数控机床电主轴与进给系统结构设计课件.ppt

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1、数控机床电主轴与进给系统结构设计--高速电主轴结构设计--直线伺服电机进给系统结构高速电主轴的结构设计1.高速电主轴概述。2.高速电主轴技术的发展及现状。3.高速电主轴的结构设计。<一>高速电主轴概述高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，是高速机床的核心部件。这四个部分构成一个动力学性能及稳定性良好的系统，在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。从目前发展现状来看，主轴单元形成独立的单元而成为功能部件以方便地配置到多种加工中心及高速机床上，而且越来越多地采用电主轴类型。集成内装式电主轴：其主轴

2、由内装式电机直接驱动，这种结构基本上取消了带传动和齿轮传动等中间传动环节从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主轴的“零传动”。这是一种由内装式电机和机床主轴“合二为一”的传动形式，即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床的主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴（Build-inMotorSpindle），或称高速电主轴（High-speedMotorizedSpindle）。电主轴典型的结构和系统组成如图所示。高速电主轴的结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，并可改善主轴的动平衡，减少振动

3、和噪声，是高速机床主轴单元的理想结构。相比普通主轴三大优点：1.如果电机仍采用皮带或齿轮等方式传动，则在高速运转条件下所产生的振动和噪声等问题难以解决，必会影响机床的加工精度、加工表面粗糙度。2.为了提高生产率，要求在最短时间内实现高的速度变化，即主轴回转时要具有极大的角加速度。达到这个要求的最经济的办法，是主轴传动系统的转动惯量尽可能地减小。而将电机内置，省掉齿轮、皮带等一系列中间环节，才是达到这一目标的理想途径。3.电机内置于主轴两支承之间，可提高主轴系统的刚度，也就是提高了系统的固有频率，从而提高了其临界转速值。三大性能指标

4、：1.使用寿命:指更换一次轴承时主轴的累计工作时间。实际上就是指轴承的使用寿命。2.主轴前端径向刚度是指电主轴工作端在单位径向力作用下产生的位移。这一指标对加工精度、生产效率影响很大。在其它条件相同的情况下，径向刚度越大，工作效率就越高。3.临界转速是指当主轴旋转时，会使主轴出现挠度急剧增大、转动失稳现象的那些旋转速度。主轴工作转速应远离各阶临界转速，否则主轴将有可能处于共振区而产生剧烈振动。<二>高速电主轴技术的发展及现状早在20世纪50年代，就己出现了用于磨削小孔的高频电主轴，当时的变频器采用的是真空电子管，虽然转速高，但传递

5、的功率小，转矩也小。随着高速切削发展的需要和功率电子器件、微电子器件和计算机技术的发展，产生了全固态元件的变频器和矢量控制驱动器；加上混合陶瓷球轴承的出现，使得在20世纪80年代末、90年代初出现了用于铣削、钻削、加工中心及车削等加工的大功率、大转矩、高转速的电主轴。1976年美国的Vought公司首次推出一台超高速铣床，采用了Bryant内装式电机主轴系统，最高转速达到了20,000r/min，功率为15KW。到90年代末期，电主轴发展的水平是:转速40,000r/min，功率40KW。但2001年美国Cincinnati公司为

6、宇航工业生产了SuperMach大型高速加工中心，其电主轴最高转速达60,000r/min，功率为80KW。目前世界各主要工业国家均有装备优良的专业电主轴生产厂，批量生产一系列用于加工中心和高速数控机床的电主轴。其中最著名的生产厂家有:瑞士的FISCHER公司、IBAG公司和STEP-TEC公司，德国的GMN公司和FAG公司，美国的PRECISE公司，意大利的GAMFIOR公司和FOEMAT公司，日本的NSK公司和KOYO公司，以及瑞典的SKF公司等公司。<三>高速电主轴结构设计两种主要布局设计：1.主电机置于主轴前、后轴承之间。

7、它采用两支承结构，前轴承比后轴承尺寸大，均分别用串联安装方式，前后支承受力方式为外撑式。后支承选用小尺寸轴承，虽然会降低速度回数值，这对主轴整体刚性影响不大，但它改变了工作条件，对保持整个轴系的使用寿命十分有利。这种结构的优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度大，输出功率大，较适合大中型高速机床。2.主电动机置于主轴后轴承之后，即主轴箱和主电机作轴向的同轴布置，这种方式减少了电主轴前端的悬伸量，电机的散热条件较好，但整个电主轴单元的出力较小，轴向尺寸大，常用于小型高速机床。高速电主轴结构设计工作路线高速电主轴动平衡设计主轴单元动平

8、衡特点：离心力和转速平方成正比，低速时测不到的不平衡在高速工作时变的非常明显。动平衡设计：结构设计上杜绝动不平衡因素如采用对称设计、轴上零件采用无键（包括螺纹）联结设计；装配前单个零件分别动平衡；装配后整体低速到高速逐渐动平衡（动平衡精度G1～G0