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1、第5章 運(yùn)動系統(tǒng)與典型機(jī)構(gòu),5.1 概述,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動 5.3 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動 5.4 數(shù)控機(jī)床的換刀運(yùn)動,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,5.2.1 主運(yùn)動參數(shù) 運(yùn)動參數(shù)和動力參數(shù)兩種。運(yùn)動參數(shù)是指主軸的轉(zhuǎn)速 和調(diào)速范圍。動力參數(shù)是指主運(yùn)動的功率等。,(1)主軸轉(zhuǎn)速和調(diào)速范圍較高切削速度。, 主軸轉(zhuǎn)速n(r/min):,n ,1000v d,r/min, 主軸的最低和最高轉(zhuǎn)速:,nmin,1000vmin dmax,r/min,nmax,1000vmax dmin,r/min, 主軸調(diào)速范圍: Rn ,nmax vmax dmin nmin vmin dmax,5.2 數(shù)控機(jī)床的主
2、運(yùn)動 (2)主運(yùn)動的功率、轉(zhuǎn)矩特性 主運(yùn)動為切削加工提供所需的切削扭矩和功率。 主運(yùn)動所需輸出的功率:,P ,Fv Tn 60000 955000 kw,F主切削力的切向分量(N); v 切削速度(m/min) T 切削扭矩(Nm) ; n 主軸轉(zhuǎn)速(r/min) 主運(yùn)動的轉(zhuǎn)矩特性: 主運(yùn)動所需的最大功率(或扭矩)與運(yùn)動速度之間的關(guān)系。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,對于主軸,轉(zhuǎn)速不僅取決于切削速度,還取決于工件或 刀具的直徑。 轉(zhuǎn)速較低時,多用于加工大直徑工件或用于直徑刀具加 工,因而扭矩大。轉(zhuǎn)速較高時,則加工較小直徑工件或用較 小直徑刀具加工,因而扭矩較小。 因此,從某一較低轉(zhuǎn)速開始到最高轉(zhuǎn)速
3、,主軸的輸出扭 矩與轉(zhuǎn)速成反比,為恒功率輸出。更低的主軸轉(zhuǎn)速常用于一 些特殊工序加工,如光車、攻大直徑螺紋、鉸大直徑孔、精 鏜、成形銑削等,需要的輸出功率較小,為恒扭矩輸出。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,在整個調(diào)速范圍內(nèi),主軸的功率、扭矩特性曲線分別為 恒扭矩、恒功率兩個區(qū)域,其交點(diǎn)處的轉(zhuǎn)速成為計算轉(zhuǎn)速, 也是主軸輸出最大功率時的最低轉(zhuǎn)速。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,機(jī)床主運(yùn)動的動力源一般為電機(jī)、液壓馬達(dá)或其他驅(qū)動 裝置,通常需通過一系列的傳動元件將運(yùn)動和動力傳遞到機(jī)床 主軸、實現(xiàn)主運(yùn)動。由動力源、傳動元件和主軸構(gòu)成的具有運(yùn) 動傳遞聯(lián)系的系統(tǒng)成為主傳動系統(tǒng)。 從結(jié)構(gòu)上講,主軸的旋轉(zhuǎn)是靠主軸電機(jī)帶
4、動。目前,數(shù)控 機(jī)床主運(yùn)動已廣泛采用交流調(diào)速電機(jī)或伺服電機(jī),能夠較方便地 實現(xiàn)較大的調(diào)速范圍,而且,由于構(gòu)成半閉環(huán)驅(qū)動,容易實現(xiàn)主 軸的控制功能。,5.2.2 主運(yùn)動的傳動形式,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,5.2.2 主運(yùn)動的傳動形式,(1)帶有簡單變速機(jī)構(gòu)的主傳動應(yīng)用于一般大中型銑床 5,主軸電機(jī)到主軸之間經(jīng)過一級或二級齒輪變速換置機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動。,優(yōu)點(diǎn):能滿足各種切削運(yùn)動的轉(zhuǎn)矩輸出,且具有大范圍調(diào)節(jié)速度的能力。 缺點(diǎn):結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要潤滑及溫度控制裝置;成本較高;制造和維修難。,目的: 1、通過降速,放大輸出扭矩; 2、增大調(diào)速范圍,特別是主軸恒功率輸出的調(diào)速范圍,以滿足主軸輸出扭矩特性、功率特
