数控机床电主轴与进给系统结构设计

数控机床电主轴与进给系统结构设计

--高速电主轴结构设计

--直线伺服电机进给系统结构

高速电主轴的结构设计1.高速电主轴概述。2.高速电主轴技术的发展及现状。3.高速电主轴的结构设计。

<一>高速电主轴概述高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，是高速机床的核心部件。这四个部分构成一个动力学性能及稳定性良好的系统，在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。从目前发展现状来看，主轴单元形成独立的单元而成为功能部件以方便地配置到多种加工中心及高速机床上，而且越来越多地采用电主轴类型。集成内装式电主轴：其主轴由内装式电机直接驱动，这种结构基本上取消了带传动和齿轮传动等中间传动环节从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主轴的“零传动”。这是一种由内装式电机和机床主轴“合二为一”的传动形式，即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床的主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴（Build-inMotorSpindle），或称高速电主轴（High-speedMotorizedSpindle）。电主轴典型的结构和系统组成如图所示。

高速电主轴的结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，并可改善主轴的动平衡，减少振动和噪声，是高速机床主轴单元的理想结构。相比普通主轴三大优点：

1.如果电机仍采用皮带或齿轮等方式传动，则在高速运转条件下所产生的振动和噪声等问题难以解决，必会影响机床的加工精度、加工表面粗糙度。2.为了提高生产率，要求在最短时间内实现高的速度变化，即主轴回转时要具有极大的角加速度。达到这个要求的最经济的办法，是主轴传动系统的转动惯量尽可能地减小。而将电机内置，省掉齿轮、皮带等一系列中间环节，才是达到这一目标的理想途径。

3.电机内置于主轴两支承之间，可提高主轴系统的刚度，也就是提高了系统的固有频率，从而提高了其临界转速值。三大性能指标：

1.使用寿命:指更换一次轴承时主轴的累计工作时间。实际上就是指轴承的使用寿命。2.主轴前端径向刚度是指电主轴工作端在单位径向力作用下产生的位移。这一指标对加工精度、生产效率影响很大。在其它条件相同的情况下，径向刚度越大，工作效率就越高。3.临界转速是指当主轴旋转时，会使主轴出现挠度急剧增大、转动失稳现象的那些旋转速度。主轴工作转速应远离各阶临界转速，否则主轴将有可能处于共振区而产生剧烈振动。<二>高速电主轴技术的发展及现状

早在20世纪50年代，就己出现了用于磨削小孔的高频电主轴，当时的变频器采用的是真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。随着高速切削发展的需要和功率电子器件、微电子器件和计算机技术的发展，产生了全固态元件的变频器和矢量控制驱动器；加上混合陶瓷球轴承的出现，使得在20世纪80年代末、90年代初出现了用于铣削、钻削、加工中心及车削等加工的大功率、大转矩、高转速的电主轴。

1976年美国的Vought公司首次推出一台超高速铣床，采用了Bryant内装式电机主轴系统，最高转速达到了20,000r/min，功率为15KW。到90年代末期，电主轴发展的水平是:转速40,000r/min，功率40KW。但2001年美国Cincinnati公司为宇航工业生产了SuperMach大型高速加工中心，其电主轴最高转速达60,000r/min，功率为80KW。目前世界各主要工业国家均有装备优良的专业电主轴生产厂，批量生产一系列用于加工中心和高速数控机床的电主轴。其中最著名的生产厂家有:瑞士的FISCHER公司、IBAG公司和STEP-TEC公司，德国的GMN公司和FAG公司，美国的PRECISE公司，意大利的GAMFIOR公司和FOEMAT公司，日本的NSK公司和KOYO公司，以及瑞典的SKF公司等公司。<三>高速电主轴结构设计两种主要布局设计：

1.主电机置于主轴前、后轴承之间。它采用两支承结构，前轴承比后轴承尺寸大，均分别用串联安装方式，前后支承受力方式为外撑式。后支承选用小尺寸轴承，虽然会降低速度回数值，这对主轴整体刚性影响不大，但它改变了工作条件，对保持整个轴系的使用寿命十分有利。这种结构的优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度大，输出功率大，较适合大中型高速机床。

