料的选择2第二章 数控机床主轴的制动4第一节数控机床主轴驱动系统4第二节 主轴转速监测方案6第一节 伺服系统故障检查及维修7第二节 主轴过载的分析8第三节 数控机床主轴的维护8第四章 数控机床运行中主轴的异常及案例10第一节 主轴发热现象10第二节 主轴出现异常噪音或振动10结束语12谢 辞13参考文献14第一章 数控机床主轴结构第一节 数控机床的核心部件作为数控机床的核心功能部件，其制造精度和加工性能直接影响到零件的加工质量。目前加工中心用电主轴正向高转速、低速大扭矩、快速起、停等方向发展，以满足缩短加工辅助时间，提高生产效率的要求。国内高档的高速加工中心主轴多为进口产品，我国开发生产的加工中心电主轴，已经批量装备国产机床。阿奇夏米尔国际贸易(天津)有限公司米克朗产品经理马艳娣女士开发长寿命电主轴高速电主轴在高速加工中起着至关重要的作用，其制造精度和加工性能直接影响到零件的加工质量。有过高速加工经验的人都知道，不合理的使用和维护则会加剧电主轴的磨损，使得电主轴的加工精度降低，使用寿命缩短。高速加工中不合理的刀具选择、不合理的切削参数设置都将造成主轴动不平衡量的增加，产生主轴振动，严重影响主轴寿命和加工精度。这个问题普遍存在于目前的高速加工应用中。许多用户买了高速机床，却不敢真正的应用高速，而盲目地降低转速却又更加剧了主轴的损坏。怎样才能把主轴的负荷情况实时地反映给机床的操作和工艺编程人员，从而制定出最合适的工艺路线和切削参数呢？这是对高速主轴生产厂家提出的一个很现实的课题。 瑞士米克朗公司凭借多年的电主轴制造和铣削应用经验，开发了APS高级工艺控制系统。米克朗在电主轴中增加了振动监测模块，它将实时地记录每一个程序语句在加工时主轴的振动量，并将数据传输给数控系统，工艺人员可通过数控系统显示的实时的振动变化来了解每个程序段中所给出的切削参数的合理性，从而可以有针对性地优化加工程序。第二节 数控机床主轴箱主轴箱为数控机床的主要传动系统它包括电动机、传动系统和主轴部件它与普通车床的主轴箱比较，相对来手比较简单只有两极或三级齿轮变速系统，它主要是用以。第三节 机床主轴材料的选择工作条件材料 硬度原因 使用实例1） 与滚动轴承配合2） 轻载荷或中等载荷，转速低3） 精度要求不高4） 稍有冲击载荷，交变载荷可以忽略不计 45 220250HB1） 调质后，保证主轴具有一定强度2） 精度要求不高一般机床主轴1） 与滚动轴承配合2） 轻载荷或中等载荷，转速略高3） 装配精度要求不太高4） 冲击和交变载荷可以忽略不计 45170217HB正火或调质后保证主轴具有一定的强度和韧性C650、C660、C8480等大重型车床主轴1)与滚动轴承配合2)承受中等，转速较高3)精度要求较高40Cr(42MnVB)4247HRC或5257HRC1)为保证有足够的强度，选用40Cr调质2)轴颈和配件装拆处得到需要的硬度齿轮铣床，组合车床等的主轴1)与滚动轴承配合2)承受中等，转速较高40Cr(42MnVB)220250HB调质后主轴有较高的强度和韧性铣床，龙门铣床，车床等的主轴1)与滑动轴承配合2)受重载荷，转速很高3)精度要求极高，轴隙0.003mm4)受很高的疲劳应力和冲击载荷38CrMoAlA250280HB1)有很高的心部强度2)达到很高的表面硬度，不易磨损保持精度稳定3)优良的耐疲劳性能4)畸变量小高精度磨床主轴，镗床主轴、坐标镗床等的主轴与滚动或滑动轴承配合，转速较低50Mn2192241HB对于大直径主轴，当热处理设备或技术有困难时，可用此材料重型机床主轴1)与滑动轴2)高的冲击力承配合20CrMnTi12CrNi3表面硬度5663HRC很高的表面硬度冲击韧性和心部强度转塔车床、齿轮磨床、精密丝杆车床、重型齿轮铣床等的主轴第二章 数控机床主轴的制动第一节数控机床主轴驱动系统一、 主轴驱动系统的要求在切削过程中，工件与刀具的相互作用形成负载转矩。理论上讲，切削功率用于切削金属的剥落和变形，故切削力正比于切削的材料性质和截面积，而截面积由切削深度和走刀量决定。切削转矩则取决于切削力和工件回转半径的乘积，其大小与切削深度、进刀量、工件的材质等因素有关。