5、性及調(diào)速范圍的要求。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,(2)通過皮帶傳動的主傳動,優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單,安裝調(diào)試方便,傳動平衡,在一定條件下能滿足轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的輸出要求。 缺點(diǎn):調(diào)速范圍比(恒功率調(diào)速范圍與恒扭矩調(diào)速范圍之比)受電機(jī)調(diào)速范圍比的約束。 應(yīng)用:低扭矩輸出要求的小型數(shù)控機(jī)床主軸上。,定比傳動,多采用帶傳動裝置。主軸電機(jī)到主軸之間用皮帶進(jìn)行傳動。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,(3)電機(jī)直接驅(qū)動的主軸結(jié)構(gòu)(兩種類型),主軸電機(jī)輸出軸通過精密聯(lián)軸器與主軸聯(lián)接。 特點(diǎn):結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高的,主軸的特 性完全與電機(jī)輸出特性一致,因而在使用上 受到一定限制。 主軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子為一體,稱電主軸(內(nèi)裝式 電機(jī)主軸
6、單元)。 特點(diǎn):結(jié)構(gòu)緊湊,慣量小,響應(yīng)快。制造和 控制要求高。如主軸的散熱、動平衡、支承、 潤滑及控制等。造價高。 應(yīng)用:多用于高速加工。,電主軸取消了傳送帶、帶輪和齒輪等環(huán)節(jié),實現(xiàn)了“零傳動”,徹底解決了主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時傳動環(huán)節(jié)的震動和噪聲問題。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,5.2.3數(shù)控機(jī)床主軸的主要部件,1、主軸部件的主要性能要求 主軸部件是主運(yùn)動的執(zhí)行部件,用于夾持刀具或工件并帶動其旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)機(jī)床的主切削運(yùn)動。 主軸部件包括主軸、主軸的支承及安裝在主軸上的傳動零件,對于自動換刀數(shù)控機(jī)床,主軸部件中還裝有刀具自動夾緊裝置、切削清除裝置和主軸準(zhǔn)停裝置。 主軸直接承受切削力,轉(zhuǎn)速高,轉(zhuǎn)速范圍很大
7、,性能要求為: (1)旋轉(zhuǎn)精度 指裝配后,在大載荷、低速轉(zhuǎn)動的條件下,主軸安裝工件或刀具部位的定心表面的徑向和軸向跳動。取決于各主要零件如主軸、軸承、殼體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,5.2.3數(shù)控機(jī)床的主要部件,(2)剛度要求 剛度反應(yīng)機(jī)床或部件抵抗外載荷的能力。影響因素有:主軸的尺寸和形狀,滾動軸承的型號、數(shù)量、預(yù)緊和配置形式、前后支承的跨距和主軸前懸伸、傳動件的布置方式等。 (3)溫升要求 溫升將引起熱變形,使主軸伸長、軸承間隙發(fā)生變化,降低加工的精度。也會降低潤滑劑的粘度,惡化潤滑條件。 (4)可靠性要求 數(shù)控機(jī)床是高度自動化機(jī)床,必須保證工作可靠性。 (5)
8、精度保持性要求 主軸部件必須要有足夠的耐磨性,以長期保持精度。,以上特性要求,有的是相互矛盾的,如高剛度與高速、高速低溫升、高速與高精度等,因此要具體問題具體分析。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,5.2.3數(shù)控機(jī)床的主要部件,2、主軸部件的組成和軸承選型 主軸部件包括主軸、軸承、傳動件和相應(yīng)的緊固件。主軸部件的構(gòu)造主要是支承部分的構(gòu)造。 1)主軸端部的結(jié)構(gòu) 用于安裝刀具或夾持工件的夾具,結(jié)構(gòu)上,保證定位準(zhǔn)確,安裝可靠,連接牢固,裝卸方便,并能傳遞足夠的扭矩。主軸端部的結(jié)構(gòu)都已標(biāo)準(zhǔn)化。如圖5-3。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,5.2.3數(shù)控機(jī)床的主要部件,2)主軸的支承 根據(jù)主軸部件的性能(轉(zhuǎn)速、承載
9、能力、回轉(zhuǎn)精度等)要求不同而采用不同種類的軸承。 中小型數(shù)控機(jī)床多采用滾動軸承; 重型數(shù)控機(jī)床多采用液體靜壓軸承; 高精度數(shù)控機(jī)床氣體靜壓軸承; 轉(zhuǎn)速達(dá)(2-10)104r/min的主軸磁力軸承或陶瓷滾珠 軸承,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,5.2.3數(shù)控機(jī)床的主要部件,主軸軸承的配置形式:,(1)前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和60角接觸雙列推力向心球軸承組合,承受徑向和軸向載荷;后支承采用成對的角接觸球軸承。這種配置可使主軸的綜合剛度大幅提高,能進(jìn)行強(qiáng)力切削,在中等轉(zhuǎn)速的數(shù)控機(jī)床主軸上應(yīng)用普遍。,(2)前、后支承均采用成組角接觸球軸承,用以承受徑向和軸向載荷。這種配置適用于高速、輕載和精密的數(shù)控
