数控机床的主运动系统学习教案

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1、会计学1数控机床数控机床(sh kn j chun)的主运动的主运动系统系统第一页，共26页。25.1 概述概述(i sh)5.2 数控机床的主运动数控机床的主运动5.3 数控机床的进给运动数控机床的进给运动5.4 数控机床的换刀运动数控机床的换刀运动第1页/共26页第二页，共26页。31000vndminminmax1000vndmaxmaxmin1000vndmaxmaxmaxnminminminnvdRnvd 主轴主轴(zhzhu)转速转速n（r/min）： 主轴主轴(zhzhu)的最低和最高转的最低和最高转速：速： r/min 主轴主轴(zhzhu)调速范调速范围：围： r/min r

2、/min（1）主轴转速和调速范围）主轴转速和调速范围5.2.1 主运动参数主运动参数5.2 数控机床的主运动数控机床的主运动第2页/共26页第三页，共26页。460000955000zcPvTnN （2）主运动的功率）主运动的功率(gngl)、转、转矩特性矩特性kwPZ 主切削力（主切削力（N） v 切削速度（切削速度（m/min）T 切削扭矩（切削扭矩（Nm） n 主轴主轴(zhzhu)转速（转速（r/min） 主运动主运动(yndng)所需输出的功所需输出的功率：率： 主运动的转矩特性：主运动的转矩特性：最大功率（或扭矩）与运动速度之间的关系。最大功率（或扭矩）与运动速度之间的关系。 5.

3、2 数控机床的主运动数控机床的主运动第3页/共26页第四页，共26页。5恒扭矩输出：常用于一些特殊恒扭矩输出：常用于一些特殊(tsh)工序加工，如光车、攻工序加工，如光车、攻大直径螺纹、铰大直径孔、精镗、成形铣削等，需要的输出大直径螺纹、铰大直径孔、精镗、成形铣削等，需要的输出功率较小的情况。功率较小的情况。 5.2 数控机床数控机床(sh kn j chun)的主运动的主运动第4页/共26页第五页，共26页。65.2.2 主运动主运动(yndng)的传动的传动形式形式（1）带有简单变速）带有简单变速(bin s)机构的主传动机构的主传动优点：优点：能满足各种切削运能满足各种切削运动的转矩输出

4、，且具有大动的转矩输出，且具有大范围调节速度的能力。范围调节速度的能力。缺点：缺点：结构复杂，需要润结构复杂，需要润滑及温度控制装置；成本滑及温度控制装置；成本较高；制造和维修难。较高；制造和维修难。应用：应用：一般大中型铣床多一般大中型铣床多采用这种结构。采用这种结构。第5页/共26页第六页，共26页。7（2）通过）通过(tnggu)皮带传动的主传动皮带传动的主传动优点优点(yudin)：结构简单，：结构简单，安装调试方便，传动平衡，安装调试方便，传动平衡，在一定条件下能满足转速与在一定条件下能满足转速与转矩的输出要求。转矩的输出要求。缺点：调速范围比（恒功率缺点：调速范围比（恒功率调速范围

5、与恒扭矩调速范围调速范围与恒扭矩调速范围之比）受电机调速范围比的之比）受电机调速范围比的约束。约束。应用：低扭矩输出要求的小应用：低扭矩输出要求的小型数控机床主轴上。型数控机床主轴上。5.2 数控机床数控机床(sh kn j chun)的主运动的主运动第6页/共26页第七页，共26页。8（3）电机直接驱动）电机直接驱动(q dn)的主轴结构（两种类型的主轴结构（两种类型）电机通过精密联轴器与主轴联接。电机通过精密联轴器与主轴联接。特点：结构紧凑、传动特点：结构紧凑、传动(chundng)效率高效率高的，主轴的特性完全与电机输出特性一致的，主轴的特性完全与电机输出特性一致，因而在使用上受到一定限

6、制。，因而在使用上受到一定限制。主轴与电机转子为一体，称电主轴。主轴与电机转子为一体，称电主轴。特点：结构紧凑，惯量小，响应特点：结构紧凑，惯量小，响应(xingyng)快。制造和控制要求高。如主轴的散热、快。制造和控制要求高。如主轴的散热、动平衡、支承、润滑及控制等。造价高。动平衡、支承、润滑及控制等。造价高。应用：多用于高速加工。应用：多用于高速加工。5.2 数控机床的主运动数控机床的主运动第7页/共26页第八页，共26页。95.2.3 主轴主轴(zhzhu)典型控制功能典型控制功能1. 主轴主轴(zhzhu)准停装准停装置置机械式准停装置机械式准停装置(zhungzh)：功能：功能：当特

