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1、第9章 学习情情境七主轴驱动动系统故故障诊断断与维修修 数数控机床床的主轴轴驱动系系统的性性能直接接决定了了加工工工件的表表面质量量，主轴轴控制只只是一个个 速速度控制制系统，实实现主轴轴的旋转转运动，提提供切削削过程中中的转矩矩和功率率，保证证任意转转速的调调 节节，完成成在转速速范围内内无级变变速。在在具有CC轴控制制的主轴轴与进给给伺服系系统一样样，为位位置控制制伺服系系统。9.1 主轴驱驱动系统统概述主轴驱动动系统通通过传动动机构转转变成主主轴上安安装的刀刀具或工工件的切切削力矩矩和切削削速度， 完成成主运动动的动力力装置部部分，配配合进给给运动加加工出合合格的零零件。主主运动是是零件
2、加加工的成成形 运动，其其精度对对零件的的加工精精度影响响较大。数控机床床主轴的的工作运运动通常常是旋转转运动，与与进给轴轴的进给给共同实实现刀具具与工件件的快 速相相对切削削运动。早期的的数控机机床的主主轴一般般采用三三相感应应电动机机，通过过配多级级齿轮变变速 箱实现现有级变变速的驱驱动方式式。现代代数控机机床对主主轴传动动提出了了更高的的要求。1调速速范围宽宽并实现现无级调调速为保证加加工时能能选用合合适的切切削用量量，以获获得最佳佳的生产产率、加加工精度度和表面面质量， 特别别是具有有自动换换刀功能能的数控控加工中中心，为为适应各各种刀具具、工序序和各种种材料的的加工要要 求求，对主主
3、轴的调调速范围围要求更更高，要要求主轴轴能在较较宽的转转速范围围内根据据数控系系统的指指令自 动实实现无级级调速，并并减少中中间传动动环节，简简化主轴轴箱。目前主轴轴驱动装装置的恒恒转矩调调速范围围已可达达1：1100，恒恒功率调调速范围围也可达达1：330，一一般过载载155倍时可可持续工工作300minn。主轴变速速分为有有级变速速、无级级变速和和分段无无级变速速3种形形式，其其中有级级变速仅仅用于经经 济济型数控控机床，大大多数数数控机床床均采用用无级变变速或分分段无级级变速。在无级级变速中中，变频频调 速主轴轴一般用用于普通通型数控控机床，交交流伺服服主轴则则用于中中、高档档数控机机床
4、。2恒功功率范围围宽主轴在全全速范围围内均能能提供切切削所需需功率，并并尽可能能在全速速范围内内提供主主轴电动动机的 最大大功率。由于主主轴电动动机与驱驱动装置置的限制制，主轴轴在低速速段均为为恒转矩矩输出。为满足足数 控机床床低速、强力切切削的需需要，常常采用分分段无级级变速的的方法，以以扩大输输出转矩矩。3具有有4象限限驱动能能力 要求求主轴在在正、反反向转动动时均可可进行自自动加、减速控控制，并并且加、减速时时间要短短。目前前一般伺伺服主轴轴可以在在1s内内从静止止加速到到60000rrniin。4具有有位置控控制能力力即具有进进给功能能(C轴轴功能)和定向向功能(准停功功能)，以以满足
5、加加工中心心自动换换刀、刚刚性攻丝丝、螺纹纹切削及及车削中中心的某某些加工工工艺的的需要。5有较较高的精精度与刚刚度，传传动平稳稳，噪音音低数控机床床加工精精度的提提高与主主轴系统统的精度度密切相相关。为为了提高高传动件件的制造造精度与与刚度，采采用齿轮轮传动时时齿轮齿齿面应采采用高频频感应加加热淬火火工艺以以增加耐耐磨性，最最后一级级一般用用斜齿轮轮传动，使使传动平平稳。采采用带传传动时应应采用齿齿型带。为提高高主轴组组件的刚刚性，应应采用精精度高的的轴承及及合理的的支撑跨跨距。在在结构允允许的条条件下，应应适当增增加齿轮轮宽度，提提高齿轮轮的重叠叠系数。变速滑滑移齿轮轮一般都都用花键键传动
