第三章數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)和數(shù)控機床編程及加工

數(shù)控機床機械結(jié)構

第三章

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)

第一節(jié)數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的基本要求具有更大的調(diào)速范圍和功率，并實現(xiàn)無級調(diào)速，一般Rn>100。以便對加工材料選擇合理切削用量，以獲得最高生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。具有更高的精度與剛度，傳動平穩(wěn)，噪音低。數(shù)控機床的加工精度與主傳動系統(tǒng)精度密切相關。具有良好的抗振性與熱穩(wěn)定性，固有頻率高，動平衡，循環(huán)冷卻潤滑。數(shù)控機床較普通機床具有更高的轉(zhuǎn)速，加工中由于斷續(xù)切削，余量不勻，運動件不平衡及切削過程中的自激振動等更易引起沖擊或交變力干擾，產(chǎn)生主軸振動，影響加工精度和表面質(zhì)量。高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的高熱量引起零部件熱變形，降低精度和傳動效率。功率轉(zhuǎn)矩特性主軸功率轉(zhuǎn)矩特性電機功率轉(zhuǎn)矩特性額定轉(zhuǎn)速計算轉(zhuǎn)速數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)示例第二節(jié)主傳動變速方式齒輪變速主傳動系統(tǒng)齒輪降速增扭矩滿足強力切削要求，大中型數(shù)控機床及部分小型數(shù)控機床（經(jīng)濟型）適用。速度較底。直接皮帶主傳動系統(tǒng)避免了齒輪傳動引起的振動與噪音，中小型數(shù)控機床適用。速度較高。直聯(lián)電機傳動或電主軸系統(tǒng)結(jié)構簡單，重量輕，慣量小，啟停響應快，振動噪音小，主軸部件剛度高，速度高。扭矩小，電機發(fā)熱對主軸熱變形影響大。帶變速齒輪主傳動第三節(jié)主軸支撐形式與軸承選型一、前支承采用雙列圓柱滾子軸承＋雙列60o角接觸球軸承。后支承采用成對角接觸球軸承。特點：綜合剛度高，滿足強烈切削要求，但轉(zhuǎn)速較低。應用：各類數(shù)控機床主軸。二、全部采用高精度角接觸球軸承。特點：剛度相對較低，為了提高承載力，增加前軸承數(shù)量，并配套予緊。轉(zhuǎn)速高。應用：高速高精度輕型數(shù)控機床主軸。三、采用雙列和單列圓錐滾子軸承。特點：剛度高，能承受重載尤其是較強動載荷的作用，安裝調(diào)整方便，但轉(zhuǎn)速和精度較低。應用：中等精度低速重載數(shù)控機床主軸。主軸軸承配置形式三種常用形式第四節(jié)典型主軸分析介紹TND360數(shù)控車床主軸CK7815數(shù)控車床主軸CK7815

數(shù)控車床主軸EX-122車削中心主軸XH754加工中心主軸部件主軸準停電控主軸準停裝置機械控制主軸準停裝置

JCS-018鏜銑加工中心主軸部件直聯(lián)主軸

動力卡盤主軸軸承軸向卸荷結(jié)構第五節(jié)動力與高速卡盤動力卡盤與驅(qū)動油缸直聯(lián)主軸

動力卡盤動

力

卡

盤高速切削卡盤液壓尾架第六節(jié)

