數(shù)控機(jī)床及電氣控制教案下載

1、數(shù)控機(jī)床及電氣控制教案下載.doc 職業(yè)學(xué)院課件教案下載情境2數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)的拆裝與調(diào)試主要介紹國內(nèi)各類數(shù)控機(jī)床常用主軸驅(qū)動系統(tǒng)的組成方案、特點(diǎn)，以及元件選用的關(guān)鍵問題。以數(shù)控銑床主軸驅(qū)動系統(tǒng)的安裝和調(diào)試為例，介紹應(yīng)注意的重點(diǎn)問題，常見故障的形式和排除方法。數(shù)控機(jī)床是一種高精度、高效率的自動化機(jī)床，它的機(jī)械部分較普通機(jī)床有更高的要求，如高精度、高剛度、高速度、低摩擦等。因此，無論是從機(jī)床布局、基礎(chǔ)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還是軸承的選擇與配置，都十分注意提高它們的剛度；零部件的制造精度和精度保持性都比普通機(jī)床提高很多，基本上按精密或高精密機(jī)床考慮，如主軸軸承都采用C級或超C級軸承，傳動絲杠采用高精度的滾

2、珠絲杠螺母副。主傳動廣泛采用高性能的交、直流伺服電動機(jī)驅(qū)動。數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床比較，具有下列特點(diǎn)：1) 轉(zhuǎn)速高，功率大，數(shù)控機(jī)床能進(jìn)行大功率切削和高速切削，從而實(shí)現(xiàn)高速加工。2) 主軸轉(zhuǎn)速變換迅速可靠，并能自動無級變速，使切削工作始終在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。3) 為實(shí)現(xiàn)刀具的快速及自動裝卸，其主軸應(yīng)設(shè)計(jì)有刀具自動裝卸、主軸定向停止和主軸孔內(nèi)的切屑清除裝置。2.1 數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動系統(tǒng)組成形式與功能主傳動系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動的傳動系統(tǒng)，它的轉(zhuǎn)速高、傳遞的功率大，是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件之一，對它的精度、剛度、噪聲、溫升、熱變形都有嚴(yán)格的要求。目前，主傳動系統(tǒng)大致可分為以下大類。1.帶有變速齒輪的主傳動如圖3-

3、1a）所示，通過少數(shù)幾對齒輪降速，以滿足主軸低速時(shí)對扭矩特性的要求。數(shù)控機(jī)床在交流或直流電機(jī)無級變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速，使之成為分段無級變速?；讫X輪的移位大都采用液壓缸和撥叉或直接由液壓缸帶動齒輪來實(shí)現(xiàn)。2.通過帶傳動的主傳動如圖3-1b）所示，這種傳動主要應(yīng)用在小型數(shù)控機(jī)床上，由交流電機(jī)通過V帶直接帶動主軸。這種傳動方式可以避免齒輪傳動時(shí)引起的振動與噪聲，但只能適用于低扭矩特性要求的主軸。3.調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動的主傳動如圖3-1c）所示，這種主傳動方式大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電機(jī)發(fā)熱對主軸影響較大。圖3-1 主傳動型式三、主軸組件數(shù)控機(jī)

4、床主軸部件是影響機(jī)床加工精度的主要部件，它的回轉(zhuǎn)精度，影響工件的加工精度；它的功率大小與回轉(zhuǎn)速度，影響加工效率；它的自動變速、準(zhǔn)停、換刀等，影響機(jī)床的自動化程度。因此，要求主軸部件具有與本機(jī)床工作性能相適應(yīng)的高的回轉(zhuǎn)精度、剛度、抗振性、耐磨性和低的溫升；在結(jié)構(gòu)上，必須很好地解決刀具或工件的裝夾、軸承的配置、軸承間隙調(diào)整、潤滑密封等問題。主軸組件的類型主軸組件按運(yùn)動方式可分為五類:(1)只作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的主軸組件。此類主軸結(jié)構(gòu)較為簡單，如車床、銑床和磨床等的主軸組件。（2）既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動又有軸向進(jìn)給運(yùn)動的主軸組件。如鉆床和鏜床等的主軸組件。其主軸組件與軸承裝在套筒內(nèi)，主軸在套筒內(nèi)作旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動，套筒在主

