《数控技术主轴》PPT课件

第三章数控机床的总体布局与主运动部件3-1数控机床的总体布局3-2对主传动系统的要求3-3主运动有级变速系统的设计3-4主运动无级变速系统的设计3-5主轴组件,第三章数控机床的总体布局与主运动部件,对数控机床结构的要求1.提高机床的静、动刚度机床的整体刚度包括三部分：自身刚度、接触刚度和局部刚度，机床整体刚度取决于其中最薄弱的环节。2.减少机床的热变形热变形：因发热而造成的温差，使机床各部件在形状和位置上产生的(不同程度的)畸变。3.减少运动件的摩擦和消除传动间隙,4.提高机床的寿命和精度保持性(耐磨性)精度保持性：机床长期保持原始制造精度的能力。5.减少辅助时间，改善操作性,第三章数控机床的总体布局与主运动部件3-1数控机床的总体布局3-2对主传动系统的要求3-3主运动有级变速系统的设计3-4主运动无级变速系统的设计3-5主轴组件,3-1数控机床的总体布局,总体布局：确定机床各主要部件之间的相对位置关系以及它们之间所需的相对运动关系。布局的目的是按照简单、合理、经济的原则，寻求一种可能实现加工要求的最优方案，它与工件的加工工艺过程有着密切的关系。首先要确定加工对象和加工方法，而后考虑机床必须具备的几种运动和相应部件的布局与安排，部件之间的相互联系。,一、影响数控机床总体布局的工艺因素(一)表面形成方法对总体布局的影响加工不同形状的工件，需要不同的加工方法，从而设计不同型式的机床来完成。,轴流式水轮机叶片的形状，是一个空间任意曲面，且无数学模型，轮廓曲线常用坐标点表示。,1.加工方法的选择：若采用车削，则主运动速度很高。其它几个坐标的进给速度要与车削速度维持一定联系，进给驱动伺服系统的跟踪速度就要很快，目前不易解决。若采用磨削，磨削面积很大，砂轮磨损无一定规律，补偿较复杂；另外频繁地更换砂轮对生产也不利。,铣削加工方式设想铣刀为针状，则只需给定三个直线坐标运动，即可描绘出空间曲面。一般用球头铣刀加工。需要补偿调整，使程序编制趋于复杂；生产率较低，表面粗糙度高；刀具制造和刃磨均不方便。,在加工面积较大的情况下，这种方案也不采用。,若用端铣刀加工，生产率较高，表面粗糙度也较低；需增加两个摆角坐标，以保证铣刀轴线处处与被加工表面的法线重合，故机床必须具备五个坐标运动。在切削凹面过程中，铣刀刀尖旋转平面不得超出被加工平面曲率半径的二倍，以免发生干涉。,2.主进给和工件安装位置的选择主进给运动，应是获得轮廓线型的主要运动有两种可能性：1)采用回转运动S为主进给运动与叶片图纸标注方法一致(采用圆柱坐标)，不用坐标换算，程序编制较方便。,进给较均匀，加工精度好和表面粗糙度较低，生产率也较高；,2)直线运动X、Y为主进给运动，由两个直角坐标运动合成圆弧要做繁琐的坐标换算；进给速度的控制较复杂。,空间任意曲面在机床上安装位置，应与图纸标注位置一致，否则，曲面上所有点的坐标均应换算。(二)工序集中尽可能使运动分散些，以便于扩大工艺可能性。,第三章数控机床的总体布局与主运动部件3-1数控机床的总体布局一、影响数控机床总体布局的工艺因素二、运动的分配与相应的部件布置3-2对主传动系统的要求3-3主运动有级变速系统的设计3-4主运动无级变速系统的设计3-5主轴组件,二、运动的分配与相应的部件布置运动分配决定了部件的布置。与下列因素有关：运动数目：决定于工件表面的形成运动运动性质被加工表面的部位结构因素使用要求,工艺因素对运动分配的影响：定位面已定，一次安装完成全部加工。,只加工顶面,加工侧面,加工顶面和侧面,加工水轮机叶片，在采用端铣刀加工情况下，机床必须具备五个同时可控的坐标运动。