数控第5章.ppt

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1、第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制5.1 概述概述5.2 主轴驱动的速度控制主轴驱动的速度控制5.3 主轴部件主轴部件第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制第一节、概述第一节、概述第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制一、对数控机床主轴系统的要求一、对数控机床主轴系统的要求数控机床主轴系统是数控机床的主运动传动系统。数控机床主轴运动是机床成型运动之一。它的精度决定了零件的加工精度。数控机床是具有高效率的机床，因此它的主轴系统必须满足如下要求：（1）具有更大的调速范围并实现无级调速。数控机床为了保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得更高的生产率、加工精度和表面

2、质量，必须要求能在较大的调速范围内实现无级调速。一般要求主轴具备1（1001000）的恒转矩调速范围和110的恒功率调速范围。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制(2)具有较高的精度与刚度，传递平稳，噪声低。数控机床加工精度的提高，与主轴系统具有较高的精度密切相关。为此，要提高传动件的制造精度与刚度，就要对齿轮齿面高频感应加热淬火，以增加耐磨性；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用精度高的轴承及合理的支撑跨距等，以提高主轴组件的刚性。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制（3）良好的抗振性和热稳定性。数控机床加工时，可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自振等原因引

3、起的冲击力的干扰，会使主轴产生振动，从而影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至可能破坏刀具和主轴系统中的零件，使其无法工作。主轴系统发热使其中的零部件产生热变形，降低传动效率，破坏零部件之间的相对位置精度和运动精度，造成加工误差。为此，主轴组件要有较高的固有频率，实现动平衡，保持合适的配合间隙并进行循环润滑等。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制（4）在车削中心上，要求主轴具有C轴控制功能。在车削中心上，为了使之具有螺纹车削功能，要求主轴与进给驱动实行同步控制，即主轴具有旋转进给轴(C轴)的控制功能。（5）在加工中心上，要求主轴具有高精度的准停功能。在加工中心上自动换刀时，主轴须停止在一个固定不

4、变的方位上，以保证换刀位置的准确以及某些加工工艺的需要，即要求主轴具有高精度的准停功能。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制(6)具有恒线速度切削控制功能。利用车床和磨床进行工件端面加工时，为了保证端面加工时粗糙度的一致性，要求刀具切削的线速度为恒定值，随着刀具的径向进给，切削直径的逐渐减小，应不断提高主轴转速，并维持线速度为常数。此外，为了获得更高的运动精度，要求主运动传动链尽可能短，同时，由于数控机床特别是加工中心通常配备有多把刀具，要求能够实现主轴上刀具的快速及自动更换。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制二、主轴驱动方式二、主轴驱动方式 数控机床的主轴数控机床的主轴驱动及其控制方式主驱

5、动及其控制方式主要有四种配置方式，要有四种配置方式，如图所示。如图所示。（1 1）带有变速齿轮）带有变速齿轮的主传动，图（的主传动，图（a a）。）。（2 2）通过带传动的主）通过带传动的主传动，图（传动，图（b b）。）。（3 3）用两个电动机分）用两个电动机分别驱动主轴，图（别驱动主轴，图（c c）。）。（4 4）内装电动机主轴）内装电动机主轴传动结构，图（传动结构，图（d d）。）。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制1 1带有变速齿轮的主轴传动带有变速齿轮的主轴传动如图a所示，这是大中型数控机床较常采用的配置方式，通过少数几对齿轮传动，扩大变速范围，确保低速时有较大的扭矩，以满足主轴输

6、出扭矩特性的要求。滑移齿轮的移位大多采用液压拨叉或直接由液压缸驱动齿轮来实现。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制2 2通过带传动的主轴传动通过带传动的主轴传动 主要用于中小型数控机床，结构简单，主轴的变速范主要用于中小型数控机床，结构简单，主轴的变速范围有限，与电动机的变速范围相等。围有限，与电动机的变速范围相等。全功能或适用型数控机床的无级变速多采用交流伺服全功能或适用型数控机床的无级变速多采用交流伺服调速，具有较好的变速性能；调速，具有较好的变速性能；经济型数控机床的无级变速主要采用普通变频调速，经济型数控机床的无级变速主要采用普通变频调速，成本较低，但变速范围较小，且机械特性不够理想。