2.主电动机置于主轴后轴承之后，即主轴箱和主电机作轴向的同轴布置，这种方式减少了电主轴前端的悬伸量，电机的散热条件较好，但整个电主轴单元的出力较小，轴向尺寸大，常用于小型高速机床。高速电主轴结构设计工作路线高速电主轴动动平衡设计主轴单元动平平衡特点：离离心力和转速速平方成正比比，低速时测测不到的不平平衡在高速工工作时变的非非常明显。动平衡设计：：结构设计上上杜绝动不平平衡因素如采采用对称设计计、轴上零件件采用无键（（包括螺纹））联结设计；；装配前单个个零件分别动动平衡；装配配后整体低速速到高速逐渐渐动平衡（动动平衡精度G1～G0.4）；芯轴在转转子热装后低低速到高速逐逐渐动平衡（（动平衡精度度G0.4）。高速电主轴轴轴上零件无键键连接为什么要采取取无键联结？主轴单元动平平衡要求高（（G1～G0.4级），结构设设计要求不采采用键、螺纹纹等动不平衡衡因素，但这这带来的是大大扭矩传递（（电机与转子子的联结）、、轴承轴向限限位防松等结结构和无键联联结的矛盾。。采用过盈套联联结精度高；；对轴承预紧紧时不会引起起轴承受力不不均，不影响响轴承寿命；；过盈套质量量均匀，主轴轴动平衡易得得到保证。无键联结的过过盈量计算计算原则：过过盈配合应保保证过盈联结结的结合强度度和联结件的的零件强度。。结合强度是是指外负荷的的作用下，结结合零件之间间没有相对移移动，能可靠靠地传递给定定的负荷；联联结件的零件件强度是指联联结件在结合合压力的作用用下，产生的的复合应力不不超过设计给给定的极限值值，能够安全全可靠地工作作。计算方法：过盈配合的的计算即在保保证结合强度度的条件下，，计算出承受受外载荷所需需的最小过盈盈量δmin和保证联结件件的强度条件件下所容许的的最大有效过过盈量δmax，并依此来选选定恰当的配配合。在这种种情况下，应应认为在所选选定的过盈配配合条件下，，零件不发生生塑性变形，，甚至在最大大应力区存在在一定塑性变变形的条件下下，所设计的的过盈配合仍仍能安全可靠靠工作。其主主要计算如下下：最小过盈量的的计算：1.假设在静态下下即当转速为为0时，过盈联结结面传递扭矩矩为M或当过盈联结结承受轴向力力为Fx时，由弹性力力学原理，过过盈联结传递递负载所需的的最有效过盈盈量δb可按下式计算算：Ea、Ei过盈套材料和和主轴材料弹弹性模量；Ca、Ci包容件（过盈盈套与被包容容件（主轴））的直径比有有关的系数。。结合加工工工艺、装配要要求、工作温温度等因素并并引入安全系系数等对δb修正，则在静静态条件求得得传递力矩或或者承受轴向向力所须的最最小过盈量δemin按下式计算：：δemin=δb+δs+δt+δpδs考虑表面粗糙糙度影响的修修正量；δt考虑联结件表表面温度与装装配温度之差差以及主轴与与过盈套材料料线膨胀系数数之差的其修修正量；δp重复拆卸引起起过盈量的减减少；以上修正量的的计算或确定定可从机械设设计手册中查查得。2.主轴高速旋转转时过盈套所所受离心力，，该离心力可可引起过盈套套内孔的扩张张，导致过盈盈量减少。当当主轴材料和和过盈套材料料的泊松比、、弹性模量和和密度相差不不大时，离心心力引起过盈盈量减少量δw可由下式计算算式中，ω为主轴的转速速；ρ为主轴材料和和过盈套材料料的密度；v为主轴材料和和过盈套材料料的泊松比；；E为主轴材料和和过盈套材料料的弹性模量量；3.由以上可知，，当考虑转速速影响时传递递力矩或者承承受轴向力所所须的最小过过盈量δmin按下式计算:式中，K为考虑过盈套套结构引起的的应力集中、、载荷波动和和影响和可靠靠性、安全性性而引入的安安全系数。