5、軸箱的導(dǎo)向孔內(nèi)作直線進(jìn)給運(yùn)動。（3）既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動又有軸向調(diào)整移動的主軸組件。如滾齒機(jī)、部分立式銑床等的主軸組件。主軸在套筒內(nèi)作旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動，并可根據(jù)需要隨主軸套筒一起作軸向調(diào)整移動。（4）既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動又有徑向進(jìn)給運(yùn)動的主軸組件。如臥式鏜床的平旋盤主軸部件、組合機(jī)床的鏜孔車端面頭主軸組件。主軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，裝在主軸前端平旋盤上的徑向 塊可帶動刀具作徑向進(jìn)給運(yùn)動。（5）主軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動又作行星運(yùn)動的主軸組件。（二）主軸主軸是主軸組件的重要組成部分。它的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀、制造精度、材料及熱處理等，對主軸組件的工作性能有很大的影響。主軸結(jié)構(gòu)隨主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的不同而有多種形式。主軸的主要尺寸參數(shù)包括：主軸直

6、徑、內(nèi)孔直徑、懸伸長度和支承跨度。評價(jià)和考慮主軸主要尺寸參數(shù)的依據(jù)是主軸的剛度、結(jié)構(gòu)工藝性和主軸組件的工藝適用范圍。主軸直徑 主軸直徑越大，其剛性越高，但軸承和軸上其它零件的尺寸也相應(yīng)增大。軸承的直徑越大，同等級精度軸承的公差值也就越大，要保證主軸的旋轉(zhuǎn)精度就越困難，同時(shí)極限轉(zhuǎn)速也下降。主軸內(nèi)孔直徑 主軸內(nèi)孔用來通過棒料，用于通過刀具夾緊裝置固定刀具以及傳動氣動或液壓卡盤等。主軸孔徑越大，可通過的棒料直徑就越大，機(jī)床的使用范圍就越寬，同時(shí)主軸部件也越輕。主軸孔徑大小主要受主軸剛度的制約。當(dāng)主軸的孔徑與主軸直徑之比小于0.3時(shí)，空心主軸的剛度幾乎與實(shí)心主軸的剛度相當(dāng)；為0.5時(shí)，空心主軸的剛度為

7、實(shí)心主軸剛度的90%；大于0.7時(shí)，空心主軸的剛度急劇下降。懸伸長度 主軸的懸伸長度與主軸前端結(jié)構(gòu)的形狀尺寸、前軸承的類型和組合方式以及軸承的潤滑與密封有關(guān)。主軸的懸伸長度對主軸的剛度影響很大，主軸懸伸長度越短，其剛度越好。主軸的支承跨距 主軸組件的支承跨距對主軸本身的剛度都有很大的影響。主軸的軸端用于安裝夾具和刀具，要求夾具和刀具在軸端定位精度高，定位剛度好，裝卸方便，同時(shí)使主軸的懸伸長度短。（三）主軸軸承主軸軸承也是主軸組件的重要組成部分，應(yīng)根據(jù)數(shù)控機(jī)床的規(guī)格、精度采用不同的主軸軸承。一般中、小規(guī)格的數(shù)控機(jī)床（如車床、銑床、鉆鏜床、加工中心、磨床等）的主軸部件多采用成組高精度滾動軸承，重型

8、數(shù)控機(jī)床采用液體靜壓軸承，高精度數(shù)控機(jī)床（如坐標(biāo)磨床）采用氣體靜壓軸承，轉(zhuǎn)速達(dá)（210）×104r/min的主軸可采用磁力軸承或氮化硅材料的陶瓷滾珠軸承。四、主軸組件的潤滑與密封主軸組件的潤滑與密封是使用和維護(hù)過程中值得重視的問題。良好的潤滑效果可以降低軸承的工作溫度，延長其使用壽命。密封不僅要防止灰塵、屑末和切削液進(jìn)入，還要防止?jié)櫥偷男孤?。（一）主軸潤滑數(shù)控機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速高，為減少主軸發(fā)熱，必須改善軸承的潤滑方式。潤滑的作用是在摩擦副表面形成一層薄油膜，以減少摩擦發(fā)熱。在數(shù)控機(jī)床上的潤滑一般采用高級油脂封入方式潤滑，每加一次油脂可以使用710年。也有用油氣潤滑，除在軸承中加入少量

9、潤滑油外，還引入壓縮空氣，使?jié)L動體上包有油膜起到潤滑作用，再用空氣循環(huán)冷卻。（二）主軸的密封主軸的密封有接觸式和非接觸式兩種。圖3-2 非接觸式密封幾種非接觸密封的形式如圖3-2所示。圖3-2a)是利用軸承蓋與軸的間隙密封，在軸承蓋的孔內(nèi)開槽是為了提高密封效果；這種密封用于工作環(huán)境比較清潔的油脂潤滑處。圖3-2b)是在螺母的外圓上開鋸齒形環(huán)槽，當(dāng)油向外流時(shí)，靠主軸轉(zhuǎn)動的離心力把油沿斜面甩到端蓋的空腔內(nèi)，油液再流回箱內(nèi)。圖3-2c)是迷宮式密封的結(jié)構(gòu)，在切屑多、灰塵大的工作環(huán)境下可獲得可靠的密封效果；這種結(jié)構(gòu)適用于油脂或油液潤滑的密封。接觸式密封主要有油氈圈和耐油橡膠密封圈密封兩種。五、主軸的準(zhǔn)

