数控技术第5章5.2节

1、第5章 运动系统与典型机构5.1 概述5.2 数控机床的主运动5.3 数控机床的进给运动5.4 数控机床的换刀运动5.2 数控机床的主运动5.2.1 主运动参数 运动参数和动力参数两种。运动参数是指主轴的转速和调速范围。动力参数是指主运动的功率等。（1）主轴转速和调速范围较高切削速度。 主轴转速n（r/min）：n 1000v dr/min 主轴的最低和最高转速：nmin1000vmin dmaxr/minnmax1000vmax dminr/min 主轴调速范围： Rn nmax vmax dminnmin vmin dmax5.2 数控机床的主运动（2）主运动的功率、转矩特性）主运动的功率

2、、转矩特性 主运动为切削加工提供所需的切削扭矩和功率。 主运动所需输出的功率：P Fv Tn60000 955000 kwF主切削力的切向分量（主切削力的切向分量（N）；）； v 切削速度（切削速度（m/min）T 切削扭矩（切削扭矩（Nm） ； n 主轴转速（主轴转速（r/min） 主运动的转矩特性： 主运动所需的最大功率（或扭矩）与运动速度之间的关系。5.2 数控机床的主运动 对于主轴，转速不仅取决于切削速度，还取决于工件或刀具的直径。 转速较低时，多用于加工大直径工件或用于直径刀具加工，因而扭矩大。转速较高时，则加工较小直径工件或用较小直径刀具加工，因而扭矩较小。 因此，从某一较低转速开

3、始到最高转速，主轴的输出扭矩与转速成反比，为恒功率输出。更低的主轴转速常用于一些特殊工序加工，如光车、攻大直径螺纹、铰大直径孔、精镗、成形铣削等，需要的输出功率较小，为恒扭矩输出。5.2 数控机床的主运动 在整个调速范围内，主轴的功率、扭矩特性曲线分别为恒扭矩、恒功率两个区域，其交点处的转速成为计算转速，也是主轴输出最大功率时的最低转速。5.2 数控机床的主运动 机床主运动的动力源一般为电机、液压马达或其他驱动装置，通常需通过一系列的传动元件将运动和动力传递到机床主轴、实现主运动。由动力源、传动元件和主轴构成的具有运动传递联系的系统成为主传动系统。 从结构上讲，主轴的旋转是靠主轴电机带动。目前

4、，数控机床主运动已广泛采用交流调速电机或伺服电机，能够较方便地实现较大的调速范围，而且，由于构成半闭环驱动，容易实现主轴的控制功能。5.2.2 主运动的传动形式5.2 数控机床的主运动5.2.2 主运动的传动形式（1）带有简单变速机构的主传动应用于一般大中型铣床5主轴电机到主轴之间经过一级或二级齿轮变速换置机构进行传动。优点：优点：能满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范围调节速度的能力。缺点：缺点：结构复杂，需要润滑及温度控制装置；成本较高；制造和维修难。目的：目的：1、通过降速，放大输出扭矩；2、增大调速范围，特别是主轴恒功率输出的调速范围，以满足主轴输出扭矩特性、功率特性及调速范围的要求

5、。5.2 数控机床的主运动（2）通过皮带传动的主传动优点：结构简单，安装调试方便，传动平衡，在一定条件下能满足转速与转矩的输出要求。缺点：调速范围比（恒功率调速范围与恒扭矩调速范围之比）受电机调速范围比的约束。应用：低扭矩输出要求的小型数控机床主轴上。 定比传动，多采用带传动装置。主轴电机到主轴之间用皮带进行传动。5.2 数控机床的主运动（3）电机直接驱动的主轴结构（两种类型）主轴电机输出轴通过精密联轴器与主轴联接。特点：结构紧凑、传动效率高的，主轴的特性完全与电机输出特性一致，因而在使用上受到一定限制。主轴与电机转子为一体，称电主轴（内装式电机主轴单元）。特点：结构紧凑，惯量小，响应快。制造

6、和控制要求高。如主轴的散热、动平衡、支承、润滑及控制等。造价高。应用：多用于高速加工。电主轴取消了传送带、带轮和齿轮等环节，实现了“零传动”，彻底解决了主轴高速运转时传动环节的震动和噪声问题。5.2 数控机床的主运动5.2.3数控机床主轴的主要部件数控机床主轴的主要部件1、主轴部件的主要性能要求 主轴部件是主运动的执行部件，用于夹持刀具或工件并带动其旋转，实现机床的主切削运动。 主轴部件包括主轴、主轴的支承及安装在主轴上的传动零件，对于自动换刀数控机床，主轴部件中还装有刀具自动夹紧装置、切削清除装置和主轴准停装置。 主轴直接承受切削力，转速高，转速范围很大，性能要求为：（1)旋转精度 指装配后

