数控机床主轴系统

1、毕 业 论 文题 目 数控机床主轴系统 专 业 数控加工与维护工程 班 级 学 生 指导教师 西安工业大学函授部二 0 0 九 年摘 要数控机床的主轴控制系统，它是利用数字化的信息对机床运动及工作过程进行控制的一种方法。课题采用plc来控制这些器件，实现工业控制。以可编程控制器(简称plc)作为控元件，替代机床继电器连接触器组成的电气控制部分，是为了提高机床电气控制系统的可靠性，这种方法主用于组合机床以及生产线上的专用机床用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控(nc)机床。要实现对机床的控制，需要用几何信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺信息来描述机床加工必须具备

2、的一些工艺数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比，是衡量一个国家国民环境发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视，并得到了迅速的发展。主轴是车床构成中一个重要的部分，对于提高加工效率，扩大加工环境范围，提升加工质量都有着很重要的作用。环境型数控车床大多数是不能自动变速的，需要变速时，只能把机床停止，然后手动变速。而全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机。通过带传动带动主轴旋转，或通

3、过带传动和主轴箱内的减速齿轮 ( 以获得更大的转矩 ) 带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。目前对客户来说由于变频器的高性价比，所以变频器在车床上使用非常普遍。在数控机床的应用上迅速崛起，成为目前市场上一支强大的生力军。关键字：主轴控制、数控系统、自动化、数控车床目 录第一章 数控机床主轴的发展31.1数控系统体系结构的主要形式与发展前途31.2符合中国国情的pc数控的发展道路31.3数控驱动技术与产品的发展途径4第二章 数控机床主轴驱动变频控制62.1 变频器矢量控制阐述62.2 数控车床主轴变频的系统结构与运行模式62.3无速度传感器的矢量控制变频

4、器82.4 数控车床主轴变频矢量控制的功能设置10第三章 数控机床主传动系统的结构原理与维修113.1 主传动系统113.2 典型案例分析15结束语20致谢21参考文献22第一章 国产数控系统的发展方向1.1数控系统体系结构的主要形式与发展前途从宏观上看数控系统可分为专用计算机数控系统和通用计算机数控系统两大类。目前国内外众多厂商普遍看好的数控系统发展方向是通用计算机数控系统。在通用机数控中最成功的当属pc数控系统。由于pc机(包括工业pc)产量大、价格便宜，技术进步和性能提高很快，且可*性高(工业pc主机的mibf已达30年1)。因此，以其作为数控系统的软硬件平台不但可以大幅度提高数控系统的

5、性能价格比，而且还可充分利用通用微机已有软硬件资源和分享计算机领域的最新成果，如大容量存储器、高分辨率彩色显示器、多媒体信息交换、联网通讯等。目前，pc数控系统的体系结构主要有以下几种形式：(1)专用数控加pc前端的复合式结构这类系统的设计思想是将通用pc和专用nc通过高速信息交换通道连接到一起组成一复合式数控系统。这类系统的优点是可以保持原有数控基础，发挥厂家在以硬件专用芯片实现特殊控制功能等方面的优势，且技术上容易保密，因此多为一些老的数控厂商或实力较强的厂家所采用。这类系统的最大缺点是开放性有限、开发和生产成本较高，技术升级换代较慢。可以预计，在我国现有条件下，此类系统不会有大的发展。(

6、2)通用pc加实时控制单元的递阶式结构其设计思想是利用pc机作为数控系统软硬件平台，在其标准总线上直接连接实时控制单元(将实时控制板卡插入总线插槽中)而组成完整的数控系统。其中，pc机主要完成数控系统中上层一些实时性不是很强的任务并对全系统的运行进行协调和管理，而实时控制单元则完成数控下层的高实时性控制任务。实时控制单元可以是带轨迹插补计算、位置控制、开关量控制(plc)等的完整的cnc单元，也可以是仅具有位置控制功能的简单位控卡或与数字式伺服接口的数字脉冲转换卡。由于这类系统结构简单、易于实现开放性、成本相对较低，因此得到了国内外许多厂商，特别是中小厂家的广泛采用。但这类系统也存在一些缺点。

7、最突出的就是实时控制单元与伺服驱动单元间的信息交换问题。目前，将实时控制信息送往伺服驱动单元的方法主要有两种：一种是通过模拟量形式进行，主要问题是难以消除零飘、温飘对精度的影响，容易受外部干扰。另一种是通过脉冲量形式进行，主要缺点是实时控制单元与伺服驱动单元间需通过非编码方式直接传递指令脉冲信号，一旦丢失脉冲或引入了干扰脉冲，难以进行查错纠错，不易保证信息的高可*性。（3)数字化分布式结构其方案是将由dsp等组成的数字式伺服通过以光缆等为介质的网络与pc数控装置连接起来，组成一完整的数控系统。由于这种系统采用分布式计算和控制，并通过具有高可*性和高实时性的网络进行通讯和协调，因而可以最大限度地

