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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。,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
2、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-in Motor Spindle），或称高速电主轴（High-speed Motorized Spindle）。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
3、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：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
4、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。,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
5、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40,000 r/min，功率 40 KW。但 2001 年美国Cincinnati 公司为宇航工业生产了 SuperMach 大型高速加工中心，其电主轴最高转速达 60,000 r/min，功率为 80 KW。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 FI
6、SCHER 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。,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。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，
7、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 G1G0.4）；芯轴在转子热装后低速到高速逐渐动平衡（动平衡精度 G0.4）。,高速电主轴轴上
8、零件无键连接为什么要采取无键联结？主轴单元动平衡要求高（G1G0.4 级），结构设计要求不采用键、螺纹等动不平衡因素，但这带来的是大扭矩传递（电机与转子的联结）、轴承轴向限位防松等结构和无键联结的矛盾。采用过盈套联结精度高；对轴承预紧时不会引起轴承受力不均，不影响轴承寿命；过盈套质量均匀，主轴动平衡易得到保证。无键联结的过盈量计算 计算原则：过盈配合应保证过盈联结的结合强度和联结件的零件强度。结合强度是指外负荷的作用下，结合零件之间没有相对移动，能可靠地传递给定的负荷；联结件的零件强度是指联结件在结合压力的作用下，产生的复合应力不超过设计给定的极限值，能够安全可靠地工作。,计算方法：过盈配合的
9、计算即在保证结合强度的条件下，计算出承受外载荷所需的最小过盈量min 和保证联结件的强度条件下所容许的最大有效过盈量max，并依此来选定恰当的配合。在这种情况下，应认为在所选定的过盈配合条件下，零件不发生塑性变形，甚至在最大应力区存在一定塑性变形的条件下，所设计的过盈配合仍能安全可靠工作。其主要计算如下：最小过盈量的计算：1.假设在静态下即当转速为 0 时，过盈联结面传递扭矩为M 或当过盈联结承受轴向力为F x 时，由弹性力学原理，过盈联结传递负载所需的最有效过盈量b 可按下式计算：Ea、Ei 过盈套材料和主轴材料弹性模量；Ca、Ci 包容件（过盈套与被包容件（主轴）的直径比有关的系数。结合加
10、工工艺、装配要求、工作温度等因素并引入安全系数等对b 修正，则在静态条件求得传递力矩或者承受轴向力所须的最小过盈量 emin按下式计算：,emin=b+s+t+p s 考虑表面粗糙度影响的修正量；t考虑联结件表面温度与装配温度之差以及主轴与过盈套材料线膨胀系数之差的其修正量；p重复拆卸引起过盈量的减少；以上修正量的计算或确定可从机械设计手册中查得。2.主轴高速旋转时过盈套所受离心力，该离心力可引起过盈套内孔的扩张，导致过盈量减少。当主轴材料和过盈套材料的泊松比、弹性模量和密度相差不大时，离心力引起过盈量减少量w可由下式计算 式中，为主轴的转速；为主轴材料和过盈套材料的密度；v为主轴材料和过盈套