这使得数控车床主轴系统负载具有如下特点：（）在大的转速范围内，数控车床允许切削深度与进刀量都是相等的，因而具有恒转矩性质。（）在高速段，受床身机械强度及振动等影响，速度越高，允许的切削深度和进刀量越小，负载转矩也越小，因此具有恒功率性质。数控车床要求主轴输出功率大，调速范围足够大，并具有主轴与进给驱动同步控制、准停控制、角度分度控制等控制功能。为满足上述数控要求，首先主轴电动机应具备以下性能：（）电机功率大，且在调速范围内速度稳定，恒功率调速范围宽；（）在断续负载下，电机的转速波动要小；（）加、减速时间短；（）电动机过载能力强；（）噪声低、温升低、震动小、寿命长。二、 主轴变频器选用本设计选用西门子MM440变频器，最大功率可达250kw，选择无速度传感器矢量控制方式。矢量控制法可使交流电动机变频调速后的机械特性和动态性能足以和直流电动机相比。而无速度传感器的矢量控制变频器不仅能够改善转矩控制的特性，而且能够改善针对各种负载变化产生的不同环境下的速度可控性。将2Hz的矢量变频控制和V/F控制变频进行比较可发现前者具有更强的输出力矩，切削力几乎与正常频段相同。矢量控制模式可提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力。主要具有以下特点：（）变频器效率 96%至97%；（）过载能力强，内置制动单元，5分钟内持续时间60秒150%(恒转矩)负载电流过载，或1分钟内持续3秒200%过载；（）起动冲击电流小于额定输入电流；（）各种保护齐全。由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流，因此在其内部的算法中大量涉及到电机参数。电机除了考虑常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外，还应考虑定子电阻、定子漏感抗、转子电阻、转子漏感抗、互感抗和空载电流。三、变频器接线变频器与数控装置的联系通常包括：（）数控装置至变频器的正反转信号；（）数控装置至变频器的速度或频率信号；（）变频器至数控装置的故障显示等状态信号。因此所有关于对变频器的操作和反馈均可在数控面板进行编程和显示。图2-1所示为MM440变频器外部接线。其中速度信号的传递是通过数控装置到变频器的模拟给定电压，通过变频器内部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置来控制主轴的速度。在该设计中，变频器AIN1+，AIN1-端子接收来自数控系统的速度模拟量信号，该信号为0-10V模拟电压。DIN1、DIN2端子由数控系统发出的正、反转信号所驱动的继电器进行控制，以实现主轴正反转。通过合理设置变频器参数，实现主轴转速从低速到高速的调速。图2-1 MM440变频器外部接线图第二节 主轴转速监测方案在电动机的同步传动轴上安装一块条形铁片，和电动机同步旋转，由接近开关对其检测，每转检测到两个脉冲信号，通过对脉冲信号的检测而得知其转速。检测脉冲信号有两种方案。第一方案：在一定周期Tp内读取脉冲信号的个数N，PLC是一种顺序控制器，它的程序是由前到后一步一步执行，每执行完一遍为一个扫描周期，然后从头开始循环执行。假如程序有2000步，每步执行时间周期为30s，则程序的扫描周期约60ms，扫描频率约16Hz，能够准确检测出的脉冲频率应低于8Hz，当转速的脉冲频率大于16Hz，即转速n480r/min时，PLC受其扫描频率的影响，不能准确检测出脉冲的个数，情况不好时，会出现高速时检测的脉冲个数很少，误判为电动机基本停止而进行下面动作，造成事故。此种方案只适用于主轴低速旋转状态的监测。第二种方案：检测脉冲信号持续为“0”或“1”的时间T，当n60r/min时，发出主轴停止完了信号。由于PLC程序执行过程的延时，数控系统收到主轴停止信号，并执行下面动作时，主轴已完全停止旋转，n=60r/min所对应脉冲信号持续为“0”或“1”的时间T为0.25s，因此我们把检测脉冲信号的计时器设定为0.25s。同样高速时也会出现脉冲测不准的情况，但不管情况多坏，在0.25s的时间内“0”或“1”至少变化一次，因此可以准确地判断主轴是否停止旋转。