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1、,数控机床的主要功能部件,数控机床的驱动装置(伺服单元 略)数控机床的驱动装置是数控装置与机床联系的纽带，它接受数控装置发出的脉冲信号，经过转换和功率放大后，驱动电机旋转,使机床工作台或主轴头实现进给运动。它在很大程度上决定了数控机床的成本、加工精度及可靠性。对进给驱动装置的要求主要有：a、定位精度高，指令位移与实际位移之差要小；b、调速范围宽，为了加工不同尺寸和材料的零件的需要；c、电机负载特性要硬，当负载变化时，电机输出的速度基本不变；d、动态响应快。,一、步进电机1、步进电机的结构原理 步进电机是一种能将数控装置输入的进给脉冲转化成角位移的特殊电机，它每接受一个进给脉冲步进电机就走一步，
2、转过一定的角度。这个角度称为步距角，用表示。只要控制输入脉冲的数量，便可控制步进电机位移量大小。而控制输入脉冲的频率，便可控制步进电机的速度。下面以反应式功率步进电机为例讲解其动作原理 所谓反应式就是电机转子上无绕组，步进运行靠定子绕组通入激磁 电流产生反应力矩而实现的。在电机的定子上有三相绕组，故称三相步进电机。,当定子A相绕组通以直流电时，A相产生磁场，吸引在A相附近的1、3齿，转子1、3齿与A相对齐，电机转子逆时针旋转30后停止。然后A相断电，B相通电。则定子A相磁场消失，而B相产生磁场，此时，在B相磁场的作用下又吸引了最靠近B相的2、4齿。2、4齿与定子B相对齐，转子又逆时针方向旋转3
3、0后停止。按ABCAB 的顺序连续通电，则步进电机一步一步地沿逆时针方向不停地旋转。这种通电方式称为三拍控制。即三相三拍反应式步进电机。若步进电机按ACBACBA的顺序通电，则电机反向旋转。,此种通电方式在A相断电B相尚未接通时，转子齿不受磁场控制，转子转动不平稳。如果把通电方式改为A相通电后，再AB两相同时通电.则定子附近转子上的1-4齿,同时受到AB两相磁极的吸引，1-4齿将位于AB两相磁极之间。当以AABBBCCCAA的顺序通电，步进电机每接受一个脉冲逆时针方向旋转15，这种通电方式称为六拍控制方式。当步进电机定转子齿数不变,控制方式改变时,步距角可以减小一半。这种通电方式的特点是它在整
4、个通电过程中,始终有一相处于通电状态,转子齿始终有磁场吸引。,2、步进电机进给系统传动比及脉冲当量的计算(已知条件如下)、步距角=0.9 t、丝杠导程(或螺距)一般纵向丝杠导程取(6810)mm，横向丝杠导程取(45)mm Z1、传动齿轮1 Z2、传动齿轮2 i、传动比 i=Z1/Z2,脉冲当量:步进电机每接受一个进给脉冲,工作台移动的距离.一般工作台纵向移动的脉冲当量在(0.005-0.01)通常选0.01便于计算；一般工作台横向移动的脉冲当量在(0.002-0.01)通常选0.005。举例 1):列出运动方程式 设=0.9 t=6mm 代入数据 若A=80mm(中心距)m=2 A=m(Z1
5、+Z2)/2 Z1+Z2=80 Z1/Z2=4/6 联立求解得 Z1=32 Z2=48 Z1/Z2=32/48,已知：步进电机步距角=0.90Zk蜗杆头数 Zk=1Zw蜗轮齿数 Zw=60Z1传动齿轮1 Z2传动齿轮2 转台脉冲当量，取0.010一般为（或0.00200.0050）求Z1=?，Z2=?,举例2：,列出运动方程式：将已知条件带入：若A=60mm，m=2,则，则 z1+z2=60联立：z2=36,z1=24结论：步进电机的进给系统使用齿轮传动，一是为了求得所需要的脉冲 当量，二是可以起增大转矩的作用。,数控机床的主轴部件及主传动系统一、主轴部件(典型车床及铣床主轴部件结构,略)1、
6、主轴部件常用滚动轴承的类型 双列推力向心球轴承,接触角为60,球径小,数目多,能承受双向轴向载荷，调整中间隔套能予紧轴承调整间隙，允许转速高。在数控机床中，轴承一般都要同时承受轴向载荷和径向载荷的联合载荷的作用。对数控机床主轴而言，主轴通径，精度，刚度及加速度，温升等参数是更为重要的要求。所以大接触角的角接触球轴承不论在主传动还是进给传动中均有广泛的使用。现在开发的专用数控主轴轴承及滚珠丝杠专用轴承均是角接触轴承。双列推力向心球轴承,通常与双列圆柱滚子轴承配套一起用作主轴的前支承。带凸肩双列园柱滚子轴承也常作主轴的前支承。其滚子是空心的；有吸振，缓冲，起有效冷却的作用。,轴承精度级 B级(超精
7、级)C级(特精级)D级(精密级)E级(高级)普通精度机床前轴承常用C、D级,后轴承常用D、E级,2、主轴滚动轴承的配置 合理配置轴承对提高主轴部件的刚度,精度,降低支承温升有很大的作用.图a后端定位,推力轴承在后支承的两侧,主轴热变形向前伸.细长主轴受轴向力容易弯曲变形,但前支座简单。图b两端定位,推力轴承分别布置到两支承的外侧。优点是轴承轴向间隙可以在后端方便地进调整,对主轴热变形敏感,适合于短主轴。图c,d 都是前支承固定.前支承刚度较高,主轴热伸长后另一端为自由端,不影响主轴精度.图c推力轴承在前支承两侧,使主轴的悬伸长度增加.影响主轴刚度,图d 两个推力轴承安排在前支承的内侧,克服了图
