数控机床主要功能部件

N(kw) Tn(Nm)
Tn（力矩转速曲线） N（功率转速曲线）
nmin
n计
nmax
恒扭矩工作区
恒功率工作区
转速
4、主传动参数的确定
a)主传动的功率
主传动的功率根据切削功率N切和主传动运动链的机械效率按下式确
定:
N主
N切 机械
N切P 6z0V切 00M 9切 55n主 0k0w0
其中 : PZ切削力的切向分力（N ,牛顿）
t(导 程 )
Z2
Z1
脉冲当量:步进电机每接受一个进给脉冲,工作台移动的距离.
一般工作台纵向移动的脉冲当量在(0.005-0.01)
通常选0.01便于计算；
一般工作台横向移动的脉冲当量在(0.002-0.01)
通常选0.005。
举例 1):列出运动方程式
360 ZZ12 t 0.01
360 it 0.01
(主轴输出最大功率）
一、粗选电机
额定功率 Nmax=7.5 KW
额定转速 nn=1500r/min nmax=2400r/min
二 、确定计算转速n计 .确定机电调速范围
n计传递满功率时的主轴最低转速
n计= 9552 Nmax / Mmax
将已知条件代入 n计=9552×7.5/705.6 ≈102 r/min
就是说主轴在102 r/min～1600 r/min之间都可以传递满功率。
R主 恒功率1600=
102
≈15.7
主轴在11.5 r/min～102 r/min之间是恒扭矩输出
102
R主轴 恒 扭
矩1
8.8 1 .5
7
电动机的恒功率转速段为1500r/min～2400r/min 电动机的转速小于1500r/min以下时，为恒扭矩段。 主轴102 r/min时，对应的电机转速为1500r/min ∴电动机传递恒扭矩时的最低转速为：
2、主轴滚动轴承的配置 合理配置轴承对提高主轴部件的刚度,精度,降低支承温
升有很大的作用. 图a后端定位,推力轴承在后支承的两侧,主轴热变形向
前伸.细长主轴受轴向力容易弯曲变形,但前支座简单。 图b两端定位,推力轴承分别布置到两支承的外侧。
优点是轴承轴向间隙可以在后端方便地进调整,对主轴热变 形敏感,适合于短主轴。
切削加工的因素非常多。目前仅依靠理论计算确定功率还很困难。所
以常用的方法是类比法、实验（测）法和理论计算法几种方法相结合
bห้องสมุดไป่ตู้主传动调速范围
对于主传动为旋转运动的车床为例，主轴转速n
(r/min) ，由切削速度V (m/min) ，工件加工直径d(mm)
来确定。
而
n10d0v0r/min
nmax
1000vmax
入逆变器,通过脉宽调制输出不同频率，电压的交流电通 到电动机,实现电机调速。
整流器
PW M逆 变 器
3、交流主轴电机的转矩，转速，功率特性
电机性能
交流主轴电机的(转速，力矩)，(转速，功率)特性曲线
反映它的性能，其特性曲线如图所示；
切削机床要求电机在计算转速以下的恒扭矩工作区具有粗
加工的能力。
功率 力矩
图c,d 都是前支承固定.前支承刚度较高,主轴热伸长后 另一端为自由端,不影响主轴精度.图c推力轴承在前支承两 侧,使主轴的悬伸长度增加.影响主轴刚度,图d 两个推力轴 承安排在前支a承) 的内侧,克服了图c 的缺点, 一般高速精密 机床的主轴多b采) 用该方案。
c)
d)
3、主轴轴承的预紧 采用予紧方法,合理选择予紧量可以提高主轴部件的
也就是说主轴电机必须串联一个调速范围达到9.9的变速箱才
能满足已知条件的要求。
主 轴 转 速：11.5r/min----102r/min----1600r/min
电机对应转速：169r/min-----1500r/min---2400r/min
结语
谢谢大家！
刚度和抗振性。 对滚动轴承间隙的调整,通常是使轴承内,外圈作相对
的轴向位移实现的 常用的方法有:
