数控技术(第七章2)

四、高速主轴的设计80年代以来，数控机床、加工中心、主铀的高速化发展很快，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的Dmn值小于1×106m/min已经足够充裕，而铝合金的切削性能就不同，根据日本大限铁工所做的铝合金切削试验，速度的提高，表面粗糙度Ra值降低，表7—1是表面租糙度和切削速度的关系。主铀高速化首要解决的技术问题有三方面：(1)高速电动机的控制技术。(2)高速轴承的开发高速时选用陶瓷轴承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、外因仍用轴承钢制造。陶瓷材料为动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，是轴承钢的1．5倍。采用陶瓷滚动体，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。(3)冷却润滑技术的研究过去加工中心机床主轴轴承大都采用油脂润滑方式，为了适应主铀转速向更高速化发展的需要，新的润滑冷却方式相继开发出来，表7-2所示为减小轴承温升，进而减小轴承内外因的温差，以及为解决高速主铀轴承滚道处进油困难所开发的各种润滑冷却方式。1)油气润滑方式。这种润滑方式不同于油雾润滑方式，油气润滑是用压缩空气把小油摘送进轴承空隙中，油量大小可达最佳值，压缩空气有散热作用，润滑油可回收，不污染周围空气。图7—17是油气润滑原理图。根据轴承供油量的要求，定时器的循环时间可从1min到99min定时，每次定时时间到二位二通气阀开通一次，压缩空气进入注油器，把少量油带入混合室，经节流阀的压缩空气，经混合室，把油带进塑料管道内，油液沿管道壁被风吹进轴承内，此时，油成小油滴状。2)喷注润滑方式。这是最近开始采用的新型润滑方式。其原理如图7—18所示。它用较大流量的恒温油(每个轴承3—4L／min)喷注到主轴轴承，以达到冷却润滑的目的。回油则不是自然回流，而是用两台排油泵强制排油。3)突人滚道式润滑方式。内径为100mm的轴承以20000r/min的速度旋转时，线速度为100m／s以上，轴承周围的空气也伴随流动，流速可达50m/s要使润滑油突破这层旋转气流很不容易，采用突人滚道式润滑方式则可以可靠地将油送入轴承滚道处。如图7—19所示为适应该要求而设计的特殊轴承。润滑油的进油口在内滚道附近，利用高速轴承的泵效应，把润滑油吸入滚道。若进油口较高，则泵效应差，当进油口接近外该道时则成为排放口了，油液将不能进入轴承内部。4)电动机内装式主铀。电动机转子装在主轴上，主铀就是电动机轴，多用在小型加工中心机床上。这也是近来高速加工中心主轴发展的一种趋势。图7—20所示为结构示意图以及冷却油流经过路线。五、天级变速传动链的设计目前数控机床上采用的主轴电动机主要是四磁极鼠笼式感应电动机，删c交流主铀电动机的额定转速nd＝1500r／min，最高转速nmax=6000~8000r/min；西门子的交流主铀电动机的额定转速nd=1500r／min；最高转速nmax=6500~9000r/min，从额定转速nd到最高转速nmax是恒功率调速，调速范围为。nmax/nd≤5~6从额定转速向低速调速是恒转矩调速，恒转矩的凋速范围为nd/nmin，由于nmin可以很小，使nd/nmin可以大到1000以上。在恒功率区工作时，随着转速的升高，转矩变小，功率不变c在恒转矩区工作时，随转速的下降，功率减小，转矩不变，如图7—21所示。若主传动系统采用图7—13中b、d形式，由电动机单独完成主轴的变速要求，电动机的变速范围则等于主轴的变速范围，在低于额定转速时，转速越低输出的功率越小，当机床在低速大转矩切削加工时．要求电动机输出较大的转矩，由于电动机的功率是根据额定转速确定的，为了满足机床低速大转矩的要求，就不得不选用大功率电动机。