8、发挥各子系统的能力，使整个数控系统具有很好的性能。但是，这种系统的开发和生产成本很高，没有较大的投资很难上马。综上所述，本文认为以上三种结构均不是符合中国国情的最好方案。1.2符合中国国情的pc数控的发展道路几十年的经验教训表明，可靠性好坏是国产数控系统生死存亡的关键。我们在开发新型数控系统时，优先选用新型高性能cpu(如高主频的pentium、pentium等)作为系统的运算和控制核心，并尽量用软件来实现数控的所有功能。这样，可大幅度减小系统硬件的规模。此外，还应在软件设计、电源设计、接插件设计与选用、接地与屏蔽设计和施工等采用强抗扰高可*性设计与制造技术，从而全面提高系统的可靠性。在基于高

9、性能cpu的pc平台上不仅可以完成数控系统的基本功能(如信息处理、刀补计算、插补计算、加减速控制等)和开关量控制功能(内装plc)，而且还可以完成伺服控制功能。这样，以前由dsp完成的数字化伺服控制功能(如位置控制、速度控制、矢量变换控制等)均可由pc中的cpu完成，从而实现内装式伺服控制，这不仅有效缩小了数控部分的硬件规模，而且还大幅度缩小了伺服控制部分硬件规模。这种具有内装plc和内装伺服控制的全软件化集成式数控系统，其硬件规模将达到最小化，整个数控系统除一个pc平台外，剩下的只有驱动机床运动的功率接口和反馈接口。这既有效提高了系统可*性，又提高了系统性能，同时还可显著降低系统成本，使系统

10、(包括电动机)售价可降至现有数控系统的一半左右。显然，这种高性能、高可靠性、低成本的新型数控系统将具有极强的竞争力，有望为开创中国数控的新局面作出贡献。此外，集成化pc数控系统还有一大优点，就是容易实现开放式结构。这是因为，这种系统的硬件本身已经是完全开放的，构成开放式数控系统的工作完全在软件上，只要制定好标准和协议，从信息处理、轨迹插补、加减速控制、开关量控制到伺服控制都可以实现开放，从而可大大方便用户的使用。1.3数控驱动技术与产品的发展途径伺服驱动装置是数控系统的重要组成部分，目前我国在数控驱动技术与产品方面还是一个弱项，因而造成许多国产数控装置配的是国外的伺服系统。因此，今后我们必须通

11、过科技创新大力发展国产数控驱动单元并促进其专业化生产。其主要之点包括以下几方面：(1)廉价的高性能伺服系统目前，一套进给交流伺服系统(驱动器+电动机)的价格一般都在万元以上，主轴伺服系统的价格高达数万元，已成为降低国产数控机床成本的一大障碍。因此，应配合新型集成化国产数控系统的发展，大力开发廉价的高性能内装式伺服系统。由于内装式伺服的硬件部分只有电动机和功率接口，充分利用我国的永磁资源优势，通过专业化生产可以把电动机的造价降下来，而采用智能化的ipm模块作为功率接口也很便宜。因此将内装式进给伺服的价格控制在数千元以内，将内装式主轴伺服的价格控制在2万元以内，将是完全可能的。(2)直线交流伺服系

12、统直线交流伺服系统是下一世纪数控机床不可缺少的功能部件，目前我国还没有成熟产品，因此应加强研究、开发和推广应用。考虑到常规机床的防磁问题较难解决，而并联机床的防磁相对容易，因此可为常规结构机床开发感应异步型直线电动机，为并联结构机床开发永磁同步型直线电动机，从而扬长避短，构成符合实际应用要求的新型高速高精度进给系统。(3)新型永磁主轴电动机和电主轴单元目前主轴驱动电动机和电主轴产品几乎都为感应异步型，存在以下突出问题转子上存在绕组(鼠笼)，有大电流流过，因此转子发热严重，直接影响主轴精度；低速出力小且转矩脉动大，难以满足宽范围切削要求；效率和功率因素低，不仅电动机体积和重量大而且要求逆变器容量

13、大、耗能多；控制系统复杂、成本高。因此，利用我国稀土永磁材料的优势，开发永磁同步交流主轴电动机和新型大功率、高效率、宽调速范围永磁同步型交流电主轴单元，将可有效解决主轴驱动中存在的问题，形成具有中国特色的新一代主轴驱动产品。(4)数控转台与摆头的零传动驱动系统数控转台与摆头是多坐标数控机床的关键部件，传统的采用高精度蜗杆蜗轮等传动的转台与摆头不仅制造难度大、成本高，而且难以达到高速加工所需的速度和精度。因此必须另辟蹊径开发数控转台和摆头的新型电磁驱动系统，以实现数控机床旋转运动坐标的零传动(无机械传动链)驱动，加速促进我国高速高精度多坐标数控机床的发展。(5)高速高精度检测装置高速高精度是下世

14、纪数控机床发展的主题，这不但需要高性能的控制和驱动，同时还需要高品质的检测环节，因此应在现有技术基础上，进一步开发0.1m以上精度的高速(60m/min以上)线位移传感器和100万脉冲/r的角位移传感器，此类技术国外对我国是进行封锁的。加强数控系统产品技术支持的新思路国产数控系统进入市场后，能否牢固地站稳脚跟，在竞争中立于不败之地，关键的一条还取决于我们能否做好技术支持与服务。考虑到信息技术的发展，可以新的思路来抓好此项工作。(1)加强用户技术培训数控系统应用得好坏，很大程度上与使用者的水平有关。因此，在国产数控系统的推广应用中必须十分注意对用户使用人员的技术培训工作。此项工作除可通过常规途径

