數(shù)控技術(shù)第七章2課件

四、高速主軸的設(shè)計80年代以來，數(shù)控機(jī)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(jī)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(chǎn)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(zhuǎn)速的Dmn值小于1×106m/min已經(jīng)足夠充裕，而鋁合金的切削性能就不同，根據(jù)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(guān)系。

主鈾高速化首要解決的技術(shù)問題有三方面：(1)高速電動機(jī)的控制技術(shù)。(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(jī)床上采用，其軸承的滾動體是用陶瓷材料制成，而內(nèi)、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(zhuǎn)速。目前的問題是陶瓷價格昂貴，且有關(guān)壽命、可靠性試驗數(shù)據(jù)尚不充分．需進(jìn)一步試驗和完善。(3)冷卻潤滑技術(shù)的研究過去加工中心機(jī)床主軸軸承大都采用油脂潤滑方式，為了適應(yīng)主鈾轉(zhuǎn)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(jìn)而減小軸承內(nèi)外因的溫差，以及為解決高速主鈾軸承滾道處進(jìn)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(jìn)軸承空隙中，油量大小可達(dá)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(jù)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(jìn)入注油器，把少量油帶入混合室，經(jīng)節(jié)流閥的壓縮空氣，經(jīng)混合室，把油帶進(jìn)塑料管道內(nèi)，油液沿管道壁被風(fēng)吹進(jìn)軸承內(nèi)，此時，油成小油滴狀。3)突人滾道式潤滑方式。內(nèi)徑為100mm的軸承以20000r/min的速度旋轉(zhuǎn)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(dá)50m/s要使?jié)櫥屯黄七@層旋轉(zhuǎn)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(yīng)該要求而設(shè)計的特殊軸承。潤滑油的進(jìn)油口在內(nèi)滾道附近，利用高速軸承的泵效應(yīng)，把潤滑油吸入滾道。若進(jìn)油口較高，則泵效應(yīng)差，當(dāng)進(jìn)油口接近外該道時則成為排放口了，油液將不能進(jìn)入軸承內(nèi)部。4)電動機(jī)內(nèi)裝式主鈾。電動機(jī)轉(zhuǎn)子裝在主軸上，主鈾就是電動機(jī)軸，多用在小型加工中心機(jī)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(jié)構(gòu)示意圖以及冷卻油流經(jīng)過路線。五、天級變速傳動鏈的設(shè)計目前數(shù)控機(jī)床上采用的主軸電動機(jī)主要是四磁極鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)，刪c交流主鈾電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nd＝1500r／min，最高轉(zhuǎn)速nmax=6000~8000r/min；西門子的交流主鈾電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nd=1500r／min；最高轉(zhuǎn)速nmax=6500~9000r/min，從額定轉(zhuǎn)速nd到最高轉(zhuǎn)速nmax是恒功率調(diào)速，調(diào)速范圍為。nmax/nd≤5~6從額定轉(zhuǎn)速向低速調(diào)速是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，恒轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)矩變小，功率不變c在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)工作時，隨轉(zhuǎn)速的下降，功率減小，轉(zhuǎn)矩不變，如圖7—21所示。第三節(jié)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服電動機(jī)，調(diào)速范圍足夠?qū)?，其轉(zhuǎn)速可以從每分鐘不到一轉(zhuǎn)至幾千轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)矩足夠大，可達(dá)到數(shù)十N·m，甚至百N·m以上，因此可以把進(jìn)給伺服電動機(jī)直接裝到滾珠絲杠上，不需要齒輪降速機(jī)構(gòu)。這就使進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)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(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動的重要部件之一。它的優(yōu)點是摩擦系數(shù)小，傳動精度高，傳動效率高達(dá)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(yùn)動則必須有制動裝置。其動、靜摩擦系數(shù)之差甚小，有利于防止爬行和提高進(jìn)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(chǎn)廠家訂購，無須自行設(shè)計制造。(一)滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)

