1、第5章 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與典型機(jī)構(gòu),5.1 概述,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng) 5.3 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 5.4 數(shù)控機(jī)床的換刀運(yùn)動(dòng),5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),5.2.1 主運(yùn)動(dòng)參數(shù) 運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)兩種。運(yùn)動(dòng)參數(shù)是指主軸的轉(zhuǎn)速 和調(diào)速范圍。動(dòng)力參數(shù)是指主運(yùn)動(dòng)的功率等。,（1）主軸轉(zhuǎn)速和調(diào)速范圍較高切削速度。, 主軸轉(zhuǎn)速n（r/min）：,n ,1000v d,r/min, 主軸的最低和最高轉(zhuǎn)速：,nmin,1000vmin dmax,r/min,nmax,1000vmax dmin,r/min, 主軸調(diào)速范圍： Rn ,nmax vmax dmin nmin vmin dmax,5.2 數(shù)控機(jī)床的主

2、運(yùn)動(dòng) （2）主運(yùn)動(dòng)的功率、轉(zhuǎn)矩特性 主運(yùn)動(dòng)為切削加工提供所需的切削扭矩和功率。 主運(yùn)動(dòng)所需輸出的功率：,P ,Fv Tn 60000 955000 kw,F主切削力的切向分量（N）； v 切削速度（m/min） T 切削扭矩（Nm） ； n 主軸轉(zhuǎn)速（r/min） 主運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩特性： 主運(yùn)動(dòng)所需的最大功率（或扭矩）與運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),對(duì)于主軸，轉(zhuǎn)速不僅取決于切削速度，還取決于工件或 刀具的直徑。 轉(zhuǎn)速較低時(shí)，多用于加工大直徑工件或用于直徑刀具加 工，因而扭矩大。轉(zhuǎn)速較高時(shí)，則加工較小直徑工件或用較 小直徑刀具加工，因而扭矩較小。 因此，從某一較低轉(zhuǎn)速開始到最高轉(zhuǎn)速

3、，主軸的輸出扭 矩與轉(zhuǎn)速成反比，為恒功率輸出。更低的主軸轉(zhuǎn)速常用于一 些特殊工序加工，如光車、攻大直徑螺紋、鉸大直徑孔、精 鏜、成形銑削等，需要的輸出功率較小，為恒扭矩輸出。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，主軸的功率、扭矩特性曲線分別為 恒扭矩、恒功率兩個(gè)區(qū)域，其交點(diǎn)處的轉(zhuǎn)速成為計(jì)算轉(zhuǎn)速， 也是主軸輸出最大功率時(shí)的最低轉(zhuǎn)速。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源一般為電機(jī)、液壓馬達(dá)或其他驅(qū)動(dòng) 裝置，通常需通過一系列的傳動(dòng)元件將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞到機(jī)床 主軸、實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)。由動(dòng)力源、傳動(dòng)元件和主軸構(gòu)成的具有運(yùn) 動(dòng)傳遞聯(lián)系的系統(tǒng)成為主傳動(dòng)系統(tǒng)。 從結(jié)構(gòu)上講，主軸的旋轉(zhuǎn)是靠主軸電機(jī)帶

4、動(dòng)。目前，數(shù)控 機(jī)床主運(yùn)動(dòng)已廣泛采用交流調(diào)速電機(jī)或伺服電機(jī)，能夠較方便地 實(shí)現(xiàn)較大的調(diào)速范圍，而且，由于構(gòu)成半閉環(huán)驅(qū)動(dòng)，容易實(shí)現(xiàn)主 軸的控制功能。,5.2.2 主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)形式,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),5.2.2 主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)形式,（1）帶有簡(jiǎn)單變速機(jī)構(gòu)的主傳動(dòng)應(yīng)用于一般大中型銑床 5,主軸電機(jī)到主軸之間經(jīng)過一級(jí)或二級(jí)齒輪變速換置機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)。,優(yōu)點(diǎn)：能滿足各種切削運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩輸出，且具有大范圍調(diào)節(jié)速度的能力。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要潤滑及溫度控制裝置；成本較高；制造和維修難。,目的： 1、通過降速，放大輸出扭矩； 2、增大調(diào)速范圍，特別是主軸恒功率輸出的調(diào)速范圍，以滿足主軸輸出扭矩特性、功率特

