5.5-数控机床的主轴系统

表JX—1南京技师学院教案（首页）授课日期授课班级课题5．5数控机床的主轴系统计划学时2课时教学目标1、掌握主轴传动方式。2、掌握主轴定向和几种定向的方法及特点3、了解主轴进给功能的必要性和实现方法。教学重点解决措施重点：主轴电气定向的方法。措施：引导式讲解，反复强调。教学难点解决措施难点:主轴为何要定向。措施：讲解透彻，反复讲解，突破难点。教学设计教学手段教学方法采用启发式提问，引入本次课内容，运用多媒体方式，通过图示法讲解结构，启发学生思考，参与课堂讨论。板书设计授课提纲5．5数控机床的主轴系统一、数控机床的主传动系统及主轴换挡1．数控机床主传动系统的要求2．主轴的传动方式3．主轴换挡二、主轴定向功能1、概述2．机械定向控制2．电气定向控制三、主轴进给功能表JX-2教案纸第1页教学过程设计时间分配教师活动学生活动【复习提问】1、主轴系统的常用配置方案和各自特点？2、数控机床主轴系统和进给系统相比有什么不同？【新课引入】主轴驱动装置的接口与进给驱动装置有许多类似，进给驱动装置具备的接口在主轴驱动装置上一般都可以找到，只是不同厂家、不同等级的主轴驱动装置所包含的接口类型不同。例如，主轴伺服装置的接口类型比变频器的接口要丰富，具备矢量控制功能的变频器又比简易型变频器接口丰富。不同的是：进给驱动装置主要工作在位置控制模式下，而主轴驱动装置主要工作在速度控制模式下；同一台数控机床上主轴输出功率比进给轴输出功率要大得多。因此，在接口上主轴驱动装置又具有独自的特点。【新课讲授】5．5数控机床的主轴系统一、数控机床的主传动系统及主轴换挡机床主传动系统有时也称主轴系统。数控机床主传动系统是指主轴电动机至主轴的运动传动系统，主轴电动机作为原动力通过该传动系统变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度。主轴的运动也是零件加工的成形运动之一。它的精度对零件的加工精度有较大的影响。1．数控机床主传动系统的要求(1)具有较大的调速范围并实现无级调速。数控机床为了保证加工时能选用合理的切削用量和切削速度，获得最高的生产率以及较好的加工精度和表面质量，必须具有较大的调速范围。对于加工中心、车削中心以及一些专用数控机床，为了适应各种工6分钟4分钟62’25’老师提问并启发。自然引入自然引入启发式讲解个别学生回答回忆思考联想认真听讲表JX-2教案纸第2页教学过程设计时间分配教师活动学生活动序和各种加工材料的要求，主轴系统的调速范围还应进一步扩大。(2)具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低。数控机床加工精度的提高与主轴系统的精度密切相关。为了提高传动组件的精度与刚度，采用齿轮传动时，齿轮齿面应采用高频感应加热淬火工艺以增加耐磨性，最后一级传动一般用斜齿轮，使传动平稳。采用皮带传动时应选择齿型带。采用精度高的轴承及合理的支撑跨距，以提高主轴组件的刚性。在结构允许的条件下，应适当增加齿轮宽度，提高齿轮的重叠系数。变速滑移齿轮一般采用内径定心的花键传动。侧面定心的花键对降低噪声更为有利，因为这种定心方式传动间隙小，接触面大．但加工需要专门的刀具和花键磨床。(3)良好的抗振性和热稳定性。数控机床加工时，可能由于持续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自振等原因会引起冲击力和交变力，而使主轴产生振动，从而影响加工精度和表面粗糙度，严羲时甚至可能损坏刀具和主轴系统中的零件。主轴系统的发热使其中的零部件产生热变形，会降低传动效率，影响零部件之间的相对位置精度和运动精度，从而造成加工误差。因此，主轴组件要有较高的固有频率、较好的动平衡，且要保持合适的配合间隙，并要进行循环润滑。2．主轴的传动方式为了适应不同的加工要求，目前主传动系统的传动方式大致可以分为三类。(1)二级以上变速的主传动系统。这是大、中型数控机床采用较多的一种变速方式。常通过几对齿轮10’互动式教学回答问题积极思考回答问题表JX-2教案纸第3页教学过程设计时间分配教师活动学生活动降速，增大低速时的输出扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。