高速机床主轴

高速机床主轴（共9篇）

高速机床主轴 篇1

1 高速电主轴的发展历程

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年代初的时候出现了用于铣削、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[1]。

国外高速电主轴技术发展较快, 中等规格加工中心的主轴转速目前己普遍达到10000r/min甚至更高。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15k W。到90年代末期, 电主轴发展的水平达到了转速40, 000 r/min, 功率40k W (即所谓的“40-40水平”) 。2001年美国Cincinnati公司为宇航工业生产了Super Mach大型高速加工中心, 其电主轴最高转速达60, 000r/min, 功率为80k W。

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; 还有瑞典的SKF公司等公司。高速电主轴生产技术的突破, 大大推动了世界高速加工技术的发展与应用。

从80年代中后期以来, 商品化的超高速切削机床不断出现, 超高速机床从单一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种加工中心等。德国、美国、瑞士、英国、法国、日本也相继推出了自己的超高速机床。其中日本工业界善于汲取各国的研究成果并及时应用到新产品开发中去, 尤其在超高速切削机床的研究和开发方面后来居上, 现己跃居世界领先地位。日本厂商现己成为世界上超高速机床的主要提供者。在我国, 也开始有厂家生产超高速机床[2]。

中国机床工具行业近几年的快速发展, 受到世界机床制造业界瞩目。代表当今机床技术发展主流的数控机床, 更是异军突起, 国产数控机床在高速、多轴、复合、精密以及自动化等方面都取得了明显的进展。尤其在数控机床的高速化和品种发展上进步明显。在CIMT2003届展会的高速加工中心展品有30多台, 占参展国产加工中心总数的30%。在高速加工中心展品中, 宁江机床集团公司的NJ-5HMC40卧式加工中心最高主轴转速达40000r/min, 快速行程达60m/min。在高精度产品中有北京机床研究所的高速立式加工中心, 成都托普数控机床公司的PMC600高速立式加工中心, 大连机床集团有限公司的DHSC500高速卧式加工中心, 沈阳机床股份有限公司的BW60HS/1卧式加工中心等[3]。

高速加工机床的涌现及超高速切削技术的发展, 带动了相关技术及数控功能部件的专业化生产。数控功能部件是指数控系统、主轴单元、数控刀架和转台、滚珠丝杠副和滚动直线导轨副、刀库和机械手、高速防护装置等。它们是数控机床的核心组成部分。主机技术水平的不断提高, 要求配套的功能部件也必须迅速提高自身的水平。功能部件技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会配套水平, 都直接决定和影响着数控机床整机的技术水平和性能, 也制约着主机的发展速度。没有高质量的功能部件, 数控机床的迅速发展也将成为一句空话。

国产电主轴技术水平的高低必然影响产品在主机上的应用。我国数控机床的发展历程充分证明, 数控功能部件产业发展的滞后, 始终是制约我国数控机床发展的瓶颈问题之一。功能部件跟不上, 发展数控机床将成为空话。我国数控机床整体技术水平的发展和提高, 最终离不开先进的功能部件产业的支持, 要抓住目前的黄金发展机遇, 学习国外同行的先进技术, 探索国际合作途径, 共同做大做强数控功能部件产业, 促进国产数控机床的发展。

2 高速电主轴的结构组成

数控机床的高速主轴具有高回转速度, 但这并无严格的界限。对作为高速切削机床代表的加工中心和数控铣床而言, 一般是指最高转速≥10000r/min的主轴系统, 并相应具有高的角加 (减) 速度, 以实现主轴的瞬时升降速与起停。为适应制造业对机床加工精度愈来愈高的要求, 高速切削主轴还应有较高的回转精度, 通常要求主轴的径向跳动小于1μm或2μm, 轴向窜动小于2μm。此外, 主轴也要有足够的静、动刚度, 以承受一定的切削负荷并保持高的回转精度[4]。

高速电主轴是高速机床的核心部件, 它将机床主轴与驱动电机合二为一, 即将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件内部, 也被称为内装式电主轴 (built in motor spindle) , 其间不再使用皮带或齿轮传动副, 从而实现机床主轴系统的“零传动”。电主轴典型的结构如图1所示。高速电主轴的结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好, 并可减少主轴振动和噪声, 是高速机床主轴单元的理想结构。