5、性及調(diào)速范圍的要求。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),（2）通過皮帶傳動(dòng)的主傳動(dòng),優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試方便，傳動(dòng)平衡，在一定條件下能滿足轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的輸出要求。 缺點(diǎn)：調(diào)速范圍比（恒功率調(diào)速范圍與恒扭矩調(diào)速范圍之比）受電機(jī)調(diào)速范圍比的約束。 應(yīng)用：低扭矩輸出要求的小型數(shù)控機(jī)床主軸上。,定比傳動(dòng)，多采用帶傳動(dòng)裝置。主軸電機(jī)到主軸之間用皮帶進(jìn)行傳動(dòng)。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),（3）電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主軸結(jié)構(gòu)（兩種類型）,主軸電機(jī)輸出軸通過精密聯(lián)軸器與主軸聯(lián)接。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高的，主軸的特 性完全與電機(jī)輸出特性一致，因而在使用上 受到一定限制。 主軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子為一體，稱電主軸（內(nèi)裝式 電機(jī)主軸

6、單元）。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，慣量小，響應(yīng)快。制造和 控制要求高。如主軸的散熱、動(dòng)平衡、支承、 潤滑及控制等。造價(jià)高。 應(yīng)用：多用于高速加工。,電主軸取消了傳送帶、帶輪和齒輪等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了“零傳動(dòng)”，徹底解決了主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)傳動(dòng)環(huán)節(jié)的震動(dòng)和噪聲問題。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),5.2.3數(shù)控機(jī)床主軸的主要部件,1、主軸部件的主要性能要求 主軸部件是主運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部件，用于夾持刀具或工件并帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的主切削運(yùn)動(dòng)。 主軸部件包括主軸、主軸的支承及安裝在主軸上的傳動(dòng)零件，對(duì)于自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床，主軸部件中還裝有刀具自動(dòng)夾緊裝置、切削清除裝置和主軸準(zhǔn)停裝置。 主軸直接承受切削力，轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)速范圍很大

7、，性能要求為： （1)旋轉(zhuǎn)精度 指裝配后，在大載荷、低速轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下，主軸安裝工件或刀具部位的定心表面的徑向和軸向跳動(dòng)。取決于各主要零件如主軸、軸承、殼體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),5.2.3數(shù)控機(jī)床的主要部件,（2）剛度要求 剛度反應(yīng)機(jī)床或部件抵抗外載荷的能力。影響因素有：主軸的尺寸和形狀，滾動(dòng)軸承的型號(hào)、數(shù)量、預(yù)緊和配置形式、前后支承的跨距和主軸前懸伸、傳動(dòng)件的布置方式等。 （3）溫升要求 溫升將引起熱變形，使主軸伸長、軸承間隙發(fā)生變化，降低加工的精度。也會(huì)降低潤滑劑的粘度，惡化潤滑條件。 （4）可靠性要求 數(shù)控機(jī)床是高度自動(dòng)化機(jī)床，必須保證工作可靠性。 （5）

8、精度保持性要求 主軸部件必須要有足夠的耐磨性，以長期保持精度。,以上特性要求，有的是相互矛盾的，如高剛度與高速、高速低溫升、高速與高精度等，因此要具體問題具體分析。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),5.2.3數(shù)控機(jī)床的主要部件,2、主軸部件的組成和軸承選型 主軸部件包括主軸、軸承、傳動(dòng)件和相應(yīng)的緊固件。主軸部件的構(gòu)造主要是支承部分的構(gòu)造。 1）主軸端部的結(jié)構(gòu) 用于安裝刀具或夾持工件的夾具，結(jié)構(gòu)上，保證定位準(zhǔn)確，安裝可靠，連接牢固，裝卸方便，并能傳遞足夠的扭矩。主軸端部的結(jié)構(gòu)都已標(biāo)準(zhǔn)化。如圖5-3。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),5.2.3數(shù)控機(jī)床的主要部件,2）主軸的支承 根據(jù)主軸部件的性能（轉(zhuǎn)速、承載

9、能力、回轉(zhuǎn)精度等）要求不同而采用不同種類的軸承。 中小型數(shù)控機(jī)床多采用滾動(dòng)軸承； 重型數(shù)控機(jī)床多采用液體靜壓軸承； 高精度數(shù)控機(jī)床氣體靜壓軸承； 轉(zhuǎn)速達(dá)（2-10）104r/min的主軸磁力軸承或陶瓷滾珠 軸承,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),5.2.3數(shù)控機(jī)床的主要部件,主軸軸承的配置形式：,（1）前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和60角接觸雙列推力向心球軸承組合，承受徑向和軸向載荷；后支承采用成對(duì)的角接觸球軸承。這種配置可使主軸的綜合剛度大幅提高，能進(jìn)行強(qiáng)力切削，在中等轉(zhuǎn)速的數(shù)控機(jī)床主軸上應(yīng)用普遍。,（2）前、后支承均采用成組角接觸球軸承，用以承受徑向和軸向載荷。這種配置適用于高速、輕載和精密的數(shù)控