7、成本较低，但变速范围较小，且机械特性不够理想。常用的有多楔带和同步齿形带 第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制3 3用两个电机分别驱动主轴传动用两个电机分别驱动主轴传动用两个电机分别驱动主轴传动如图（c）所示，它是上述两种方式的混合传动，具有上述两种方式的性能。高速时，由一个电机通过带传动；低速时，由另一个电机通过齿轮传动，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，这样就使恒功率区增大，扩大了变速范围，避免了低速时转矩不够且电机功率不能充分利用的问题。但两个电机不能同时工作，也是一种浪费。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制4 4调速电机直接驱动主轴传动调速电机直接驱动主轴传动由调速电机直接驱动主轴传

8、动如图（d）所示。这种主轴传动方式是由电机直接带动主轴旋转，即直接驱动式。它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，但主轴输出的扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制近年来出现了一种新式的内装电机主轴，即主轴与电机转子合为一体。其优点是主轴组件结构紧凑、重量和惯量小，可提高启动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声；缺点是电机运转产生的热量易使主轴产生热变形。因此，温度控制和冷却是使用内装电机主轴的关键问题。图95所示为日本研制的立式加工中心主轴组件，其内装电机主轴最高转速可达180000rmin。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制第二

9、节、主轴驱动的速度控制第二节、主轴驱动的速度控制第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制一、主轴调速方法一、主轴调速方法 数控机床的主轴调速是按照控制指令自动执行的，为了能同时满足对主传动的调速和输出扭矩的要求，数控机床常用机电结合的方法，即同时采用电动机和机械齿轮变速两种方法。其中齿轮减速以增大输出扭矩，并利用齿轮换挡来扩大调速范围。1 1电动机调速电动机调速 用于主轴驱动的调速电动机主要有直流电动机和交流电动机两大类。（1）直流电动机主轴调速 由于主轴电动机要求输出较大的功率，所以主轴直流电动机在结构上不适用永磁式，一般是他激式从电机拖动理论知，要改变电动机转速n，可通过改变电枢电压（降压调速

10、），或改变励磁电流（弱磁调速）。当采用降压调速时，从电动机转矩公式T=CekIfIa中可得，它是属于恒转矩调速。而当采用弱磁调速时，根据功率公式P=nT，并把上述n 公式与T公式代入得，电动机的功率P=（U-RIa）CeIa，可知它是属于恒功率调速。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 通常在数控机床中，为扩大调速范围，对直流主轴电动机的调速，同时采用调压和调磁两种方法。其典型的直流主轴电动机特性曲线如图2-26所示。（2）交流电动机主轴调速 大多数交流进给伺服电动机采用永磁式同步电动机，但主轴交流电动机则多采用鼠笼式感应电动机，这是因为受永磁体的限制，永磁同步电动机的容量不允许做得太大，而且

11、其成本也很高。另外，数控机床主轴驱动系统不必象进给系统那样，需要如此高的动态性能和调速范围。鼠笼式感应电动机其结构简单、便宜、可靠，配上矢量变换控制的主轴驱动装置则完全可以满足数控机床主轴的要求。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 交流主轴电机的性能可由图2-27所示的功率/速度关系曲线反应出来。2机械齿轮变速机械齿轮变速 采用电动机无级调速，使主轴齿轮箱的结构大大简化，但其低速段输出力矩常常无法满足机床强力切削的要求。如单纯片面追求无级调速，势必要增大主轴电动机的功率，从而使主轴电动机与驱动装置的体积、重量及成本大大增加。困此数控机床常采用14挡齿轮变速与无级调速相结合的方式，即所谓分段无