先進主軸技術一、電主軸概念將主軸電機與機床主軸合二為一，從而使主軸部件從機床傳動系統(tǒng)和整體結(jié)構中獨立出來，制成模塊化、系列化的主軸單元功能部件，即電主軸—ElectrospindleorMotorSpindle、MotorizedSpindle目前電主軸產(chǎn)品主要采用交流高頻電機，固也稱高頻主軸—HighFrequcncySpindle電主軸沒有中間傳動環(huán)節(jié)，也稱為直接傳動主軸——DirectDriveSpindle電主軸是一種智能型功能部件，不但轉(zhuǎn)速高，功率大，且還有一系列控制主軸溫升和振動等機床運行參數(shù)的功能，以確保高速運轉(zhuǎn)的可靠性與安全。因此電主軸是一個完整的系統(tǒng)。電主軸系統(tǒng)二、電主軸特點由于采用電機內(nèi)置，省去了皮帶、齒輪等傳動件，避免了高速運轉(zhuǎn)條件下的振動和噪音等問題，從而提高高速加工精度和表面質(zhì)量，降低環(huán)境污染。由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)，將主軸系統(tǒng)傳動慣量降至最小，從而可以實現(xiàn)主軸回轉(zhuǎn)的高角加、減速度，在最短時間內(nèi)實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速的速度變化，提高高速加工生產(chǎn)率。電機內(nèi)置于主軸兩支承間，可以較大的提高主軸系統(tǒng)剛度，也提高系統(tǒng)固有頻率，從而提高其臨界轉(zhuǎn)速，確保高速運轉(zhuǎn)的安全。由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)的外力作用，主軸高速運行沒有沖擊而更加平穩(wěn)，主軸軸承壽命延長。三、電主軸基本參數(shù)與性能水平套筒直徑32——320轉(zhuǎn)速10000——150000r/min功率0.5——80kW轉(zhuǎn)矩噪聲<70——75dB使用壽命5000——10000h四、電主軸供應德國GMNCYTEC瑞士FISCHERIBAGSTEP-TEC意大利GAMFIORFAEMAT中國洛陽軸承研究所五、電主軸及其類型滾動軸承電主軸：價格低廉，使用維護方便靜壓軸承電主軸：結(jié)構緊湊，動靜態(tài)剛度高，價高，使用維護復雜。磁浮軸承電主軸：轉(zhuǎn)速高，功率大可自平衡，無振動，無需潤滑維護，壽命無限，剛度較高，便于測力和過程監(jiān)控六電

主軸典型結(jié)構聯(lián)接裝置滾珠套冷卻水套矢量控制位移傳感器HSK刀具接口陶磁珠混合軸承六電

主軸典型結(jié)構七、電主軸軸承配置與預加載荷1.軸承型式：精密角接觸球軸承(密珠)，適應高速同時承受徑向和軸向負荷作用。2.預加載荷的目的功用消除軸承軸向游隙，提高軸承剛度和主軸旋轉(zhuǎn)精度。抑制振動和鋼球自轉(zhuǎn)打滑。預加載荷越大，提高剛度和主軸旋轉(zhuǎn)精度效果越好，但過大導致溫升越高，可能造成燒傷而降低使用壽命，甚至不能正常工作。電主軸軸承配置與預加載荷前軸承后軸承

前軸承后軸承3.預加載荷的方法剛性預加載荷：利用內(nèi)外隔圈或軸承內(nèi)外環(huán)的寬度尺寸差施加預加載荷。方法簡單，但軸系零件熱變形將引起預加載荷的變化。適合于轉(zhuǎn)速不太高，變速范圍較小的電主軸。彈性預加載荷：采用彈性裝置，即用適當?shù)膹椈蛇M行預加載荷，使預加載荷少受溫度和速度的影響。適合于轉(zhuǎn)速較高，變速范圍較大的情況?？烧{(diào)整預加載荷：在最高轉(zhuǎn)速時預加載荷由彈簧確定，其它不同轉(zhuǎn)速時，通以相應的控制油壓或氣壓加大預加載荷，使其與轉(zhuǎn)速實現(xiàn)最佳匹配。適合于高性能高壽命電主軸?？烧{(diào)整預加載荷