此方案可以适用于主轴高速或低速旋转时主轴制动状态的检测。在实际应用中，我们采用了此方案。第三章 数控机床主轴的故障分析与维第一节 伺服系统故障检查及维修 电子工业的飞速发展，使各种集成度高、性能先进的调速驱动层出不穷，给数控机床的更新换代提供了有利条件，但对于目前大中型企业还无法将旧数控机床全部改造的现实，修理旧的驱动系统，仍是维修战线上的一项艰巨任务。以下是工程师在实践经验中，所遇到的部分故障现象以及处理方法，仅供客户参考。 故障一 故障现象：1.8m数控卧车在停车时发出巨大响声，同时车间总电源跳闸。 检查：(1)车间电工对供电系统进行检查，跳闸的自动空气断路器所在处，因环境潮湿开关盒内自动跳闸的连杆机构已腐蚀，另外三相触点中有一相触点只有一小部分能接触。(2)车间供电变压器容量小，超负荷运行。其正常的相电压只有340V。(3)一只晶闸管已被烧坏，查看驱动电路，B相触发脉冲短小，只有正常触发脉冲幅值的四分之一，进一步查实为B相触发电路中的放大管T3性能不好所致。 分析：晶闸管在整流状态下缺相和在逆变状态下缺相结果是不同的。在整流状态下总是触发电位较高的晶闸管如SCR1，同时使前一相晶闸管SCR3承受反相电压而关断。在SCR3的关断期间以反相阻断状态为主。即使后一个晶闸管不触发，而SCR3到一定时刻也会因过零而自动关断。但如果是在停车降速时，即在逆变的情况下(同样也是触发电位较高的晶闸管导通，并使前一个晶闸管承受反压而关断)，这时的晶闸管在关断时有很长一段时间处于正向阻断状态。这样，若后一个晶闸管不导通，由于电感L的放电作用，使该晶闸管再延续导通一个周期而进入正半周，晶闸管将继续导通下去，同时阻碍后面的晶闸管导通。于是，晶闸管输出的正向电压与电动机电势迭加产生很大的电流，这时即产生逆变颠覆，轻则烧坏保险丝，重则烧坏晶闸管。如果车间的电压供电系统正常，没有大的波动，也许不会烧坏晶闸管。交流电网电压波动大，车间变压器容量小，超负荷运行，再加之B相正组触发脉冲幅值小，及车间供电系统的总开关盒的损坏等综合原因造成了这次故障的发生。 处理：(1)更换自动空气断路器。(2)更换新的晶闸管。 故障二 故障现象：1.8m卧车在点动时，花盘来回摆动。 检查：测量驱动控制系统中的#plusmn;20V直流稳压电源的纹波为4V峰峰值，大大超过了规定的范围。 分析：在控制系统的放大电路中，高、低通滤波器可以滤掉，如：测速机反馈，电流反馈，电压反馈中的各次谐波干扰信号，但无法滤除系统本身直流电源电路中的谐波分量，因它存在于整个系统中，这些谐波进入放大器就会使放大器阻塞，使系统产生各种不正常的现象。在点动状态下，因电机的转速较低，这些谐波已超过了点动时的电压值，造成了系统的振荡，使主轴花盘来回摆动，而且一旦去除谐波信号，故障马上消失。 处理：将电压板中的100MF和1000MF滤波电容换下焊上新电容，并测量纹波只有几个毫伏后将电源板安装好，开机试运行，故障消除。 故障三 故障现象：5m立车在运行加工中发出哐哐声后，烧保险第二节 主轴过载的分析 主轴驱动器控制板不良。 连续过载。 绕组存在局部短路。 在以上几点中，根据现场实际加工情况，过载的原因可以排除。考虑到换上元器件后，驱动器可以正常工作数天，故主轴驱动器控制板不良的可能性已较小。因此，故障原因可能性最大的是绕组存在局部短路。维修时仔细测量绕组的各项电阻，发现U相对地绝缘电阻较小，证明该相存在局部对地短路.拆开检查发现，内部绕组与引出线的连接处绝缘套已经老化；经重新连接后，对地电阻恢复正常。再次更换元器件后，机床恢复正常，故障不再出现故障现象：主轴电动机过热，CNC装置和主轴驱动装置现实过电流报警等。原因分析：主轴电动机通风系统不良、动力连线接触不良、机床切削用量过大、主轴频繁正、反转等引起电流增加，电能以热能的形式散发出来，主轴驱动系统和CNC装置通过检测，显示过载报警。检查方法：根据CNC和主轴驱动装置提示报警信息，检查引起各种故障的各种因素。采取措施：保持主轴电动机通风系统良好，保持过滤网清净；检查动力接线端子接触情况；严格按照机床的操作规程，正确操作机床。