数控技术第5章(华科版).ppt

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数数控控技技术术湖南科技大学机电工程学院第第55章章运动系统与典型机构运动系统与典型机构5.1概述概述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15.1概述概述机床运动系统：

机床运动系统：

主运动系统主运动系统实现机床主轴运动；实现机床主轴运动；进给运动系统进给运动系统实现机床工作台的直线运动实现机床工作台的直线运动与转动；与转动；换刀运动换刀运动实现加工中心更换刀具连续加工实现加工中心更换刀具连续加工所需的运动。

所需的运动。

2主轴转速更高；主轴转速更高；变速范围更宽；变速范围更宽；提供的动力更强。

提供的动力更强。

1.数控机床的主运动系统性能要求：

数控机床的主运动系统性能要求：

主运动的自动变速、准停；主运动的自动变速、准停；C轴控制；轴控制；同步速度控制。

同步速度控制。

2.数控机床的主运动系统功能：

数控机床的主运动系统功能：

5.1概述概述35.1概述概述3.数控机床进给运动系统的性能特点：

数控机床进给运动系统的性能特点：

调速范围要宽，而且在整个调速范围内输出的运动要调速范围要宽，而且在整个调速范围内输出的运动要有良好的稳定性；有良好的稳定性；输出的位移要有足够的精度，即实际位移量与指令位输出的位移要有足够的精度，即实际位移量与指令位移量之差要小；移量之差要小；负载特性要硬，当负载变化时，输出的速度应基本不负载特性要硬，当负载变化时，输出的速度应基本不变；变；动态响应要快，且动态误差要小，能适应频繁启动、动态响应要快，且动态误差要小，能适应频繁启动、停止以及正转、反转的需求。

停止以及正转、反转的需求。

4换刀时间短、刀具重复定位精度高；换刀时间短、刀具重复定位精度高；刀具储存量足够、结构紧凑；刀具储存量足够、结构紧凑；换刀动作安全可靠。

换刀动作安全可靠。

4.数控机床自动换刀系统的性能特点：

数控机床自动换刀系统的性能特点：

5.1概述概述5主轴转速主轴转速n（r/min）：

）：

主轴的最低和最高转速：

r/min主轴调速范围：

主轴调速范围：

r/minr/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6

（2）主运动的功率、转矩特性）主运动的功率、转矩特性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主轴转速（主轴转速（r/min）主运动所需输出的功率：

主运动所需输出的功率：

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。

5.2数控机床的主运动数控机床的主运动7恒扭矩输出：

恒扭矩输出：

常用于一些特殊工序加工，如光车、攻大直常用于一些特殊工序加工，如光车、攻大直径螺纹、铰大直径孔、精镗、成形铣削等，需要的输出功径螺纹、铰大直径孔、精镗、成形铣削等，需要的输出功率较小的情况。

率较小的情况。

5.2数控机床的主运动数控机床的主运动85.2数控机床的主运动数控机床的主运动5.2.2主运动的传动形式主运动的传动形式

（1）带有简单变速机构的主传动）带有简单变速机构的主传动优点：

优点：

能满足各种切削运能满足各种切削运动的转矩输出，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：

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：

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。

（2）通过皮带传动的主传动）通过皮带传动的主传动优点：

优点：

结构简单，安装调试结构简单，安装调试方便，传动平衡，在一定条方便，传动平衡，在一定条件下能满足转速与转矩的输件下能满足转速与转矩的输出要求。

出要求。

缺点：

调速范围比（恒功率调速范围比（恒功率调速范围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数控机床的主运动数控机床的主运动10（3）电机直接驱动的主轴结构（两种类型）电机直接驱动的主轴结构（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、传动效率高的，主结构紧凑、传动效率高的，主轴的特性完全与电机输出特性一致，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。