10、停主軸準(zhǔn)停功能又稱主軸定位功能（spindle specified position stop）,即當(dāng)主軸停止時(shí)能控制其停于固定位置。它是自動換刀所必需的功能。在自動換刀的鏜銑加工中心上，切削的轉(zhuǎn)矩通常是通過刀桿的端面鍵傳遞的。這就要求主軸具有準(zhǔn)確定位于圓周上特定角度的功能，如圖3-3所示。圖3-3 主軸準(zhǔn)停換刀 圖3-4 磁傳感器準(zhǔn)停主軸準(zhǔn)?？煞譃闄C(jī)械準(zhǔn)停和電氣準(zhǔn)停。機(jī)械準(zhǔn)停采用機(jī)械凸輪等機(jī)構(gòu)和光電盤方式進(jìn)行初定位，然后由定位銷（液壓或氣動）插入主軸上的銷孔或銷槽完成定位，換刀后定位銷退出，主軸才可旋轉(zhuǎn)。采用此方法定向比較可靠、準(zhǔn)確，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。電氣準(zhǔn)停有磁傳感器準(zhǔn)停、編碼器型準(zhǔn)停和數(shù)控系統(tǒng)

11、準(zhǔn)停。常用的磁傳感器準(zhǔn)停裝置如圖3-4所示，它是在主軸上安裝一個(gè)發(fā)磁體，使之與主軸一起旋轉(zhuǎn)，在距離發(fā)磁體旋轉(zhuǎn)外軌跡12mm處固定一個(gè)磁傳感器。磁傳感器經(jīng)過放大器與主軸控制單元連接，當(dāng)主軸需要定向準(zhǔn)停時(shí)，便控制主軸停止在調(diào)整好的位置上。2.1.1 主軸驅(qū)動系統(tǒng)的作用    機(jī)床的主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)有很大的差別。根據(jù)機(jī)床主傳動的工作特點(diǎn)，早期的機(jī)床主軸傳動全部采用三相異步電動機(jī)加上多級變速箱的結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)床結(jié)構(gòu)有了很大的改進(jìn)，從而對主軸系統(tǒng)提出了新的要求，而且因用途而異。在數(shù)控機(jī)床中，數(shù)控車床占42，數(shù)控鉆鏜銑床占33，數(shù)控磨床、沖床占23，其他只占2

12、。為了滿足量大面廣的前兩類數(shù)控機(jī)床的需要，對主軸傳動提出了下述要求：主傳動電動機(jī)應(yīng)有2.2250kW的功率范圍；要有大的無級調(diào)速范圍，如能在1：1001000范圍內(nèi)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和1：10的恒功率調(diào)速；要求主傳動有四象限的驅(qū)動能力；為了滿足螺紋車削，要求主軸能與進(jìn)給實(shí)行同步控制；在加工中心上為了自動換刀，要求主軸能進(jìn)行高精度定向停位控制，甚至要求主軸具有角度分度控制功能等等。    主軸傳動和進(jìn)給傳動一樣，經(jīng)歷了從普通三相異步電動機(jī)傳動到直流主軸傳動，而隨著微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進(jìn)展，現(xiàn)在又進(jìn)入了交流主軸伺服系統(tǒng)的時(shí)代，目前已很少見到在數(shù)控機(jī)床上有使用直

13、流主軸伺服系統(tǒng)了。但是國內(nèi)生產(chǎn)的交流主軸伺服系統(tǒng)的產(chǎn)品尚很少見，大多采用進(jìn)口產(chǎn)品。    正如節(jié)所述，交流伺服電動機(jī)有永磁式同步電動機(jī)和籠型異步電動機(jī)兩種結(jié)構(gòu)形式，而且絕大多數(shù)采用永磁式同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。而交流主軸電動機(jī)的情況則不同，交流主軸電動機(jī)均采用異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，這是因?yàn)?，一方面受永磁體的限制，當(dāng)電動機(jī)容量做得很大時(shí)，電動機(jī)成本會很高，對數(shù)控機(jī)床來講無法接受采用；另一方面，數(shù)控機(jī)床的主軸傳動系統(tǒng)不必像進(jìn)給伺服系統(tǒng)那樣要求如此高的性能，采用成本低的異步電動機(jī)進(jìn)行矢量閉環(huán)控制，完全可滿足數(shù)控機(jī)床主軸的要求。但對交流主軸電動機(jī)性能要求又與普通異步電動機(jī)不