10、機(jī)床主軸。,(3)前支承采用雙列圓錐滾子軸承,承受徑向和軸向載荷;后支承采用單列圓錐滾子軸承。這種配置能承受重載荷和較強(qiáng)動載荷,但主軸轉(zhuǎn)速和精度受到限制,一般用于中等精度、低速重載的數(shù)控機(jī)床主軸。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,5.2.3 主軸典型控制功能,1. 主軸準(zhǔn)停裝置,功能:在數(shù)控鉆床,數(shù)控銑床以及鏜銑為主的加工中心上,當(dāng) 特殊加工或自動換刀,主軸能實現(xiàn)準(zhǔn)確的停止在一個固定位置上。,機(jī)械式準(zhǔn)停裝置:,機(jī)械準(zhǔn)停裝置比較準(zhǔn)確可,靠,但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。,1-無觸點(diǎn)開關(guān) 2-感應(yīng)塊 3-凸輪定位盤,4-定位液壓缸 5-定向滾輪 6-定位活塞,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動 電氣式準(zhǔn)停裝置: 1)利用主軸上光
11、電脈沖產(chǎn)生準(zhǔn)停信號。 2)利用磁力傳感器檢產(chǎn)生準(zhǔn)停信號。 磁力傳感器準(zhǔn)停裝置工作原理: 數(shù)控裝置發(fā)出主軸停轉(zhuǎn)指令時, 主軸電動機(jī)3立即降速,當(dāng)永久磁 鐵4對準(zhǔn)磁傳感器5時,磁傳感器發(fā) 出準(zhǔn)停信號,由定向電路使電動機(jī) 準(zhǔn)確地停止在規(guī)定的周向位置上。,1-主軸 2-同步感應(yīng)器 3-主軸電動機(jī),4-永久磁鐵 5-磁傳感器,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,2. 刀具自動夾緊裝置、切屑清除裝置 自動換刀臥式鏜床(鏜銑加工中心)的主軸部件,實現(xiàn)刀具在主軸上的自動裝卸,并保證刀具在主軸中正確定位。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,自動清除主軸孔中的切屑和灰塵,如果在主軸錐孔中掉進(jìn)了切屑或其他污染物,在拉近刀桿時,就可能
12、劃傷錐孔和錐柄表面,或者使刀桿發(fā)生偏斜,破壞刀具的正確定位,影響加工零件的精度,甚至使零件報廢。 為了保持主軸錐孔的清潔,常用壓縮空氣吹屑?;钊屠瓧U的中心都有壓縮空氣通道,當(dāng)活塞向左移動時,壓縮空氣經(jīng)活塞和拉桿的通道,由空氣噴嘴噴出,將錐孔清理干凈。噴氣小孔要有合理的噴射角度,并均勻分布,以提高吹屑效果。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,3. C軸控制與同步速度控制裝置 對應(yīng)Z軸的回轉(zhuǎn)軸(即繞主軸回轉(zhuǎn))為C軸。 C軸控制與同步速度控制的功能: C軸與進(jìn)給軸(Z軸或X軸)聯(lián)動進(jìn)行插補(bǔ)控制,可以實現(xiàn)任 意曲線的加工。如:螺紋,端面曲線,非圓柱或圓錐的異形回 轉(zhuǎn)表面等。 C軸的控制方式: 主軸的回轉(zhuǎn)位置
13、(轉(zhuǎn)角)控制可進(jìn)給伺服電機(jī)實現(xiàn),也可以 由主軸電機(jī)實現(xiàn),此時主軸的位置(角度)由裝于主軸上(不 是主軸電機(jī))上的高分辨率編碼器檢測,主軸作為進(jìn)給伺服軸 工作。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,主要問題:控制精度不夠,加工抖動和定位抖動。 解決措施: 1)盡可能減少傳動結(jié)構(gòu)慣量與電機(jī)慣量的比值,提高 動態(tài)特性。 2)盡量在接近輸出端的傳動鏈上增加阻尼,有效減少震動,提高切削穩(wěn)定性。 3)盡可能減少或消除傳動鏈中的間隙,提高C軸精度。 4)盡可能提高傳動鏈各環(huán)節(jié)的精度。,C軸控制的主要問題及解決措施,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,5.2.4 電主軸,電主軸具有如下特點(diǎn):, 結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、噪聲低、振動小和