7、殊加工或自动换刀，主轴能实现准确的停当特殊加工或自动换刀，主轴能实现准确的停止在一个固定位置上。止在一个固定位置上。1-无触点开关 2-感应块 3-凸轮定位盘4-定位液压缸 5-定向滚轮 6-定位活塞 机械准停装置比较准确可靠机械准停装置比较准确可靠，但结构较复杂。，但结构较复杂。5.2 数控机床的主运动数控机床的主运动第8页/共26页第九页，共26页。10电气电气(dinq)式准停式准停装置：装置：1-主轴主轴 2-同步同步(tngb)感应器感应器 3-主轴电动机主轴电动机 4-永久磁铁永久磁铁 5-磁传感器磁传感器磁力传感器准停装置工作原理：磁力传感器准停装置工作原理： 数控装置发出主轴停

8、转指令时，主数控装置发出主轴停转指令时，主轴电动机轴电动机3立即降速，当永久磁铁立即降速，当永久磁铁4对准磁传感器对准磁传感器5时，磁传感器发出准时，磁传感器发出准停信号停信号(xnho)，由定向电路使电动，由定向电路使电动机准确地停止在规定的周向位置上机准确地停止在规定的周向位置上。1）利用主轴上光电脉冲产生准停信号。）利用主轴上光电脉冲产生准停信号。2）利用磁力传感器检产生准停信号。）利用磁力传感器检产生准停信号。5.2 数控机床的主运动数控机床的主运动第9页/共26页第十页，共26页。112. 刀具刀具(doj)自动夹紧装置、切屑清除装置自动夹紧装置、切屑清除装置自动换刀卧式镗床（镗铣加

9、工自动换刀卧式镗床（镗铣加工(ji gng)中心）的主轴部件中心）的主轴部件5.2 数控机床数控机床(sh kn j chun)的主运动的主运动第10页/共26页第十一页，共26页。123. C轴控制轴控制(kngzh)与同步速度控制与同步速度控制(kngzh) 主轴的回转位置主轴的回转位置(wi zhi)（转角）控制可进给伺服电机实现（转角）控制可进给伺服电机实现，也可以由主轴电机实现，此时主轴的位置，也可以由主轴电机实现，此时主轴的位置(wi zhi)（角度（角度)由装于主轴上（不是主轴电机）上的高分辨率编码器检测，由装于主轴上（不是主轴电机）上的高分辨率编码器检测，主轴作为进给伺服轴工作

10、。主轴作为进给伺服轴工作。对应对应(duyng)Z轴的回转轴（即绕主轴回转）为轴的回转轴（即绕主轴回转）为C轴。轴。 C轴与进给轴（轴与进给轴（Z轴或轴或X轴）联动进行插补控制，可以实现任意轴）联动进行插补控制，可以实现任意曲线的加工。如：螺纹，端面曲线，非圆柱或圆锥的异形回转表曲线的加工。如：螺纹，端面曲线，非圆柱或圆锥的异形回转表面等。面等。C轴控制与同步速度控制的功能：轴控制与同步速度控制的功能：C轴的控制方式：轴的控制方式：5.2 数控机床的主运动数控机床的主运动第11页/共26页第十二页，共26页。135.2.4 电主轴电主轴 结构紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高结构紧凑、效率高

11、、噪声低、振动小和精度高 具备具备(jbi)精确的主轴定位及精确的主轴定位及C轴传动功能。轴传动功能。 易实现高速化，其动态精度和动态稳定性更好。易实现高速化，其动态精度和动态稳定性更好。 主轴运行平稳，使主轴轴承的寿命得到延长。主轴运行平稳，使主轴轴承的寿命得到延长。 主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是关键。主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是关键。电主轴具有电主轴具有(jyu)如下特点：如下特点：5.2 数控机床数控机床(sh kn j chun)的主运动的主运动第12页/共26页第十三页，共26页。14电主轴电主轴电主轴电主轴5.2 数控机床数控机床(sh kn j chun)的主运动

