数控机床及电气控制教案下载

1、数控机床及电气控制教案下载.doc 职业学院课件教案下载情境2数控机床主传动系统的拆装与调试主要介绍国内各类数控机床常用主轴驱动系统的组成方案、特点，以及元件选用的关键问题。以数控铣床主轴驱动系统的安装和调试为例，介绍应注意的重点问题，常见故障的形式和排除方法。数控机床是一种高精度、高效率的自动化机床，它的机械部分较普通机床有更高的要求，如高精度、高刚度、高速度、低摩擦等。因此，无论是从机床布局、基础件结构设计，还是轴承的选择与配置，都十分注意提高它们的刚度；零部件的制造精度和精度保持性都比普通机床提高很多，基本上按精密或高精密机床考虑，如主轴轴承都采用C级或超C级轴承，传动丝杠采用高精度的滚

2、珠丝杠螺母副。主传动广泛采用高性能的交、直流伺服电动机驱动。数控机床与普通机床比较，具有下列特点：1) 转速高，功率大，数控机床能进行大功率切削和高速切削，从而实现高速加工。2) 主轴转速变换迅速可靠，并能自动无级变速，使切削工作始终在最佳状态下运行。3) 为实现刀具的快速及自动装卸，其主轴应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。2.1 数控机床主轴驱动系统组成形式与功能主传动系统是实现主运动的传动系统，它的转速高、传递的功率大，是数控机床的关键部件之一，对它的精度、刚度、噪声、温升、热变形都有严格的要求。目前，主传动系统大致可分为以下大类。1.带有变速齿轮的主传动如图3-

3、1a）所示，通过少数几对齿轮降速，以满足主轴低速时对扭矩特性的要求。数控机床在交流或直流电机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速。滑移齿轮的移位大都采用液压缸和拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。2.通过带传动的主传动如图3-1b）所示，这种传动主要应用在小型数控机床上，由交流电机通过V带直接带动主轴。这种传动方式可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声，但只能适用于低扭矩特性要求的主轴。3.调速电机直接驱动的主传动如图3-1c）所示，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，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴影响较大。图3-1 主传动型式三、主轴组件数控机

4、床主轴部件是影响机床加工精度的主要部件，它的回转精度，影响工件的加工精度；它的功率大小与回转速度，影响加工效率；它的自动变速、准停、换刀等，影响机床的自动化程度。因此，要求主轴部件具有与本机床工作性能相适应的高的回转精度、刚度、抗振性、耐磨性和低的温升；在结构上，必须很好地解决刀具或工件的装夹、轴承的配置、轴承间隙调整、润滑密封等问题。主轴组件的类型主轴组件按运动方式可分为五类:(1)只作旋转运动的主轴组件。此类主轴结构较为简单，如车床、铣床和磨床等的主轴组件。（2）既有旋转运动又有轴向进给运动的主轴组件。如钻床和镗床等的主轴组件。其主轴组件与轴承装在套筒内，主轴在套筒内作旋转主运动，套筒在主

5、轴箱的导向孔内作直线进给运动。（3）既有旋转运动又有轴向调整移动的主轴组件。如滚齿机、部分立式铣床等的主轴组件。主轴在套筒内作旋转主运动，并可根据需要随主轴套筒一起作轴向调整移动。（4）既有旋转运动又有径向进给运动的主轴组件。如卧式镗床的平旋盘主轴部件、组合机床的镗孔车端面头主轴组件。主轴作旋转运动时，装在主轴前端平旋盘上的径向 块可带动刀具作径向进给运动。（5）主轴作旋转运动又作行星运动的主轴组件。（二）主轴主轴是主轴组件的重要组成部分。它的结构尺寸和形状、制造精度、材料及热处理等，对主轴组件的工作性能有很大的影响。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