部分小型数控机床也有采用这种传动方式，以获得强力切削时所需的扭矩。这种传动系统的优点是能够满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范围调节速度的能力。缺点是机械结构较复杂，制造成本较高。此外制造和维修也比较困难。这种传动方式常用的变速操作方法有液压拨叉和电磁离合器两种。(2)一级变速的主传动系统。目前，数控机床多采用同步齿形带传动，其优点是结构简单，安装调试方便。但系统的调速范围与电动机一样，受电动机调速范围和输出转矩特性的约束。这种传动方式可以避免因齿轮传动引起的振动与噪声，适用于低转矩特性要求的主轴。(3)高速切削主轴。高速切削是20世纪70年代后期发展起来的一种新工艺。这种工艺采用的切削速度比常规的要高几倍到十多倍，如高速铣削铝件的最佳切削速度可达2500m／mm～4500m／min，加工钢件为400m／min～1600m／min，加工铸铁为800m／min～2000m／min，进给速度也相应提高很多倍。这种加工工艺不仅切削效率高，而且具有加工表面质量好、切削温度低和刀具寿命长等优点。高速切削一般采用内装电动机的主轴(简称电主轴)，即主轴与电动机转子合为一体。其优点是主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小，刚度高，可提高启动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声。缺点是电动机运转产生的热量易使主轴产生热变形。因此，主轴的温度控制和冷却是使用电主轴的关键问题，对电主轴的设计、生产和装配工艺要求非表JX-2教案纸第4页教学过程设计时间分配教师活动学生活动常高。电主轴的最高转速一般在20000r／min以上。3．主轴换挡主轴换挡是指通过改变主轴电动机至主轴的传动比来获得更宽的主轴转速范围以及更高的转矩输出的过程。对于普通三相异步主轴电动机，通常其转速是固定的。只有通过换挡才能获得不同的主轴转速以满足加工的需要。对于采用变频器等主轴驱动装置的主轴电动机，可实现主轴的无级调速。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无法满足机床强力切削的要求。如单纯追求无级调速，势必要增大主轴电动机的功率，从而使主轴电动机与驱动装置的体积、重量及成本增加。因此，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，同时满足低速转矩和最高主轴转速的要求。电动机的扭矩、功率和转速有如下的关系例如在功率W不变时，若转速n降低1倍，则扭矩Mkp增加1倍。数控机床通常使用2挡即可满足要求。主轴换挡的方式一般有下列几种。(1)手动换挡。通过人工转动机械机构，拨动传动齿轮来改变传动比。这种方式结构简单，经济，但是在加工前必须把主轴的挡位设置正确，加工的过程中不能通过数控系统或PLC自动改变主轴速度。(2)液压拨叉换挡。这是采用一只或几只液压缸带动齿轮移动的变速机构，图5-18所示为差动油缸实现三联齿轮变速的原理图，10’图示分析引导讲解找出与上图不同抓住难点，讲解透彻，帮助记忆认真听讲思考回答问题分析讨论表JX-2教案纸第5页教学过程设计时间分配教师活动学生活动它由液压缸1和5、活塞杆2、拨叉3和活塞4组成，通过电磁阀改变不同的通油方式，可以获得拨叉的3个位置。当液压缸1通入压力油而液压缸5卸压，活塞杆2(相当于活塞)带动拨叉3向左移至极限位置；当液压缸5通入压力油而液压缸l卸压，活塞扦和活塞4带动拨叉3向右移至极限位置；当缸1和缸5同时通压力油，由于活塞4和活塞杆2直径不同，向右的推力大于向左的推力，拨叉处于中间位置。液压拨叉变速必须在主轴停车之后才能进行。但是在停车时拨动滑移齿轮啮合时，有可能出现“顶齿”的现象。在手动换挡时只需将齿轮暂时脱开，接点动按钮使主电动机瞬时冲动接通，然后再重新尝试换挡；在自动换挡时，可以像手动换挡一样处理，也可以利用主轴电动机(或增设一台微电动机)，在拨叉移动滑移齿轮的同时带动各传动齿轮作低速回转或振动，滑移齿轮就能够较顺利地啮合。