數(shù)控機(jī)床電主軸與進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).ppt

數(shù)控機(jī)床電主軸與進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-高速電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-直線伺服電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu),高速電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),1.高速電主軸概述。2.高速電主軸技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀。3.高速電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。,高速電主軸概述高速主軸單元包括動力源、主軸、軸承和機(jī)架四個(gè)主要部分，是高速機(jī)床的核心部件。這四個(gè)部分構(gòu)成一個(gè)動力學(xué)性能及穩(wěn)定性良好的系統(tǒng)，在很大程度上決定了機(jī)床所能達(dá)到的切削速度、加工精度和應(yīng)用范圍。從目前發(fā)展現(xiàn)狀來看，主軸單元形成獨(dú)立的單元而成為功能部件以方便地配置到多種加工中心及高速機(jī)床上，而且越來越多地采用電主軸類型。集成內(nèi)裝式電主軸：其主軸由內(nèi)裝式電機(jī)直接驅(qū)動，這種結(jié)構(gòu)基本上取消了帶傳動和齒輪傳動等中間傳動環(huán)節(jié)從而把機(jī)床主傳動鏈的長度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床主軸的“零傳動”。這是一種由內(nèi)裝式電機(jī)和機(jī)床主軸“合二為一”的傳動形式，即采用無外殼電機(jī)，將其空心轉(zhuǎn)子直接套裝在機(jī)床的主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體內(nèi)，形成內(nèi)裝式電機(jī)主軸（Build-inMotorSpindle），或稱高速電主軸（High-speedMotorizedSpindle）。電主軸典型的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成如圖所示。,高速電主軸的結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、響應(yīng)特性好，并可改善主軸的動平衡，減少振動和噪聲，是高速機(jī)床主軸單元的理想結(jié)構(gòu)。,相比普通主軸三大優(yōu)點(diǎn)：1.如果電機(jī)仍采用皮帶或齒輪等方式傳動，則在高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下所產(chǎn)生的振動和噪聲等問題難以解決，必會影響機(jī)床的加工精度、加工表面粗糙度。2.為了提高生產(chǎn)率，要求在最短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高的速度變化，即主軸回轉(zhuǎn)時(shí)要具有極大的角加速度。達(dá)到這個(gè)要求的最經(jīng)濟(jì)的辦法，是主軸傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量盡可能地減小。而將電機(jī)內(nèi)置，省掉齒輪、皮帶等一系列中間環(huán)節(jié)，才是達(dá)到這一目標(biāo)的理想途徑。3.電機(jī)內(nèi)置于主軸兩支承之間，可提高主軸系統(tǒng)的剛度，也就是提高了系統(tǒng)的固有頻率，從而提高了其臨界轉(zhuǎn)速值。,三大性能指標(biāo)：1.使用壽命:指更換一次軸承時(shí)主軸的累計(jì)工作時(shí)間。實(shí)際上就是指軸承的使用壽命。2.主軸前端徑向剛度是指電主軸工作端在單位徑向力作用下產(chǎn)生的位移。這一指標(biāo)對加工精度、生產(chǎn)效率影響很大。在其它條件相同的情況下，徑向剛度越大，工作效率就越高。3.臨界轉(zhuǎn)速是指當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，會使主軸出現(xiàn)撓度急劇增大、轉(zhuǎn)動失穩(wěn)現(xiàn)象的那些旋轉(zhuǎn)速度。主軸工作轉(zhuǎn)速應(yīng)遠(yuǎn)離各階臨界轉(zhuǎn)速，否則主軸將有可能處于共振區(qū)而產(chǎn)生劇烈振動。