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1、 专业 专注 数控铣床电主轴系统设计数控铣床电主轴系统设计毕业论文毕业论文 目 录 引 言 1 1 数控铣床简介 3 1 1 数控铣床组成 3 1 2 数控铣床的工作原理 4 1 3 数控铣床加工的特点 4 1 4 数控铣床加工的主要对象 4 2 电主轴概述 5 2 1 电主轴的基本概念 5 2 2 电主轴单元关键技术 5 2 2 1 高速精密轴承技术 6 2 2 2 高速精密电主轴的动态性能和热态性能设计 7 2 2 3 高速电动机设计及驱动技术 7 2 2 4 高速电主轴的精密加工和精密装配技术 8 2 2 5 高速精密电主轴的润滑技术 8 2 2 6 高速精密电主轴的冷却技术 9 2 3
2、 高速电主轴发展及现状 9 2 3 1 高速电主轴技术的发展及现状 9 2 3 2 主轴单元结构形式研究的发展 10 2 4 电主轴对高速加工技术及现代数控机床发展的意义 11 2 5 装式电主轴系统的研究 12 3 电主轴工作原理及结构 14 3 1 电主轴的基本结构 14 3 1 1 轴壳 14 3 1 2 转轴 14 专业 专注 3 1 3 轴承 15 3 1 4 定子与转子 15 3 2 电主轴的工作原理 15 3 3 电主轴的基本参数 16 3 3 1 电主轴的型号 16 3 3 2 转速 17 3 3 3 输出功率 17 3 3 4 输出转矩 17 3 3 5 电主轴转矩和转速 功
3、率的关系 17 3 3 6 恒转速调速 17 3 3 7 恒功率调速 18 3 3 8 轴承中径 18 3 4 自动换刀装置 18 4 电主轴结构设计 19 4 1 主轴的设计 19 4 1 1 铣削力的计算 19 4 1 2 主轴当量直径的计算 20 4 2 高速电主轴单元结构参数静态估算 20 4 2 1 高速电主轴单元结构静态估算的容与目的 20 4 2 2 轴承的选择和基本参数 20 4 3 轴承的预紧 21 4 4 主轴轴承静刚度的计算 21 4 4 1 主轴单元主要结构参数确定及刚度验算 23 4 4 2 主轴单元主要结构参数确定 24 4 4 3 主轴强度的校核 27 4 4 4
4、 主轴刚度的校核 29 4 4 5 主轴的精密制造 30 4 5 主轴电机 31 4 5 1 电机选型 31 4 6 主轴轴承 32 4 6 1 轴承简介 32 专业 专注 4 6 2 陶瓷球轴承 32 4 6 3 陶瓷球轴承的典型结构 33 4 7 主轴轴承精度对主轴前端精度影响 34 4 8 拉刀机构设计 34 4 8 1 刀具接口 34 4 8 2 拉刀杆尺寸设计 36 4 8 3 夹具体结构尺寸设计 36 4 8 4 松 拉刀位移的确定 38 4 8 5 碟型弹簧的设计与计算 39 4 9 HSK 工具系统结构特点分析 41 4 10 HSK 工具系统的静态刚度 44 4 10 1 H
5、SK 工具系统的变形转角与极限弯矩 44 5 电主轴的润滑与冷却 47 5 1 润滑介绍 47 5 1 1 润滑的作用和目的 47 5 1 2 电主轴润滑的主要类型 47 5 1 3 油气润滑的原理和优点 49 5 2 电主轴的冷却 50 5 2 1 电主轴的热源分析 50 5 2 2 电主轴的冷却方法 51 5 3 电主轴的防尘和密封 51 6 电主轴的驱动和控制 52 6 1 恒转矩变频驱动和参数设置 52 6 2 恒功率变频驱动和参数设置 53 6 3 矢量控制驱动器的驱动和控制 54 6 4 普通变频器原理 56 6 5 本设计采用的变频器原理 57 6 6 主轴准停 59 6 6 1
6、 主轴的准停功能 59 6 6 2 主轴准停的工作原理 59 专业 专注 6 6 3 主轴准停控制方法 59 7 主轴动平衡 62 7 1 动平衡介绍 62 7 2 动平衡设计 63 总 结 65 致 谢 66 参考文献 67 专业 专注 引 言 高速机床是实现高速切削加工的前提和条件 高速数控机床是装备制造业的技术 基础和发展方向之一 是装备制造业的战略性产业 高速数控机床的工作性能 首先 取决于高速主轴的性能 高速铣床上的电主轴系统多采用高速电主轴 高速电主轴是 由装式交流变频伺服电机直接驱动 机床主轴转速高 功率大 结构简单 在高转速 下可保持良好的动平衡 数控铣床高速主轴单元包括主轴动