裝置原理

滾珠離心力對比離心力與軸向位移4.陶磁球混合軸承?鋼質(zhì)內(nèi)外環(huán)配氮化硅(Si3N4)陶磁球組成的角接觸球軸承稱混合陶磁軸承(HybridCeramicBearing)，簡稱混合軸承(HybridBearing)或陶磁球軸承。?陶磁球的優(yōu)點質(zhì)量輕。材料密度3，高速回轉(zhuǎn)離心力顯著減小，接觸應力減小，摩擦功耗下降，溫升降低，壽命提高。離心力小，引起的軸向位移減小，預加載荷變化小，適應高轉(zhuǎn)速要求。彈性模量高。E值為鋼的倍，可提高軸承和主軸系統(tǒng)剛度，也提高主軸系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速。線膨脹系數(shù)低。Α值約為鋼的1/4，不同溫升條件下配合間隙或預加載荷變化小，可靠性高。硬度高。約為鋼的倍，磨損減少，壽命提高。陶磁球與鋼環(huán)親和力低，不產(chǎn)生“咬合”，磨損物也不會嵌入陶磁球，壽命進一步提高。?陶磁球軸承在高速重載條件下仍然能獲得高剛度、低溫升、長壽命的效果。?陶磁球軸承價格為鋼質(zhì)球軸承的2～倍，而壽命為3～6倍。5.磁懸浮軸承?工作原理：依靠多副在圓周上互為180o分布的電磁鐵產(chǎn)生徑向相反的吸或斥力，將主軸懸浮在空氣中，軸徑與軸承間有較大的間隙。當在載荷作用下主軸空間位置發(fā)生變化，位置傳感器將測量值通過電子自動控制與反饋裝置改變相應磁極的作用力，從而使主軸迅速恢復到原來位置。磁