,高速電主軸技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀早在20世紀(jì)50年代，就己出現(xiàn)了用于磨削小孔的高頻電主軸，當(dāng)時(shí)的變頻器采用的是真空電子管，雖然轉(zhuǎn)速高，但傳遞的功率小，轉(zhuǎn)矩也小。隨著高速切削發(fā)展的需要和功率電子器件、微電子器件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了全固態(tài)元件的變頻器和矢量控制驅(qū)動器；加上混合陶瓷球軸承的出現(xiàn)，使得在20世紀(jì)80年代末、90年代初出現(xiàn)了用于銑削、鉆削、加工中心及車削等加工的大功率、大轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速的電主軸。1976年美國的Vought公司首次推出一臺超高速銑床，采用了Bryant內(nèi)裝式電機(jī)主軸系統(tǒng)，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了20,000r/min，功率為15KW。到90年代末期，電主軸發(fā)展的水平是:轉(zhuǎn)速40,000r/min，功率40KW。但2001年美國Cincinnati公司為宇航工業(yè)生產(chǎn)了SuperMach大型高速加工中心，其電主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)60,000r/min，功率為80KW。目前世界各主要工業(yè)國家均有裝備優(yōu)良的專業(yè)電主軸生產(chǎn)廠，批量生產(chǎn)一系列用于加工中心和高速數(shù)控機(jī)床的電主軸。其中最著名的生產(chǎn)廠家有:瑞士的FISCHER公司、IBAG公司和STEP-TEC公司，德國的GMN公司和FAG公司，美國的PRECISE公司，意大利的GAMFIOR公司和FOEMAT公司，日本的NSK公司和KOYO公司，以及瑞典的SKF公司等公司。,高速電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩種主要布局設(shè)計(jì)：1.主電機(jī)置于主軸前、后軸承之間。它采用兩支承結(jié)構(gòu)，前軸承比后軸承尺寸大，均分別用串聯(lián)安裝方式，前后支承受力方式為外撐式。后支承選用小尺寸軸承，雖然會降低速度回?cái)?shù)值，這對主軸整體剛性影響不大，但它改變了工作條件，對保持整個(gè)軸系的使用壽命十分有利。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是主軸單元的軸向尺寸較短，主軸剛度大，輸出功率大，較適合大中型高速機(jī)床。2.主電動機(jī)置于主軸后軸承之后，即主軸箱和主電機(jī)作軸向的同軸布置，這種方式減少了電主軸前端的懸伸量，電機(jī)的散熱條件較好，但整個(gè)電主軸單元的出力較小，軸向尺寸大，常用于小型高速機(jī)床。,高速電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作路線,高速電主軸動平衡設(shè)計(jì)主軸單元動平衡特點(diǎn)：離心力和轉(zhuǎn)速平方成正比，低速時(shí)測不到的不平衡在高速工作時(shí)變的非常明顯。動平衡設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上杜絕動不平衡因素如采用對稱設(shè)計(jì)、軸上零件采用無鍵（包括螺紋）聯(lián)結(jié)設(shè)計(jì)；裝配前單個(gè)零件分別動平衡；裝配后整體低速到高速逐漸動平衡（動平衡精度G1G0.4）；芯軸在轉(zhuǎn)子熱裝后低速到高速逐漸動平衡（動平衡精度G0.4）。,高速電主軸軸上零件無鍵連接為什么要采取無鍵聯(lián)結(jié)？主軸單元動平衡要求高（G1G0.4級），結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求不采用鍵、螺紋等動不平衡因素，但這帶來的是大扭矩傳遞（電機(jī)與轉(zhuǎn)子的聯(lián)結(jié)）、軸承軸向限位防松等結(jié)構(gòu)和無鍵聯(lián)結(jié)的矛盾。采用過盈套聯(lián)結(jié)精度高；對軸承預(yù)緊時(shí)不會引起軸承受力不均，不影響軸承壽命；過盈套質(zhì)量均勻，主軸動平衡易得到保證。無鍵聯(lián)結(jié)的過盈量計(jì)算計(jì)算原則：過盈配合應(yīng)保證過盈聯(lián)結(jié)的結(jié)合強(qiáng)度和聯(lián)結(jié)件的零件強(qiáng)度。