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数控铣床电主轴系统的设计

轴承技术高速精密电主轴的动态性能和热态性能设计高速电动机设计及驱动技术高速电主轴的精密加工和精密装配技术高速精密电主轴的润滑技术高速精密电主轴的冷却技术.高速电主轴发展及现状高速电主轴技术的发展及现状主轴单元结构形式研究的发展.电主轴对高速加工技术及现代数控机床发展的意义.内装式电主轴系统的研究.电主轴工作原理及结构.电主轴的基本结构轴壳转轴轴承定子与转子.电主轴的工作原理.电主轴的基本参数电主轴的型号转速输出功率输出转矩电主轴转矩和转速功率的关系恒转速调速恒功率调速轴承中径.自动换刀装置.电主轴结构设计.主轴的设计.铣削力的计算主轴当量直径的计算.高速电主轴单元结构参数静态估算高速电主轴单元结构静态估算的内容与目的轴承的选择和基本参数.轴承的预紧.主轴轴承静刚度的计算主轴单元主要结构参数确定及刚度验算主轴单元主要结构参数确定主轴强度的校核主轴刚度的校核主轴的精密制造.主轴电机电机选型.主轴轴承轴承简介陶瓷球轴承陶瓷球轴承的典型结构.主轴轴承精度对主轴前端精度影响.拉刀机构设计刀具接口拉刀杆尺寸设计夹具体结构尺寸设计松拉刀位移的确定碟型弹簧的设计与计算.工具系统结构特点分析.工具系统的静态刚度工具系统的变形转角与极限弯矩.电主轴的润滑与冷却.润滑介绍润滑的作用和目的电主轴润滑的主要类型油气润滑的原理和优点.电主轴的冷却电主轴的热源分析电主轴的冷却方法.电主轴的防尘和密封.电主轴的驱动和控制.恒转矩变频驱动和参数设置.恒功率变频驱动和参数设置.矢量控制驱动器的驱动和控制.普通变频器原理.本设计采用的变频器原理.主轴准停主轴的准停功能主轴准停的工作原理主轴准停控制方法．主轴动平衡.动平衡介绍.动平衡设计总结致谢参考文献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，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。高速电主轴是由内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范围，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内实现升降速，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！电主轴是种新型的机械结构形式。是种主轴电机体化的主轴单元，即所谓的内装式电机主轴。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内，转子和机床主轴旋转部分做成体，主轴的变速范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”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，比如和。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”。由于没有中间传动环节，有时称为“直接传动主轴”。电主轴是种智能型功能部件，具有转速高功率大高速运行的可靠性和安全性等优点。电动机内置于主轴部件后，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根主轴套筒，而是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。.数控铣床简介数控铣床组成数控铣床的基本组成见图.，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。当主轴箱内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向移动，滑鞍可沿床身上的导轨在向移动，从而实现工件在和向的移动。无论是向，还是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置和控制器供电。图.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.主传动系统.进给系统.实现工件回转定位的装置和附件.实现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.刀架或自动换刀装置.自动托盘交换装置.特殊功能装置，如刀具破损监控精度检测和监控装置.为完成自动化控制功能的各种反馈信号装置及元件。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，和向的伺服电机控制刀具和工件按定的轨迹相对运动，从而实现工件的切削。.数控铣床加工的特点用数控铣床加工零件，精度很稳定。如果忽略刀具的磨损，用同程序加工出的零件具有相同的精度。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。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。.数控铣床加工的主要对象平面类零件加工面平行或垂直与水平面，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。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。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，般采用球头刀在三轴数控铣床上加工。.电主轴概述.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体的机电体化的典型产品，最能体现高速高效超精数字化及结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个国家机械工业制造水平的重要标志。电主轴是套组件，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内置编码器换刀装置。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。机床主轴由内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”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，比如和等等。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”。由于没有中间传动环节，有时称为“直接传动主轴”。电主轴是种智能型功能部件，不但转速高功率大具有调速范围广振动噪声小，而且便于控制能实现定向准停准速准位等功能。.电主轴单元关键技术电主轴单元是套组件，它是项涉及电主轴本身及其附件的系统工程，其系统框图如图.。电主轴单元所融合的技术主要包括以下几方面。图.系统框图高速精密轴承技术实现电主轴高速化和精密化的关键是轴承的应用。目前在大功率高速精密电主轴中应用的轴承主要是角接触陶瓷球轴承和液体东静压轴承。空气轴承不时和于大功率场合，磁悬浮轴承由于价格昂贵控制系统复杂，其实用性受到限制。角接触球轴承是精密数控机床常用的主轴支撑。由于滚球高速运转时会产生巨大的离心力和陀螺力矩，采用陶瓷球和钢质套圈混合轴承成为种选择。最常用的陶瓷球材料是。陶瓷具有密度小热膨胀系数小弹性模量大和硬度高等优点。用它作为高速主轴轴承的滚动元件，可大大减少滚球的离心力和陀螺力矩，从而使轴承获得高速度低温升和长寿命的性能。除混合轴承外，目前国内已开始在高速精密主轴上试验采用全陶瓷球轴承，其内外套圈保持架和陶瓷球采用的材料有和聚四氟乙烯等。陶瓷球的等静压成型和烧结是保证陶瓷球强度的基础，球的加工精度靠加工和检测来保证。目前国内滚球的加工精度可达级以上。对于全陶瓷球轴承，除陶瓷球外，陶瓷内外圈的精密加工也是关键，需要设计专门的工装固定内外圈坯件才能实现精密加工，内外沟道的加工精度的致性也要靠恰当的工装和工序来保证。尽管目前高速精密电主轴的支撑绝大部分为角接触陶瓷球轴承，但由于在极限转速和大负载工况下滚动轴承的功能丧失很快，液体动静压轴承的研究直为国内外电主轴企业及专家重视。动静压轴承作为电主轴轴承的主要技术难点是实现高速化，对其关键技术的研究主要有动静压轴承的层流紊流流体惯性的计算算法研究动静压轴承层油腔结构的研究轴承温升及热变形控制技术的研究及润滑介质的研究等。高速精密电主轴的动态性能和热态性能设计高速精密电主轴设计目标要求主轴刚度高精度高抗振性好可靠性高。传统的动力学分析常常将轴承刚度用假设的弹簧代替，利用有限元或传递矩阵法等数值计算方