数控铣床电主轴系统设计——开题

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1、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

2、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

3、轴旋转部分做成一体，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-spindle、MotorSpindle和MotorizedSpindle。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”(HighFrequen

4、cySpindle)。由于没有中间传动环节，有时称为“直接传动主轴”(DirectDriveSpindle)。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

5、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。1.数控铣床简介1.1.数控铣床组成数控铣床的基本组成见图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Z向移动，使刀具上升或下降。工作台

6、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.刀架或自动换刀装置（ATC）；6.自动托盘交换装置

7、（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.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