8、c 的缺点,一般高速精密机床的主轴多采用该方案。,3、主轴轴承的预紧 采用予紧方法,合理选择予紧量可以提高主轴部件的刚度和抗振性。对滚动轴承间隙的调整,通常是使轴承内,外圈作相对的轴向位移实现的 常用的方法有:a、轴承内圈移动法；结构简单,予紧量不易控制,带锁紧的园螺母,右端的园螺母限制了轴承内圈的移动；,b、修后座圈或隔套。,二、主传动(变速)系统 数控机床的主传动变速系统可以是有级的，也可以是无级的。通常的主轴电机的恒功率的最高转速与额定转速之比为13或14，为了机床切削的需要,在主轴与电机之间还要串联一个变速箱其作用一是扩大调速比，二是提升恒扭矩段的力矩。变速箱内齿轮换挡，采用液压拔叉或
9、电磁离合器来实现自动化。近年来为了减化机械结构，逐渐趋向采用大功率的交流主轴伺服电机来提高低速时的恒扭矩来满足切削的要求。近年来由于技术的进步也有一些恒功率范围很宽的主轴伺服电机问世，特别是内装式电主轴的出现更加强化了这种趋势。1)交流主轴伺服电机的结构 交流伺服电动机的结构有鼠笼式感应电动机和永磁式同步电动机二种，而通常主轴电机采用鼠笼式感应电动机的结构，进给伺服电动机,常用永磁式同步电机的结构形式。,交流主轴伺服电机与普通三相异步电动机的结构有很多地方都很相似。交流主轴伺服电机的定子虽然也是三相绕组，但是它的磁路设计与普通异步电动机有很大的不一样。因为交流主轴伺服电机要求在不同转速下工作,
10、各转速的磁损都要尽可能小。另外为了方便定子在空气中散热，定子的外面一般都没有机壳，另外，为了加强冷却效果,定子在轴向也设计了通风口。定子的外形一般都设计成四方形或六方形。便于电机在机床中的安装。在电机的尾端装有检测用的与转子轴同轴的脉冲编码器。交流主轴伺服电机有三种线，一种是电源线，一种是指令线，一种是码盘线，电源线向电机供应交流电，指令线控制电机的转速和位移量，码盘线将电机的实际运行状态参数反馈到数控装置。,2、交流主轴电机的的控制方法（脉宽调制控制法）三相交流电通过整流器后,获得一个恒压的直流电输入逆变器,通过脉宽调制输出不同频率，电压的交流电通到电动机,实现电机调速。,3、交流主轴电机的
11、转矩，转速，功率特性 电机性能 交流主轴电机的(转速，力矩)，(转速，功率)特性曲线反映它的性能，其特性曲线如图所示；切削机床要求电机在计算转速以下的恒扭矩工作区具有粗加工的能力。,4、主传动参数的确定a)主传动的功率 主传动的功率根据切削功率N切和主传动运动链的机械效率按下式确定:其中:PZ切削力的切向分力（N,牛顿）V切切削速度（m/min 米/分）M切切削扭矩（Ncm 牛顿厘米）n主主轴转速（r/min 转/分）N机械机械效率 一般取0.70.85 主传动中的零件尺寸是根据N主（功率）确定的，如果主传动功 率定得过大，则主传动的零件，尺寸粗大造成强度富裕和浪费，而定得过小，则达不到规定的
12、生产效率，甚至造成零件的损坏。由于影响切削加工的因素非常多。目前仅依靠理论计算确定功率还很困难。所以常用的方法是类比法、实验（测）法和理论计算法几种方法相结合的方法来确定。,b）主传动调速范围 对于主传动为旋转运动的车床为例，主轴转速n(r/min)，由切削速度V(m/min)，工件加工直径d(mm)来确定。而 调速范围一般情况下调速范围也沿用类比法和计算法相结合的方法确定。,C）交流主轴电机(作主传动电机)主传动方案分析举例：已知条件 n主max=1600 r/min n主min=11.5 r/min M主max=705.6 N.m(主轴输出最大转矩)Nmax=5 KW(主轴输出最大功率）,
13、一、粗选电机 额定功率 Nmax=7.5 KW 额定转速 nn=1500r/min nmax=2400r/min二、确定计算转速n计.确定机电调速范围 n计传递满功率时的主轴最低转速 n计=9552 Nmax/Mmax 将已知条件代入 n计=95527.5/705.6 102 r/min 就是说主轴在102 r/min1600 r/min之间都可以传递满功率。R主 恒功率=15.7,主轴在11.5 r/min102 r/min之间是恒扭矩输出 电动机的恒功率转速段为1500r/min2400r/min 电动机的转速小于1500r/min以下时，为恒扭矩段。主轴102 r/min时，对应的电机转速为1500r/min电动机传递恒扭矩时的最低转速为：电机恒功率段 2400/1500=1.6电机恒扭矩段 1500/1698.87电机总调速范围 R电总=R电机恒功率R电机恒扭矩=1.68.87=14.1,主轴要求的:也就是说主轴电机必须串联一个调速范围达到9.9的变速箱才能满足已知条件的要求。主 轴 转 速：11.5r/min-102r/min-1600r/min电机对应转速：169r/min-1500r/min-2400r/min,R电总小,