6、，采采用内径径定心。侧面定定心的花花键对降降低噪声声更为有有利，因因为这种种定心方方式传动动间隙小小，接触触面大，但但需要采采用专门门的刀具具和花键键磨床加加工。6良好好的抗振振性和热热稳定性性在长时间间持续切切削、加加工余量量不均匀匀、运动动部件不不平衡及及切削过过程中的的自振等等引起冲冲击力和和交变力力，会使使主轴产产生振动动，影响响加工精精度和表表面粗糙糙度，甚甚至损坏坏刀具和和主轴系系统中的的零件，使使其无法法工作。主轴系系统的发发热使其其中的零零部件产产生热变变形，降降低传动动效率，影影响零部部件之间间的相对对位置精精度和运运动精度度，从而而造成加加工误差差。因此此，主轴轴组件要要有
7、较高高的固有有频率，较较好的动动平衡，且且要保持持合适的的配合间间隙，并并要进行行循环润润滑。9.2 不同类类型主轴轴系统的的特点和和使用范范围1普通通鼠笼式式异步电电动机配配齿轮变变速箱这是最经经济的一一种主轴轴配置方方式，但但只能实实现有级级调速。由于电电动机始始终工作作在额定定转速下下，经齿齿轮减速速后，在在主轴低低速下输输出力矩矩大，重重切削能能力强，非非常适合合粗加工工和半精精工的要要求。如如果加工工产品比比较单一一，对主主轴转速速没有太太高的要要求，配配置在数数控机床床上也能能起到很很好的效效果；它它的缺点点是噪音音比较大大，由于于电机工工作在工工频下，主主轴转速速范围不不大，不不
8、适合有有色金属属切削和和需要频频繁变换换主轴速速度的加加工场合合。2普通通鼠笼式式异步电电动机配配简易型型变频器器可实现主主轴的无无级调速速，主轴轴电机只只有工作作在5000r/minn以上时时才能有有比较满满意的力力矩输出出，否则则，特别别是车床床很容易易出现堵堵转的情情况；一一般采用用两档齿齿轮或皮皮带变速速，主轴轴仍然只只能工作作在中高高速范围围。另外外，因为为受到普普通电机机最高转转速的限限制，主主轴的转转速范围围受到较较大的限限制。这这种方案案适用于于需要无无级调速速但对低低速和高高速都无无要求的的场合。3普通通鼠笼式式异步电电动机配配通用变变频器进口的通通用变频频器，除除了具有有u
9、ff曲线调调节外，一般还具有无反馈矢量控制功能，会对电动机的低速特性有所改善；配合两级齿轮变速，基本上可以满足车床低速(100200rmin)小加工余量的加工，但同样受电动机最高转速的限制。这是目前经济型数控机床比较常用的主轴驱动系统。4专用用变频电电动机配配通用变变频器一般采用用有反馈馈矢量控控制，低低速甚至至零速时时都可以以有较大大的力矩矩输出，有有些还具具有定向向甚至分分度进给给的功能能，是非非常有竞竞争力的的产品。以YPPNC系系列变频频电动机机为例：电压，三三相2000 VV、2220 VV、3880 VV、4000 VV可选；输出功功率1511855kW：变频范范围22000Hz：
10、30mmin1150过载能能力；支支持Vf。控控制、VVf+PG(编码器器)控制制、无PPG矢量量控制、有PGG矢量控控制。提提供通用用变频器器的厂家家以国外外公司为为主，如如西门子子、安川川、富士士、三菱菱、日立立等。中中档数控控机床主主要采用用这种方方案，主主轴传动动两档变变速甚至至仅一档档即可实实现转速速在10002200rrmiin时车车、铣的的重力切切削。一一些有定定向功能能的还可可以应用用于要求求精镗加加工的数数控镗铣铣床；若若应用在在加工中中心上，必必须采用用其他辅辅助机构构完成定定向换刀刀的功能能，也不不能满足足刚性攻攻丝的要要求。5伺服服主轴驱驱动系统统交流伺服服主轴驱驱动系