12、级变速。采用机械齿轮减速，增大了输出扭矩，并利用齿轮换挡扩大了调速范围。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 现在数控机床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变现在数控机床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变速必须适应自动操作的要求。在主传动系统中，目前多采用变速必须适应自动操作的要求。在主传动系统中，目前多采用变频交流电动机和交流调速电动机无级调速系统。大中型数控机频交流电动机和交流调速电动机无级调速系统。大中型数控机床多采用无级变速与分级变速串联，即在交流电动机无级变速床多采用无级变速与分级变速串联，即在交流电动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。的基础上配以齿轮变速，

13、使之成为分段无级变速。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制第三节、主轴部件第三节、主轴部件第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 机床的主轴部件是机床重要部件之一，它带动工件或刀具执行机床的切削运动，因此数控机床主轴部件的精度，抗振性和热变形对加工质量有直接的影响，由于数控机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重主轴轴承的定位和间隙调整主轴在结构上要处理好卡盘或刀具的装卡，主轴的卸荷，主轴部件的润滑和密封等一系列问题。对于数控镗铣床的主轴为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设计有刀具的自动装卸，主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制一、主轴 主轴

14、是主轴部件的重要组成部分，其结构尺寸和形状、制造精度、材料及热处理对主轴部件的工作性能都有很大的影响。主轴的直径越大，刚度就越高，但同时要求轴上的其他零件和轴承的尺寸相应增大，保证主轴的回转精度就会越困难，同时主轴的最高转速也会受到制约。主轴内孔是用于通过棒料或刀具夹紧装置的，孔径越大，可通过的棒料直径越大，主轴的重量越轻，但是主轴的刚度就会越差。主轴的轴端用于安装刀具和夹具，数控车床的主轴端部结构，一般采用短圆锥法兰盘结构，具有很高的定心精度，主轴的悬伸长度短，刚度好的优点。表所示为几种类型的数控机床的主轴轴端结构。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制主轴结构主轴结构1 1数控车床数控车床

15、数控车床主轴前端结构数控车床主轴前端结构1 1）内孔：）内孔：莫氏锥度（约莫氏锥度（约3 3）。特点：自锁锥。）。特点：自锁锥。2 2）外部：）外部：短锥法兰结构（悬伸长度短、定位安装迅速可靠）短锥法兰结构（悬伸长度短、定位安装迅速可靠）n C C型结构：后面螺母锁紧；型结构：后面螺母锁紧；n D D型结构：型结构：悬伸长度更短，悬伸长度更短，偏心锁紧。偏心锁紧。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制2 2加工中心（或数控铣床）加工中心（或数控铣床）1 1）加工中心主轴前端结构加工中心主轴前端结构n端面键：传递转矩端面键：传递转矩 内内孔孔：7 7：2424锥锥度度。非非自自锁锁锥锥，要用拉杆锁

16、紧。要用拉杆锁紧。2 2）锁紧与松刀结构：）锁紧与松刀结构：n主轴后部的拉杆及蝶形弹簧；主轴后部的拉杆及蝶形弹簧；n前部的钢球与限制内孔。前部的钢球与限制内孔。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制二.主轴轴承 数控机床的主轴轴承的类型、结构、精度、配置、安装、润滑都直接影响主轴部件的工作性能。滚动轴承的摩擦力小，预紧方便，润滑维护简单，可以在一定转速范围和载荷变动范围内稳定的工作，除非特殊情况下采用滑动轴承，数控机床上普遍采用的是滚动轴承。滚动轴承根据滚动体的结构分为球轴承、圆柱滚子轴承