7、，在大载荷、低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部位的定心表面的径向和轴向跳动。取决于各主要零件如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精度。 5.2 数控机床的主运动5.2.3数控机床的主要部件数控机床的主要部件（2）刚度要求 刚度反应机床或部件抵抗外载荷的能力。影响因素有：主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量、预紧和配置形式、前后支承的跨距和主轴前悬伸、传动件的布置方式等。（3）温升要求 温升将引起热变形，使主轴伸长、轴承间隙发生变化，降低加工的精度。也会降低润滑剂的粘度，恶化润滑条件。（4）可靠性要求 数控机床是高度自动化机床，必须保证工作可靠性。（5）精度保持性要求 主轴部件必须要有

8、足够的耐磨性，以长期保持精度。 以上特性要求，有的是相互矛盾的，如高刚度与高速、高速低温升、高速与高精度等，因此要具体问题具体分析。5.2 数控机床的主运动5.2.3数控机床的主要部件数控机床的主要部件2、主轴部件的组成和轴承选型 主轴部件包括主轴、轴承、传动件和相应的紧固件。主轴部件的构造主要是支承部分的构造。 1）主轴端部的结构 用于安装刀具或夹持工件的夹具，结构上，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。主轴端部的结构都已标准化。如图5-3。 5.2 数控机床的主运动5.2.3数控机床的主要部件数控机床的主要部件2）主轴的支承 根据主轴部件的性能（转速、承载能力、

9、回转精度等）要求不同而采用不同种类的轴承。 中小型数控机床多采用滚动轴承； 重型数控机床多采用液体静压轴承； 高精度数控机床气体静压轴承； 转速达（2-10）104r/min的主轴磁力轴承或陶瓷滚珠 轴承 5.2 数控机床的主运动5.2.3数控机床的主要部件数控机床的主要部件主轴轴承的配置形式： （1）前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60角接触双列推力向心球轴承组合，承受径向和轴向载荷；后支承采用成对的角接触球轴承。这种配置可使主轴的综合刚度大幅提高，能进行强力切削，在中等转速的数控机床主轴上应用普遍。（2）前、后支承均采用成组角接触球轴承，用以承受径向和轴向载荷。这种配置适用于高速、轻载和精密

10、的数控机床主轴。（3）前支承采用双列圆锥滚子轴承，承受径向和轴向载荷；后支承采用单列圆锥滚子轴承。这种配置能承受重载荷和较强动载荷，但主轴转速和精度受到限制，一般用于中等精度、低速重载的数控机床主轴。5.2 数控机床的主运动5.2.3 主轴典型控制功能1. 主轴准停装置功能：在数控钻床，数控铣床以及镗铣为主的加工中心上，当特殊加工或自动换刀，主轴能实现准确的停止在一个固定位置上。机械式准停装置：机械式准停装置：机械准停装置比较准确可靠，但结构较复杂。1-无触点开关 2-感应块 3-凸轮定位盘4-定位液压缸 5-定向滚轮 6-定位活塞5.2 数控机床的主运动电气式准停装置： 1）利用主轴上光电脉

11、冲产生准停信号。）利用主轴上光电脉冲产生准停信号。2）利用磁力传感器检产生准停信号。）利用磁力传感器检产生准停信号。磁力传感器准停装置工作原理： 数控装置发出主轴停转指令时，主轴电动机3立即降速，当永久磁铁4对准磁传感器5时，磁传感器发出准停信号，由定向电路使电动机准确地停止在规定的周向位置上。1-主轴主轴 2-同步感应器同步感应器 3-主轴电动机主轴电动机4-永久磁铁永久磁铁 5-磁传感器磁传感器5.2 数控机床的主运动2. 刀具自动夹紧装置、切屑清除装置自动换刀卧式镗床（镗铣加工中心）的主轴部件实现刀具在主轴上的自动装卸，并保证刀具在主轴中正确定位。5.2 数控机床的主运动 自动清除主轴孔

12、中的切屑和灰尘自动清除主轴孔中的切屑和灰尘 如果在主轴锥孔中掉进了切屑或其他污染物，在拉近刀杆时，就可能划伤锥孔和锥柄表面，或者使刀杆发生偏斜，破坏刀具的正确定位，影响加工零件的精度，甚至使零件报废。 为了保持主轴锥孔的清洁，常用压缩空气吹屑常用压缩空气吹屑。活塞和拉杆的中心都有压缩空气通道压缩空气通道，当活塞向左移动时，压缩空气经活塞和拉杆的通道，由空气喷嘴喷出，将锥孔清理干净。喷气小孔要有合理的喷射角度，并均匀分布，以提高吹屑效果。5.2 数控机床的主运动3. C轴控制与同步速度控制装置轴控制与同步速度控制装置对应Z轴的回转轴（即绕主轴回转）为C轴。C轴控制与同步速度控制的功能：轴控制与同