10、機(jī)床主軸。,（3）前支承采用雙列圓錐滾子軸承，承受徑向和軸向載荷；后支承采用單列圓錐滾子軸承。這種配置能承受重載荷和較強(qiáng)動(dòng)載荷，但主軸轉(zhuǎn)速和精度受到限制，一般用于中等精度、低速重載的數(shù)控機(jī)床主軸。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),5.2.3 主軸典型控制功能,1. 主軸準(zhǔn)停裝置,功能：在數(shù)控鉆床，數(shù)控銑床以及鏜銑為主的加工中心上，當(dāng) 特殊加工或自動(dòng)換刀，主軸能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的停止在一個(gè)固定位置上。,機(jī)械式準(zhǔn)停裝置：,機(jī)械準(zhǔn)停裝置比較準(zhǔn)確可,靠，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。,1-無觸點(diǎn)開關(guān) 2-感應(yīng)塊 3-凸輪定位盤,4-定位液壓缸 5-定向滾輪 6-定位活塞,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng) 電氣式準(zhǔn)停裝置： 1）利用主軸上光

11、電脈沖產(chǎn)生準(zhǔn)停信號(hào)。 2）利用磁力傳感器檢產(chǎn)生準(zhǔn)停信號(hào)。 磁力傳感器準(zhǔn)停裝置工作原理： 數(shù)控裝置發(fā)出主軸停轉(zhuǎn)指令時(shí)， 主軸電動(dòng)機(jī)3立即降速，當(dāng)永久磁 鐵4對(duì)準(zhǔn)磁傳感器5時(shí)，磁傳感器發(fā) 出準(zhǔn)停信號(hào)，由定向電路使電動(dòng)機(jī) 準(zhǔn)確地停止在規(guī)定的周向位置上。,1-主軸 2-同步感應(yīng)器 3-主軸電動(dòng)機(jī),4-永久磁鐵 5-磁傳感器,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),2. 刀具自動(dòng)夾緊裝置、切屑清除裝置 自動(dòng)換刀臥式鏜床（鏜銑加工中心）的主軸部件,實(shí)現(xiàn)刀具在主軸上的自動(dòng)裝卸，并保證刀具在主軸中正確定位。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),自動(dòng)清除主軸孔中的切屑和灰塵,如果在主軸錐孔中掉進(jìn)了切屑或其他污染物，在拉近刀桿時(shí)，就可能

12、劃傷錐孔和錐柄表面，或者使刀桿發(fā)生偏斜，破壞刀具的正確定位，影響加工零件的精度，甚至使零件報(bào)廢。 為了保持主軸錐孔的清潔，常用壓縮空氣吹屑。活塞和拉桿的中心都有壓縮空氣通道，當(dāng)活塞向左移動(dòng)時(shí)，壓縮空氣經(jīng)活塞和拉桿的通道，由空氣噴嘴噴出，將錐孔清理干凈。噴氣小孔要有合理的噴射角度，并均勻分布，以提高吹屑效果。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),3. C軸控制與同步速度控制裝置 對(duì)應(yīng)Z軸的回轉(zhuǎn)軸（即繞主軸回轉(zhuǎn)）為C軸。 C軸控制與同步速度控制的功能： C軸與進(jìn)給軸（Z軸或X軸）聯(lián)動(dòng)進(jìn)行插補(bǔ)控制，可以實(shí)現(xiàn)任 意曲線的加工。如：螺紋，端面曲線，非圓柱或圓錐的異形回 轉(zhuǎn)表面等。 C軸的控制方式： 主軸的回轉(zhuǎn)位置

13、（轉(zhuǎn)角）控制可進(jìn)給伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)，也可以 由主軸電機(jī)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)主軸的位置（角度)由裝于主軸上（不 是主軸電機(jī)）上的高分辨率編碼器檢測(cè)，主軸作為進(jìn)給伺服軸 工作。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),主要問題：控制精度不夠，加工抖動(dòng)和定位抖動(dòng)。 解決措施： 1）盡可能減少傳動(dòng)結(jié)構(gòu)慣量與電機(jī)慣量的比值，提高 動(dòng)態(tài)特性。 2）盡量在接近輸出端的傳動(dòng)鏈上增加阻尼，有效減少震動(dòng)，提高切削穩(wěn)定性。 3）盡可能減少或消除傳動(dòng)鏈中的間隙，提高C軸精度。 4）盡可能提高傳動(dòng)鏈各環(huán)節(jié)的精度。,C軸控制的主要問題及解決措施,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),5.2.4 電主軸,電主軸具有如下特點(diǎn)：, 結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、噪聲低、振動(dòng)小和