这样就会造成在较高转速，特别是在额定转速以上工作时，电动机功率远大于机床消耗的功率的后果，造成资源的浪费。由于某些数控机休主轴要求的恒功率调运范围远大于电动机的恒功率范围，因此采用图7。13a的形式用串联分级变速箱的办法来扩大恒功率调速范围。变速齿轮的公比φ的确定与电动机的恒功率调速范围有关，原则上使φ等于电动机恒功率调速范围，为适应主轴变速范围的要求，也有使φ大于或小于电机恒功率调速范围。第三节数控机床进给传动系统现代数控机床的进给伺服电动机，调速范围足够宽，其转速可以从每分钟不到一转至几千转；转矩足够大，可达到数十N·m，甚至百N·m以上，因此可以把进给伺服电动机直接装到滚珠丝杠上，不需要齿轮降速机构。这就使进给系统的机械传动机构很简单，只剩下滚珠丝杠的问题了。一、滚珠丝杠传动滚珠丝杠传动是数控机床伺服驱动的重要部件之一。它的优点是摩擦系数小，传动精度高，传动效率高达85％—98％，是普通滑动丝杠传动的2~4倍。滚珠丝杠副的摩擦角小于1°因此不能自锁。如果用于立式升降运动则必须有制动装置。其动、静摩擦系数之差甚小，有利于防止爬行和提高进给系统的灵敏度；采用消除反向间隙并硕紧措施，有助于提高定位精度和刚度。一般情况下，滚珠丝杠可以宣接从专门生产厂家订购，无须自行设计制造。(一)滚珠丝杠的结构图7—23为滚珠丝杠的原理图。丝杆1和螺母3之间填入钢珠2，使丝杠和螺母之间为滚动摩擦运动。三者均用轴承钢制成，经淬火、磨削、达到足够高的精度。螺纹的截面为圆弧形其半径赂大于钢球半径。依回珠方式分为内循环和外循环。根据消除间隙和预加载荷的方法不同，又分为单螺母法和双螺母法。如图7—24所示。(二)滚珠丝杠副的消除间隙和预加载荷滚珠丝杠的传动不允许存在轴向间隙，不仅因为它会造成反向冲击，更主要是产生定位误差，影响机床的精度稳定性，为了提高进给系统的刚度，使滚珠丝杠在过盈条件下工作更为有利，即进行预加载荷或称为预紧。消除间隙和预紧的方法有多种。机床上常用双螺母法子加载荷。如图7—25所示。图中1是丝杠，2是左螺母，3是钢珠，4是右螺母。固7—25a把左右螺母往两头撑开；图7—25b向中间挤紧。这时接触角为45°，左、右螺母接触方向相反。须加载荷力为Fo。左右螺母装在一个共同的螺母体内。螺母作为整体与丝杆间处于无间隙或过盈状态以提高接触刚度。(三)滚珠丝杠的预拉伸滚珠丝杠在工作时会发热，其温度高于床身。丝杠的热膨胀将使导程加大，影响定位精度。为了补偿热膨胀，可将丝杠预拉伸。预拉伸量应赂大于热膨胀量。发热后，热膨胀量抵消了部分预拉伸量，使丝杠内的拉应力r降，但长度却没有变化。需进行预拉伸的丝杠在制造时应使其目标行程（螺纹部分在常温厂的长度）等于公称行（螺纹部分的理论长度，等于公称导程乘以丝杠上的螺纹因数）减去预拉伸量。拉伸后恢复公称行程值。减去的量称为“行程补偿值”。(四)中空强冷滚珠丝杠将丝杠制成空心，通人冷却液强行冷却可以有效地散发丝杠传动中的热量，对保证定位精度大有益处，由此也可获得较高的进给速度，据介绍，国外的铝合金加工端铣时，进给速度已经达到7m/min总在一般的滚珠丝杠传动是难以实现的。因7—28所示为带中空强冷的滚珠丝杠传动图。为了减少滚珠丝杠受热变形，在支承法兰处通人恒温油循环冷却以保持在恒温状态下工作。二、直线电动机进给系统直线电动机是指可以直接产生直线运动的电动机，可作为进给驱动系统，如图7—29所示。其雏形在世界上出现了旋转电动机不久之后就出现了，但由于受制造技术水平相应用能力的限制，一直未能在制造业领域作为驱动电动机而使用。在常规的机床进给系统中，仍一直采用“旋转电动机+滚珠丝杠”的传动体系。随着近几年来超高速加工技术的发展，滚珠丝杠机构已不能满足高速度和高加速度的要求，直线电动机才有了用武之地。持别是大功率电子器件、新型交流变频调速技术、微型计算机数控技术和现代控制理论的发展，为直线电动机在高速数控机床中的应用提供了条件。