在布局时遵循的原则是：获得较好的加工精度，较低的表面粗糙度和较高的生产率；转动坐标的摆动中心到刀具端面的距离不要过大，最好是能布局成摆动时只改变刀具轴线向量的方位，而不改变切削点的坐标位置；工件尺寸与重量较大时，摆角进给运动由装有刀具的部件来完成，反之由装有工件的部件来完成；,两个摆角坐标合成的矢量应能在半个空间范围的任意方位变动；由于摆动坐标带着工件和刀具摆动的结果，将使加工工件的尺寸范围有所减少，这一点也是在总体布局时需要考虑的问题。若确定主进给为回转运动形式，这五个运动是二个直线运动、三个回转运动。,(一)工件系统一个回转运动，刀具系统两个直线和两个回转运动1.双柱圆台式布局,优点：双柱框架和工件系统刚性较好且稳定；工件装卸方便；工作台作圆周进给，粗糙度较易保证；,易于实现工件设计基准和安装基准重合；扩大工艺可能性好；占地面积小。缺点：刀具系统结构复杂，刚性较差。,2.端面车床式布局,特点：机床较稳定；能实现设计基准和安装基准重合；一次安装下能加工工件的正反面。工件系统刚度差；占地面积大；工件装卸不方便；而且机床扩大工艺可能性差。,(二)工件系统一个直线和一个回转运动，刀具系统一个直线两个回转运动单柱卧式镗床式布局：,缺点：刀具系统刚度差；立柱要加高，坐标的跟踪速度要增大；加工、装配、调试等都比较困难。,优点：工件系统刚性好，比较稳固；可以实现工件设计基准与安装基准重合。,第三章数控机床的总体布局与主运动部件3-1数控机床的总体布局一、影响数控机床总体布局的工艺因素二、运动的分配与相应的部件布置三、数控机床总体布局应注意的问题3-2对主传动系统的要求3-3主运动有级变速系统的设计3-4主运动无级变速系统的设计3-5主轴组件,三、数控机床总体布局应注意的问题(一)保证机床具有高精度、静刚度、抗振性和热稳定性机床的精度指的是机床在未受外载荷的条件下的原始精度。包括：几何精度机床在不运动或低速运动时的精度传动精度内联传动链两末端件之间的相对运动精度。运动精度机床在以工作状态的速度运动时的精度。定位精度机床的执行件在运动终点所达到的实际位置精度。,(二)数控机床的布局应保证高效率，便于操作，调整和维修1.高生产率：提高切削效率，减少辅助时间。2.便于操作、调整和维修,便于装卸较重工件,(三)数控机床的布局要注意提高综合技术经济效果和适应工艺发展1.提高综合技术经济效果制造厂的经济效益主要反映在机床成本上，要降低成本就应合理选择零件的材料，尽量使机床金属消耗量少，机床结构工艺性好，零件数少，研制、管理费用低。机床使用厂的经济效益反映为机床的加工效率、可靠性。应注意减少能源消耗，提高机床的机械效率(摩损小)。,2.适应工艺发展纳入自动生产线或柔性制造系统中，因此，在布局上要考虑这一因素(工件输送、排屑)。,第三章数控机床的总体布局与主运动部件3-1数控机床的总体布局一、影响数控机床总体布局的工艺因素二、运动的分配与相应的部件布置三、数控机床总体布局应注意的问题3-2对主传动系统的要求3-3主运动有级变速系统的设计3-4主运动无级变速系统的设计3-5主轴组件,3-2对主传动系统的要求,一、对主传动系统的要求：1.要求主轴驱动在尽可能大的调速范围内保持恒功率输出。即要求输出大的功率，又要求主轴结构简单。2.调速范围宽，且能无级调速。3.要求在主轴的两个转向中在任一个方向都可进行传动和减速。4.要求主轴与进给驱动实行同步控制，在加工中心上为了自动换刀还要求主轴能进行高精度停位控制；有的数控机床还要求主轴具有角度分度控制的功能。5.高精度与刚度。6.良好的抗振性和热稳定性。