12、的主运动第13页/共26页第十四页，共26页。155.2 数控机床数控机床(sh kn j chun)的主运动的主运动第14页/共26页第十五页，共26页。165.2 数控机床数控机床(sh kn j chun)的主运动的主运动第15页/共26页第十六页，共26页。17（1）电主轴电机的类型）电主轴电机的类型(lixng) 根据电主轴内装式电机的控制根据电主轴内装式电机的控制(kngzh)方法方法普通交流变频电主轴普通交流变频电主轴结构简单，成本低，但存在低结构简单，成本低，但存在低速速(d s)输出功率不稳的问题，难以满足低速输出功率不稳的问题，难以满足低速(d s)大扭矩的要求。大扭矩的要

13、求。交流伺服电主轴交流伺服电主轴特点：低速输出性能好，可实现闭环控特点：低速输出性能好，可实现闭环控制，经常用于加工中心等要求主轴定位或有制，经常用于加工中心等要求主轴定位或有C轴功能传动的数轴功能传动的数控机床。控机床。根据电主轴内装式电机的输出特性根据电主轴内装式电机的输出特性恒转矩电主轴恒转矩电主轴转矩是恒定的，输出功率与转速成正比。转矩是恒定的，输出功率与转速成正比。适合于磨削及高速钻削，电主轴的转速越高，输出功率越大。适合于磨削及高速钻削，电主轴的转速越高，输出功率越大。5.2 数控机床的主运动数控机床的主运动第16页/共26页第十七页，共26页。18恒功率恒功率(gngl)电主轴电

14、主轴在低速段的输出是恒转矩，在低速段的输出是恒转矩，高速段则是恒功率高速段则是恒功率(gngl)。主要用于镗、铣、车削等。主要用于镗、铣、车削等切削范围广、工况变化大的场合。切削范围广、工况变化大的场合。（2） 解决电主轴的振动问题解决电主轴的振动问题(wnt)的措施的措施电主轴的最高转速：一般电主轴的最高转速：一般(ybn)在在10000/min以上，甚以上，甚至高达至高达60000100000r/min。电主轴的振动类型：电主轴的谐振、电磁振荡和机械电主轴的振动类型：电主轴的谐振、电磁振荡和机械振动。振动。关键问题：提高电主轴的动平衡。关键问题：提高电主轴的动平衡。5.2 数控机床的主运动

15、数控机床的主运动第17页/共26页第十八页，共26页。19 电主轴上零件精密加工、装配和调校。电主轴上零件精密加工、装配和调校。 电主轴上机构必须遵守对称性原则，键连接和电主轴上机构必须遵守对称性原则，键连接和螺纹连接在电主轴上是被禁止螺纹连接在电主轴上是被禁止(jnzh)(jnzh)的。的。 电主轴上的转子应与主轴装配后，以主轴、后电主轴上的转子应与主轴装配后，以主轴、后轴径为定位支撑，配作转子的精车工序。轴径为定位支撑，配作转子的精车工序。 在电机转子的两个端盖上，对称地加工在电机转子的两个端盖上，对称地加工16241624个个直径略有不同的螺纹孔（直径略有不同的螺纹孔（M4M4或或M6M

16、6），根据动平衡测），根据动平衡测试结果，旋入相应的动平衡螺钉并调节旋入深度，试结果，旋入相应的动平衡螺钉并调节旋入深度，进行动平衡的调节，用环氧树脂将这些螺钉固化。进行动平衡的调节，用环氧树脂将这些螺钉固化。主要主要(zhyo)(zhyo)措措施：施：5.2 数控机床数控机床(sh kn j chun)的主运动的主运动第18页/共26页第十九页，共26页。20（3 3）电主轴的散热措施）电主轴的散热措施(cush)(cush)电主轴的热源：电动机的发热电主轴的热源：电动机的发热(f r)(f r)和轴承的和轴承的发热发热(f r)(f r)。动机的发热：采用外循环油水冷却系统进行冷却；动机的

17、发热：采用外循环油水冷却系统进行冷却；轴承的发热：采用角接触陶瓷轴承，滚珠用轴承的发热：采用角接触陶瓷轴承，滚珠用Si3N4Si3N4材料制成，材料制成，直径比同规格球轴承小直径比同规格球轴承小1/31/3；同时，采用强制循环油冷却的方式；同时，采用强制循环油冷却的方式对主轴轴承进行冷却；对主轴轴承进行冷却；设计电主轴组件时，电主轴上零件，最好采用同样密度、同设计电主轴组件时，电主轴上零件，最好采用同样密度、同样比热的材料，以保证整个样比热的材料，以保证整个(zhngg)(zhngg)电主轴组件运转的热平衡电主轴组件运转的热平衡性。性。5.2 数控机床的主运动数控机床的主运动第19页/共26页