11、材料的泊松比；E为主轴材料和过盈套材料的弹性模量；,3.由以上可知，当考虑转速影响时传递力矩或者承受轴向力所须的最小过盈量 min按下式计算:,式中，K为考虑过盈套结构引起的应力集中、载荷波动和影响和可靠性、安全性而引入的安全系数。最大过盈量的计算：,由第四强度理论，过盈套和轴不产生塑性变形所容许的最大结合压力Pmax和主轴结合面不产生塑性变形所容许的最大结合压力Pmin 分别为：,式中，sa、si 分别为过盈套材料的屈服强度,则在弹性范围内，过盈联结合面不发生塑性变形时所容许的最大有效过盈量 max按下式求得：,由以上各式，当转速为，过盈联结面传递扭矩为M或当过盈联结承受轴向力为Fx，过盈套
12、与轴之间过盈量b 应满足以下要求：min b max,电主轴结构单元参数静态估算1主轴轴承静刚度2主轴单元准要结构参数确定3高速电主轴单元临界转速的核算,前后支承均选用 SKF 高精度混合式陶瓷角接触球轴承，其主要技术参数如表 2.1：,主轴轴承静刚度:,轴承装配后的预紧力Gm 可用下式计算:,Gm=f1f2ffHcGA,f 轴承系数f1 接触角系数,f2 预紧级别系数fHc 混合陶瓷球轴承修正系数GA 装配前的预紧力,前支承 71913CE/HC：查机床滚动轴承应用手册 f=1.85，f 1=1，f 2=1，fHc=1.06，GA=80Gm=1.85111.0680=156.88,主轴单元主
13、要结构参数确定：,主要假设：（1）用单一的当量截面代替多个不同尺寸的截面；（2）用合并或忽略辅助支承的方法，将多个轴承简化为前后两个支承；（3）将轴承简化为径向的压缩弹簧，即只认为轴承具有径向刚度，而不具有角刚度；（4）忽略转速对轴承刚度的影响；（5）、忽略轴承负荷对轴承刚度的影响，即把轴承刚度当作不变的常数对待。设计计算：,(1）主轴直径的初选：参考国内外电主轴生产厂家技术资料，根据电机、拉刀机构等外购件的尺寸参数，初步确定主轴的当量直径 D=63.5mm，主轴的内孔直径 d=30mm。（2）前悬伸量a的初步确定：前悬伸 a 对主轴组件的综合刚度影响很大，在选择主轴端部结构以及考虑刀具的安装
14、、轴承的类型及密封结构时，应尽可能减小主轴的悬伸量。初步确定前悬伸量 a=55mm。（3）主轴最佳跨距l0 的计算：满足主轴前端最小静挠度条件时的 l 是最佳跨距l0，当 0.75 l/l01.5时，主轴组件的刚度损失不超过 5%7%，在工程上认为是合理的刚度损失，故在该范围内的跨距称为“合理跨距”l合，结构设计时首先应争取符合最佳跨距，如果结构上不允许，则需修改其他参数使其处在l合范围内。,ys是假设轴承为刚性支承，主轴为弹性体时，主轴在前端受到外载荷 P作用后的位移yz是假设主轴是刚体，支承为弹性体时，主轴在前端受到外载荷 P 作用后的位移,根据材料力学的特性，主轴前端在一定的外载荷P 的
15、作用下，主轴端部的总挠度 y 为,根据最小挠度条件 dl/dy=0：,解得：l/a=3.8,最佳跨距 la=3.8a=3.8x55=209mm根据构造上的要求对最佳跨距l0 进行修正。根据电机的尺寸参数取l=300mm,刚度验算：K=p/y,高速电主轴单元临界转速的核算：当轴的转速达到某一定值时，轴将产生强烈的横向振动，如果继续提高其转速，振动就会衰减，但当转速达到另一较高的定值时，强烈振动又会重新出现。这种发生强烈振动时的转速称为轴的临界转速（n0）。同一根轴有很多个临界转速，按其数值由小到大排列，称为第一阶临界转速（n 01）、第二阶临界转速（n02）等。轴的工作转速应避免等于或接近其临界
16、转速，以免产生共振，影响机床的加工质量。工作转速 n 低于第一阶临界转速的轴称为刚性轴，通常使n 0.75n01，n 高 于 第 一 阶 临 界 转 速 的 轴 称 为 挠 性 轴，通 常 使1.4n01 n0.7n02 只装一个盘状零件且不计轴重时的临界转速按下式计算：,W盘状零件的重量,l两支承间跨距（cm）K系数,E轴材料的弹性模量（kgf/cm）I轴断面的惯性矩,当在一根双支承的等径轴上装有i个盘状类零件时，其临界转速有如下的关系式：,如果核算结果，临界转速偏低时，可通过提高轴的刚度或减轻轴的重量来提高其临界转速。,电主轴单元几何精度设计：主轴轴承精度对主轴前端精度影响：,前、后轴承的