a、轴承内圈移动法； 结构简单,予紧量不易控制
带锁紧的园螺母,右端的园螺母限制了轴承 内圈的移动；
b、修后座圈或隔套。
二、主传动(变速)系统 数控机床的主传动变速系统可以是有级的，也可以是无
级的。通常的主轴电机的恒功率的最高转速及额定转速之比 为1︰3或1︰4，为了机床切削的需要,在主轴与电机之间还 要串联一个变速箱其作用一是扩大调速比，二是提升恒扭矩 段的力矩。变速箱内齿轮换挡，采用液压拔叉或电磁离合器 来实现自动化。
n电 min R主 nN恒扭 18矩 .8570106r/9min
电机恒功率段 2400/1500=1.6 电机恒扭矩段 1500/169≈8.87 电 机 总 调 速 范 围 R 电 总 =R 电 机 恒 功 率 ×R 电 机 恒 扭 矩
主轴要求的:
R主
160 11.5
0 1
3
9
R电总小
R主 1399.9 R电总 14.1
数控机床主要功能部件
数控机床的驱动装置 (伺服单元 略) 数控机床的驱动装置是数控装置及机
床联系的纽带，它接受数控装置发出的脉冲 信号，经过转换和功率放大后，驱动电机旋 转,使机床工作台或主轴头实现进给运动。 它在很大程度上决定了数控机床的成本、加 工精度及可靠性。 对进给驱动装置的要求主要有：
一、步进电机 1、步进电机的结构原理
设 α°=0.9° t=6mm
i
0.01360
t
代入数据
0.01360 4
i
0.9 6
6
若A=80mm (中心距) m=2 A=m(Z1+Z2)/2 Z1+Z2=80 Z1/Z2=4/6
联立求解得 Z1=32 Z2=48 ∴Z1/Z2=32/48
举例2：
α°
Z2
步进电机
α° Z 1
Zw
Zk
图b 步进电机数控转台
步进电机是一种能将数控装置输入的进给脉冲转化成角位移的特殊电机，它每接受 一个进给脉冲步进电机就走一步，转过一定的角度。这个角度称为步距角，用α表示。
只要控制输入脉冲的数量，便可控制步进电机位移量大小。而控制输入脉冲的频率， 便可控制步进电机的速度。
下面以反应式功率步进电机为例讲解其动作原理 所谓反应式就是电机转子上无绕组，步进运行靠定子绕组通入激磁 电流产生反应力矩而实现的。
双列推力向心球轴承,接触角为60°,球径小, 数目多,能承受双向轴向载荷，调整中间隔套 能予紧轴承调整间隙，允许转速高。 在数控 机床中，轴承一般都要同时承受轴向载荷和径 向载荷的联合载荷的作用。对数控机床主轴而 言，主轴通径，精度，刚度及加速度，温升等
轴承精度级 B级(超精级) C级(特精级) D级(精密级) E级(高级) 普通精度机床前轴承常用C、D级, 后轴承常用D、E级
i 0.01602
0.9
3
若A=60mm，m=2,则， 则 Am(z12z2)zz2
z1+z2=60
联立：
z z
1 2
2 3
z2=36, z1=24
z1 z 2 60
结论：步进电机的进给系统使用齿轮传动，一是为了求得所需要的脉冲 当量，二是可以起增大转矩的作用。
数控机床的主轴部件及主传动系统 一、主轴部件 (典型车床及铣床主轴部件结构, 略) 1 、主轴部件常用滚动轴承的类型
在电机的定子上有三相绕组，故称三相步进电机。
当定子A相绕组通以直流电时，A相产生磁场，吸引在A相附近的1、3齿，转 子1、3齿及A相对齐，电机转子逆时针旋转30°后停止。然后A相断电，B相通电。 则定子A相磁场消失，而B相产生磁场，此时，在B相磁场的作用下又吸引了最靠 近B相的2、4齿。2、4齿与定子B相对齐，转子又逆时针方向旋转30°后停止。
已知： 步进电机步距角 =0.90
Zk蜗杆头数
Zk=1
Zw蜗轮齿数
Zw=60
Z1传动齿轮1 Z2传动齿轮2
i z1 z2
转台脉冲当量，取0.010一般为（或0.0020～0.0050）
求Z1=?，Z2=?