特点：

结构紧凑，惯量小，响应快。

制结构紧凑，惯量小，响应快。

制造和控制要求高。

如主轴的散热、动平造和控制要求高。

如主轴的散热、动平衡、支承、润滑及控制等。

造价高。

衡、支承、润滑及控制等。

造价高。

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115.2.3主轴典型控制功能主轴典型控制功能1.主轴准停装置主轴准停装置机械式准停装置：

机械式准停装置：

功能：

当特殊加工或自动换刀，主轴能实现准确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。

的停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机械准停装置比较准确可靠，但结构较复杂。

靠，但结构较复杂。

5.2数控机床的主运动数控机床的主运动12电气式准停装置：

电气式准停装置：

1-主轴主轴2-同步感应器同步感应器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转指令时，数控装置发出主轴停转指令时，主轴电动机主轴电动机3立即降速，当永久磁立即降速，当永久磁铁铁4对准磁传感器对准磁传感器5时，磁传感器发时，磁传感器发出准停信号，由定向电路使电动机出准停信号，由定向电路使电动机准确地停止在规定的周向位置上。

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133.C轴控制与同步速度控制轴控制与同步速度控制主轴的回转位置（转角）控制可进给伺服电机实现，也可以主轴的回转位置（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（角度由主轴电机实现，此时主轴的位置（角度）由装于主轴上（不由装于主轴上（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。

工作。

对应对应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面等。

转表面等。

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145.2.4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、噪声低、振动小和精度高具备精确的主轴定位及具备精确的主轴定位及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。

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。

电主轴具有如下特点：

5.2数控机床的主运动数控机床的主运动15

（1）电主轴电机的类型电主轴电机的类型根据电主轴内装式电机的控制方法根据电主轴内装式电机的控制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，但存在低速输出功率不稳的问题，难以满足低速大扭矩的要求。

速输出功率不稳的问题，难以满足低速大扭矩的要求。

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环控制，经常用于加工中心等要求主轴定位或有C轴功能传轴功能传动的数控机床。

动的数控机床。

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。

5.2数控机床的主运动数控机床的主运动16恒功率电主轴恒功率电主轴在低速段的输出是恒转矩，高速段在低速段的输出是恒转矩，高速段则是恒功率。

主要用于镗、铣、车削等切削范围广、工则是恒功率。

主要用于镗、铣、车削等切削范围广、工况变化大的场合。

况变化大的场合。

（2）解决电主轴的振动问题的措施解决电主轴的振动问题的措施电主轴的最高转速：

电主轴的最高转速：

一般在一般在10000/min以上，甚至以上，甚至高达高达60000100000r/min。

电主轴的振动类型：

电主轴的谐振、电磁振荡和机电主轴的谐振、电磁振荡和机械振动。

械振动。

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数控机床的主运动数控机床的主运动17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，键连接和螺纹连接在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的。

电主轴上是被禁止的。

电主轴上的转子应与主轴装配后，以主轴、后轴径为定位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。

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1624个直径略有个直径略有不同的螺纹孔（不同的螺纹孔（M4或或M6），根据动平衡测试结果，旋入相），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，进行动平衡的调节，用环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。

氧树脂将这些螺钉固化。

主要措施：

5.2数控机床的主运动数控机床的主运动18（33）电主轴的散热措施电主轴的散热措施电主轴的热源：

电主轴的热源：

电动机的发热和轴承的发热。

动机的发热：

采用外循环油水冷却系统进行冷却；动机的发热：

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；同时，采用强制循环油冷却的方式对主轴轴承进行冷却；式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、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，以保证整个电主轴组件运转的热平衡性。

同样比热的材料，以保证整个电主轴组件运转的热平衡性。

5.2数控机床的主运动数控机床的主运动19（44）电主轴的支承电主轴的支承滚动轴承支承：

滚动轴承支承：

高速性能好，支承刚性好、价格适中、便高速性能好，支承刚性好、价格适中、便于维修更换的优点，应用广泛。

高速精密电主轴一般采用于维修更换的优点，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。

小钢球精密角接触球轴承。

复合陶瓷轴承：

发展较快的一种支撑形式。

其耐磨耐热，能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

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