,第三章数控机床的总体布局与主运动部件3-1数控机床的总体布局一、影响数控机床总体布局的工艺因素二、运动的分配与相应的部件布置三、数控机床总体布局应注意的问题3-2对主传动系统的要求3-3主运动有级变速系统的设计3-4主运动无级变速系统的设计3-5主轴组件,3-3主运动有级变速系统的设计,一般机床主轴转速应在某一范围(nminnmax)内变化，如果能够连续变换，即为无级变速；如果在最低转速与最高转速之间只能获得有限的若干级转速，则称为有级变速。一、转速数列主轴转速通常采用等比数列，即nj+1=nj等比数列任意两级转速的相对差值相等,对生产率的影响在转速范围内相同；,更重要的是变速系统在结构上易于实现，而且经济合理。设主轴共有Z级转速，n1=nmin，nZ=nmax，公比为，则：n1=nminn2=n1=nminn3=n2=n12nZ=n1Z-1调速范围,公比的选择原则为：1pbpcpm,第三章数控机床的总体布局与主运动部件3-1数控机床的总体布局3-2对主传动系统的要求3-3主运动有级变速系统的设计一、转速数列二、有级变速系统的基本规律三、结构网和结构式四、变速系统的设计1.变速组及传动付数的确定(前多后少)2.基本组和扩大组的确定(前密后疏),12=31*23*26,12=31*26*23,12=32*21*26,12=32*26*21,12=34*21*22,2.基本组和扩大组的确定(前密后疏)基本组与扩大组的几种不同排列方案：,12=34*22*21,各变速组的扩大顺序应尽可能与运动传递顺序相一致：xaxbxcxj各变速组的变速范围应逐渐增大，在转速图或结构网中表现出前面变速组传动比的连线分布较密，而后面变速组传动比连线的分布较疏松，即所谓“前紧后松”的原则。,第三章数控机床的总体布局与主运动部件3-1数控机床的总体布局3-2对主传动系统的要求3-3主运动有级变速系统的设计一、转速数列二、有级变速系统的基本规律三、结构网和结构式四、变速系统的设计1.变速组及传动付数的确定(前多后少)2.基本组和扩大组的确定(前密后疏)3.变速组中的极限传动比及变速范围,3.变速组中的极限传动比及变速范围设计机床传动系统时要考虑两种情况：降速传动应避免被动齿轮尺寸过大，而增加变速箱的径向尺寸，一般限制降速传动比的最小值,升速传动应避免扩大传动误差和减少振动，一般限制直齿轮升速传动比的最大值umax2，斜齿轮传动比较平稳，可取umax2.5，,主传动各变速组的最大变速范围为：,一般在设计机床传动系统时，任何一个变速组的变速范围都应尽量满足上述要求，在条件许可或处理得当时，也可以超出这个范围。,12=31*23*26r0=x0(p0-1)=1.411*(3-1)=28,初步方案确定，应检查变速范围是否超出允许值。,最后扩大组的变速范围最大，只要最后扩大组的变速范围合乎要求，其它变速组也就不会超出允许值。为使最后扩大组的变速范围不至超出允许值，大多数机床最后扩大组的传动付数取为2。,第三章数控机床的总体布局与主运动部件3-3主运动有级变速系统的设计一、转速数列二、有级变速系统的基本规律三、结构网和结构式四、变速系统的设计1.变速组及传动付数的确定(前多后少)2.基本组和扩大组的确定(前密后疏)3.变速组中的极限传动比及变速范围4.合理分配传动比的数值,4.合理分配传动比的数值注意：1)各传动付的传动比应尽可能不超出极限传动比umin和umax2)各中间传动轴应有适当高的转速：在传动顺序上各变速组的最小传动比应采用逐渐降速的原则：uaminubminucmin这样可使中间传动轴的最低转速提高，即所谓“先慢后快”的原则。