世界上第一台使用直线电动机驱动工作台的高速加工中心是德国Ex-Cell-O公司于1993年生产的，采用了德国Indrament公司开发成功的感应式直线电机。同时，美国Ingersoll公司和Frod汽车公司合作，在HVM800型卧式加工中心上采用了美国Anorad公司生产的水磁式直线电动机。日本的FANUC公司于1994年购买了Anorad公司的专利权，开始在亚洲市场销售直线电动机。在1996年9月芝加哥国际制造技术博览会(IMTS’96)上，直线电动机如雨后春笋船展现在人们面前，这预示着直线电动机开辟的机床新时代已经到来。1．直线电动机工作原理简介直线电动机的工作原理与旋转电动机相比，并没有本质的区别，可以将其视为旋转电动机沿圆周方向拉开展平的产物。如图7—30所示。对应于旋转电动机的定子部分，称为直线电动机的初级。对应于旋转电动机的转子部分，称为直线电动机的次级。当多相交变电流通人多相对称绕组时，就会在直线电动机初级和次级之间的气隙中产生一个行波磁场，从而使初级和次级之间相对移动。当然，二者之间也存在一个垂直力，可以是吸引力，也可以是推斥力。直线电动机可以分为直流直线电动机、步进直线电动机和交流直线电机三大类。在机床上主要使用交流直线电动机。在结构上，可以有如图7—31所示的短次级和短初级两种形式。为了减小发热量和降低成本，高速机床用直线电动机一般采用图7—3l中b所示的短初级、动初级结构。在励磁方式上，交流直线电动机可以分为永磁(同步)式和感应(异步)式两种。永磁式直线电动机的次级是一块一块铺设的永久磁钢，其初级是含铁芯的三相绕组。感应式直线电动机的初级和水磁式直线电动机的初级相同，而次级是用自行短路的不馈电栅条来代替永磁式直线电动机的永久磁钢。永磁式直线电机在单位面积推力、效率、可控性等方面均优于感应式直线电动机，但其成本高，工艺复杂，而且给机床的安装、使用和维护带来不便。感应式直线电动机在不通电时是没有磁性的，因此有利于机床的安装、使用和维护，近年来，其性能不断改进，已接近水磁式直线电动机的水平，在机械行业的应用已受到欢迎。直线电动机的数学模型比较复杂、这里我们只以短初级感应式直线电动机为例简要分折。2．使用直线电动机的高速机加工系统现在的机加工对机床的加工速度和加工精度提出了越来越高的要求，传统的“旋转电动机+珠丝杠”体系引良难适应这一趋势。使用直线电动机的驱动系统，有以下特点：1)使用直线伺服电动机，电磁力直接作用于运动体(工作台)上，而不用机械连接，因此没有机械滞后或齿节周期误差，精度完全取决于反馈系统的检测精度。2)直线电动机上装配全数字伺服系统，可以达到极好的伺服性能。由于电动机和工作台之间无机械连接件，工作台对位置指令几乎是立即反应(电气时间常数约为1ms)，从而使得跟随误差减至最小而达到较高的精度。并且，在任何速度下都能实现非常平稳的进给运动。3)直线电动机系统在动力传动小由于没有低效率的中介传动部件而能达到高效率．可获得很好的动态刚度(动态刚度即为在脉冲负荷作用下，伺服系统保持其位置的能力)。4)直线电动机驱动系统由于无机械零件相互接触，因此无机械磨损，也就不需要定期维护，也不象滚珠丝杠那样有行程限制，使用多段拼技术可以满足超长行程机床的要求。5)由于直线电动机的动件(初级)已和机床的工作台合二为一，因此，和滚珠丝杠进给单元不同，直线电动机进给单元只能采用全闭环控制系统。其控制框图如图7—33所示。然而，直线电动机在机床上的应用也存在一些问题，包括：1)由于没有机械连接或啮合，因此垂直轴需要外加一个平衡块或制动器。2)当负荷变化大时，需要重新整定系统。目前，大多数现代控制装置具有自动整定功能因此能快速调机。3)磁铁(或线圈)对电动机部件的吸力很大，因此应注意选择导轨和设计滑架结构，并注意解决磁铁吸引金属颗粒的问题。直线电动机驱动系统具有很多的优点，对于促进机床的高速化有十分重要的意义和应用价值。由于目前尚处于初级应用阶段，生产批量不