數控技術第七章2課件

四、高速主軸的設計80年代以來，數控機床、加工中心、主鈾的高速化發(fā)展很快，高速主軸的發(fā)展是以航空工業(yè)、家電、汽車等工業(yè)追求機械零件的輕量化，而普遍采用鋁合金零件后，提出的輕鋁合金高速加工的課題而產生的。對于鋼鐵等黑色金屬的加工，由于刀具壽命的限制，目前的最高主軸轉速的Dmn值小于1×106m/min已經足夠充裕，而鋁合金的切削性能就不同，根據日本大限鐵工所做的鋁合金切削試驗，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關系。

主鈾高速化首要解決的技術問題有三方面：(1)高速電動機的控制技術。(2)高速軸承的開發(fā)高速時選用陶瓷軸承已在加工中心機床上采用，其軸承的滾動體是用陶瓷材料制成，而內、外因仍用軸承鋼制造。陶瓷材料為動Si3N4，其優(yōu)點是重量輕，為軸承鋼的40％，熱膨脹率低，是軸承鋼的25％；彈性模量大，是軸承鋼的1．5倍。采用陶瓷滾動體，可大大減小離心力和慣性滑移，有利于提高主軸轉速。目前的問題是陶瓷價格昂貴，且有關壽命、可靠性試驗數據尚不充分．需進一步試驗和完善。(3)冷卻潤滑技術的研究過去加工中心機床主軸軸承大都采用油脂潤滑方式，為了適應主鈾轉速向更高速化發(fā)展的需要，新的潤滑冷卻方式相繼開發(fā)出來，表7-2所示為減小軸承溫升，進而減小軸承內外因的溫差，以及為解決高速主鈾軸承滾道處進油困難所開發(fā)的各種潤滑冷卻方式。1)油氣潤滑方式。這種潤滑方式不同于油霧潤滑方式，油氣潤滑是用壓縮空氣把小油摘送進軸承空隙中，油量大小可達最佳值，壓縮空氣有散熱作用，潤滑油可回收，不污染周圍空氣。圖7—17是油氣潤滑原理圖。根據軸承供油量的要求，定時器的循環(huán)時間可從1min到99min定時，每次定時時間到二位二通氣閥開通一次，壓縮空氣進入注油器，把少量油帶入混合室，經節(jié)流閥的壓縮空氣，經混合室，把油帶進塑料管道內，油液沿管道壁被風吹進軸承內，此時，油成小油滴狀。3)突人滾道式潤滑方式。內徑為100mm的軸承以20000r/min的速度旋轉時，線速度為100m／s以上，軸承周圍的空氣也伴隨流動，流速可達50m/s要使?jié)櫥屯黄七@層旋轉氣流很不容易，采用突人滾道式潤滑方式則可以可靠地將油送入軸承滾道處。如圖7—19所示為適應該要求而設計的特殊軸承。潤滑油的進油口在內滾道附近，利用高速軸承的泵效應，把潤滑油吸入滾道。若進油口較高，則泵效應差，當進油口接近外該道時則成為排放口了，油液將不能進入軸承內部。4)電動機內裝式主鈾。電動機轉子裝在主軸上，主鈾就是電動機軸，多用在小型加工中心機床上。這也是近來高速加工中心主軸發(fā)展的一種趨勢。圖7—20所示為結構示意圖以及冷卻油流經過路線。五、天級變速傳動鏈的設計目前數控機床上采用的主軸電動機主要是四磁極鼠籠式感應電動機，刪c交流主鈾電動機的額定轉速nd＝1500r／min，最高轉速nmax=6000~8000r/min；西門子的交流主鈾電動機的額定轉速nd=1500r／min；最高轉速nmax=6500~9000r/min，從額定轉速nd到最高轉速nmax是恒功率調速，調速范圍為。nmax/nd≤5~6從額定轉速向低速調速是恒轉矩調速，恒轉矩的凋速范圍為nd/nmin，由于nmin可以很小，使nd/nmin可以大到1000以上。在恒功率區(qū)工作時，隨著轉速的升高，轉矩變小，功率不變c在恒轉矩區(qū)工作時，隨轉速的下降，功率減小，轉矩不變，如圖7—21所示。