5-主轴-数控机床电气控制.

第5章、数控机床主轴的控制5.1概述5.2直、交流主轴电动机及其驱动控制5.3主轴驱动装置的工作原理5.4主轴分段无级调速及控制5.5.主轴准停控制第5章数控机床的主传动系统包括主轴电动机、传动系统和主轴组件，与普通机床的主传动系统相比，结构比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级变速来承担，省去了繁杂的齿轮变速结构，有些只有二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机的无级调速的范围。5.1概述第5章5.1.1对主传动系统的要求1调速范围各种不同的机床的调速范围的要求不同。多用途、通用性大的机床要求主轴的调速范围大，不但有低速大转矩，而且还要有较高的速度，如车削加工中心；而对于专用数控机床就不需要较大的调速范围，如数控齿轮加工机床、为汽车工业大批量生产而设计的数控钻镗床；还有些数控机床，不但要求能够加工黑色金属材料，还要加工铝合金等有色金属材料，这就要求变速范围大，且能超高速切削。第5章5.1.1对主传动系统的要求2热变形电动机、主轴及传动件都是热源。低温升、小的热变形是对主传动系统的要求的重要指标。3主轴的旋转精度和运动精度主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动条件下测量主轴前端和距离前端300mm处的径向圆跳动和端面圆跳动值。主轴在工作速度旋转时测量上述的两项精度称为运动精度.数控机床要求有高的旋转精度和运动精度.第5章5.1.1对主传动系统的要求4主轴的静刚度和抗振性由于数控机床精度较高,主轴的转速又很高,因此对主轴的静刚度和抗振性要求较高.主轴的轴径尺寸,轴承类型及配置方式,轴承预紧量大小,主轴组件的质量分布是否均匀及主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响.5主轴组件的耐磨性主轴组件必须有足够的耐磨性,使之能够长期保持良好的精度.凡机械摩擦的部件,如轴承,锥孔等都应有足够高的硬度,轴承处还应有良好的润滑.5.1.2主轴变速方式1.无级变速数控机床一般采用直流或交流主轴伺服电动机实现主轴无级变速.交流主轴电动机及交流变频驱动装置(笼型感应交流电动机配置矢量变换变频调速系统)由于没有电刷,不产生火花,所以使用寿命长,且性能已达到直流驱动系统水平,甚至在噪声方面还有所降低,因此目前应用较为广泛.第5章5.1.2主轴变速方式主轴传递的功率或转矩与转速之间的关系如图5-1.所示.当机床处在连续运转状态下,主轴的转速在437-3500r/min范围内,主轴传递电动机的传递功率11kw这称为主轴的恒功率区域II(实践)在这个区域内,主轴的最大输出转矩(245N.m)随着主轴转速的增高而变小.主轴转速在35-437r/min范围内,主轴的转出转矩不变称为主轴的恒转矩区域I(实践)在这个区域内主轴所能传递功率随着主轴转速的降低而减小.图中虚线所示为电动机超载(允许超载30min)时恒功率区域和横转矩区域.电动机的超载功率为15KW超载的最大输出转矩为334N.m.第5章5.1.2主轴变速方式图5-1.主轴功率转矩特性第5章5.1.2主轴变速方式2、分段无级变速数控机床在实际生产中，并不需要在整个变速范围内均为恒功率。一般要求在中、高速段为恒功率传动，在低速段为恒转矩传动。为了确保数控机床主轴低速时有较大的转矩和主轴的变速范围尽可能大，有的数控机床在交流或直流电动机无极变速的基本上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速，如图5.-2a、b所示。5.1.2主轴变速方式图5.-2数控机床主传动的四种配置方式a)齿轮变速b)带传动c)两个电动机分别驱动d)内装电动机主轴传动结构第5章5.1.2主轴变速方式(1)带有变速齿轮的主传动（见图5-2a）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。