7、力源 主轴 轴承和机架等几个部分 它影响 加工系统的精度 稳定性及应用围 其动力学性能及稳定性对高速加工起着关键的作 用 高速高精度主轴单元系统 应该具有刚性好 回转精度高 运转时温升小 稳定 性好 功耗低 寿命长 可靠性高等优点 同时 制造及操作成本也要中 要满足这 些要求 主轴的制造及动平衡 主轴的支撑 主轴系统的润滑和冷却 主轴系统的刚 性等是很重要的 高速主轴单元的类型主要有电主轴 气动主轴 水动主轴等 不同类型的高速主 轴单元输出功率相差较大 高速加工机床主轴要求在极短的时间实现升降速 并在指 定位置快速准停 这就需要主轴有较高的角减速度和角加速度 如果通过传动带等中 间环节 不仅会
8、在高速状态下打滑 产生振动和噪声 而且增加转动惯量 给机床快 速准 停造成困难 电主轴是一种新型的机械结构形式 是一种主轴电机一体化的主轴单元 即所谓 的装式电机主轴 它采用无外壳电机 将带有冷却套的电机定子装配在主轴单元的壳 体 转子和机床主轴旋转部分做成一体 主轴的变速围完全由交流电机控制 这种结 构大大简化了主传动的机械结构 取消了带传动和齿轮传动 从而把机床主传动链的 长度缩短为零 实现了机械的 零传动 这种主轴电动机和主机主轴 合二为一 的传动结构形式 使主轴组件从主机的传动系统和整体结构中相对独立出来 可以做 成 主轴单元 通常称为 电主轴 其英文的称谓有多种 比如 Electro
9、 spindle Motor Spindle 和 Motorized Spindle 它是随着电气传动技术 变频调速 技术 电动机矢量控制技术等 的迅速发展而日趋完善 由于电主轴主要采用交流高频 电动机 也称为 高频主轴 High Frequency Spindle 由于没有中间传动环节 有时称为 直接传动主轴 Direct Drive Spindle 电主轴是一种智能型功能部件 具有转速高 功率大 高速运行的可靠性和安全性等优点 电动机置于主轴部件后 专业 专注 不可避免的将会产生发热的问题 从而需要设计专门用于冷却电动机的油冷或水冷系 统 高频电动机要有变频器类的驱动器 以实现主轴转速的变
10、换 高速轴承有时要有 专门的润滑装置 另外为了保证高速回转部件的安全 还要有报警及停车用的传感器 及其控制系统等一系列支持电主轴运转的外围设备和技术 因此 电主轴 的概念不 应该简单的理解为只是一根主轴套筒 而是一个完整的 在机床数控系统监控下的子 系统 总之 电主轴具有结构紧凑 重量轻 惯性小及动态特性好和改善机床动平衡 避免振动和噪声等特点发展越来越快 而高速电主轴单元技术的发展 可以带动高速 进给 高性能道具 检测与控制等一系列相关技术的发展 因此各工业国家都十分关 注电主轴单元技术的研究与发展 专业 专注 1 数控铣床简介 1 1 1 1 数控铣床组成数控铣床组成 数控铣床的基本组成见
11、图 1 1 它由床身 立柱 主轴箱 工作台 滑鞍 滚珠丝 杠 伺服电机 伺服装置 数控系统等组成 床身用于支撑和连接机床各部件 主轴箱用于安装主轴 主轴下端的锥孔用于安 装铣刀 当主轴箱的主轴电机驱动主轴旋转时 铣刀能够切削工件 主轴箱还可沿立 柱上的导轨在 Z 向移动 使刀具上升或下降 工作台用于安装工件或夹具 工作台可 沿滑鞍上的导轨在 X 向移动 滑鞍可沿床身上的导轨在 Y 向移动 从而实现工件在 X 和 Y 向的移动 无论是 X Y 向 还是 Z 向的移动都是靠伺服电机驱动滚珠丝杠来实 现的 伺服装置用于驱动伺服电机 控制器用于输入零件加工程序和控制机床工作状 态 控制电源用于向伺服装