13、步速度控制的功能： C轴与进给轴（Z轴或X轴）联动进行插补控制，可以实现任意曲线的加工。如：螺纹，端面曲线，非圆柱或圆锥的异形回转表面等。C轴的控制方式：轴的控制方式： 主轴的回转位置（转角）控制可进给伺服电机实现，也可以由主轴电机实现，此时主轴的位置（角度)由装于主轴上（不是主轴电机）上的高分辨率编码器检测，主轴作为进给伺服轴工作。5.2 数控机床的主运动 主要问题：控制精度不够，加工抖动和定位抖动。 解决措施： 1）尽可能减少传动结构惯量与电机惯量的比值，提高 动态特性。 2）尽量在接近输出端的传动链上增加阻尼，有效减少震动，提高切削稳定性。 3）尽可能减少或消除传动链中的间隙，提高C轴精

14、度。 4）尽可能提高传动链各环节的精度。C轴控制的主要问题及解决措施轴控制的主要问题及解决措施5.2 数控机床的主运动5.2.4 电主轴电主轴具有如下特点： 结构紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高 具备精确的主轴定位及C轴传动功能。 易实现高速化，其动态精度和动态稳定性更好。 主轴运行平稳，使主轴轴承的寿命得到延长。 主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是关键。5.2 数控机床的主运动电主轴电主轴5.2 数控机床的主运动电主轴的结构5.2 数控机床的主运动155.2 数控机床的主运动（1）电主轴电机的类型 根据电主轴内装式电机的控制方法普通交流变频电主轴结构简单，成本低，但存在低速输出功率不稳

15、的问题，难以满足低速大扭矩的要求。交流伺服电主轴特点：低速输出性能好，可实现闭环控制，经常用于加工中心等要求主轴定位或有C轴功能传动的数控机床。根据电主轴内装式电机的输出特性恒转矩电主轴转矩是恒定的，输出功率与转速成正比。适合于磨削及高速钻削，电主轴的转速越高，输出功率越大。5.2 数控机床的主运动恒功率电主轴在低速段的输出是恒转矩，高速段在低速段的输出是恒转矩，高速段则是恒功率。则是恒功率。主要用于镗、铣、车削等切削范围广、工况变化大的场合。（2） 解决电主轴的振动问题的措施电主轴的最高转速：一般在10000/min以上，甚至高达60000100000r/min。电主轴的振动类型：电主轴的谐

16、振、电磁振荡和机械振动。关键问题：提高电主轴的动平衡。5.2 数控机床的主运动主要措施： 电主轴上零件精密加工、装配和调校。 电主轴上机构必须遵守对称性原则，键连接和螺纹连接在电主轴上是被禁止的。 电主轴上的转子应与主轴装配后，以主轴、后轴径为定位支撑，对转子进行最后的精车工序。 在电机转子的两个端盖上，对称地加工1624个直径略有不同的螺纹孔（M4或M6），根据动平衡测试结果，旋入相应的动平衡螺钉并调节旋入深度，进行动平衡的调节，用环氧树脂将这些螺钉固化。5.2 数控机床的主运动（3）电主轴的散热措施电主轴的热源：电主轴的热源：内藏式高速电机的发热和轴承的发热。电机的发热：采用外循环油水冷却

17、系统进行冷却；轴承的发热：采用角接触陶瓷轴承，滚珠用Si3N4材料制成，直径比同规格球轴承小1/3；同时，采用强制循环油冷却的方式对主轴轴承进行冷却；设计电主轴组件时，电主轴上零件，最好采用同样密度、同样比热的材料，以保证整个电主轴组件运转的热平衡性。5.2 数控机床的主运动（3） 解决电主轴的发热问题的措施5.2 数控机床的主运动（4）电主轴的支承滚动轴承支承：高速性能好，支承刚性好、价格适中、便于维修更换的优点，应用广泛。高速精密电主轴一般采用小钢球精密角接触球轴承。气压和液压的动、静压轴承支承，电磁悬浮轴承：其内外圈小接触，理论上寿命无限长，结构简单并能达到很高的转速。电磁轴承价格较高，主要应用在超高速加工等高科技设备上，而动、静压轴承在多种精密、高速设备中应用非常普遍。复合陶瓷轴承：发展较快的一种支撑形式。其耐磨耐热，能满足在一些特殊工作条件下的要求，寿命是传统轴承的数倍。5.2 数控机床的主运动（5）润滑方式油脂润滑、油雾润滑和油气润滑等。目前国际上最流行的是油气润滑。其原理是用微量泵定时打出定量小油滴，经通过净化冷却的干燥空气润滑每个轴