15、进行外，还可利用多媒体技术、虚拟现实技术等新手段与常规方法相结合进行，从而实现大规模、高效率、低成本的培训。在当前信息技术很发达的环境下，还可充分利用网络系统，特别是internet，进行远程培训。(2)做好编程服务用户使用数控机床中一个比较突出的问题就是零件编程。目前，许多用户(特别是新用户)都缺乏有经验的编程人员，从而影响了数控机床的应用。为解决此问题，可利用网络系统进行远程编程服务。其具体做法是，由数控系统和数控机床制造厂设立网上数控编程中心。当用户遇到自己不能解决的编程问题时，可通过互联网将问题提交给网上编程中心，由该中心中有经验的编程人员为用户编好程序，并经仿真无问题后，再通过网络将

16、程序传到用户的数控系统上，用户马上就可以进行加工。从而消除了用户使用数控机床的后顾之忧。(3)建立远程诊断、维修中心利用网络还可对用户数控系统的故障进行远程诊断。实施办法是，由数控系统生产厂家建立网上维修服务中心。当用户的系统出现问题时，可将其与网络连接起来，网上维修服务中心即可通过向系统发出诊断信息并接收其响应，然后通过中心的诊断软件对信息进行分析，从而找出问题的原因，并予以自动排除或指导用户进行排除。(4)搞好网络化技术支持建立于pc平台上的开放式结构数控系统，特别是集成化pc数控系统，其所有功能均是由软件实现的，当用户为了改变和扩充系统功能时，他既可利用系统的开放式结构自己完成，也可以通

17、过网络将他的要求告诉数控系统制造厂的技术开发部门，由该部门中有经验的技术人员替用户修改和增加系统功能，然后将修改后的系统程序通过网络直接传到用户的数控系统中，用户数控系统的功能马上就得到了改变。这种方法是一种利用网络充分发挥开放式结构数控系统的优势的有效途径。总之，从技术层面看，科技创新能力不强，是制约我国数控系统技术与产业发展的主要因素。因此，确立科技创新战略，依靠科技创新建立我国独立、先进的技术体系，是我国数控系统技术与产业发展的根本出路。 第二章 数控机床主轴驱动变频控制2.1 变频器矢量控制阐述 70年代西门子工程师f.blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制

18、问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在s

19、iemens，ab，ge，fuji等国际化大公司变频器上。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制2.2 数控车床主轴变频的系统结构与

20、运行模式 2.2.1 主轴变频控制的基本原理由异步电机理论可知，主轴电机的转速公式为:n=(60f/p)(1-s)其中p电动机的极对数，s转差率，f供电电源的频率，n电动机的转速。从上式可看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0400hz(甚至更高频率)之间任意调节，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。当然，转速提高后，还应考虑到对其轴承及绕组的影响，防止电机过分磨损及过热，一般可以通过设定最高频率来进行限定。图2-1 变频器在数控床上的应用图2-1所示为变频器在数控车床的应用，其中变频器与数控装置的联系通常包括

21、:(1)数控装置到变频器的正反转信号;(2)数控装置到变频器的速度或频率信号;(3)变频器到数控装置的故障等状态信号。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。2.2.2 主轴变频控制的系统构成不使用变频器进行变速传动的数控车床一般用时间控制器确认电机转速到达指令速度开始进刀，而使用变频器后，机床可按指令信号进刀，这样一来就提高了效率。如果被加工件如图3-2所示所示形状，则由图3-2中看出，对应于工件的ab段，主轴速度维持在1000rpm，对应于bc段，电机拖动主轴成恒线速度移动，但转速却是联系变化的，从而实现高精度切削。图2-2 主轴变频器系统构成示意在本系统中，速度信号

22、的传递是通过数控装置到变频器的模拟给定通道(电压或电流)，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，数控装置就可以方便而自由地控制主轴的速度。该特性曲线必须涵盖电压/电流信号、正/反作用、单/双极性的不同配置，以满足数控车床快速正反转、自由调速、变速切削的要求。2.3无速度传感器的矢量控制变频器 2.3.1 主轴变频器的基本选型目前较为简单的一类变频器是v/f控制(简称标量控制)，它就是一种电压发生模式装置，对调频过程中的电压进行给定变化模式调节，常见的有线性v/f控制(用于恒转矩)和平方v/f控制(用于风机水泵变转矩)。标量控制的弱点在于低频转矩不够(需要转矩提升)、速度

23、稳定性不好(调速范围1:10)，因此在车床主轴变频使用过程中被逐步淘汰，而矢量控制的变频器正逐步进行推广。所谓矢量控制，最通俗的讲，为使鼠笼式异步机像直流电机那样具有优秀的运行性能及很高的控制性能，通过控制变频器输出电流的大小、频率及其相位，用以维持电机内部的磁通为设定值，产生所需要的转矩。矢量控制相对于标量控制而言，其优点有:(1)控制特性非常优良，可以直流电机的电枢电流加励磁电流调节相媲美;(2)能适应要求高速响应的场合;(3)调速范围大(1:100);(4)可进行转矩控制。当然相对于标量控制而言，矢量控制的结构复杂、计算烦琐，而且必须存贮和频繁地使用电动机的参数。矢量控制分无速度传感器和