12、置和控制器供电 图 1 1 数控铣床的基本组成图 数控铣床的机械结构 除铣床基础部件外 由下列各部分组成 1 主传动系统 2 进 给系统 3 实现工件回转 定位 的装置和附件 4 实现某些部件动作和辅助功能的 系统和装置 如液压 气动 润滑 冷却等系统和排屑 防护等装置 5 刀架或自动 专业 专注 换刀装置 ATC 6 自动托盘交换装置 APC 7 特殊功能装置 如刀具破损监控 精度检测和监控装置 8 为完成自动化控制功能的各种反馈信号装置及元件 1 2 1 2 数控铣床的工作原理数控铣床的工作原理 根据零件形状 尺寸 精度和表面粗糙度等技术要求制定加工工艺 选择加工参 数 通过手工编程或利用
13、 CAM 软件自动编程 将编好的加工程序输入到控制器 控制 器对加工程序处理后 向伺服装置传送指令 伺服装置向伺服电机发出控制信号 主 轴电机使刀具旋转 X Y 和 Z 向的伺服电机控制刀具和工件按一定的轨迹相对运动 从而实现工件的切削 1 31 3 数控铣床加工的特点数控铣床加工的特点 1 用数控铣床加工零件 精度很稳定 如果忽略刀具的磨损 用同一程序加工出的 零件具有相同的精度 2 数控铣床尤其适合加工形状比较复杂的零件 如各种模具等 3 数控铣床自动化程度很高 生产率高 适合加工批量较大的零件 1 41 4 数控铣床加工的主要对象数控铣床加工的主要对象 1 平面类零件 加工面平行或垂直与
14、水平面 或加工面与水平面的夹角为定角的饿零件为平面类 零件 平面类零件一般只需用三坐标数控铣床的两坐标联动 即两轴半坐标联动 就 可以加工出来 2 变斜角类零件 加工面与水平面夹角呈连续变化的零件称为变斜角零件 此类零件的变斜角加工 面不能展开为平面 最好采用四坐标 五坐标数控铣床摆角加工 3 曲面类零件 加工面为空间曲面的零件称为曲面类零件 也不能展开为平面 一般采用球头刀在 三轴数控铣床上加工 专业 专注 2 电主轴概述 2 12 1 电主轴的基本概念电主轴的基本概念 加工中心是集机 电 液 气 计算机和信息控制等各种技术于一体的机电一体 化的典型产品 最能体现高速 高效 超精 数字化及结
15、构紧凑等当今最先进 最流 行的技术水平 它广泛应用于能源 交通 原材料 农机 军工 轻纺织机械 汽车 模具等各个工业部门的机械制造领域中 它的技术水平高速及其在金属切削机床产量 和总拥有量中的百分比是衡量一个国家机械工业制造水平的重要标志 电主轴是一套组件 它包括电主轴本身及其附件 电主轴 高频变频装置 油雾 润滑装置 冷却装置 置编码器 换刀装置 高速主轴单元是高速机床最为关键的部 件 高速主轴单元的主要类型有电主轴 气动主轴 水动主轴等等 主轴部件是加工中心的主要功能部件 是决定机床高速化和高精度的关键部分 始终是机床技术发展的基础 随着电气传动技术 变频调速技术 电动机矢量控制等 的迅速
16、发展和日趋完善 高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化 基本上 取消了带轮传动和齿轮传动 机床主轴由装式电动机直接驱动 从而把机床主传动链 的长度缩短为零 实现机床的 零传动 这种主轴电动机和主机主轴 合二为一 的传动结构形式 使主轴组件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来 因此可 以做成 主轴单元 通常称为 电主轴 其英文的称谓有多种 比如 Electro spindle Motor Spindle 和 Motorized Spindle 等等 它是随着电气传动技术 变频 调速技术 电动机矢量控制技术等 的迅速发展而日趋完善 由于电主轴主要采用交流 高频电动机 也称为 高频主轴 High Frequency Spindle 由于没有中间传动环 节 有时称为 直接传动主轴 Direct Drive Spindle 电主轴是一种智能型功能 部件 不但转速高 功率大 具有调速围广 振动噪声小 而且便于控制 能实现定 向准停 准速 准位等功能 2 22 2 电主轴单元关键技术电主轴单元关键技术 电主轴单元是一套组件 它是一项涉及电主轴本身及其附件的系统工程 其系统 框图如图 2 1