懸

浮

軸

承

原

理

圖

相對180o的電磁鐵已略去磁懸浮軸承電主軸結(jié)構?無磨損，不需潤滑，壽命長，溫升低，回轉(zhuǎn)精度極高，剛度可設定，價格高。八電主軸軸承潤滑1.潤滑方式油脂潤滑：一次性永久潤滑，無附加裝置，免特別維護，溫升較高，最高轉(zhuǎn)速受限。油—氣潤滑：采用專用裝置，利用分配閥對所需潤滑的不同部位按實際需要，定時定量供給油氣混合物，保證軸承各部位既不缺潤滑，又不會因潤滑過量而造成更大溫升，同時將油霧污染降至最低程度。2.軸承類型與潤滑方式組合混合軸承配油—氣潤滑，轉(zhuǎn)速高鋼軸承配油—氣潤滑，轉(zhuǎn)速較高混合軸承配油脂潤滑，轉(zhuǎn)速較高電主軸油氣潤滑系統(tǒng)電主軸軸承潤滑與密封FISCHER公司直接潤滑系統(tǒng)(DLS)將油－氣直接從徑向送達接觸應力最高處，作為選件供給對電主軸要求極高的用戶IBAG公司滾動軸承電主軸九典型電主軸IBAG公司靜壓軸承電主軸IBAG公司磁浮軸承電主軸雙電機電主軸小電機：高速小轉(zhuǎn)矩大電機：低速大轉(zhuǎn)矩減小外形尺寸改善功率轉(zhuǎn)速特性電主軸性能特點采用矢量控制技術滿足低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率要求?；佟~定轉(zhuǎn)速，恒轉(zhuǎn)矩與恒功率交匯點轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速：主軸系統(tǒng)（包括刀具）產(chǎn)生系統(tǒng)最低一階共振的時的轉(zhuǎn)速S1：100％運轉(zhuǎn)時間內(nèi)負載連續(xù)不變S6：每2min周期內(nèi)60％時間負載40％時間空載PEAK：瞬時過載十、電主軸選用1.依據(jù)指標：最高轉(zhuǎn)速，額定功率，轉(zhuǎn)矩及其與轉(zhuǎn)速的關系。2.主要事項?從實際出發(fā)，忌貪高(高速)求大(大功率)，造成浪費，后續(xù)維護費事。?根據(jù)實際可行的切削規(guī)范，多計算，少“拍腦袋”?多與供應商的銷售服務專家探討，并交“實底”，聽取他們的有益建議。?注意正確選擇軸承類型與潤滑方式，在滿足需求前提下，盡可能選用陶磁混合軸承與永久性油脂潤滑組合，以省去潤滑部件并簡化維護。數(shù)控機床編程及加工機械工程實驗教學中心實驗目的通過數(shù)控機床的加工程序編制，掌握編程的方法及技巧；將在計算機上用OpenSoftCNC軟件模擬顯示加工過程校驗程序，然后在數(shù)控機床上對工件進行加工；結(jié)合機械加工工藝，實現(xiàn)最優(yōu)化編程，提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的基本原理數(shù)控編程的目的；數(shù)控編程的內(nèi)容；編程步驟。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的基本原理所謂編程，就是把零件的圖形尺寸、工藝過程、工藝參數(shù)、機床的運動以及刀具位移等內(nèi)容，按照數(shù)控機床的編程格式和能識別的語言記錄在程序單上的全過程。這樣編制的程序還必須按規(guī)定把程序單制備成控制介質(zhì)如程序紙帶、磁帶等，變成數(shù)控系統(tǒng)能讀懂的信息，再送入數(shù)控機床，數(shù)控機床的CNC裝置對程序經(jīng)過處理之后，向機床各坐標的伺服系統(tǒng)發(fā)出指令信息，驅(qū)動機床完成相應的運動。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的目的數(shù)控編程的基本原理①分析零件圖紙，確定加工工藝過程；②計算走刀軌跡，得出刀位數(shù)據(jù)；③編寫零件加工程序；④制作控制介質(zhì)；⑤校對程序及首件試加工。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的內(nèi)容數(shù)控編程的基本原理機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的步驟零件圖紙分析零件圖紙制定工藝規(guī)程數(shù)學處理編寫程序文件制作控制介質(zhì)程序校驗及試切數(shù)控機床OpenSoftCNC軟件介紹OpenSoftCNC軟件包括數(shù)控車床模擬仿真和數(shù)控銑床模擬仿真系統(tǒng)，由軟件+標準硬件系統(tǒng)構成，不要求專用硬件或運動控制卡，所有數(shù)控功能和邏輯控制功能均由軟件完成，操作界面由系統(tǒng)操作和機床控制兩大部分組成。機械工程實驗教學中心OpenSoftCNC軟件介紹機械工程實驗教學中心為例，軟件提供下列指令：以數(shù)控車床模擬仿真系統(tǒng)（OpenSoftCNC01T）組別指令功能編程格式模態(tài)

1G00快速線性移動G00X(U)_Z(W)_√G01直線插補G01X(U)_Z(W)_√G02順時針圓弧插補G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆時針圓弧插補G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺紋插補G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺紋插補G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X軸返回程序零點G27

G28Z軸返回程序零點G28

G92定義絕對坐標系G92X_Z_√2G04延時G04E_

3M00暫停M00

M02程序結(jié)束M02

4M03主軸正轉(zhuǎn)M03√M04主軸反轉(zhuǎn)M04√M05主軸停M05√5M08開冷卻液M08√M09關冷卻液M09√

6M97程序跳轉(zhuǎn)M97P_

M98子程序調(diào)用M98P_L_

M99子程序返回M99

7M20自定義開關1有效M20√M21自定義開關1無效M21√8M22自定義開關2有效M22√M23自定義開關2無效M23√9S主軸轉(zhuǎn)速控制S00～S07；S0000～S9999√10T指定刀具T00～T05√11F指定速度F12～F4000√OpenSoftCNC軟件介紹在程序管理界面下，可進行有關數(shù)控加工程序文件的各種操作，如讀入程序、編輯修改及查錯編譯等。每一個工件程序由若干個程序段組成；每一個程序段完成一個加工步驟；每一個程序指令有程序段號和若干個指令代碼組成，指令代碼在