24、有速度传感器两种方式，区别在于后者具有更高的速度控制精度(万分之五)，而前者为千分之五，但是在数控车床中无速度传感器的矢量变频器的控制性能已经符合控制要求，所以这里推荐并介绍无速度传感器的矢量变频器。2.3.2 无速度传感器的矢量变频器无速度传感器的矢量变频器目前包括西门子、艾默生、东芝、日立、lg、森兰等厂家都有成熟的产品推出，总结各自产品的特点，它们都具有以下特点:(1)电机参数自动辩识和手动输入相结合;(2)过载能力强，如50%额定输出电流2min、180%额定输出电流10s;(3)低频高输出转矩，如150%额定转矩/1hz;(4)各种保护齐全(通俗地讲，就是不容易炸模块)。无速度传感器

25、的矢量控制变频器不仅改善了转矩控制的特性，而且改善了针对各种负载变化产生的不特定环境下的速度可控性。图3-3所示，为某品牌无速度传感器变频器产品在低频和正常频段时的转矩测试数据(电机为5.5kw/4极)。从图中可知，其在低速范围时同样可以产生强大的转矩。在实验中，我们同样将2hz的矢量变频控制和v/f控制变频进行比较发现，前者具有更强的输出力矩，切削力几乎与正常频段(如30hz或50hz)相同。图2-3 无传感器矢量变频器的转矩特性2.3.3 矢量控制中的电机参数辨识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。从图3-4的异步电动机的t型等效电路表

26、示中可以看出，电机除了常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外，还有r1(定子电阻)、x11(定子漏感抗)、r2(转子电阻)、x21(转子漏感抗)、xm(互感抗)和i0(空载电流)。参数辨识中分电机静止辨识和旋转辨识2种，其中在静止辨识中，变频器能自动测量并计算顶子和转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗，并同时将测量的参数写入;在旋转辨识中，变频器自动测量电机的互感抗和空载电流。图2-4 异步电动机稳定态等效电路在参数辨识中，必须注意:(1)若旋转辨识中出现过流或过压故障，可适当增减加减速时间;(2)旋转辨识只能在空载中进行;(3)如辨识前必须首先正确输入电机铭牌的参数。2.4 数控车床主轴变

27、频矢量控制的功能设置从图2-1中可以看出，使用在主轴中变频器的功能设置分以下几部分:1 矢量控制方式的设定和电机参数;2 开关量数字输入和输出;3 模拟量输入特性曲线;4 sr速度闭环参数设定。第三章 数控机床主传动系统的结构原理与维修主传动系统是用来实现机床主运动的，它将主电动机的原动力变成可供主轴上刀具切削加工的切削力矩和切削速度。为适应各种不同的加工及各种不同的加工方法，数控机床的主传动系统应具有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，同时主传动系统还需要有较高精度及刚度并尽可能降低噪声，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。3.1 主传动系统目前数控机床主传动系统大致可以

28、分为以下几类：1电动机与主轴直联的主传动其优点是结构紧凑，但主轴转速的变化及转矩的输出和电动机的输出特性致，因而使用上受到一定限制，如图3-1所示。2经过一级变速的主传动一级变速目前多用v带或同步带来完成，其优点是结构简单安装调试方便，且在一定程度上能够满足转速与转矩输出要求，但主轴调速范围比仍与电动机一样，受电动机调速范围比的约束，如图3-2,所示。图3-1 电动机与主轴直联的主传动图3-2 通过带传动的主传动3带有变速齿轮的主传动这种配置方式大、中型数控机床采用较多。它通过少数几对齿轮降速，使之成为分段无极变速，确保低速大转矩，以满足主轴输出转矩特性的要求，如图3-3所示。4电主轴电主轴通

29、常作为现代机电一体化的功能部件，装备在高速数控机床上(如图3-4所示)。其主轴部件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性，有利于控制振动和噪声；缺点是制造和维护困难且成本较高。电动机运转产生的热量直接影响主轴，主轴的热变形严重影响机床的加工精度，因此合理选生的热量直接影响主轴，主轴的热变形严重影响机床的加工精度，因此合理选用主轴轴承以及润滑、冷却装置十分重要。数控机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、准停和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回转精度、刚度

30、、抗振性、耐磨性和低的温升。在结构上，必须很好地解决刀具和工具的装夹、轴承的配置、轴承间隙调整和润滑密封等问题。主轴的结构根据数控机床的规格、精度采用不同的主轴轴承。一般中小规格数控机床的主轴部件多采用成组高精度滚动轴承，重型数控机床则采用液体静压轴承，高速主轴常采用氮化硅材料的陶瓷滚动轴承。1主轴轴承的配置形式加工中心的主轴轴承一般采用2个或3个角接触球轴承组成，或用角接触球轴承与圆柱滚子轴承组成，这种轴承经过预紧后可得到较高的刚度。当要求有很大刚性时，则采用圆柱滚子轴承和双向推力球轴承的组合。常用的加工中心主轴支承的典型结构有以下3种，如图3-5所示。1)前后支承用双列圆柱滚子轴承来承受径

