数控课件——数控机床主轴及控制

一、数控机床对主传动系统的要求
调速 数控机床为了保证加工时能选用合理的切削用量，充 分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工 精度和表面质量，必须具有更高的转速和更大的调速范 围并能实现无级调速。
主轴的旋转精度 良好的抗振性和热稳定性
加工精度与主传动系统的刚度密切相关，应提高 传动件的制造精度与刚度；主轴产生振动，影响加工精 度和表面粗糙度，甚至破坏刀具或零件，主轴要求具有 足够的抑制振动的能力；发热产生热变形，影响加工精 度，主轴部件具有较高的热稳定性。 主轴组件的耐磨性 主轴组件必须有足够的耐磨性，使之能够长期保持精 度，如轴承、锥孔等。（硬度、润滑）
二、机床主轴的回转精度和影响因素
➢ 机床主轴是装夹刀具或工件的位置基准，它的误差也将直接影响 工件的加工质量——工件加工表面的形状精度。机床主轴的回转精 度是机床主要精度指标。
➢ 主轴的回转误差主要包括主轴的径向圆跳动、窜动和摆动。 ➢ 造成主轴径向圆跳动的主要原因有：轴径与轴孔圆度不高、轴承
滚道的形状误差、轴与孔安装后不同心以及滚动体误差等。使用该 主轴装夹工件将造成形状误差。 ➢ 造成主轴轴向窜动的主要原因有：推力轴承端面滚道的跳动以及 轴承间隙等。 ➢ 由于前后轴承、前后轴承孔或前后轴径的不同心造成主轴在转动 过程中出现摆动现象。摆动不仅给工件造成工件尺寸误差，而且还 造成形状误差。 ➢ 提高主轴旋转精度的方法主要有通过提高主轴组件的设计、制造 和安装精度，采用高精度的轴承等方法。
数控系统必须具 有主轴闭环控制 功能。其特性与 进给系统伺服系 统相近，进行位 置控制。
主轴的刀具自动夹紧机构
在带有刀库的自动换刀数控机床中，为实现刀具在主轴 上的自动装卸，其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构。 主轴前端的结构形式。
当数控系统发出装刀信号后，刀具则由机械手或其他 方法装插入主轴孔后，其刀柄及后部的拉钉便被送到与 主轴固定的前端套筒内。随即数控系统发出刀具夹紧信 号，此时拉杆在后端碟形弹簧的弹力作用下，呈紧紧拉 伸的状态… … …
⑷高刚度、低转速。
主轴前支承为带凸肩的双列圆锥滚子轴承，后 支承则为单列圆锥滚子轴承
四、主轴驱动装置
1、直流主轴驱动装置
直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间互 相垂直，
直流电动机电磁转矩M=CMΦIa， 励磁电路磁场Φ和电枢电流Ia互相独立，
电磁转矩与磁场Φ成正比，又和电枢电流 Ia成正比 直流电动机可通过独立调节主磁场和电枢 磁场之一进行调速，通过对电枢绕组电流 和励磁绕组电流的反馈控制，达到控制转 矩和励磁磁通的目的
鼠笼式异步电动机原理图
五、主轴电动机驱动特性曲线
基速n0以左的励 磁电流If不变， 改变电枢电压U 调速，其输出的 最大转矩Mmax 取决于电枢电流 的最大值Imax
基速n0以右采用 弱磁升速的方法 调速，即采用调 节励磁电流If的 方法调速
齿轮变速与无级调速相结合的方式
仅采用无级调 速主轴机构， 主轴箱虽然得 到大大简化， 但其低速段输 出转矩常常无 法满足机床强 力切削的要求。 数控机床常采 用1~4挡齿轮 变速与无级调 速相结合的方 式，即分段无 级变速方式。
分段无级变速：齿轮自动换挡的控制
如：M4l对应的主 轴最高转速为 l000r／min， M42对应的主轴 转速为3500r／ min，主轴电动 机最高转速为 3500r／min。 当S指令在 0~1000r／min 范围时，M41对 应的齿轮应啮合； 当S指令在 1000~3500r／ min范围时， M42对应的齿轮 应啮合。
主轴脉冲编码器可通过一对齿轮或同步齿形带与主轴联 系起来，由于主轴要求与编码器同步旋转，所以此连接 必须做到无间隙。
六、主轴功能
• 主轴准停 • 自动换刀机构 • 同步运行 • 恒线速度
准停
磁传感器
当执行M19时， 数控系统只需 发出主轴启动 命令ORT即可。 主轴驱动完成 准停后会向数 控装置输出完 成信号ORE， 然后数控系统 再进行下面的 工作。
编码器准停\主 轴驱动处于速度控 制或位置控制状态。 准停角度可由外部 开关量信号设定.
数控机床主轴及控制
数控机床的主传动 系统包括主轴电动 机、传动系统和主 轴支承等组件。
与普通机床的主传 动系统相比在结构 上比较简单，变速 功能全部或大部分 由主轴电动机的无 级调速来承担，省 去了繁杂的齿轮变 速机构。
有些只有二级或三 级齿轮变速系统用 以扩大电动机无级 调速的恒功率变速 范围。
2、交流主轴驱动装置鼠笼式异步电动机
定子通入三相交流电产生旋转磁场，转子导体切割定子 旋转磁场产生感应电流，电流经“鼠笼”上的短路环反 向后，转子导体又与磁场相互作用产生电磁力，电磁力 作用于转子，产生电磁转矩而转子绕组中的电流是由旋 转磁场切割转子产生的，要产生一定的电流，转子转速 必须低于磁场转速。矢量变换控制的主轴驱动装置矢量 变换控制的基本思路就是用等效概念，通过复杂的坐标 变换，将三相交流输入电流变为等效的、彼此独立的励 磁电流If，和电枢电流Ia，从而使交流电动机能像直流电 动机一样，通过对等效电枢绕组电流Ia和励磁绕组电流If 的反馈控制，达到控制转矩和励磁磁通的目的。
三、主轴的轴承配置
主轴的轴承配置
⑴中等转速、高刚度
前支承为圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承与双 列向心推力角接触球轴承组合，后支承为圆锥孔双 列向心短圆柱滚子轴承
⑵中等刚度、较高转速。
主轴的前支承为三个联组的双向角接触向心球 轴承，后支承为侧锥孔双列向心短圆柱滚子轴承。
⑶高转速、低刚度
前后支承均采用同向组合的角接触向心球轴承
另外，自动清除主轴孔中的切屑和灰尘是换刀时一个不 容忽视的问题。通常采用在换刀的同时，从主轴内孔喷 射压缩空气的方法来解决，以保证刀具准确地定位。
同步运行
数控机床上能加工各种螺纹，这是因为安装了与主轴同 步运转的脉冲编码器，以便发出检测脉冲信号，使主轴 电机的旋转与切削进给同步，从而实现螺纹的切削。