18、第二十页，共26页。21（3） 解决解决(jiju)电主轴的发热问题的措施电主轴的发热问题的措施5.2 数控机床数控机床(sh kn j chun)的主运动的主运动第20页/共26页第二十一页，共26页。22（4 4）电主轴的支承）电主轴的支承(zh chn)(zh chn)滚动轴承支承：高速性能好，支承刚性好、价格适中、便滚动轴承支承：高速性能好，支承刚性好、价格适中、便于维修更换的优点于维修更换的优点(yudin)(yudin)，应用广泛。高速精密电主轴，应用广泛。高速精密电主轴一般采用小钢球精密角接触球轴承。一般采用小钢球精密角接触球轴承。复合复合(fh)(fh)陶瓷轴承：发展较快的一种

19、支撑形式。其耐磨耐热，能满陶瓷轴承：发展较快的一种支撑形式。其耐磨耐热，能满足在一些特殊工作条件下的要求，寿命是传统轴承的数倍。足在一些特殊工作条件下的要求，寿命是传统轴承的数倍。气压和液压的动、静压轴承支承，电磁悬浮轴承：气压和液压的动、静压轴承支承，电磁悬浮轴承：其内外圈其内外圈小接触，理论上寿命无限长，结构简单并能达到很高的转速。电磁轴小接触，理论上寿命无限长，结构简单并能达到很高的转速。电磁轴承价格较高，主要应用在超高速加工等高科技设备上，而动、静压轴承价格较高，主要应用在超高速加工等高科技设备上，而动、静压轴承在多种精密、高速设备中应用非常普遍。承在多种精密、高速设备中应用非常普遍。

20、5.2 数控机床的主运动数控机床的主运动第21页/共26页第二十二页，共26页。23（5）润滑）润滑(rnhu)方方式式油脂润滑油脂润滑(rnhu)、油雾润滑、油雾润滑(rnhu)和和油气润滑油气润滑(rnhu)等。等。 目前国际目前国际(guj)上最流行的是油气润滑。其原理是用微量上最流行的是油气润滑。其原理是用微量泵定时打出定量小油滴，经通过净化冷却的干燥空气润滑每泵定时打出定量小油滴，经通过净化冷却的干燥空气润滑每个轴承的润滑点。个轴承的润滑点。 润滑系统先于主轴启动而后于主轴停止运行。润滑系统先于主轴启动而后于主轴停止运行。 油雾润滑、油气润滑时需注意压缩空气的干燥及洁净程度。油雾润滑

21、、油气润滑时需注意压缩空气的干燥及洁净程度。润滑的注意事项：润滑的注意事项：5.2 数控机床的主运动数控机床的主运动第22页/共26页第二十三页，共26页。24（6 6）电主轴发展趋势电主轴发展趋势 高速度、高刚度、高精度、高可靠性；高速度、高刚度、高精度、高可靠性； 高速大功率、低速大转矩；高速大功率、低速大转矩； 电主轴内装电机性能和形式多样化；电主轴内装电机性能和形式多样化； 轴承及其预载荷施加轴承及其预载荷施加(shji)(shji)方式、润滑方式多样方式、润滑方式多样化；化； 刀具接口提高刀具在高速下的应用性能；刀具接口提高刀具在高速下的应用性能； 电主轴的多功能和智能化。电主轴的多

22、功能和智能化。5.2 数控机床数控机床(sh kn j chun)的主运动的主运动第23页/共26页第二十四页，共26页。251. 主运动的传动方式有哪些？各自特点及应用？主运动的传动方式有哪些？各自特点及应用？2. 主轴的功能有哪些？其相应的实现方式有哪些？主轴的功能有哪些？其相应的实现方式有哪些？3. 查阅资料查阅资料(zlio)，了解电主轴的性能，以及其润滑，了解电主轴的性能，以及其润滑、冷却等方式。、冷却等方式。5.2 数控机床数控机床(sh kn j chun)的主运动的主运动第24页/共26页第二十五页，共26页。结束结束(jish(jish)第25页/共26页第二十六页，共26页。