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(yùn)動。三者均用軸承鋼制成，經(jīng)淬火、磨削、達(dá)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(nèi)循環(huán)和外循環(huán)。根據(jù)消除間隙和預(yù)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(yù)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(chǎn)生定位誤差，影響機(jī)床的精度穩(wěn)定性，為了提高進(jìn)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(jìn)行預(yù)加載荷或稱為預(yù)緊。消除間隙和預(yù)緊的方法有多種。機(jī)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(nèi)。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(yù)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(dǎo)程加大，影響定位精度。為了補(bǔ)償熱膨脹，可將絲杠預(yù)拉伸。預(yù)拉伸量應(yīng)賂大于熱膨脹量。發(fā)熱后，熱膨脹量抵消了部分預(yù)拉伸量，使絲杠內(nèi)的拉應(yīng)力r降，但長度卻沒有變化。需進(jìn)行預(yù)拉伸的絲杠在制造時應(yīng)使其目標(biāo)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(dǎo)程乘以絲杠上的螺紋因數(shù)）減去預(yù)拉伸量。拉伸后恢復(fù)公稱行程值。減去的量稱為“行程補(bǔ)償值”。(四)中空強(qiáng)冷滾珠絲杠將絲杠制成空心，通人冷卻液強(qiáng)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(jìn)給速度，據(jù)介紹，國外的鋁合金加工端銑時，進(jìn)給速度已經(jīng)達(dá)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(qiáng)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(jī)進(jìn)給系統(tǒng)直線電動機(jī)是指可以直接產(chǎn)生直線運(yùn)動的電動機(jī)，可作為進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)，如圖7—29所示。其雛形在世界上出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)電動機(jī)不久之后就出現(xiàn)了，但由于受制造技術(shù)水平相應(yīng)用能力的限制，一直未能在制造業(yè)領(lǐng)域作為驅(qū)動電動機(jī)而使用。在常規(guī)的機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，仍一直采用“旋轉(zhuǎn)電動機(jī)+滾珠絲杠”的傳動體系。隨著近幾年來超高速加工技術(shù)的發(fā)展，滾珠絲杠機(jī)構(gòu)已不能滿足高速度和高加速度的要求，直線電動機(jī)才有了用武之地。持別是大功率電子器件、新型交流變頻調(diào)速技術(shù)、微型計算機(jī)數(shù)控技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，為直線電動機(jī)在高速數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用提供了條件。

1．直線電動機(jī)工作原理簡介直線電動機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)電動機(jī)相比，并沒有本質(zhì)的區(qū)別，可以將其視為旋轉(zhuǎn)電動機(jī)沿圓周方向拉開展平的產(chǎn)物。如圖7—30所示。對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動機(jī)的定子部分，稱為直線電動機(jī)的初級。對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子部分，稱為直線電動機(jī)的次級。當(dāng)多相交變電流通人多相對稱繞組時，就會在直線電動機(jī)初級和次級之間的氣隙中產(chǎn)生一個行波磁場，從而使初級和次級之間相對移動。當(dāng)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(jī)可以分為直流直線電動機(jī)、步進(jìn)直線電動機(jī)和交流直線電機(jī)三大類。在機(jī)床上主要使用交流直線電動機(jī)。在結(jié)構(gòu)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(jī)床用直線電動機(jī)一般采用圖7—3l中b所示的短初級、動初級結(jié)構(gòu)。在勵磁方式上，交流直線電動機(jī)可以分為永磁(同步)式和感應(yīng)(異步)式兩種。永磁式直線電動機(jī)的次級是一塊一塊鋪設(shè)的永久磁鋼，其初級是含鐵芯的三相繞組。感應(yīng)式直線電動機(jī)的初級和水磁式直線電動機(jī)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(jī)的永久磁鋼。永磁式直線電機(jī)在單位面積推力、效率、可控性等方面均優(yōu)于感應(yīng)式直線電動機(jī)，但其成本高，工藝復(fù)雜，而且給機(jī)床的安裝、使用和維護(hù)帶來不便。感應(yīng)式直線電動機(jī)在不通電時是沒有磁性的，因此有利于機(jī)床的安裝、使用和維護(hù)，近年來，其性能不斷改進(jìn)，已接近水磁式直線電動機(jī)的水平，在機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用已受到歡迎。直線電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜、這里我們只以短初級感應(yīng)式直線電動機(jī)為例簡要分折。2．使用直線電動機(jī)的高速機(jī)加工系統(tǒng)現(xiàn)在的機(jī)加工對機(jī)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(zhuǎn)電動機(jī)+珠絲杠”體系引良難適應(yīng)這一趨勢。使用直線電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)，有以下特點：1)使用直線伺服電動機(jī)，電磁力直接作用于運(yùn)動體(工作臺)上，而不用機(jī)械連接，因此沒有機(jī)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(jī)上裝配全數(shù)字伺服系統(tǒng)，可以達(dá)到極好的伺服性能。由于電動機(jī)和工作臺之間無機(jī)械連接件，工作臺對位置指令幾乎是立即反應(yīng)(電氣時間常數(shù)約為1ms)，從而使得跟隨誤差減至最小而達(dá)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(jìn)給運(yùn)動。3)直線電動機(jī)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(dá)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(fù)荷作用下，伺服系統(tǒng)保持其位置的能力)。4)直線電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)由于無機(jī)械零件相互接觸，因此無機(jī)械磨損，也就不需要定期維護(hù)，也不象滾珠絲杠那樣有行程限制，使用多段拼技術(shù)可以滿足超長行程機(jī)床的要求。5)由于直線電動機(jī)的動件(初級)已和機(jī)床的工作臺合二為一，因此，和滾珠絲杠進(jìn)給單元不同，直線電動機(jī)進(jìn)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(jī)在機(jī)床上的應(yīng)用也存在一些問題，包括：1)由于沒有機(jī)械連接或嚙合，因此垂直軸需要外加一個平衡塊或制動