第三节 数控机床主轴的维护一、主轴部件的维护与保养 主轴部件是数控机床机械部分中的重要组成部件，主要由主轴、轴承、主轴准停装置、自动夹紧和切屑清除装置组成。数控机床主轴部件的润滑、冷却与密封是机床使用和维护过程中值得重视的几个问题。首先，良好的润滑效果，可以降低轴承的工作温度和延长使用寿命；为此，在操作使用中要注意到：低速时，采用油脂、油液循环润滑；高速时采用油雾、油气润滑方式。但是，在采用油脂润滑时，主轴轴承的封入量通常为轴承空间容积的10，切忌随意填满，因为油脂过多，会加剧主轴发热。对于油液循环润滑，在操作使用中要做到每天检查主轴润滑恒温油箱，看油量是否充足，如果油量不够，则应及时添加润滑油；同时要注意检查润滑油温度范围是否合适。为了保证主轴有良好的润滑，减少摩擦发热，同时又能把主轴组件的热量带走，通常采用循环式润滑系统，用液压泵强力供油润滑，使用油温控制器控制油箱油液温度。高档数控机床主轴轴承采用了高级油脂封存方式润滑，每加一次油脂可以使用710年。新型的润滑冷却方式不单要减少轴承温升，还要减少轴承内外圈的温差，以保证主轴热变形小。常见主轴润滑方式有两种，油气润滑方式近似于油雾润滑方式，但油雾润滑方式是连续供给油雾，而油气润滑则是定时定量地把油雾送进轴承空隙中，这样既实现了油雾润滑，又避免了油雾太多而污染周围空气。喷注润滑方式是用较大流量的恒温油(每个轴承34L/min)喷注到主轴轴承，以达到润滑、冷却的目的。这里较大流量喷注的油必须靠排油泵强制排油，而不是自然回流。同时，还要采用专用的大容量高精度恒温油箱，油温变动控制在0.5。第二，主轴部件的冷却主要是以减少轴承发热，有效控制热源为主。 第三，主轴部件的密封则不仅要防止灰尘、屑末和切削液进入主轴部件，还要防止润滑油的泄漏。主轴部件的密封有接触式和非接触式密封。对于采用油毡圈和耐油橡胶密封圈的接触式密封，要注意检查其老化和破损；对于非接触式密封，为了防止泄漏，重要的是保证回油能够尽快排掉，要保证回油孔的通畅。 综上所述，在数控机床的使用和维护过程中必须高度重视主轴部件的润滑、冷却与密封问题，并且仔细做好这方面的工作。基圆半径与压力角的关系说明：两个凸轮的基圆半径分别为r1和r2且r1r2.当凸轮转过角时两从动件的位移相同，可看出12。所以，减少基圆半径时压力增大；反之，基圆半径增大时，压力角减小。第四章 数控机床运行中主轴的异常及案例第一节 主轴发热现象电主轴运转中的发热和温升问题始终是研究的焦点。电主轴单元的内部有两个主要热源：一是主轴轴承，另一个是内藏式主电动机。 电主轴单元最凸出的问题是内藏式主电动机的发热。由于主电动机旁边就是主轴轴承，如果主电动机的散热问题解决不好，还会影响机床工作的可靠性。主要的解决方法是采用循环冷却结构，分外循环和内循环两种，冷却介质可以是水或油，使电动机与前后轴承都能得到充分冷却。主轴轴承是电主轴的核心支承，也是电主轴的主要热源之一。当前高速电主轴，大多数采用角接触陶瓷球轴承。因为陶瓷球轴承具有以下特点：由于滚珠重量轻，离心力小，动摩擦力矩小。因温升引起的热膨胀小，使轴承的预紧力稳定。弹性变形量小，刚度高，寿命长。由于电主轴的运转速度高，因此对主轴轴承的动态、热态性能有严格要求。合理的预紧力，良好而充分的润滑是保证主轴正常运转的必要条件。采用油雾润滑，雾化发生器进气压为0.250.3MPa，选用20#透平油，油滴速度控制在80100滴/min。润滑油雾在充分润滑轴承的同时，还带走了大量的热量。前后轴承的润滑油分配是非常重要的问题，必须加以严格控制。进气口截面大于前后喷油口截面的总和，排气应顺畅，各喷油小孔的喷射角与轴线呈15o夹角，使油雾直接喷入轴承工作区。第二节 主轴出现异常噪音或振动主轴出现异常噪音或振动，首先区分噪声或振动来自于主轴电机还是主轴箱内机械部件。机械系统产生的噪声可从以下三个方面进行检查：主轴轴承是否缺少润润滑脂，如果缺少应按量补充；主轴驱动皮带轮是否存在转动平衡状况不良，检查动平衡块是否松动或脱落，如需要应对平衡块进行适当调整。对于交流主轴电机旋转时出现的异常噪声及振动，维修时可从以下几个方面进行处理：首先