最大过盈量的的计算：由第四强度理理论，过盈套套和轴不产生生塑性变形所所容许的最大大结合压力Pmax和主轴结合面面不产生塑性性变形所容许许的最大结合合压力Pmin分别为：式中，σsa、σsi分别为过盈套套材料的屈服服强度则在弹性范围围内，过盈联联结合面不发发生塑性变形形时所容许的的最大有效过过盈量δmax按下式求得：：由以上各式，，当转速为ω，过盈联结面面传递扭矩为为M或当过盈联结结承受轴向力力为Fx，过盈套与轴轴之间过盈量量δb应满足以下要要求：δmin<δb<δmax电主轴结构单单元参数静态态估算1主轴轴承静刚刚度2主轴单元准要要结构参数确确定3高速电主轴单单元临界转速速的核算前后支承均选选用SKF高精度混合式式陶瓷角接触触球轴承，其其主要技术参参数如表2.1：<一>主轴轴轴承静刚度:轴承装配后的的预紧力Gm可用下式计算算:Gm=f1⋅f2⋅f⋅fHc⋅GAf———轴承系数f1———接触角系数f2———预紧级别系数数fHc——混合陶瓷球轴轴承修正系数数GA——装配前的预紧紧力前支承71913CE/HC：查机床滚动轴轴承应用手册册f=1.85，f1=1，f2=1，fHc=1.06，GA=80Gm=1.85×1××1×1.06×80=156.88<二>主轴单单元主要结构构参数确定：：主要假设：（1）用单一的当当量截面代替替多个不同尺尺寸的截面；；（2）用合并或忽忽略辅助支承承的方法，将将多个轴承简简化为前后两两个支承；（3）将轴承简化化为径向的压压缩弹簧，即即只认为轴承承具有径向刚刚度，而不具有角刚度；；（4）忽略转速对对轴承刚度的的影响；（5）、忽略轴承承负荷对轴承承刚度的影响响，即把轴承承刚度当作不不变的常数对待。设计计算：(1）主轴直径的的初选：参考考国内外电主主轴生产厂家家技术资料，，根据电机、、拉刀机构等等外购件的尺尺寸参数，初初步确定主轴轴的当量直径径D=Φ63.5mm，主轴的内孔孔直径d=Φ30mm。（2）前悬伸量a的初步确定：：前悬伸a对主轴组件的的综合刚度影影响很大，在在选择主轴端端部结构以及及考虑刀具的的安装、轴承承的类型及密密封结构时，，应尽可能减减小主轴的悬悬伸量。初步步确定前悬伸伸量a=55mm。（3）主轴最佳跨跨距l0的计算：满足足主轴前端最最小静挠度条条件时的l是最佳跨距l0，当0.75≤l/l0≤1.5时，主轴组件件的刚度损失失不超过5%～7%，在工程上认认为是合理的的刚度损失，，故在该范围围内的跨距称称为“合理跨跨距”l合，结构设设计时首先应应争取符合最最佳跨距，如如果结构上不不允许，则需需修改其他参参数使其处在在l合范围内。ys是假设轴承为为刚性支承，，主轴为弹性性体时，主轴轴在前端受到到外载荷P作用后的位移移yz是假设主轴是是刚体，支承承为弹性体时时，主轴在前前端受到外载载荷P作用后的位移移根据材料力学学的特性，主主轴前端在一一定的外载荷荷P的作用下，主主轴端部的总总挠度y为根据最小挠度度条件dl/dy=0：解得：l/a=3.8最佳跨距la=3.8a=3.8x55=209mm根据构造上的的要求对最佳佳跨距l0进行修正。根根据电机的尺尺寸参数取l=300mm刚度验算：K=p/y<三>高速电电主轴单元临临界转速的核核算：当轴的转速达达到某一定值值时，轴将产产生强烈的横横向振动，如如果继续提高高其转速，振振动就会衰减减，但当转速速达到另一较较高的定值时时，强烈振动动又会重新出出现。这种发发生强烈振动动时的转速称称为轴的临界界转速（n0）。同一根轴轴有很多个临临界转速，按按其数值由小小到大排列，，称为第一阶阶临界转速（（n01）、第二阶临临界转速（n02）…等。轴的工作转速速应避免等于于或接近其临临界转速，以以免产生共振振，影响机床床的加工质量量。工作转速速n低于第一阶临临界转速的轴轴称为刚性轴轴，通常使n<0.75n01，n高于第一一阶临临界转速速的轴轴称为挠挠性轴轴，通常常使1.4n01<n<0.7n02只装一个盘状状零件且不计计轴重时的临临界转速按下下式计算：W——盘状零件的重重量l——两支承间跨距距（cm）K——系数E—轴材料的弹性性模量（kgf/cm）I——轴断面的惯性性矩当在一根双支支承的等径轴轴上装有i个盘状类零件件时，其临界界转速有如下下的关系式：：如果核算结果果，临界转速速偏低时，可可通过提高轴轴的刚度或减减轻轴的重量量来提高其临临界转速。电主轴单元几几何精度设计计：主轴轴承精度度对主轴前端端精度影响：：前、后轴承的的误差对主轴轴回转精度的的影响是不同同的。图(a)表示前轴承轴轴心有偏移δa，后轴承偏移移为零的情况况。这时反映映到主轴端部轴心心的偏移为δ1=δa[(L+a)/L]δ1；图(b)表示后轴承有有偏移δb，前轴承偏移移为零的情况况。这时反映映到主轴端部部轴心的偏移移为δ2=δb（a/L）。