11、统统保持了了直流驱驱动系统统的优越越性，而而且交流流电动机机无需维维护，便便于制造造，不受受恶劣环环境影响响，目前前直流伺伺服主轴轴驱动系系统已逐逐步被交交流电动动机所取取代。交交流伺服服主轴驱驱动系统统通常采采用感应应电动机机作为驱驱动电动动机，由由伺服驱驱动器实实施闭环环控制。交流主主轴电动动机均采采用交流流感应电电动机，并并且通常常多采用用不带换换向器的的三相感感应电动动机。其其定子由由对称的的三相绕绕组组成成。圆柱柱体的转转子铁芯芯上是由由均匀分分布的斜斜槽、铸铸铝结构构笼条与与端部的的金属环环构成的的笼式转转子(故故也称笼笼式电动动机)。定子的铁铁芯具有有轴向孔孔而无外外壳，以以利通
12、风风，所以以交流电电机往往往是非封封闭式的的电机)。为了了提高输输出功率率，防止止主轴的的热变形形，也有有在电动动机外壳壳与前端端盖中通通有循环环油路，实实现液体体冷却绕绕组与主主轴轴承承。交流流主轴控控制单元元，是一一种转差差频率矢矢量控制制系统，用用来控制制交流感感应电机机的。交交流电动动机的尾尾部大多多同轴安安装有脉脉冲编码码器或脉脉冲发生生器。此此时，速速度反馈馈可以有有两种方方式，如如果主轴轴放大器器是数字字式，则则可接受受反馈。如果主主轴放大大器是模模拟式，则则直接反反馈给CCNC主主轴伺服服接口。采用永永磁式同同步交流流伺服电电动机作作为驱动动电动机机，由伺伺服驱动动器实现现速度
13、环环的矢量量控制，具具有快速速的动态态响应特特性，但但其恒功功率调速速范围较较小。交流主轴轴驱动系系统分模模拟式和和数字式式两种，具具有以下下特点：图主轴伺服电机全数字式式主轴驱驱动系统统，可直直接使用用CNCC的数字字量输出出信号控控制驱动动器，不不需要经经过DA转换换，转速速控制精精度高。主轴转转速的提提高不受受换向器器的限制制，其最最高转速速通常比比直流主主轴的更更高，可可达到每每分钟数数万转。采用微微处理器器和现代代控制理理论进行行控制，运运行平稳稳、振动动和噪声声小。数数字式主主轴驱动动系统中中，可采采用参数数设置方方法对系系统进行行静态调调整与动动态优化化，系统统设置灵灵活、调调整
14、准确确。由于于交流主主轴无换换向器，主主轴通常常不需要要进行维维修。 具有再再生制动动功能，在在制动时时，既可可将能量量反馈回回电网，起起节能效效果，又又能加快快启动，制制动速度度。伺服服主轴驱驱动系统统具有响响应快、速度高高、过载载能力强强的特点点，还可可以实现现定向和和进给功功能，通通常价格格是同功功率变频频器主轴轴驱动系系统的223倍倍。伺服服主轴驱驱动系统统主要应应用于加加工中心心上，用用以满足足系统自自动换刀刀、刚性性攻丝、主轴CC轴进给给功能等等对主轴轴位置控控制性能能要求很很高的加加工。如如图为主主轴伺服服电机。6电主主轴图 电主轴电主轴是是主轴电电动机的的一种结结构形式式，驱动
15、动器可以以是变频频器或主主轴伺服服，也可可以不要要驱动器器。由于于电主轴轴将电动动机和主主轴合二二为一，没没有传动动机构，因因此大大大简化了了主轴的的结构并并且提高高了主轴轴的精度度，但是是抗冲击击能力较较弱，而而且功率率还不能能太大，一一般在110 kkw以下下，如图图。由于于结构上上的优势势，电主主轴主要要向高速速方向发发展，一一般在880000rmmin以以上，现现在最高高可达1150 0000rmmin。安装电电主轴的的机床主主要用于于精加工工和高速速加工，例例如高速速精密加加工中心心。另外外，在雕雕刻机和和有色金金属以及及非金属属材料加加工机床床上应用用较多。这些机机床由于于只对主主轴高转速速有要求求，因此此，往往往不用主主轴驱动动器。 9.3 FFANUUC主轴轴驱动系系统介绍绍FANUUC公司司在从220世纪纪80年年代开始始已使用用了交流流主轴驱驱动系统统，并逐逐步取代代了直流流主轴驱驱动系统统。目前前有三大大系列：s系列列电动机机，额定定输出功功率范围围155377 kWW；H系系列电动动机，额额定输出出功率范范围15222 kkW；PP系列电电动机，额额定输出出功率范范围37337kWW。该公公司交流流主轴驱驱动系统统有以下下主要