31、向负荷，用安装在主轴前端的双向角接触球轴承来承受轴向负荷，如图3-5a所示。这种结构刚性较好，能进行强力切削，适用于中等转速的机床。 图3-5 加工中心主轴支承的结构 2)前支承用角接触球轴承，背靠背安装，以23个轴承为一套，用以承受轴向和径向负荷：后支承用圆柱滚子轴承，如图3-5b所示。这种结构适应较高转速、较重切削负荷，主轴精度较高，但所承受轴向负载较前一种结构小。 3)前后支承都采用成组角接触球轴承，承受轴向和径向负荷，如图3-5c所示。这种结构适应高转速、中等切削负荷的数控机床。使用角接触球轴承，采用脂润滑，其极限dn值达80104：如采用油气润滑或喷油润滑，则转速可进一步提高。目前高

32、速主轴多数采用陶瓷滚动轴承，在脂润滑情况下dn值可达120104(d为轴承平均直径mm，n为轴承每分钟转数)。2主轴内刀具的自动夹紧和切屑的清除装置在自动换刀机床的刀具自动夹紧装置中，刀杆常采用7：24的大锥度锥柄，既利于定心，也为松刀带来方便。用碟形弹簧通过拉杆及夹头拉住刀柄的尾部，使刀具锥柄和主轴锥孔紧密配合，夹紧力达10000n以上。松刀时，通过液压缸活塞推动拉杆来压缩碟形弹簧，使夹头涨开，夹头与刀柄上的拉钉脱离，刀具即可拔出进行新旧刀具的交换；新刀装入后，液压缸活塞后移，新刀具又被碟形弹簧拉紧。在活塞推动拉杆松开刀柄的过程中，压缩空气由喷气头经过活塞中心孔和拉杆中的孔吹出，将锥孔清理干

33、净，防止主轴锥孔中掉入切屑和灰尘，把主轴孔表面和刀杆的锥柄划伤，保证刀具的正确位置。3主轴准停装置数控机床为了完成atc(刀具自动交换)的动作过程，必须设置主轴准停机构。由于刀具装在主轴上，切削时切削转矩不可能仅靠锥孔的摩擦力来传递，因此在主轴前端设置一个突键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与突键对准，才能顺利换刀：为此，主轴必须准确停在某固定的角度上。由此可知主轴准停是实现atc过程的重要环节。通常主轴准停机构有2种方式，即机械式与电气式。机械方式采用机械凸轮机构或光电盘方式进行粗定位，然后有一个液动或气动的定位销插入主轴上的销孔或销槽实现精确定位，完成换刀后定位销退出，主轴才开始旋转。

34、采用这种传统方法定位，结构复杂，在早期数控机床上使用较多。而现代数控机床采用电气方式定位较多。电气方式定位一般有以下两种方式。一种是用磁性传感器检测定位，这种方法如图3-6所示，在主轴上安装一个发磁体与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹12mm处固定一个磁传感器，它经过放大器并与主轴控制单元相连接，当主轴需要定向时，便可停止在调整好的位置上。另一种是用位置编码器检测定位，这种方法是通过主轴电动机内置安装的位置编码器或在机床主轴箱上安装一个与主轴1:1同步旋转的位置编码器来实现准停控制，准停角度可任意设定，如图3-3所示。1-主轴箱体 2-发磁体 3-磁传感器 4-带轮 5-主轴4主轴润滑与密

35、封(1)主轴润滑 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热量带走，通常采用循环式润滑系统。用液压泵供油强力润滑，在油箱中使用油温控制器控制油液温度。近年来一部分数控机床的主轴轴承采用高级油脂封放式润滑，每加一次油脂可以使用710年，简化了结构，降低了成本且维护保养简单，但需防止润滑油和油脂混合，通常采用迷宫式密封方式。为了适应主轴转速向更高速化发展的需要，新的润滑冷却方式相继开发出来。这些新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，以保证主轴的热变形小。图3-7 卧式加工中心主轴前支承的密封结构1-进油口 2-轴承 3-箱体 4、5-法兰盘6-主轴 7-泄

36、漏孔 8-回油斜孔 9-泄油孔油气润滑方式：这种润滑方式近似于油雾润滑方式，所不同的是，油气润滑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，又不至于油雾太多而污染周围空气；而油雾润滑则是连续供给油雾。喷注润滑方式：它用较大流量的恒温油(每个轴承34l/min)喷注到主轴轴承上，以达到润滑、冷却的目的。这里需特别指出的是，较大流量喷注的油，不是自然回流，而是用排油泵强制排油，同时，采用专用高精度大容量恒温油箱，油温变动控制在0.5。(2)密封 在密封件中，被密封的介质往往是以穿漏、渗透或扩散的形式越界泄漏到密封连接处的彼侧。造成泄漏的基本原因是流体从密封面上的间隙中溢出，或是由于密封