第三節(jié)數控機床進給傳動系統(tǒng)現(xiàn)代數控機床的進給伺服電動機，調速范圍足夠寬，其轉速可以從每分鐘不到一轉至幾千轉；轉矩足夠大，可達到數十N·m，甚至百N·m以上，因此可以把進給伺服電動機直接裝到滾珠絲杠上，不需要齒輪降速機構。這就使進給系統(tǒng)的機械傳動機構很簡單，只剩下滾珠絲杠的問題了。一、滾珠絲杠傳動滾珠絲杠傳動是數控機床伺服驅動的重要部件之一。它的優(yōu)點是摩擦系數小，傳動精度高，傳動效率高達85％—98％，是普通滑動絲杠傳動的2~4倍。滾珠絲杠副的摩擦角小于1°因此不能自鎖。如果用于立式升降運動則必須有制動裝置。其動、靜摩擦系數之差甚小，有利于防止爬行和提高進給系統(tǒng)的靈敏度；采用消除反向間隙并碩緊措施，有助于提高定位精度和剛度。一般情況下，滾珠絲杠可以宣接從專門生產廠家訂購，無須自行設計制造。(一)滾珠絲杠的結構

圖7—23為滾珠絲杠的原理圖。絲桿1和螺母3之間填入鋼珠2，使絲杠和螺母之間為滾動摩擦運動。三者均用軸承鋼制成，經淬火、磨削、達到足夠高的精度。螺紋的截面為圓弧形其半徑賂大于鋼球半徑。依回珠方式分為內循環(huán)和外循環(huán)。根據消除間隙和預加載荷的方法不同，又分為單螺母法和雙螺母法。如圖7—24所示。(二)滾珠絲杠副的消除間隙和預加載荷滾珠絲杠的傳動不允許存在軸向間隙，不僅因為它會造成反向沖擊，更主要是產生定位誤差，影響機床的精度穩(wěn)定性，為了提高進給系統(tǒng)的剛度，使?jié)L珠絲杠在過盈條件下工作更為有利，即進行預加載荷或稱為預緊。消除間隙和預緊的方法有多種。機床上常用雙螺母法子加載荷。如圖7—25所示。圖中1是絲杠，2是左螺母，3是鋼珠，4是右螺母。固7—25a把左右螺母往兩頭撐開；圖7—25b向中間擠緊。這時接觸角為45°，左、右螺母接觸方向相反。須加載荷力為Fo。左右螺母裝在一個共同的螺母體內。螺母作為整體與絲桿間處于無間隙或過盈狀態(tài)以提高接觸剛度。(三)滾珠絲杠的預拉伸滾珠絲杠在工作時會發(fā)熱，其溫度高于床身。絲杠的熱膨脹將使導程加大，影響定位精度。為了補償熱膨脹，可將絲杠預拉伸。預拉伸量應賂大于熱膨脹量。發(fā)熱后，熱膨脹量抵消了部分預拉伸量，使絲杠內的拉應力r降，但長度卻沒有變化。需進行預拉伸的絲杠在制造時應使其目標行程（螺紋部分在常溫廠的長度）等于公稱行（螺紋部分的理論長度，等于公稱導程乘以絲杠上的螺紋因數）減去預拉伸量。拉伸后恢復公稱行程值。減去的量稱為“行程補償值”。(四)中空強冷滾珠絲杠將絲杠制成空心，通人冷卻液強行冷卻可以有效地散發(fā)絲杠傳動中的熱量，對保證定位精度大有益處，由此也可獲得較高的進給速度，據介紹，國外的鋁合金加工端銑時，進給速度已經達到7m/min總在一般的滾珠絲杠傳動是難以實現(xiàn)的。因7—28所示為帶中空強冷的滾珠絲杠傳動圖。為了減少滾珠絲杠受熱變形，在支承法蘭處通人恒溫油循環(huán)冷卻以保持在恒溫狀態(tài)下工作。二、直線電動機進給系統(tǒng)直線電動機是指可以直接產生直線運動的電動機，可作為進給驅動系統(tǒng)，如圖7—29所示。其雛形在世界上出現(xiàn)了旋轉電動機不久之后就出現(xiàn)了，但由于受制造技術水平相應用能力的限制，一直未能在制造業(yè)領域作為驅動電動機而使用。在常規(guī)的機床進給系統(tǒng)中，仍一直采用“旋轉電動機+滾珠絲杠”的傳動體系。隨著近幾年來超高速加工技術的發(fā)展，滾珠絲杠機構已不能滿足高速度和高加速度的要求，直線電動機才有了用武之地。持別是大功率電子器件、新型交流變頻調速技術、微型計算機數控技術和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，為直線電動機在高速數控機床中的應用提供了條件。

