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1、数控高速加工与工艺,第二章 数控高速机床,浙江机电,目录,高速加工机床结构,高速加工机床的类型,1,2,浙江机电,高速加工机床结构,介绍,主要讲述高速机床传动上和结构上的主要特点，提出了“零传动”的设计理论，并以加工中心机床为典型实例，系统分析了高速机床的性能、结构和相关技术，在此基础上，还介绍了一些其他类型的高速切削机床。,浙江机电,高速加工机床结构,电主轴,Electrospindle Motor Spindle Motorized Spindle High Frequency Spindle Direct Drive Spindle,浙江机电,高速加工机床结构,电主轴优点,1、降低振动和
2、噪声等问题，提高零件高速加工的精度、降低表面粗糙度，并提高环境质量。 2、将主轴传动系统的转动惯量尽可能地减至最小 ，主轴回转时具有极大的角加、减速度 。 3、提高主轴系统刚度，和系统的固有频率，电主轴即使在最高转速运转时，仍可确保低于其临界转速，保证高速回转时的安全。 4、没有中间环节，减少冲击，主轴运转更为平稳，使得主轴轴承寿命相应得到延长 。,浙江机电,高速加工机床结构,电主轴内部结构,Connection *): 信号电缆 (温度传感器和开关),机架,永磁体,定子,转子,Connection *): 功率电缆,Connection: 主冷却 精密冷却,浙江机电,高速加工机床结构,主轴其
3、他辅助系统,驱动控制系统 轴承润滑系统 密封系统 冷却系统 锥孔清洁系统,浙江机电,高速加工机床结构,电主轴的基本参数与结构步局,电主轴的基本参数和主要规格包括：套简直径、最高转速、输出功率、基速、 基速转矩、转矩和刀具接口等。,基速又称额定转速，是指恒转矩驱动与恒功率驱动交汇点， 即小于基速时为恒转矩驱动，大于基速时为恒功率驱动 。,浙江机电,高速加工机床结构,电主轴整体结构,浙江机电,高速加工机床结构,电主轴参数,浙江机电,高速加工机床结构,电主轴轴承,1、滚动轴承,电主轴采用的轴承主要有滚动轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴 。,滚动轴承具有刚度高、高速性能好、结构简单紧凑、标准化程度高、品种
4、规格繁多、便于维修更换、价格适中和便于选择等优点，因而在电主轴中得到最广泛的应用。电主轴一般采用适应高速且可同时承受径向和轴向负荷的精密角接触球轴承。,浙江机电,高速加工机床结构,电主轴轴承,轴承配置形式及预加载荷,浙江机电,高速加工机床结构,电主轴轴承,高速主轴会对轴承产生很大的接触应力，温升与磨损，降低轴承的使用寿命 。可采用以下两种方法： 适当减少滚珠的直径 。 采用轻质材料来制造滚珠 。氮化硅(Si3N+)陶瓷球,浙江机电,高速加工机床结构,流体静压轴承,流体静压轴承为非直接触式轴承，具有磨损小、寿命长、旋转精度高、阻尼特性好(振动小)等优点，用于机床电主轴上，在加工零件时可使刀具寿命
5、长、加工表面质量高。 气体静压轴承电主轴的转速可高达100 000200 000rmin，其缺点是刚度差，承载能力低，在机床上一般只限用于小孔磨削和钻孔 。,浙江机电,高速加工机床结构,磁悬浮轴承（磁力轴承）,磁悬浮轴承电主轴在空气中回转，由于不接触，因此没有磨损，无需任何润滑，寿命很长。由于磁悬浮轴承轴心的位置用电子反馈控制系统进行自动调节，因此其刚度值可以任意设定，可自动动平衡和主动控制阻尼而将振动减至很低。这种轴承温升低，回转精度极高(可高达0.1m )，主轴轴向尺寸变化也很小，是一种很有发展前途的电主轴。,浙江机电,进给系统,高速加工机床结构,（一）高速机床对进给要求： 高速度、高加速
6、度、高精度、高可靠性、高安全性、合理成本。,（二）传统的进给系统存在的问题,浙江机电,进给系统,高速加工机床结构,（1）刚度低、惯量大，难以获得高进给速度和高加速度。 （2）非线性严重，不易实现闭环控制。 （3）传动误差较大，影响机床加工精度。 （4）结构复杂。 （5）传动噪声大。 （6）传动效率低。,浙江机电,高速加工机床结构,解决问题的途径,1.采用新设计、新工艺、新材料等对传统的滚珠丝杆副进行创新。 2.研发开发高速机床用直线伺服电动机和其构成的高速进给系统。 3.研究开发新的并联机构驱动系统,空间机构学理论与现代驱动系统的结合。,浙江机电,高速加工机床结构,高速滚珠丝杆螺母传动系统的技
7、术创新。,1、提高系统刚度 丝杠中空结构 预拉处理 提高丝杠支承刚度 提高滚珠与滚道接触刚度,浙江机电,高速加工机床结构,2.增大丝杠螺母的导程和螺纹头数 3.实施强制冷却,减少发热的影响 4.对螺母结构进行特殊设计 减小滚珠直径 钢珠采用空心结构,钢珠一大一小间隔排列,螺纹滚道和反向器进行优化设计.,浙江机电,高速加工机床结构,高速滚珠丝杆螺母传动系统的技术创新,5、采用陶瓷等新材料制造滚珠. 6、对螺母预加载荷进行自适应用控制 7、采用螺母旋转，丝杆不动的运动分配方案 8、采用双电机驱动方案。,浙江机电,高速加工机床结构,采用高速滚珠丝杠螺母传动的优点和存在问题,1.高速滚珠丝杠螺母副制造
8、难度大. 2.速度和加速度仍受到较大限制. 3.进给行程有限,一般不超过46M 4.存在由失动量等形成的非线性特性,全闭环时系统稳定性不易保证.,浙江机电,高速加工机床结构,直线电机,浙江机电,高速加工机床结构,直线电机原理,浙江机电,高速加工机床结构,直线电机结构形式,浙江机电,高速加工机床结构,使用系统,系统概览 1FN 直线电机和西门子系统,浙江机电,高速加工机床结构,对机械设计的整体要求 :,- 移动质量尽量小 良好的基础 高固有频率的刚性机床设计 整体结构具有良好的阻尼系数,光栅:,光栅也用作速度反馈 (位置信号微分),通过设计和防护保证切屑不会进入电机 工作区域 微小的颗粒不会影响
9、1FN直线电机 (初级和次级有间隙),max. 50 mm,次级部件 support plate bundles flux lines no magnetization of the machine,使用直线电机应注意,浙江机电,高速加工机床结构,直线电机和旋转电机对比,直线电机集成了,皮带/链条,直线电机,直线驱动装置,滚珠线杆,气缸,出条,浙江机电,高速加工机床结构,直线电机,浙江机电,高速加工机床结构,1FN 直线电机的热隔离,精密冷却,动力冷却,在接触区域的温升,热隔离的厚度,D,T 2K (1FN1),max,D,T 4K (1FN3),max,1FN1电机,浙江机电,高速加工机床结构,电机其他结构,连接盒,选件: 精密冷却 ( 4 K 温升),次级部件,初级部件,选件: 防护板 (保护次级部件),选件: 冷却部件 ( 4 K to environment),主冷却,浙江机电,高速加工机床的类型,1. 数控机床,浙江机电,高速加工机床的类型,国外先进机床,Thank You!,