結(jié)合強(qiáng)度是指外負(fù)荷的作用下，結(jié)合零件之間沒有相對移動，能可靠地傳遞給定的負(fù)荷；聯(lián)結(jié)件的零件強(qiáng)度是指聯(lián)結(jié)件在結(jié)合壓力的作用下，產(chǎn)生的復(fù)合應(yīng)力不超過設(shè)計(jì)給定的極限值，能夠安全可靠地工作。,計(jì)算方法：過盈配合的計(jì)算即在保證結(jié)合強(qiáng)度的條件下，計(jì)算出承受外載荷所需的最小過盈量min和保證聯(lián)結(jié)件的強(qiáng)度條件下所容許的最大有效過盈量max，并依此來選定恰當(dāng)?shù)呐浜?。在這種情況下，應(yīng)認(rèn)為在所選定的過盈配合條件下，零件不發(fā)生塑性變形，甚至在最大應(yīng)力區(qū)存在一定塑性變形的條件下，所設(shè)計(jì)的過盈配合仍能安全可靠工作。其主要計(jì)算如下：最小過盈量的計(jì)算：1.假設(shè)在靜態(tài)下即當(dāng)轉(zhuǎn)速為0時(shí)，過盈聯(lián)結(jié)面?zhèn)鬟f扭矩為M或當(dāng)過盈聯(lián)結(jié)承受軸向力為Fx時(shí)，由彈性力學(xué)原理，過盈聯(lián)結(jié)傳遞負(fù)載所需的最有效過盈量b可按下式計(jì)算：Ea、Ei過盈套材料和主軸材料彈性模量；Ca、Ci包容件（過盈套與被包容件（主軸）的直徑比有關(guān)的系數(shù)。結(jié)合加工工藝、裝配要求、工作溫度等因素并引入安全系數(shù)等對b修正，則在靜態(tài)條件求得傳遞力矩或者承受軸向力所須的最小過盈量emin按下式計(jì)算：,emin=b+s+t+ps考慮表面粗糙度影響的修正量；t考慮聯(lián)結(jié)件表面溫度與裝配溫度之差以及主軸與過盈套材料線膨脹系數(shù)之差的其修正量；p重復(fù)拆卸引起過盈量的減少；以上修正量的計(jì)算或確定可從機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中查得。2.主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)過盈套所受離心力，該離心力可引起過盈套內(nèi)孔的擴(kuò)張，導(dǎo)致過盈量減少。當(dāng)主軸材料和過盈套材料的泊松比、彈性模量和密度相差不大時(shí)，離心力引起過盈量減少量w可由下式計(jì)算式中，為主軸的轉(zhuǎn)速；為主軸材料和過盈套材料的密度；v為主軸材料和過盈套材料的泊松比；E為主軸材料和過盈套材料的彈性模量；,3.由以上可知，當(dāng)考慮轉(zhuǎn)速影響時(shí)傳遞力矩或者承受軸向力所須的最小過盈量min按下式計(jì)算:,式中，K為考慮過盈套結(jié)構(gòu)引起的應(yīng)力集中、載荷波動和影響和可靠性、安全性而引入的安全系數(shù)。最大過盈量的計(jì)算：,由第四強(qiáng)度理論，過盈套和軸不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大結(jié)合壓力Pmax和主軸結(jié)合面不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大結(jié)合壓力Pmin分別為：,式中，sa、si分別為過盈套材料的屈服強(qiáng)度,則在彈性范圍內(nèi)，過盈聯(lián)結(jié)合面不發(fā)生塑性變形時(shí)所容許的最大有效過盈量max按下式求得：,由以上各式，當(dāng)轉(zhuǎn)速為，過盈聯(lián)結(jié)面?zhèn)鬟f扭矩為M或當(dāng)過盈聯(lián)結(jié)承受軸向力為Fx，過盈套與軸之間過盈量b應(yīng)滿足以下要求：minbmax,電主軸結(jié)構(gòu)單元參數(shù)靜態(tài)估算1主軸軸承靜剛度2主軸單元準(zhǔn)要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定3高速電主軸單元臨界轉(zhuǎn)速的核算,前后支承均選用SKF高精度混合式陶瓷角接觸球軸承，其主要技術(shù)參數(shù)如表2.1：,主軸軸承靜剛度:,軸承裝配后的預(yù)緊力Gm可用下式計(jì)算:,Gm=f1f2ffHcGA,f軸承系數(shù)f1接觸角系數(shù),f2預(yù)緊級別系數(shù)fHc混合陶瓷球軸承修正系數(shù)GA裝配前的預(yù)緊力,前支承71913CE/HC：查機(jī)床滾動軸承應(yīng)用手冊f=1.85，f1=1，f2=1，fHc=1.06，GA=80Gm=1.85111.0680=156.88,主軸單元主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定：,主要假設(shè)：（1）用單一的當(dāng)量截面代替多個(gè)不同尺寸的截面；（2）用合并或忽略輔助支承的方法，將多個(gè)軸承簡化為前后兩個(gè)支承；（3）將軸承簡化為徑向的壓縮彈簧，即只認(rèn)為軸承具有徑向剛度，而不具有角剛度；（4）忽略轉(zhuǎn)速對軸承剛度的影響；（5）、忽略軸承負(fù)荷對軸承剛度的影響，即把軸承剛度當(dāng)作不變的常數(shù)對待。