37、部件内外两侧密封介质的压力差或浓度差，致使流体向压力或浓度低的一侧流动。图3-7所示为一卧式加工中心主轴前支承的密封结构。该卧式加工中心主轴前支承处采用的双层小间隙密封装置。主轴前端车出两组锯齿形护油槽，在法兰盘4和5上开沟槽及泄漏孔，当喷入轴承2内的油液流出后被法兰盘4内壁挡住，并经其下部的泄油孔9和箱体3上的回油斜孔8流回油箱，少量油液沿主轴6流出时，主轴护油槽在离心力的作用下被甩至法兰盘4的沟槽内，经回油斜孔8流回油箱，达到防止润滑介质泄漏的目的。当外部切削液、切屑及灰尘等沿主轴6与法兰盘5之间的间隙进入时，经法兰盘5的沟槽由泄漏孔7排出，达到了主轴端部密封的目的。要使间隙密封结构能在一

38、定的压力和温度范围内具有良好的密封防漏性能，必须保证法兰盘4和5与主轴及轴承端面的配合间隙。3.2 典型案例分析例351主轴定位不良的故障维修故障现象：加工中心主轴定位不良，引发换刀过程发生中断。分析及处理过程：某加工中心主轴定位不良，引发换刀过程发生中断。开始时，出现的次数不很多，重新开机后又能工作，但故障反复出现。经在故障出现后，对机床进行了仔细观察，才发现故障的真正原因是主轴在定向后发生位置偏移，且主轴在定位后如用手碰一下(和工作中在换刀时当刀具插入主轴时的情况相近)，主轴则会产生相反方向的漂移。检查电气单元无任何报警，该机床的定位采用的是编码器，从故障的现象和可能发生的部位来看，电气部

39、分的可能性比较小；机械部分又很简单，最主要的是联接，所以决定检查联接部分。在检查到编码器的联接时发现编码器上联接套的紧定螺钉松动，使联接套后退造成与主轴的联接部分间隙过大使旋转不同步。将紧定螺钉按要求固定好后故障消除(见图3-3)。注意：发生主轴定位方面的故障时，应根据机床的具体结构进行分析处理，先检查电气部分，如确认正常后再考虑机械部分。例352主轴出现噪声的故障维修故障现象：主轴噪声较大，主轴无载情况下，负载表指示超过40。分析及处理过程：首先检查主轴参数设定，包括放大器型号，电动机型号以及伺服增益等，在确认无误后，则将检查重点放在机械侧。发现主轴轴承损坏，经更换轴承之后，在脱开机械侧的情

40、况下检查主轴电动机远转情况。发现负载表指示已正常但仍有噪声。随后，将主轴参数00号设定为1，也即让主轴驱动系统开环运行，结果噪声消失，说明速度检测器件plg有问题。经检查，发现plg的安装不正，调整位置之后再运行主轴电动机，噪声消失，机床能正常工作。例353变档滑移齿轮引起主轴停转的故障维修故障现象：机床在工作过程中，主轴箱内机械变档滑移齿轮自动脱离啮合，主轴停转。分析及处理过程：图3-3为带有变速齿轮的主传动，采用液压缸推动滑移齿轮进行变速，液压缸同时也锁住滑移齿轮。变档滑移齿轮自动脱离啮合，原因主要是液压缸内压力变化引起的。控制液压缸的o形三位四通换向阀在中间位置时不能闭死，液压缸前后两腔

41、油路相渗漏，这样势必造成液压缸上腔推力大于下腔，使活塞杆渐渐向下移动，逐渐使滑移齿轮脱离啮合，造成主轴停转。更换新的三位四通换向阀后即可解决问题；或改变控制方式，采用二位四通，使液压缸一腔始终保持压力油。例354变档不能啮合的故障维修故障现象：发出主轴箱变档指令后，主轴处于慢速来回摇摆状态，一直挂不上档。分析及处理过程：图3-3为带有变速齿轮的主传动。为了保证滑移齿轮移动顺利啮合于正确位置，机床接到变档指令后，在电气设计上指令主电动机带动主轴作慢速来回摇摆运动。此时，如果电磁阀发生故障(阀芯卡孔或电磁铁失效)，油路不能切换，液压缸不动作，或者液压缸动作，发反馈信号的无触点开关失效，滑移齿轮变档

42、到位后不能发出反馈信号，都会造成机床循环动作中断。更换新的液压阀或失效的无触点开关后，故障消除。例355变档后主轴箱噪声大的故障维修故障现象：主轴箱经过数次变档后，主轴箱噪声变大。分析及处理过程：图3-3为带有变速齿轮的主传动。当机床接到变档指令后，液压缸通过拨叉带动滑移齿轮移动。此时，相啮合的齿轮相互间必然发生冲击和摩擦。如果齿面硬度不够，或齿端倒角、倒圆不好，变档速度太快冲击过大都将造成齿面破坏，主轴箱噪声变大。解决方法：使齿面硬度大于55hrc，认真做好齿端倒角、倒圆工作，调节变档速度，减小冲击。例356使用多年后主轴箱噪声大的故障维修故障现象：xk7160型数控铣床主传动系统(图3-3