1．直線電動機工作原理簡介直線電動機的工作原理與旋轉電動機相比，并沒有本質的區(qū)別，可以將其視為旋轉電動機沿圓周方向拉開展平的產物。如圖7—30所示。對應于旋轉電動機的定子部分，稱為直線電動機的初級。對應于旋轉電動機的轉子部分，稱為直線電動機的次級。當多相交變電流通人多相對稱繞組時，就會在直線電動機初級和次級之間的氣隙中產生一個行波磁場，從而使初級和次級之間相對移動。當然，二者之間也存在一個垂直力，可以是吸引力，也可以是推斥力。直線電動機可以分為直流直線電動機、步進直線電動機和交流直線電機三大類。在機床上主要使用交流直線電動機。在結構上，可以有如圖7—31所示的短次級和短初級兩種形式。為了減小發(fā)熱量和降低成本，高速機床用直線電動機一般采用圖7—3l中b所示的短初級、動初級結構。在勵磁方式上，交流直線電動機可以分為永磁(同步)式和感應(異步)式兩種。永磁式直線電動機的次級是一塊一塊鋪設的永久磁鋼，其初級是含鐵芯的三相繞組。感應式直線電動機的初級和水磁式直線電動機的初級相同，而次級是用自行短路的不饋電柵條來代替永磁式直線電動機的永久磁鋼。永磁式直線電機在單位面積推力、效率、可控性等方面均優(yōu)于感應式直線電動機，但其成本高，工藝復雜，而且給機床的安裝、使用和維護帶來不便。感應式直線電動機在不通電時是沒有磁性的，因此有利于機床的安裝、使用和維護，近年來，其性能不斷改進，已接近水磁式直線電動機的水平，在機械行業(yè)的應用已受到歡迎。直線電動機的數學模型比較復雜、這里我們只以短初級感應式直線電動機為例簡要分折。2．使用直線電動機的高速機加工系統(tǒng)現(xiàn)在的機加工對機床的加工速度和加工精度提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的“旋轉電動機+珠絲杠”體系引良難適應這一趨勢。使用直線電動機的驅動系統(tǒng)，有以下特點：1)使用直線伺服電動機，電磁力直接作用于運動體(工作臺)上，而不用機械連接，因此沒有機械滯后或齒節(jié)周期誤差，精度完全取決于反饋系統(tǒng)的檢測精度。2)直線電動機上裝配全數字伺服系統(tǒng)，可以達到極好的伺服性能。由于電動機和工作臺之間無機械連接件，工作臺對位置指令幾乎是立即反應(電氣時間常數約為1ms)，從而使得跟隨誤差減至最小而達到較高的精度。并且，在任何速度下都能實現(xiàn)非常平穩(wěn)的進給運動。3)直線電動機系統(tǒng)在動力傳動小由于沒有低效率的中介傳動部件而能達到高效率．可獲得很好的動態(tài)剛度(動態(tài)剛度即為在脈沖負荷作用下，伺服系統(tǒng)保持其位置的能力)。4)直線電動機驅動系統(tǒng)由于無機械零件相互接觸，因此無機械磨損，也就不需要定期維護，也不象滾珠絲杠那樣有行程限制，使用多段拼技術可以滿足超長行程機床的要求。5)由于直線電動機的動件(初級)已和機床的工作臺合二為一，因此，和滾珠絲杠進給單元不同，直線電動機進給單元只能采用全閉環(huán)控制系統(tǒng)。其控制框圖如圖7—33所示。然而，直線電動機在機床上的應用也存在一些問題，包括：1)由于沒有機械連接或嚙合，因此垂直軸需要外加一個平衡塊或制動