14、精度高 具備精確的主軸定位及C軸傳動(dòng)功能。, 易實(shí)現(xiàn)高速化，其動(dòng)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性更好。 主軸運(yùn)行平穩(wěn)，使主軸軸承的壽命得到延長。 主軸組件的整機(jī)平衡、溫度控制和冷卻是關(guān)鍵。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),電主軸,電主軸,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),電主軸的結(jié)構(gòu),5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),15,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),（1）電主軸電機(jī)的類型, 根據(jù)電主軸內(nèi)裝式電機(jī)的控制方法,普通交流變頻電主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但存在低,速輸出功率不穩(wěn)的問題，難以滿足低速大扭矩的要求。,交流伺服電主軸特點(diǎn)：低速輸出性能好，可實(shí)現(xiàn)閉,環(huán)控制，經(jīng)常用于加工中心等要求主軸定位或有C軸功能傳 動(dòng)的數(shù)控機(jī)床。,根據(jù)電主軸內(nèi)裝

15、式電機(jī)的輸出特性,恒轉(zhuǎn)矩電主軸轉(zhuǎn)矩是恒定的，輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比。,適合于磨削及高速鉆削，電主軸的轉(zhuǎn)速越高，輸出功率越大。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),恒功率電主軸在低速段的輸出是恒轉(zhuǎn)矩，高速段,則是恒功率。主要用于鏜、銑、車削等切削范圍廣、工 況變化大的場(chǎng)合。,（2） 解決電主軸的振動(dòng)問題的措施,電主軸的最高轉(zhuǎn)速：一般在10000/min以上，甚至 高達(dá)60000100000r/min。,電主軸的振動(dòng)類型：電主軸的諧振、電磁振蕩和機(jī) 械振動(dòng)。,關(guān)鍵問題：提高電主軸的動(dòng)平衡。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),主要措施：, 電主軸上零件精密加工、裝配和調(diào)校。, 電主軸上機(jī)構(gòu)必須遵守對(duì)稱性原則，鍵連接和螺

16、紋連接在,電主軸上是被禁止的。, 電主軸上的轉(zhuǎn)子應(yīng)與主軸裝配后，以主軸、后軸徑為定位,支撐，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行最后的精車工序。, 在電機(jī)轉(zhuǎn)子的兩個(gè)端蓋上，對(duì)稱地加工1624個(gè)直徑略有,不同的螺紋孔（M4或M6），根據(jù)動(dòng)平衡測(cè)試結(jié)果，旋入相 應(yīng)的動(dòng)平衡螺釘并調(diào)節(jié)旋入深度，進(jìn)行動(dòng)平衡的調(diào)節(jié)，用環(huán) 氧樹脂將這些螺釘固化。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),（3）電主軸的散熱措施,電主軸的熱源：內(nèi)藏式高速電機(jī)的發(fā)熱和軸承的發(fā)熱。,電機(jī)的發(fā)熱：采用外循環(huán)油水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻； 軸承的發(fā)熱：采用角接觸陶瓷軸承，滾珠用Si3N4材料制,成，直徑比同規(guī)格球軸承小1/3；同時(shí)，采用強(qiáng)制循環(huán)油冷卻 的方式對(duì)主軸軸承進(jìn)行冷卻；,設(shè)

17、計(jì)電主軸組件時(shí)，電主軸上零件，最好采用同樣密度、,同樣比熱的材料，以保證整個(gè)電主軸組件運(yùn)轉(zhuǎn)的熱平衡性。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),（3） 解決電主軸的發(fā)熱問題的措施,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),（4）電主軸的支承,滾動(dòng)軸承支承：高速性能好，支承剛性好、價(jià)格適中、便 于維修更換的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。高速精密電主軸一般采用 小鋼球精密角接觸球軸承。,氣壓和液壓的動(dòng)、靜壓軸承支承，電磁懸浮軸承：其內(nèi)外圈 小接觸，理論上壽命無限長，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并能達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速。 電磁軸承價(jià)格較高，主要應(yīng)用在超高速加工等高科技設(shè)備 上，而動(dòng)、靜壓軸承在多種精密、高速設(shè)備中應(yīng)用非常普遍。,復(fù)合陶瓷軸承：發(fā)展較快的一種支撐形式。其耐磨耐熱，能 滿足在一些特殊工作條件下的要求，壽命是傳統(tǒng)軸承的數(shù)倍。,5.2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng),（5）潤滑方式,油脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑等。,目前國際上最流行的是油氣潤滑。其原理是用微量泵定時(shí) 打出定量小油滴，經(jīng)通過凈化冷卻的干燥空氣潤滑每個(gè)軸承 的潤滑點(diǎn)。,潤滑的注意事項(xiàng)：, 潤