14、同，要求交流主軸電動機(jī)的輸出特性曲線（輸出功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系）是在基本速度以下時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，而在基本速度以上時(shí)為恒功率區(qū)域。    交流主軸控制單元與進(jìn)給系統(tǒng)一樣，也有模擬式和數(shù)字式兩種，現(xiàn)在所見到的國外交流主軸控制單元大多都是數(shù)字式的。圖1917示出了交流主軸控制單元的框圖。    圖1917  交流主軸伺服系統(tǒng)框圖1速度指令  2速度反饋  3比例積分回路  4絕對值回路  5負(fù)載表  6函數(shù)發(fā)生器7VF變換器  8微處理器  9DA強(qiáng)勵(lì)磁&#

15、160; 10DA振幅器  11乘法器  12電流指令回路13電流控制回路  14PWM控制回路  15PWM變換器  16脈沖發(fā)生器  17四倍回路  18微分回路  19FV變換器  20同步整流電路    它們的工作過程簡述如下：由數(shù)控系統(tǒng)來的速度指令（如10V時(shí)相當(dāng)于6000r/min或4500r/min）在比較器中與檢測器的信號相與之后，經(jīng)比例積分回路3將速度誤差信號放大作為轉(zhuǎn)矩指令電壓輸出，再經(jīng)絕對值回路4使轉(zhuǎn)矩指令電壓永遠(yuǎn)為正。然后經(jīng)函數(shù)發(fā)生器6（它的作用是當(dāng)電

16、動機(jī)低速時(shí)提高轉(zhuǎn)矩指令電壓），送到VF變換器7，變成誤差脈沖（如10V相當(dāng)于200kHz）。該誤差脈沖送到微處理器8并與四倍回路17送來的速度反饋脈沖進(jìn)行運(yùn)算。在此同時(shí)，交預(yù)先寫在微處理器部件中的ROM中的信息讀出，分別送出振幅和相位信號，送到DA強(qiáng)勵(lì)磁9和DA振幅器10。DA強(qiáng)勵(lì)磁回路用于控制增加定子電流的振幅，而DA振幅器用于產(chǎn)生與轉(zhuǎn)矩指令相對應(yīng)的電動機(jī)定子電流的振幅。它們的輸出值經(jīng)乘法器11之后形成定子電流的振幅，送給U相和V相的電流指令回路12。另一方面，從微處理器輸出的U、V兩相的相位（即sin和sin(-120°）也被送到U相和V相的電流指令回路12，它實(shí)際上也是一個(gè)乘法

17、器，通過它形成了U相和V相的電流指令。這個(gè)指令與電機(jī)電流反饋信號相與之后的誤差，經(jīng)放大后送至PWM控制回路14，變成頻率為3kHz的脈寬信號。而W相信號則由Iu、Iv兩信號合成產(chǎn)生。上述脈沖信號經(jīng)PWM變換器15控制電動機(jī)的三相交流電流。脈沖發(fā)生器16是一個(gè)速度檢測器，用來產(chǎn)生每轉(zhuǎn)256個(gè)脈沖的正、余弦波形，然后經(jīng)四倍回路17變成1024脈沖r。它一方面送微處理器，另一方面經(jīng)FV變換器19作為速度反饋送到比較器2，并與速度指令進(jìn)行比較。但在低速時(shí)，由于FV變換器的線性度較差，所以此時(shí)的速度反饋信號由微分電路18和同步整流電路20產(chǎn)生。 主軸驅(qū)動系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的大功率執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其功能是接受數(shù)控系統(tǒng)(CNC)的S碼速度指令及M碼輔助功能指令，驅(qū)動主軸進(jìn)行切削加工。數(shù)控加工中心對主軸有較高的控制要求，首先要求在大力矩、強(qiáng)過載能力的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)寬范圍的無級變速；其次要求在自動換刀動作中實(shí)現(xiàn)定角度停止(即準(zhǔn)停)，這使加工中心主軸驅(qū)動系統(tǒng)比一般的變頻調(diào)速系統(tǒng)或小功率交流伺服系統(tǒng)在電路設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)整定上具有更大的難度。主軸的驅(qū)動可以使用交流變頻或交流伺服2種控制