設(shè)計(jì)計(jì)算：,(1）主軸直徑的初選：參考國內(nèi)外電主軸生產(chǎn)廠家技術(shù)資料，根據(jù)電機(jī)、拉刀機(jī)構(gòu)等外購件的尺寸參數(shù)，初步確定主軸的當(dāng)量直徑D=63.5mm，主軸的內(nèi)孔直徑d=30mm。（2）前懸伸量a的初步確定：前懸伸a對主軸組件的綜合剛度影響很大，在選擇主軸端部結(jié)構(gòu)以及考慮刀具的安裝、軸承的類型及密封結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡可能減小主軸的懸伸量。初步確定前懸伸量a=55mm。（3）主軸最佳跨距l(xiāng)0的計(jì)算：滿足主軸前端最小靜撓度條件時(shí)的l是最佳跨距l(xiāng)0，當(dāng)0.75l/l01.5時(shí)，主軸組件的剛度損失不超過5%7%，在工程上認(rèn)為是合理的剛度損失，故在該范圍內(nèi)的跨距稱為“合理跨距”l合，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)爭取符合最佳跨距，如果結(jié)構(gòu)上不允許，則需修改其他參數(shù)使其處在l合范圍內(nèi)。,ys是假設(shè)軸承為剛性支承，主軸為彈性體時(shí)，主軸在前端受到外載荷P作用后的位移yz是假設(shè)主軸是剛體，支承為彈性體時(shí)，主軸在前端受到外載荷P作用后的位移,根據(jù)材料力學(xué)的特性，主軸前端在一定的外載荷P的作用下，主軸端部的總撓度y為,根據(jù)最小撓度條件dl/dy=0：,解得：l/a=3.8,最佳跨距l(xiāng)a=3.8a=3.8x55=209mm根據(jù)構(gòu)造上的要求對最佳跨距l(xiāng)0進(jìn)行修正。根據(jù)電機(jī)的尺寸參數(shù)取l=300mm,剛度驗(yàn)算：K=p/y,高速電主軸單元臨界轉(zhuǎn)速的核算：當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到某一定值時(shí)，軸將產(chǎn)生強(qiáng)烈的橫向振動，如果繼續(xù)提高其轉(zhuǎn)速，振動就會衰減，但當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到另一較高的定值時(shí)，強(qiáng)烈振動又會重新出現(xiàn)。這種發(fā)生強(qiáng)烈振動時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為軸的臨界轉(zhuǎn)速（n0）。同一根軸有很多個(gè)臨界轉(zhuǎn)速，按其數(shù)值由小到大排列，稱為第一階臨界轉(zhuǎn)速（n01）、第二階臨界轉(zhuǎn)速（n02）等。軸的工作轉(zhuǎn)速應(yīng)避免等于或接近其臨界轉(zhuǎn)速，以免產(chǎn)生共振，影響機(jī)床的加工質(zhì)量。工作轉(zhuǎn)速n低于第一階臨界轉(zhuǎn)速的軸稱為剛性軸，通常使n0.75n01，n高于第一階臨界轉(zhuǎn)速的軸稱為撓性軸，通常使1.4n01n0.7n02只裝一個(gè)盤狀零件且不計(jì)軸重時(shí)的臨界轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算：,W盤狀零件的重量,l兩支承間跨距（cm）K系數(shù),E軸材料的彈性模量（kgf/cm）I軸斷面的慣性矩,當(dāng)在一根雙支承的等徑軸上裝有i個(gè)盤狀類零件時(shí)，其臨界轉(zhuǎn)速有如下的關(guān)系式：,如果核算結(jié)果，臨界轉(zhuǎn)速偏低時(shí)，可通過提高軸的剛度或減輕軸的重量來提高其臨界轉(zhuǎn)速。,電主軸單元幾何精度設(shè)計(jì)：主軸軸承精度對主軸前端精度影響：,前、后軸承的誤差對主軸回轉(zhuǎn)精度的影響是不同的。圖(a)表示前軸承軸心有偏移a，后軸承偏移為零的情況。這時(shí)反映到主軸端部軸心的偏移為1=a(L+a)/L1；圖(b)表示后軸承有偏移b，前軸承偏移為零的情況。