但中间轴如果转速过高，将会引起振动、发热、噪声，通常希望齿轮的线速度不超过1215m/s,3)为了便于设计及使用，传动比值最好取标准公比的整数冥，即u=E，其中E为整数。中间轴的转速可以从转速图中直接读出；可直接查表确定齿轮齿数。应根据具体情况灵活运用。总的原则：保证机床结构紧凑。总结：主运动转速图的设计原则：2、3常用，前多后少，前密后疏(前紧后松)，速比递降(先慢后快)，标准公比，灵活运用。,已知：变速系统的转速级数Z=12，最低转速n1=31.5，公比=1.41，n电=1440r.p.m31.54563901251802503555007101000140012=31*23*26,12=31*23*26首先确定是否增加降速传动：这台机床总的降速比,若每个变速组的最小降速比都取成1/4，则三个变速组总的降速比可达到,为使中间两个变速组作到降速缓慢，以利减小变速箱的径向尺寸，并考虑到机床变型，故在电机与轴间增加一对降速传动皮带轮。,第三章数控机床的总体布局与主运动部件3-3主运动有级变速系统的设计一、转速数列二、有级变速系统的基本规律三、结构网和结构式四、变速系统的设计1.变速组及传动付数的确定(前多后少)2.基本组和扩大组的确定(前密后疏)3.变速组中的极限传动比及变速范围4.合理分配传动比的数值,下面来分配各变速组的传动比轴数=传动组+1=(变速组+1)+11)在主轴上标出12级转速31.51400r.p.m，在0轴上标出电机转速n0=1400r.p.m,2)确定各变速组的最小传动比通常以往前推比较方便，即先决定最后一个变速组的最小传动比。,12=31*23*26,最后一个变速组的变速范围为6=1.416=8=rmax，两个传动付的传动比必然是极限值：,12=31*23*26,根据降速应“前慢后快”的原则，为避免升速，又不使传动比太小，可取：,12=31*23*26,同理，对于轴可取：,3)画出各变速组其它传动付,12=31*23*26,第三章数控机床的总体布局与主运动部件3-3主运动有级变速系统的设计一、转速数列二、有级变速系统的基本规律三、结构网和结构式四、变速系统的设计1.变速组及传动付数的确定(前多后少)2.基本组和扩大组的确定(前密后疏)3.变速组中的极限传动比及变速范围4.合理分配传动比的数值5.齿轮齿数的确定,5.齿轮齿数的确定确定齿轮齿数时应注意的问题：1)传动付的齿数和不应过大，以免加大两轴之间的中心距，造成机床的结构庞大，一般推荐齿数和SZ1001202)齿数和应尽可能小，但应考虑：最小齿轮应不产生根切现象；,保证齿根强度：齿轮齿槽到孔壁或键槽的壁厚a2m；,两轴的最小中心距应取得适当，保证轴承或其它结构的安装空间。,3)齿轮齿数应符合转速图上传动比的要求，当然可以有误差，但所造成的主轴各级转速误差一般不应超过10(-1)%，即|n|10(-1)%,齿轮齿数可通过查表或计算的方法来确定。,第三章数控机床的总体布局与主运动部件3-1数控机床的总体布局3-2对主传动系统的要求3-3主运动有级变速系统的设计一、转速数列二、有级变速系统的基本规律三、结构网和结构式四、变速系统的设计3-4主运动无级变速系统的设计3-5主轴组件,3-4主运动无级变速系统的设计,一、使用无级调速电机的主运动变速系统设计采用无级调速电机时，必须考虑它的功率特性和扭矩特性与传动链的要求是否匹配的问题。F=CFapxFfyF执行器官作直线运动的传动链，对变速机构的要求可以认为是恒扭矩的，即输出扭矩不需因转速的降低而增大。旋转主运动链要求的变速机构基本上是恒功率的，即输出扭矩应随转速的降低而增大。