每个齿轮到位后必须有到位检测元件(如感应开关)检测，以确保主轴换挡成功。25’。比较讲解回忆思考积极回答问题表JX-2教案纸第6页教学过程设计时间分配教师活动学生活动液压拨叉换挡是一种有效的办法．但需要附加一套液压装置，将电信号转换为电磁阀动作，再将压力油分至相应的液压缸，因而增加了其结构的复杂性。(3)电磁离合器自动换挡。电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运行的元件，便于实现自动化操作。相对于第2种方法，使用电磁离合器能够简化换挡机构。数控机床中常使用无滑环摩擦片式电磁离合器和牙嵌式电磁离合器。摩擦片式电磁离合器采用摩擦片传递转矩，允许不停机变速，但如果速度过高，会由于滑差运动产生大量的摩擦热；牙嵌式电磁离合器由于将摩擦面加工成一定齿形，提高了传递转矩。减小了离合器的径向轴向尺寸，使主轴结构更加紧凑,摩擦热减小，但牙嵌式电磁离合器必须在主轴停止或转速很低时换挡。电磁离合器的缺点是体积大，磁通易使机械零件磁化，因此在现代数控机床应用的并不多。主轴的自动换挡由M41～M44代码或s指令根据速度范围启动更换相应的挡位,自动换挡控制的具体实现一般由PLC来完成。对换挡时出现的“顶齿”现象，现代数控系统均采用由数控系统控制主轴电动机低速转动或振动的方法，实现齿轮的顺利啮合。二、主轴定向功能1．概述主轴定向功能又称为主轴准停功能，即当主轴停止时能控制其以一定的力矩准确地停止于固定位置。首先。主轴定向是自动换刀所必须具有的功能。在自动换刀的镗铣加工中心上，切削时的切削转矩不能完全20’互动式教学引导式讲解认真思考表JX-2教案纸第7页教学过程设计时间分配教师活动学生活动靠主轴锥孔的摩擦力传递，因此通常在主轴前端设置一个或两个凸键，当刀具装入主轴时，刀栖上的键槽必须与此凸键对准。为保证顺利换刀，主轴必须具有准确定位于特定角度的功能。其次，当精镗孔后退刀时，为防止刀具因弹性恢复拉伤已精加工的内孔表面，必须先让刀再退刀，而让刀时刀具必须具有定向功能，如图5-19所示。加工中心的主轴定向方法有机械式和电气式两种，机械式采用机械凸轮等机构和无触点感应开关进行初定位。然后由定位销(液动或气动)插入主轴上的销孔或销槽完成精定位，换刀或精镗孔完成后定位销退出，主轴才可旋转。采用这种方法定向比较可靠、准确，但结构较复杂，定向较慢。电气式定向一般是采用具有定向功能或位置控制功能的主轴驱动装置来完成，定向起始位置由无触点感应开关或主轴编码器获得，有些也可以通过主轴电动机编码器和主轴驱动装置得到。定向过程一般由PLC处理，有些则由数控装置处理。2．机械定向控制机械定向一般要求主轴具有无级调速的功能，图5-20为典型的机械重点表JX-2教案纸第8页教学过程设计时间分配教师活动学生活动定向的结构示意图。下面简单介绍机械定向的步骤。(1)接收到数控系统发出定向指令(如M19)后，控制主轴电动机带动主轴以可以设定的定向速度(一般为小于100r／min的低速，如60r／min)和方向旋转。(2)检测到无触点开关有效信号后，停止主轴转动，主轴电动机与主轴传动件依惯性继续旋转，同时控制定位销伸出压向主轴定位盘。(3)检测到定位销到位信号LS2看，通知系统定向指令完成。根据机械结构的具体特点，为防止定位销提前顶死主轴而使定向失败，定位销伸出的同时也可以不停止主轴，而是待定位销到位后立即停止主轴。若接收到取消主轴定向的指令(如M20)则控制定位销退回，检测到定位销退回到位的回答信号LS1后，表示主轴定向取消的指令完成。6’图示分析启发式讲解理解思考回答表JX-2教案纸第9页教学过程设计时间分配教师活动学生活动采用机械定向的方式，主轴定向定位销的伸出和退回必须分别有到位检测信号，并且必须和主轴的运行有互锁关系，即——主轴以非定向速度旋转时不得伸出定位销；——若定位销退回到位信号无效则禁止主轴旋转；——若定位销伸出到位信号无效则禁止换刀动作继续进行。机械准停还有其他方式，如端面螺旋凸轮等．它们的定向过程和互锁要求都大致相同。3．电气定向控制主轴电气定向控制，实际上是在主轴速度控制基础上加一个位置控制环。为能进行主轴位置检测，需要采用磁性