這時(shí)反映到主軸端部軸心的偏移為2=b（a/L）。,各種精度等級的機(jī)床，主軸軸承的精度，可參考設(shè)計(jì)手冊選用，再按下面所述方法驗(yàn)算。,定向選配法提高精度,定向選配的方法原理是將各項(xiàng)誤差按一定的方向裝配，使其誤差相互抵消或完全抵消。調(diào)整前、后軸承內(nèi)圈與主軸的周向位置，把各個(gè)誤差調(diào)到一條直線上，如圖所示，使其中較小的兩個(gè)誤差朝一個(gè)方向，最大的一個(gè)朝另一個(gè)方向。這樣，誤差可縮小為1或2，但不能完全抵消。,直線伺服電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu),直線伺服電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動部件：直線伺服電動機(jī)是一種直接將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的電力驅(qū)動裝置，是適應(yīng)超高速加工發(fā)展的需要而出現(xiàn)的一種新型電動機(jī)，直線伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)替換了傳統(tǒng)的由回轉(zhuǎn)型伺服電動機(jī)加滾珠絲杠的伺服進(jìn)給系統(tǒng)，從電動機(jī)到工作臺之間的一切中間轉(zhuǎn)動都沒有了，可直接驅(qū)動工作臺進(jìn)行直線運(yùn)動，使機(jī)床的加減速提高到傳統(tǒng)機(jī)床的1020倍，速度提高34倍。,原理：直線伺服電機(jī)工作原理同旋轉(zhuǎn)電動機(jī)相似，可以看成是將旋轉(zhuǎn)式伺服電動機(jī)沿徑向剖開，向兩邊拉開展平后演變而來，如圖，原來的定子轉(zhuǎn)化為直線伺服電動機(jī)的初級，原來的轉(zhuǎn)子演變成直線伺服電機(jī)的次級。原來的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)變?yōu)槠酱艌觥?為使初級和次級之間能在一定范圍內(nèi)做相對直線運(yùn)動，直線伺服電動機(jī)的初級和次級長短是不一樣的?？梢允嵌痰拇渭壱苿?，長的初級固定，如圖a所示；也可以是短的初級固定，長的次級移動，如圖b。,直線伺服電動機(jī)通電后，在定件和動件之間的間隙中產(chǎn)生一個(gè)大的行波磁場，依靠磁力，推動動件（工作臺）做直線運(yùn)動。,圖所示是直線伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，直線伺服電動機(jī)分為同步式和感應(yīng)式兩類。同歩式是在直線伺服電機(jī)的定件上，在全行程沿直線方向上一塊接一塊的安裝上永久磁鐵（電動機(jī)的次級）；在直線伺服電動機(jī)的動件下不的全長上，對應(yīng)一塊接一塊的安裝含鐵芯的通電繞組（電動機(jī)的初級。,采用直線伺服電動機(jī)驅(qū)動方式，省去減速器（齒輪，同你歩齒形帶）和滾珠絲杠副等中間環(huán)節(jié)，不僅簡化機(jī)床結(jié)構(gòu)，而且避免了因中間環(huán)節(jié)的彈性形變，磨損，間隙，發(fā)熱等帶來得分傳動誤差；無接觸的直接驅(qū)動，使其結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)簡便，可靠性高，響應(yīng)快，可以得到瞬間高的加/減速度。,存在的問題：1.隔磁防磁問題2.發(fā)熱問題3.成本高。,直線電機(jī)和工作臺之間沒有任何中間傳動環(huán)節(jié),這就使得各種外界擾動、負(fù)載擾動直接作用在電機(jī)上;同時(shí)直線電機(jī)特有的邊端效應(yīng)的影響以及其特殊運(yùn)動方式下重力、摩擦力的影響,更使得運(yùn)動方向推力變得難以控制。這就要求位置和速度檢測裝置有很高的分辨率和動態(tài)響應(yīng)能力。系統(tǒng)要有魯棒性很強(qiáng)的控制器,以消除內(nèi)部參數(shù)擾動和外界干擾的影響。目前,直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)采用的控制策略主要有傳統(tǒng)的PID控制、解耦控制;現(xiàn)代控制方法中的非線性控制、自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制及人工智能控制等。對于直接驅(qū)動直線電機(jī)位置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)