,在实际生产中，并不需要在整个调速范围内均为恒功率，尤其在最低几级转速多用于加工螺纹、调整机床，不要求使用全部功率。从最高转速算起，调速范围的2/3或3/4是恒功率的，其余的低转速则是恒扭矩的。机床的功率扭矩特性图,计算转速,设计无级变速传动链时，应遵循的原则：1.如果无级变速机构的功率特性和扭矩特性符合机床传动链的要求，调速范围也能满足传动链的要求，则可直接或经某些定比传动付驱动执行器官。2.如果无级变速机构的功率特性和扭矩特性符合传动链的要求，但调速范围较小，不能满足传动链调速范围的要求，则可在无级变速机构之后串联分级变速箱，以扩大其变速范围。,这时变速箱的公比分应小于等于无级变速机构的调速范围R无，即分R无,3.如果无级变速机构的功率特性和扭矩特性不完全符合传动链的要求，这时必须串变速箱，变速箱的公比分原则上应小于等于无级变速机构的恒功率调速范围RN，如果为了简化变速机构，取分略大于RN，则电动机功率应取得比要求的功率大些。,已知：主轴的转速nmin=11.5r/min，nmax=1600r/min；主轴上输出转矩Mmax=705.6N.m，最大输出功率为Nmax=5kw(一)选用电机选用Z2_52型直流电机，其额定功率N=7.5KW，额定转速nN=1500r/min，调磁最高转速为2400r/min,主轴输出恒功率的调速范围,主轴输出恒扭矩的调速范围,(二)确定计算转速nj和机、电调速范围,Mmax=705.6N.mN=7.5KW,1600,11.5,电机的调压(恒转矩)调速范围，只需取得与主轴要求的恒转矩调速范围相等，即为RDM=8.87=RM电机的调磁调速范围,分=RDN=1.6,为了简化变速箱而取Z=4，则,(三)拟定转速图1)确定结构式：机械变速系统的结构式：4=21*22第一扩大组的变速范围r1=x1(p1-1)=2.142=4.5882)绘制转速图：,可用两个变速组的两个最小传动比,但是为了减少变速组的轴间距尺寸，以及变速箱体的总体布局需要，另外多增设了一对齿轮降速。,RDM=8.87RDN=1.6,从电机的恒功率调速的最低速1500r/min降至主轴的计算转速102r/min，其总降速比为,n=1121,1:1.5,1:1.1,1:0.1,0.5,主轴上的输出转矩和功率特性图,如果一定要求没缺口，即全为恒功率输出，则Z=6级1.58RDN,第三章数控机床的总体布局与主运动部件3-1数控机床的总体布局3-2对主传动系统的要求3-3主运动有级变速系统的设计3-4主运动无级变速系统的设计3-5主轴组件,3-5主轴组件,一、主轴组件的结构主轴组件由主轴、主轴上的支承件和传动件等组成。(一)主轴端部的结构主轴端部用于安装刀具或工件，因此要求保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。主轴端部结构已标准化。,车床、磨床的工件主轴,铣床、镗铣床,外圆磨床砂轮主轴,内圆磨床的砂轮主轴,钻床、镗床,多轴钻、组合机,7:24,1:5,莫氏锥,第三章数控机床的总体布局与主运动部件3-1数控机床的总体布局3-2对主传动系统的要求3-3主运动有级变速系统的设计3-4主运动无级变速系统的设计3-5主轴组件一、主轴组件的结构二、数控车床的主轴组件,二、数控车床的主轴组件与一般车床的区别不大。动平衡在主运动和进给运动之间建立联系。,第三章数控机床的总体布局与主运动部件3-1数控机床的总体布局3-2对主传动系统的要求3-3主运动有级变速系统的设计3-4主运动无级变速系统的设计3-5主轴组件一、主轴组件的结构二、数控车床的主轴组件三、自