6、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。主轴直径 主轴直径越大，其刚性越高，但轴承和轴上其它零件的尺寸也相应增大。轴承的直径越大，同等级精度轴承的公差值也就越大，要保证主轴的旋转精度就越困难，同时极限转速也下降。主轴内孔直径 主轴内孔用来通过棒料，用于通过刀具夹紧装置固定刀具以及传动气动或液压卡盘等。主轴孔径越大，可通过的棒料直径就越大，机床的使用范围就越宽，同时主轴部件也越轻。主轴孔径大小主要受主轴刚度的制约。当主轴的孔径与主轴直径之比小于0.3时，空心主轴的刚度几乎与实心主轴的刚度相当；为0.5时，空心主轴的刚度为

7、实心主轴刚度的90%；大于0.7时，空心主轴的刚度急剧下降。悬伸长度 主轴的悬伸长度与主轴前端结构的形状尺寸、前轴承的类型和组合方式以及轴承的润滑与密封有关。主轴的悬伸长度对主轴的刚度影响很大，主轴悬伸长度越短，其刚度越好。主轴的支承跨距 主轴组件的支承跨距对主轴本身的刚度都有很大的影响。主轴的轴端用于安装夹具和刀具，要求夹具和刀具在轴端定位精度高，定位刚度好，装卸方便，同时使主轴的悬伸长度短。（三）主轴轴承主轴轴承也是主轴组件的重要组成部分，应根据数控机床的规格、精度采用不同的主轴轴承。一般中、小规格的数控机床（如车床、铣床、钻镗床、加工中心、磨床等）的主轴部件多采用成组高精度滚动轴承，重型

8、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（210）×104r/min的主轴可采用磁力轴承或氮化硅材料的陶瓷滚珠轴承。四、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值得重视的问题。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。密封不仅要防止灰尘、屑末和切削液进入，还要防止润滑油的泄漏。（一）主轴润滑数控机床主轴的转速高，为减少主轴发热，必须改善轴承的润滑方式。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。在数控机床上的润滑一般采用高级油脂封入方式润滑，每加一次油脂可以使用710年。也有用油气润滑，除在轴承中加入少量

9、润滑油外，还引入压缩空气，使滚动体上包有油膜起到润滑作用，再用空气循环冷却。（二）主轴的密封主轴的密封有接触式和非接触式两种。图3-2 非接触式密封几种非接触密封的形式如图3-2所示。图3-2a)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3-2b)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3-2c)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。五、主轴的准

10、停主轴准停功能又称主轴定位功能（spindle specified position stop）,即当主轴停止时能控制其停于固定位置。它是自动换刀所必需的功能。在自动换刀的镗铣加工中心上，切削的转矩通常是通过刀杆的端面键传递的。这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的功能，如图3-3所示。图3-3 主轴准停换刀 图3-4 磁传感器准停主轴准停可分为机械准停和电气准停。机械准停采用机械凸轮等机构和光电盘方式进行初定位，然后由定位销（液压或气动）插入主轴上的销孔或销槽完成定位，换刀后定位销退出，主轴才可旋转。采用此方法定向比较可靠、准确，但结构复杂。电气准停有磁传感器准停、编码器型准停和数控系统

11、准停。常用的磁传感器准停装置如图3-4所示，它是在主轴上安装一个发磁体，使之与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹12mm处固定一个磁传感器。磁传感器经过放大器与主轴控制单元连接，当主轴需要定向准停时，便控制主轴停止在调整好的位置上。2.1.1 主轴驱动系统的作用    机床的主轴系统和进给系统有很大的差别。根据机床主传动的工作特点，早期的机床主轴传动全部采用三相异步电动机加上多级变速箱的结构。随着技术的不断发展，机床结构有了很大的改进，从而对主轴系统提出了新的要求，而且因用途而异。在数控机床中，数控车床占42，数控钻镗铣床占33，数控磨床、冲床占23，其他只占2

12、。为了满足量大面广的前两类数控机床的需要，对主轴传动提出了下述要求：主传动电动机应有2.2250kW的功率范围；要有大的无级调速范围，如能在1：1001000范围内进行恒转矩调速和1：10的恒功率调速；要求主传动有四象限的驱动能力；为了满足螺纹车削，要求主轴能与进给实行同步控制；在加工中心上为了自动换刀，要求主轴能进行高精度定向停位控制，甚至要求主轴具有角度分度控制功能等等。    主轴传动和进给传动一样，经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动，而随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代，目前已很少见到在数控机床上有使用直