43、)，采用齿轮变速传动。工作中不可避免地要产生振动噪声、摩擦噪声和冲击噪声。数控机床的主传动系统的变速是在机床不停止工作的状态下，由计算机控制完成的。因此它比普通机床产生的噪声更为连续，更具有代表性。机床起初使用时，噪声就较大，并且噪声声源主要来自主传动系统。经使用了多年后，噪声越来越大。用声级计在主轴4000r/min的最高转速下，测得噪声为85.2db。分析及处理过程：我们知道，机械系统受到任何激发力，该系统就会对此激发力产生响应而出现振动。这个振动能量在整个系统中传播，当传播到辐射表面，这个能量就转换成压力波经空气再传播出去，即声辐射。因此，这个激发响应、系统内部传递及辐射三步骤就是振动噪

44、声、摩擦噪声和冲击噪声的形成过程。xk7160数控机床的主传动系统在工作时正是由于齿轮、轴承等零部件经过激发响应，并在系统内部传递和辐射出现了噪声，而这些部件又由于出现了异常情况，使激发力加大，从而使噪声增大。(1)齿轮的噪声分析 xk7160数控铣床的主传动系统是由主电动机和齿轮来完成变速传动的。因此，齿轮的啮合传动是主要噪声源之一。首先看一对齿轮的啮合情况，根据齿轮的啮合原理，任意瞬时t两齿轮齿间的相对滑动速度为：vs=vt1-vt2。齿轮副在啮合区传动时，啮合点是沿啮合线移动的，当啮合点移向节点时相对滑动速度逐渐减小，在节点处，相对滑动速度在方向上发生了变化，造成了激振力。如果齿轮的各种

45、误差加大和外界负荷的波动及其他零部件的影响，传动系统的共振，润滑条件的不好，就会加剧激振力的产生。当啮合点渐远节点时，相对滑动速度逐渐增大，齿面相对滑动速度正比于齿轮的回转速度。机床主传动系统中齿轮在运转时产生的噪声主要有：1)齿轮在啮合中，使齿与齿之间出现连续冲击而使齿轮在啮合频率下产生受迫振动并带来冲击噪声。2)因齿轮受到外界激振力的作用而产生齿轮固有频率的瞬态自由振动并带来噪声。3)因齿轮与传动轴及轴承的装配出现偏心引起的旋转不平衡的惯性力，因此产生了与转速相一致的低频振动。随着轴的旋转，每转发出一次共鸣噪声。4)因齿与齿之间的摩擦导致齿轮产生的自激振动并带来摩擦噪声。如果齿面凸凹不平，

46、会引起快速、周期性的冲击噪声。(2)轴承的噪声分析 xk7160数控铣床的主轴变速系统中共有滚动轴承12个，最大的轴承外径为125mm。轴承与轴径及支承孔的装配、预紧力、同心度、润滑条件以及作用在轴承上负荷的大小，径向间隙等都对噪声有很大影响。另外一个重要原因是国家标准对滚动轴承零件都有相应的公差范围，因此轴承本身的制造偏差，在很大程度上就决定了轴承的噪声。可以说滚动轴承的噪声是该机床主轴变速系统的另一个主要噪声源，特别在高转速下表现更为强烈。滚动轴承最易产生变形的部位就是其内外环。内外环在外部因素和自身精度的影响下，有可能产生摇摆振动、轴向振动、径向振动、轴承环本身的径向振动和轴向弯曲振动。

47、综上所述，大致可以从以下几个方面对噪声进行控制：(1)齿轮的噪声控制 由于齿轮噪声的产生是多因素引起的，其中有些因素是齿轮的设计参数所决定的。针对该机床出现的主轴传动系统的齿轮噪声的特点，在不改变原设计的基础上，有下列在原有齿轮上进行修整和改进的一些做法。1)齿形修缘。由于齿形误差和法向齿距的影响，在轮齿承载产生了弹性变形后，会使齿轮啮合时造成瞬时顶撞和冲击。因此，为了减小齿轮在啮合时由于齿顶凸出而造成的啮合冲击，可进行齿顶修缘。齿顶修缘的目的就是校正齿的弯曲变形和补偿齿轮误差，从而降低齿轮噪声。修缘量取决于法向齿距误差和承载后齿轮的弯曲变形量，以及弯曲方向等。齿形修缘时，可根据这几对齿轮的具

48、体情况只修齿顶，或只修齿根，只有在修齿顶或修齿根达不到良好效果时，才将齿顶和齿根一块修。2)控制齿形误差。齿形误差是由多种因素造成的，观察该机床主传动系统中齿轮的齿形误差主要是加工过程中出现的，以及长期运行条件不好所致。因齿形误差而在齿轮啮合时产生的噪声在该机床中是比较明显的。一般情况下，齿形误差越大，产生的噪声也就越大。3)控制啮合齿轮的中心距。啮合齿轮的实际中心距的变化将引起压力角的改变，如果啮合齿轮的中心距出现周期性变化，那么也将使压力角发生周期性变化，噪声也会周期性增大。对啮合中心距的分析表明，当中心距偏大时，噪声影响并不明显；而中心距偏小时，噪声就明显增大。在控制啮合齿轮的中心距时，