17、、圆锥滚子轴承三大类。主轴承受的切削力分为径向力和轴向力(推力)，角接触轴承能够兼备径向和轴向支承的作用。在使用时，应根据主轴的精度、刚度和转速来选择轴承，常见的数控机床的主轴轴承配置主要有三种形式，如图2-4所示。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 2)前轴承采用一对高精度角接触球轴承和一个角接触球轴承的组合，后支承采用角接触球轴承，如图2-4b所示。角接触球轴承具有较好的高速性能，主轴最高转速可达4000rmin。但是这种轴承的承载能力小，因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。3)前轴承采用双列圆锥滚子轴承，后支承采用单列圆锥滚子轴承，如图2-4c所示。这种轴承径向和轴向刚度高，能承

18、受重载荷，尤其能承受较大的动载荷，安装与调整性能好。但是这种轴承组合配置方式限制了主轴的最高转速和精度，所以仅适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。1)前支承采用双列圆柱滚子轴承和60度角接触双列向心推力球轴承组合，后支承采用成对向心推力球轴承，如图2-4a所示。这种配置形式使主轴的综合刚度得到大幅度提高，可以满足强力切削的要求，所以目前各类数控机床的主轴普遍采用这种配置形式。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制支承的轴向定位支承的轴向定位n 前端定位前端定位 主主轴轴热热变变形形向向后后伸伸长长，对对加加工工精精度度影影响响小小，但但前前端端支支承承结结构会趋向复杂，温升高。数控机床多用

19、此结构。构会趋向复杂，温升高。数控机床多用此结构。n 后端定位后端定位 主主轴轴热热变变形形向向前前伸伸长长，对对加加工工精精度度影影响响大大。有有两两顶顶尖尖加加工工细长轴时，容易引起工件的弯曲变形。细长轴时，容易引起工件的弯曲变形。n 两端定位两端定位 多采用圆锥滚子轴承，热变形时轴承间隙增大。多采用圆锥滚子轴承，热变形时轴承间隙增大。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制(三)主轴的定向停止 为了将主轴准确地停在某一固定位置上，以便在该处进行换刀等动作，这就要求对主轴进行定向控制。在加工精密的坐标孔时，由于每次都能在主轴的固定圆周位置换刀，故能保证刀尖与主轴相对位置的一致性，从而减少被加工

20、孔的尺寸分散度，这是主轴定向准停装置带来的好处之一。在自动换刀的数控机床上，每次自动装卸刀时，都必须使刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求主轴具有准确定位的功能。传统的做法是采用机械挡块等来定向。而现代的数控机床一般都采用电气式主轴定向，只要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确的定向。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 如图2-5所示，主轴的准停装置设置在主轴的尾端，采用磁性传感器作为主轴到位的检测元件，由电气控制准停。交流调速电动机11通过多联V形带9、带轮10和5带动主轴旋转。当主轴需要停车换刀时，系统发出降速信号，主轴电动机以低转速回转。时间继电器

21、延时数秒后，系统发出准停信号，立即切断主轴电动机电源，脱开与主轴的传动联系，以排除传动系统中大部分回转零件的惯性对主轴准停的影响，使主轴作低速惯性空转。位于图中带轮5左侧的永久磁铁4对准磁性传感器3时，主轴准确停止。同时发出主轴已停转信号，自动换刀装置可以开始动作。电气式主轴定向控制的特点是：定向时间短，可靠性高，精度和刚度高，不需要机械部件，只需要简单的强电顺序控制。第5章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 自动清楚主轴孔内的灰尘和切削是换刀过程中的一个不容忽视的问题，如果主轴的锥孔中落如了切削、灰尘或其他污物，在拉紧刀杆时，锥孔内表面和刀杆的锥柄就会被划伤，甚至会使刀杆发生偏斜，破坏刀杆的正确定位，影响零件的加工精度。为了保持主轴锥孔的清洁，常采用的方法是使用压缩空气吹走切削。如图2-5所示活塞1的心部钻有压缩空气通道，当活塞向右移动时，压缩空气经过活塞由主轴孔内的空气喷嘴喷出，将锥孔清理干净。为了提高吹削效率，喷气小孔要均匀布置，并有合理的喷射角度。