13、流主轴伺服系统了。但是国内生产的交流主轴伺服系统的产品尚很少见，大多采用进口产品。    正如节所述，交流伺服电动机有永磁式同步电动机和笼型异步电动机两种结构形式，而且绝大多数采用永磁式同步电动机的结构形式。而交流主轴电动机的情况则不同，交流主轴电动机均采用异步电动机的结构形式，这是因为，一方面受永磁体的限制，当电动机容量做得很大时，电动机成本会很高，对数控机床来讲无法接受采用；另一方面，数控机床的主轴传动系统不必像进给伺服系统那样要求如此高的性能，采用成本低的异步电动机进行矢量闭环控制，完全可满足数控机床主轴的要求。但对交流主轴电动机性能要求又与普通异步电动机不

14、同，要求交流主轴电动机的输出特性曲线（输出功率与转速关系）是在基本速度以下时为恒转矩区域，而在基本速度以上时为恒功率区域。    交流主轴控制单元与进给系统一样，也有模拟式和数字式两种，现在所见到的国外交流主轴控制单元大多都是数字式的。图1917示出了交流主轴控制单元的框图。    图1917  交流主轴伺服系统框图1速度指令  2速度反馈  3比例积分回路  4绝对值回路  5负载表  6函数发生器7VF变换器  8微处理器  9DA强励磁&#

15、160; 10DA振幅器  11乘法器  12电流指令回路13电流控制回路  14PWM控制回路  15PWM变换器  16脉冲发生器  17四倍回路  18微分回路  19FV变换器  20同步整流电路    它们的工作过程简述如下：由数控系统来的速度指令（如10V时相当于6000r/min或4500r/min）在比较器中与检测器的信号相与之后，经比例积分回路3将速度误差信号放大作为转矩指令电压输出，再经绝对值回路4使转矩指令电压永远为正。然后经函数发生器6（它的作用是当电

16、动机低速时提高转矩指令电压），送到VF变换器7，变成误差脉冲（如10V相当于200kHz）。该误差脉冲送到微处理器8并与四倍回路17送来的速度反馈脉冲进行运算。在此同时，交预先写在微处理器部件中的ROM中的信息读出，分别送出振幅和相位信号，送到DA强励磁9和DA振幅器10。DA强励磁回路用于控制增加定子电流的振幅，而DA振幅器用于产生与转矩指令相对应的电动机定子电流的振幅。它们的输出值经乘法器11之后形成定子电流的振幅，送给U相和V相的电流指令回路12。另一方面，从微处理器输出的U、V两相的相位（即sin和sin(-120°）也被送到U相和V相的电流指令回路12，它实际上也是一个乘法

17、器，通过它形成了U相和V相的电流指令。这个指令与电机电流反馈信号相与之后的误差，经放大后送至PWM控制回路14，变成频率为3kHz的脉宽信号。而W相信号则由Iu、Iv两信号合成产生。上述脉冲信号经PWM变换器15控制电动机的三相交流电流。脉冲发生器16是一个速度检测器，用来产生每转256个脉冲的正、余弦波形，然后经四倍回路17变成1024脉冲r。它一方面送微处理器，另一方面经FV变换器19作为速度反馈送到比较器2，并与速度指令进行比较。但在低速时，由于FV变换器的线性度较差，所以此时的速度反馈信号由微分电路18和同步整流电路20产生。 主轴驱动系统是数控机床的大功率执行机构，其功能是接受数控系统(CNC)的S码速度指令及M码辅助功能指令，驱动主轴进行切削加工。数控加工中心对主轴有较高的控制要求，首先要求在大力矩、强过载能力的基础上实现宽范围的无级变速；其次要求在自动换刀动作中实现定角度停止(即准停)，这使加工中心主轴驱动系统比一般的变频调速系统或小功率交流伺服系统在电路设计和运行参数整定上具有更大的难度。主轴的驱动可以使用交流变频或交流伺服2种控制