由于电动机在额定转速以上的恒功率调速范围为2～5，当需扩大这个调速范围时常用变速齿轮的办法来扩大调整范围，滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。第5章5.1.2主轴变速方式（2）通过带传动的主传动（见图5-2b）这种传运主要用在转速较高、变速范围不大的机床。电动机本身的调整就能够满足要求，不用齿轮变速，可以避免由齿轮传动时所引起的振动和噪声。它适用于高速低转矩特性的主轴。常用的是同步齿形带。第5章5.1.2主轴变速方式（3）用两个电动机分别驱动主轴这是上述两种方式的混合传动，具有上述两种性能（见图5-2c）。高速时，由一个电动机通过带传动；低速时，由另一个电动机通过齿轮传动，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动机功率不能充分利用的问题。但两个电动机不能同时工作，也是一种浪费。第5章5.1.2主轴变速方式3、液压拨叉变速机构在带有齿轮传动的主传动系统中，齿轮的换档主要靠液压拨叉来完成。图5-3是三位液压拨叉的原理图。第5章5.1.2主轴变速方式通过改变不同的通油方式可以使三联齿轮块获得三个不同的变速位置。该机构除液压缸和活塞杆外，还增加了套筒4。当液压缸1通入压力油，而液压缸5卸压时（见图5-3a），当活塞杆2便带动拨叉3向左移动到极限位置，此时拨叉带动三联齿轮块移动到左端。当液压缸5通压力油，而液压缸1卸压时（见图5-3b），活塞2和套筒4一起向右移动，在套筒4碰到液压缸5的端部后，活塞杆继续右移到极限位置，此时，三联齿轮块被拨叉3移动到右端。当压力油同时进入液压缸1和5时（见图5-3c），由于活塞杆的两端直径不同，使活塞杆处在中间位置。在设计活塞杆和套筒4的截面直径时，应使套筒4的圆环面上的向右推力大于活塞杆2的向左的推力。液压叉换挡在主轴停车之后才能进行，但停车时拨叉带动齿轮块移动又可能产生“顶齿”现象，因此在这种主运动系统中通常设一台微电动机，它在拨叉移动齿轮块的同时带动各传动齿轮低速回转，使移动齿轮与主动齿轮顺利啮合。第5章5.1.2主轴变速方式图5-3三位液压拨叉的原理图第5章5.1.2主轴变速方式4、电磁离合器变速电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操纵元件。电磁离合器用于数控机床的主传动时，能简化变速机构，通过若干个安装在各传动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。如图5-4所示为THK6380型自动换刀数控铣镗床的主传动系统图，该机床采用双速电机和六个电磁离合器完成18级变速。第5章5.1.2主轴变速方式图5-4THK6380型自动换刀数控铣镗床的主传动系统图第5章5.1.2主轴变速方式图5-5无集电环摩擦片式电磁离合器1--传动齿轮2—联结件3—套筒4—外摩擦片5—内摩擦片6挡环7—滚动轴承8—绕组9--铁心10—衔铁11—螺钉第5章5.1.2主轴变速方式图5-5是数控铣镗床主轴箱中使用的无滑环摩擦片式电磁离合器。传动齿轮1通过螺钉固定在联接件2的端面上，根据不同的传动结构，运动既可从齿轮1输入，也可以从套筒3输入。连接件2的外周开有六条直槽，并与外摩擦片段上的六个花键齿相配，这样就把齿轮1的转动直接传递给外摩擦片段。套筒3的内孔和外圆都有花键，而且和挡环6用螺钉11连成一体。内摩擦片5通过内孔花键套装在套筒3上，并一起转动。当线圈8通电时，衔铁10被吸引右移，把内摩擦片刻和外摩擦片段压紧在挡环6上，通过摩擦力矩把齿轮1与套筒3结合在一起。无滑环电磁离合器的线圈8和铁心9是不转动的，在铁心9的右侧均匀分布着六条键槽，用斜键将铁心固定在变速箱的壁上。当线圈8断电时，外摩擦片4的弹性爪使衔铁10迅速恢复到原来位置，内、外摩擦片互相分离，运动被切断。这种离合器的优点在于省去了电刷，避免了磨损和接触不良带来的故障，因此比较适合于高速运转的主运动系统。由于采用摩擦牌来传递转矩，所以允许不停车变速。但也带来了另外的缺点，这就是变速时将产生大量的摩擦热，还由于线圈和铁心是静止不动的，这就必须在旋转的套筒上装滚动轴承7，因而增加了离合器的径向尺寸。此外，这种摩擦离合器的磁力线通过钢质的摩擦片，在线圈断电之后会有剩磁，所以增加了离合器的分离时间。