17、误差对主轴回转精度的影响是不同的。图(a)表示前轴承轴心有偏移a，后轴承偏移为零的情况。这时反映到主轴端部轴心的偏移为 1=a(L+a)/L1；图(b)表示后轴承有偏移b，前轴承偏移为零的情况。这时反映到主轴端部轴心的偏移为2=b（a/L）。,各种精度等级的机床，主轴轴承的精度，可参考设计手册选用，再按下面所述方法验算。,定向选配法提高精度,定向选配的方法原理是将各项误差按一定的方向装配，使其误差相互抵消或完全抵消。调整前、后轴承内圈与主轴的周向位置，把各个误差调到一条直线上，如图 所示，使其中较小的两个误差朝一个方向，最大的一个朝另一个方向。这样，误差可缩小为 1或2，但不能完全抵消。,直线
18、伺服电机进给系统结构,直线伺服电机进给系统驱动部件：直线伺服电动机是一种直接将电能转化为机械能的电力驱动装置，是适应超高速加工发展的需要而出现的一种新型电动机，直线伺服电机驱动系统替换了传统的由回转型伺服电动机加滚珠丝杠的伺服进给系统，从电动机到工作台之间的一切中间转动都没有了，可直接驱动工作台进行直线运动，使机床的加减速提高到传统机床的1020倍，速度提高34倍。,原理：直线伺服电机工作原理同旋转电动机相似，可以看成是将旋转式伺服电动机沿径向剖开，向两边拉开展平后演变而来，如图，原来的定子转化为直线伺服电动机的初级，原来的转子演变成直线伺服电机的次级。原来的旋转磁场转变为平磁场。,为使初级和
19、次级之间能在一定范围内做相对直线运动，直线伺服电动机的初级和次级长短是不一样的。可以是短的次级移动，长的初级固定，如图a所示；也可以是短的初级固定，长的次级移动，如图b。,直线伺服电动机通电后，在定件和动件之间的间隙中产生一个大的行波磁场，依靠磁力，推动动件（工作台）做直线运动。,图所示是直线伺服电动机结构示意图，直线伺服电动机分为同步式和感应式两类。同歩式是在直线伺服电机的定件上，在全行程沿直线方向上一块接一块的安装上永久磁铁（电动机的次级）；在直线伺服电动机的动件下不的全长上，对应一块接一块的安装含铁芯的通电绕组（电动机的初级。,采用直线伺服电动机驱动方式，省去减速器（齿轮，同你歩齿形带）
20、和滚珠丝杠副等中间环节，不仅简化机床结构，而且避免了因中间环节的弹性形变，磨损，间隙，发热等带来得分传动误差；无接触的直接驱动，使其结构简单，维护简便，可靠性高，响应快，可以得到瞬间高的加/减速度。,存在的问题：1.隔磁防磁问题 2.发热问题 3.成本高。,直线电机和工作台之间没有任何中间传动环节,这就使得各种外界扰动、负载扰动直接作用在电机上;同时直线电机特有的边端效应的影响以及其特殊运动方式下重力、摩擦力的影响,更使得运动方向推力变得难以控制。这就要求位置和速度检测装置有很高的分辨率和动态响应能力。系统要有鲁棒性很强的控制器,以消除内部参数扰动和外界干扰的影响。目前,直线电机进给系统采用的
21、控制策略主要有传统的PID控制、解耦控制;现代控制方法中的非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制、模糊控制及人工智能控制等。对于直接驱动直线电机位置控制系统的设计,比较合理的方案是采用两自由度设计方案,即设计基于扰动观测器的位置控制系统。对于额定推力在100 N以下的小型直线电机,可以采用基于扰动观测器的加速度前馈位置控制系统和基于动子质量和粘滞系数辨识的IP位置控制系统。对于额定推力在1 000 N左右的大型直线电机,可以采用基于扰动观测器的加速度反馈位置控制系统。,如何控制进给：,直线电机在活塞异形外圆车削加工中的应用,在精密车削非圆截面零件(如内燃机的中凸变椭圆活塞、航天工业的异型轴、光
22、学仪器的非轴对称透镜)时,要求驱动刀具的微进给机构应具有高频响、大行程、高精度的特点,传统的微进给元件很难满足要求。针对产量最大的非圆截面零件中凸变椭圆活塞的车削加工,国防科学技术大学非圆切削研究中心开发了基于直线电机的高频响大行程数控进给单元。直线电机进给单元结构如图：,当用于数控活塞机床时,工作台尺寸为600 mm320 mm(长宽),行程100 mm,最大推力为1 600 N,最大加速度可达13g,其横截面如图所示。,由于直线电机动子和工作台已固定在一起,所以该单元只能采用闭环控制。如图所示为该单元的控制系统简图。,这是一个双闭环系统,内环是速度环,外环是位置环,采用高精度光栅尺作为位置检测元件。位置控制的定位精度取决于光栅的分辨率。由于位置闭环包括了机床进给部分,所以机械系统的误差可以由反馈得以消除,从而可以获得较高,由于采用了“四方向等载荷型”滚动导轨,并对工作台进行了合理的设计,该单元动静摩擦因数差别很小;定位精度高,刚度好,承载能力强;精度保持性好,使用寿命长。,谢谢,