49、将齿轮的外径，传动轴的弯曲变形及传动轴与齿轮、轴承的配合都控制在理想状态，这样可尽量消除由于啮合中心距的改变而产生的噪声。4)润滑油对控制噪声的作用。润滑油在润滑和冷却的同时，还起一定的阻尼作用，噪声随油的数量和粘度的增加而变小。若能在齿面上维持一定的油膜厚度，就能防止啮合齿面直接接触，就能衰减振动能量，从而降低噪声。实际上，齿轮润滑需油量很少，而大量给油是为了冷却作用。实验证明，齿轮润滑以啮出侧给油最佳，这样既起到了冷却作用，又在进入啮合区前，在齿面上形成了油膜；如果能控制油少量进入啮合区，降噪效果更佳。据此，将各个油管重新布置，使润滑油按理想状态溅入每对齿轮，以控制由于润滑不利而产生的噪声

50、。(2)轴承的噪声控制1)控制内外环质量。在xk7160数控铣床的主传动系统中，所有轴承都是内环转动、外环固定。这时内环如出现径向偏摆就会引起旋转时的不平衡，从而产生振动噪声。如果轴承的外环与配合孔形状公差和位置公差都不好，则外环就会出现径向摆动，这样就破坏了轴承部件的同心度。内环与外环端面的侧向出现较大跳动，还会导致轴承内环相对于外环发生歪斜。轴承的精度越高，上述的偏摆量就越小，产生的噪声也就越小。除控制轴承内外环几何形状偏差外，还应控制内外环滚道的波纹度，减小表面粗糙度，严格控制在装配过程中使滚道表面磕伤、划伤，否则不可能降低轴承的振动噪声。经观察和实验发现，滚道的波纹度为密波或疏波时滚珠

51、在滚动时的接触点显然不同，由此引起振动频率差别很大。2)控制轴承与孔和轴的配合精度。在该机床的主传动系统中，轴承与轴和孔配合时，应保证轴承有必要的径向间隙。径向工作间隙的最佳数值，是由内环在轴上和外环在孔中的配合以及在运行状态下内环和外环所产生的温差所决定的。因此，轴承中初始间隙的选择对控制轴承的噪声具有重要意义。过大的径向间隙会导致低频部分的噪声增加，而较小的径向间隙又会引起高频部分的噪声增加。外环在孔中的配合形式会影响固体噪声的传播，较紧的配合能提高传声性，会使噪声加大：配合过紧，会迫使滚道变形，从而加大轴承滚道的形状误差，使径向间隙减小，也导致噪声的增加；但轴承外环过松的配合还是会引起较

52、大噪声。只有松紧适当的配合才有利，这样可使轴承与孔接触处的油膜对外环振动产生阻尼，从而降低噪声。配合部位的形位公差和表面加工的粗糙度，应符合所选轴承精度等级的要求。如果轴承很紧地安装在加工不精确的轴上，那么轴的误差就会传递给轴承内环滚道上，并以较高的波纹度形式表现出来，噪声也就随之增大。通过上述对xk7160数控铣床主传动系统的噪声分析和控制后，取得了可喜的效果。在同样条件下，用声级计对修复后的机床噪声又进行了测试，主传动系统经过噪声控制后为74dd，降低了11.2dd。经过几年的使用，该机床的噪声一直稳定在这个水平上。例357电主轴高速旋转发热的故障维修故障现象：主轴高速旋转时发热严重分析及

53、处理过程：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，

54、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15夹角，使油雾直接喷入轴承工作区。结束语主传动系统是用来实现机床主运动的，它将主电动机的原动力变成可供主轴上刀具切削加工的切削力矩和切削速度。为适应各种不同的加工及各种

55、不同的加工方法，数控机床的主传动系统应具有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，同时主传动系统还需要有较高精度及刚度并尽可能降低噪声，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。主轴驱动变频控制经过上面的调试，相比较原来的vf控制，性能有了很大的改善，无论从空载电流，低速力矩，还是速度的变化，效果都是非常明显的，完全能够满足数控机床的需求。致 谢首先我要感谢赵春明老师在百忙中抽出时间，为我精心指导本次的毕业论文。回望以前的学习和实习过程，感谢众多的老师及同学们的帮助，还有车间的实习指导老师，他们细心指导我的学习和研究，在此我需要向诸位老师深深的鞠一躬，向他们表示诚挚的谢意！ 其次我还

56、要感谢西安机电信息学院给了我接受教育的机会。在这里我学会了专业的基础知识，掌握了数控专业的知识和 实践相结合，更重要的他教会了我做人，教给了我做人的原则。最后还要感谢我的同学们，从遥远的家乡来到这个陌生的城市里，是 他们和我 共同维系着彼此兄弟般的感情，维系着班级那份加的融洽。三年了，仿佛就在昨天、外面在 一起的日子，我会记住一辈子的。感谢我的 爸爸妈妈，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！参考文献1. 王侃夫. 数控机床控制技术与系统m. 北京:机械工业出版社,2002.2. 杜金城. 电气变频调速设计技术m. 北京:中国电力出版社,2001.3.高钟毓机电控制工程北京：清华大学出版社，20024.刘助柏知识创新思维方法论北京：机械工业出版社，1999