第5章5.1.2主轴变速方式图5-6啮合式电磁离合器1—线圈2--衔铁3—螺钉4—弹簧5--定位环6—隔离环7--连接螺钉8--旋转集电环9—磁轭第5章5.1.2主轴变速方式图5-6为啮合式电磁离合器，它是在摩擦面上做了一定齿形，来提高传递的扭力。线圈1通电，带有端面齿的衔铁2又通过渐开线花键来定位环5相联，再通过螺钉7与传动件相联。磁轭内孔的花键送给另一个轴，这样，就使与螺钉相联的轴与另一轴同时旋转。隔离环6是防止传动轴分离一部分磁力线，进而削弱电磁吸引力。衔铁采用渐开线花键与定位环5相联是为了保证同轴度。这种离合器必须在低于1～2r/min的转速下变速第5章5.1.2主轴变速方式与其他型式的电磁离合器相比，啮合式电磁离合器能够传递更大的转矩，因而相应地减小了离合器的径向和轴向尺寸，使主轴箱的结构更为紧凑。啮合过程无滑动是它的另一个优点，这样不但使摩擦热减少，有助于改善数控机床主轴箱的热变形，而且还可以在有严格要求的传动比的传动链中使用。但这种离合器带有旋转集电环8，电刷与滑环之间有摩擦，影响了变速的可靠性，而且还应避免在很高的转速下工作。另一方面，离合器必须在低于1～2r/min的转速下变速，这将给自动变速带来不便。根据上述特点，啮合式电磁离合器较适宜于在要求温升小和结构紧凑的数控机床上使用。第5章5.1.2主轴变速方式5、内装电动机主轴变速图5.1-26内装电动机主轴这种主传动是电动机直接带动主轴旋转，如图5.1-2d所示，因而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，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴的精度影响较大。近年来，出现了一种新式的内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体。其优点是主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声。缺点是电动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动机主轴的关键问题。第5章5.1.2主轴变速方式图5-7日本研制的立式加工中心主轴组件如图5-7所示为日本研制的立式加工中心主轴组件，其内装电动机主轴最高转速可达20000r/min。第5章5.1.3高速主轴的设计自20世纪80年代以来，数控机床、加工中心主轴向高速化发展。高速主轴的发展是以航空工业、家电、汽车等工业追求机械零件的轻量化而普遍采用铝合金零件后，提出的轻铝合金高速加工的课题而产生的。对于钢铁等黑色金属的加工，由于刀具寿命的限制，目前的最高主轴转速在10000r/min已经足够充裕，而铝合金的切削性能就不同，根据日本隈铁工所做的铝合金切削试验，速度提高，表面粗糙Ra值降低。表5-1是铝合金在切削实验中切削速度和表面粗糙度的关系。第5章5.1.3高速主轴的设计转速/r﹒min-1进给量/mm﹒min-1切削速度/m﹒min-1Ra/μm1000010007850.5620000200015700.4630000300023560.3240000400031420.32表5-1铝合金在切削实验中切削速度和表面粗糙度的关系第5章5.1.3高速主轴的设计主轴高速化首先要解决的技术问题有三方面：1.高速电动机的控制技术是一项新技术。2.高速轴承的开发高速时选用陶瓷轴承的方案已在加工中心机床上采用，其轴承的滚动体是用陶瓷材料制成，而内、外圈仍用轴承钢制造。陶瓷材料为Si3N4，其优点是重量轻，为轴承钢的40%；热膨胀率低，是轴承钢的25%；弹性模量大，是轴承的1.5倍。采用陶瓷流动体，可大大减小离心力和惯性滑移，有利于提高主轴转速。目前的问题是陶瓷价格昂贵，且有关寿命、可靠性试验数据尚不充分，需进一步试验和完善。第5章5.1.3高速主轴的设计3.冷却润滑技术的研究过去，加工中心机床主轴轴承大部采用油脂润滑方式，为了适应主轴转速向更高速化发展的需要，新的冷却润滑方式相继开发出来，见表5-2。时间/年转速/r润滑方式备注19805000油脂198