14、精度高 具備精確的主軸定位及C軸傳動功能。, 易實現(xiàn)高速化,其動態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定性更好。 主軸運(yùn)行平穩(wěn),使主軸軸承的壽命得到延長。 主軸組件的整機(jī)平衡、溫度控制和冷卻是關(guān)鍵。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,電主軸,電主軸,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,電主軸的結(jié)構(gòu),5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,15,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,(1)電主軸電機(jī)的類型, 根據(jù)電主軸內(nèi)裝式電機(jī)的控制方法,普通交流變頻電主軸結(jié)構(gòu)簡單,成本低,但存在低,速輸出功率不穩(wěn)的問題,難以滿足低速大扭矩的要求。,交流伺服電主軸特點(diǎn):低速輸出性能好,可實現(xiàn)閉,環(huán)控制,經(jīng)常用于加工中心等要求主軸定位或有C軸功能傳 動的數(shù)控機(jī)床。,根據(jù)電主軸內(nèi)裝
15、式電機(jī)的輸出特性,恒轉(zhuǎn)矩電主軸轉(zhuǎn)矩是恒定的,輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比。,適合于磨削及高速鉆削,電主軸的轉(zhuǎn)速越高,輸出功率越大。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,恒功率電主軸在低速段的輸出是恒轉(zhuǎn)矩,高速段,則是恒功率。主要用于鏜、銑、車削等切削范圍廣、工 況變化大的場合。,(2) 解決電主軸的振動問題的措施,電主軸的最高轉(zhuǎn)速:一般在10000/min以上,甚至 高達(dá)60000100000r/min。,電主軸的振動類型:電主軸的諧振、電磁振蕩和機(jī) 械振動。,關(guān)鍵問題:提高電主軸的動平衡。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,主要措施:, 電主軸上零件精密加工、裝配和調(diào)校。, 電主軸上機(jī)構(gòu)必須遵守對稱性原則,鍵連接和螺
16、紋連接在,電主軸上是被禁止的。, 電主軸上的轉(zhuǎn)子應(yīng)與主軸裝配后,以主軸、后軸徑為定位,支撐,對轉(zhuǎn)子進(jìn)行最后的精車工序。, 在電機(jī)轉(zhuǎn)子的兩個端蓋上,對稱地加工1624個直徑略有,不同的螺紋孔(M4或M6),根據(jù)動平衡測試結(jié)果,旋入相 應(yīng)的動平衡螺釘并調(diào)節(jié)旋入深度,進(jìn)行動平衡的調(diào)節(jié),用環(huán) 氧樹脂將這些螺釘固化。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,(3)電主軸的散熱措施,電主軸的熱源:內(nèi)藏式高速電機(jī)的發(fā)熱和軸承的發(fā)熱。,電機(jī)的發(fā)熱:采用外循環(huán)油水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻; 軸承的發(fā)熱:采用角接觸陶瓷軸承,滾珠用Si3N4材料制,成,直徑比同規(guī)格球軸承小1/3;同時,采用強(qiáng)制循環(huán)油冷卻 的方式對主軸軸承進(jìn)行冷卻;,設(shè)
17、計電主軸組件時,電主軸上零件,最好采用同樣密度、,同樣比熱的材料,以保證整個電主軸組件運(yùn)轉(zhuǎn)的熱平衡性。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,(3) 解決電主軸的發(fā)熱問題的措施,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,(4)電主軸的支承,滾動軸承支承:高速性能好,支承剛性好、價格適中、便 于維修更換的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用廣泛。高速精密電主軸一般采用 小鋼球精密角接觸球軸承。,氣壓和液壓的動、靜壓軸承支承,電磁懸浮軸承:其內(nèi)外圈 小接觸,理論上壽命無限長,結(jié)構(gòu)簡單并能達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速。 電磁軸承價格較高,主要應(yīng)用在超高速加工等高科技設(shè)備 上,而動、靜壓軸承在多種精密、高速設(shè)備中應(yīng)用非常普遍。,復(fù)合陶瓷軸承:發(fā)展較快的一種支撐形式。其耐磨耐熱,能 滿足在一些特殊工作條件下的要求,壽命是傳統(tǒng)軸承的數(shù)倍。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動,(5)潤滑方式,油脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑等。,目前國際上最流行的是油氣潤滑。其原理是用微量泵定時 打出定量小油滴,經(jīng)通過凈化冷卻的干燥空氣潤滑每個軸承 的潤滑點(diǎn)。,潤滑的注意事項:, 潤
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