列出运动方程式：
z1 zk
将已知条件带入：
z2 zw
0.9i1 0.01 60
交流主轴伺服电机的定子虽然也是三相绕组，但是它的磁路设计与普通
异步电动机有很大的不一样。因为交流主轴伺服电机要求在不同转速下
工作,各转速的磁损都要尽可能小。另外为了方便定子在空气中散热，定
子的外面一般都没有机壳，另外，为了加强冷却效果,定子在轴向也设计
了通风口。定子的外形一般都设计成四方形或六方形。便于电机在机床
按A→B→C→A→B… 的顺序连续通电，则步进电机一步一步地沿逆时针方 向不停地旋转。这种通电方式称为三拍控制。即三相三拍反应式步进电机。若 步进电机按A→C→B→A→C→B→A…的顺序通电， 则电机反向旋转。
此种通电方式在A相断电B相尚未接通时，转子齿不受磁场控制，转子转动不平稳。如果 把通电方式改为A相通电后，再A–B两相同时通电.则定子附近转子上的1-4齿, 同时受到 A﹑B两相磁极的吸引，1-4齿将位于A﹑B两相磁极之间。当以A→AB→B→BC→C→CA→A的顺 序通电，步进电机每接受一个脉冲逆时针方向旋转15°，这种通电方式称为六拍控制方式。 当步进电机定转子齿数不变, 控制方式改变时,步距角可以减小一半。
dmin
调速范围
Rn
n max n min
一般情况下调速范围也沿用类比法和计算法相结合的方法 确定。
C）交流主轴电机(作主传动电机)主传动方案分析
举例：已知条件 n主max=1600 r/min
n主min=11.5 r/min
M主max=705.6 N.m (主轴输出最大转矩)
Nmax =5 KW
近年来为了减化机械结构，逐渐趋向采用大功率的交流主 轴伺服电机来提高低速时的恒扭矩来满足切削的要求。近年 来由于技术的进步也有一些恒功率范围很宽的主轴伺服电机 问世，特别是内装式电主轴的出现更加强化了这种趋势。
1) 交流主轴伺服电机的结构
交流主轴伺服电机及普通三相异步电动机的结构有很多地方都很相似。
中的安装。在电机的尾端装有检测用的与转子轴同轴的脉冲编码器。交
流主轴伺服电机有三种线，一种是电源线，一种是指令线，一种是码盘
线，电源线向电机供应交流电，指令线控制电机的转速和位移量，码盘
线将电机的实际运行状态参数反馈到数控装置。
轴向通风口
交流主轴电机 定子矽钢片
2、交流主轴电机的的控制方法（脉宽调制控制法） 三相交流电通过整流器后,获得一个恒压的直流电输
V切切削速度 （m/min 米/分）
M切切削扭矩 （N﹒cm 牛顿﹒厘米）
n主主轴转速 （r/min 转/分）
N机械机械效率
一般取0.7～0.85
主传动中的零件尺寸是根据N主（功率）确定的，如果主传动功
率定得过大，则主传动的零件，尺寸粗大造成强度富裕和浪费，而定
得过小，则达不到规定的生产效率，甚至造成零件的损坏。由于影响
这种通电方式的特点是它在整个通电过程中, 始终有一相处于通电状态, 转子齿始终有 磁场吸引。
2、步进电机进给系统传动比及脉冲当量的计算(已知条件如下) α 、 步距角 α=0.9° t、 丝杠导程(或螺距)一般纵向丝杠导程取(6﹑8﹑10)mm ， 横向丝杠导程取(4～5)mm Z1、传动齿轮1 Z2、传动齿轮2 i、 传动比 i=Z1/Z2