各种精度等级级的机床，主主轴轴承的精精度，可参考考设计手册选选用，再按下下面所述方法法验算。定向选配法提提高精度定向选配的方方法原理是将将各项误差按按一定的方向向装配，使其其误差相互抵抵消或完全抵抵消。调整前前、后轴承内内圈与主轴的的周向位置，，把各个误差差调到一条直直线上，如图图所示，使使其中较小的的两个误差朝朝一个方向，，最大的一个个朝另一个方方向。这样，，误差可缩小小为δ1或δ2，但不能完全全抵消。直线伺服电机机进给系统结结构直线伺服电机机进给系统驱驱动部件：直线伺服电动动机是一种直直接将电能转转化为机械能能的电力驱动动装置，是适适应超高速加加工发展的需需要而出现的的一种新型电电动机，直线线伺服电机驱驱动系统替换换了传统的由由回转型伺服服电动机加滚滚珠丝杠的伺伺服进给系统统，从电动机机到工作台之之间的一切中中间转动都没没有了，可直直接驱动工作作台进行直线线运动，使机机床的加减速速提高到传统统机床的10~20倍，速度提高高3~4倍。原理：直线伺服电机机工作原理同同旋转电动机机相似，可以以看成是将旋旋转式伺服电电动机沿径向向剖开，向两两边拉开展平平后演变而来来，如图，原原来的定子转转化为直线伺伺服电动机的的初级，原来来的转子演变变成直线伺服服电机的次级级。原来的旋旋转磁场转变变为平磁场。为使初级和次次级之间能在在一定范围内内做相对直线线运动，直线线伺服电动机机的初级和次次级长短是不不一样的。可可以是短的次次级移动，长长的初级固定定，如图a所示；也可以以是短的初级级固定，长的的次级移动，，如图b。直线伺服电动动机通电后，，在定件和动动件之间的间间隙中产生一一个大的行波波磁场，依靠靠磁力，推动动动件（工作作台）做直线线运动。图所示是直线线伺服电动机机结构示意图图，直线伺服服电动机分为为同步式和感感应式两类。。同歩式是在在直线伺服电电机的定件上上，在全行程程沿直线方向向上一块接一一块的安装上上永久磁铁（（电动机的次次级）；在直直线伺服电动动机的动件下下不的全长上上，对应一块块接一块的安安装含铁芯的的通电绕组（（电动机的初初级。采用直线伺服服电动机驱动动方式，省去去减速器（齿齿轮，同你歩歩齿形带）和和滚珠丝杠副副等中间环节节，不仅简化化机床结构，，而且避免了了因中间环节节的弹性形变变，磨损，间间隙，发热等等带来得分传传动误差；无无接触的直接接驱动，使其其结构简单，，维护简便，，可靠性高，，响应快，可可以得到瞬间间高的加/减速度。存在的问题：：1.隔磁防磁问题题2.发热问题3.成本高。直线电机和工工作台之间没没有任何中间间传动环节,这就使得各种种外界扰动、、负载扰动直直接作用在电电机上;同时直线电机机特有的边端端效应的影响响以及其特殊殊运动方式下下重力、摩擦擦力的影响,更使得运动方方向推力变得得难以控制。。这就要求位位置和速度检检测装装置有很高高的分分辨率率和动态响响应能能力。系统统要有有鲁棒棒性很很强的的控制制器,以消除除内部部参数数扰动动和外外界干干扰的的影响响。目目前,直线电电机进进给系系统采采用的的控制制策略略主要要有传传统的的PID控制、解耦控控制;现代控控制方方法中中的非非线性性控制制、自适应应控制制、滑滑模变变结构构控制制、模模糊控控制及及人工工智能能控制制等。对对于直直接驱驱动直直线电电机位位置控控制系系统的的设计计,比较合合理的的方案案是采采用两两自由由度设设计方方案,即设计计基于于扰动动观测测器的的位置置控制制系统统。对对于额额定推推力在在100N以下的的小型型直线线电机机,可以采采用基于扰扰动观观测器器的加加速度度前馈馈位置置控制制系统统和基基于动动子质质量和和粘滞滞系数数辨识识的IP位置控控制系系统。对于于额定定推力力在1000N左右的的大型型直线线电机机,可以采采用基于扰扰动观观测器器的加加速度度反馈馈位置置控制制系统统。如何控控制进进给：：直线电电机在在活塞塞异形形外圆圆车削削加工工中的的应用用在精密密车削削非圆圆截面面零件件(如内燃燃机的的中凸凸变椭椭圆活活塞、、航天天工业业的异异型轴轴、光光学仪仪器的的非轴轴对称称透镜镜)时,要求驱驱动刀刀具的的微进进给机机构应应具有有高频频响、、大行行程、、高精精度的的特点点,传统的的微