高速电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[5], 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。高速电主轴单元的性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平衡、噪声等多项相关技术, 其中一些技术又是相互制约的, 包括高速和高刚度的矛盾、高速和大转矩的矛盾等。

从目前发展现状来看, 电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, 是高速、高效、高精度数控机床发展的一种趋势。电主轴技术包括主轴机械体、高速主轴轴承、无外壳主轴电机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口和刀具夹紧方式以及刀具动平衡等。

在高速主轴单元中, 由于机床既要完成粗加工, 又要完成精加工, 因此对主轴单元提出了较高的静刚度和工作精度的要求[6]。另外, 高速机床主轴单元的动态特性也在很大程度上决定了机床的加工质量和切削能力。当切削过程出现较大的振动时, 会使刀具出现剧烈的磨损或破损, 也会增加主轴轴承所承受的动载荷, 降低轴承的精度和寿命, 影响加工精度和表面质量。因此, 主轴单元应具有较好的抗振性。高速运转下, 主轴单元的振动问题是非常突出的, 采用电主轴是最佳的选择, 这是基于以下几点。

(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, 有机械传递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[7]。

(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, 是将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。

电主轴系统有三项性能指标是非常重要的, 分别如下。

(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) 主轴前端轴向、径向刚度。是指电主轴工作端在单位轴向力或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, 主轴的动刚度越大, 工作效率就越高[8]。

(3) 临界转速。是主轴固有频率, 即主轴在旋转时, 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[9]。

这三项指标对于一根设计良好的主轴来说, 均应达到预定的要求。在传统的电主轴设计中, 由于缺乏必要的分析计算, 只能等产品加工出来后再通过试验来考核其性能指标。若其性能指标不能满足预定的要求, 则要修改设计, 重新制做, 这样必然导致产品的设计周期长, 并且成本高。而现代设计方法则要求在设计过程中通过结构分析计算应能够预测出主轴、动态性能指标, 和它的一阶、二阶、临界转速, 在产品加工出来以前就能知道设计是否合理, 从而大大缩短设计周期, 降低生产成本。

3 国外高速电主轴的主要特点

从国外的情况来看, 高速电主轴的主要特点如下。

(1) 功率大、转速高。目前单独实现电主轴的高转速或大功率在技术上已经不存在难题, 但要同时实现高转速和大功率, 则存在相当的技术难度。围绕高速电主轴技术, 世界各国的公司展开了激烈竞争。

(2) 采用高速高刚度轴承。国外高速精密主轴均采用高速高刚度轴承, 主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承, 特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。美国Ingersoll公司采用液体动静压轴承, 最高转速达到40000r/min;瑞士IBAG公司磁悬浮轴承最高到200000r/min。目前国内高速电主轴用轴承主要采用国产的钢质角接触球轴承, 但寿命有待进一步提高。部分高性能电主轴, 仍需进口轴承[10]。

(3) 精密加工与精密装配工艺。精密加工和精密装配工艺是电主轴的核心技术之—。电主轴的上轴、前后轴承盖等的制造工艺要求非常高。为了保证电主轴在高速运转时的回转精度和刚度, 这些数控机床的关键零件必须进行精密加工或超精密加工, 其尺寸误差一般在微米级或更小;对同轴度、垂直度和表面粗糙度也都有极严格的要求[11]。为了制造这些高精度零件, 国外电主轴的专业制造厂都装备有成套的高精度加工设备, 如高精度数控车削中心、精密数控外圆磨床、高精度加工中心、高精度数控内圆磨床等, 同时还配备了高精度测试设备。在国内, 如陶瓷轴承、异步型电动机转子等电主轴的关键零件制造中的关键问题还没有得到很好的解决, 影响了数控机床的制造水平。

(4) 配套控制系统水平。这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。例如, 瑞士Fischer公司和德国Hofmann公司生产电主轴配套的在线自动平衡系统, 可以在线自动校正偏心, 大幅度降低电主轴高速运行情况下的振动;SKF公司和NSK公司生产的轴承油气润滑系统, 可以通过定时定量控制进气量保证轴承的润滑和温升控制在正常水平[12]。

4 高速电主轴对数控机床的影响

电主轴可以根据用途、结构、性能参数等特征形成标准化、系列化产品, 供主机选用, 从而促进机床结构模块化。标准化、系列化的电主轴产品易于形成专业化、规模化生产, 实现功能部件的低成本制造;采用电主轴后, 机床结构的简单化和模块化, 也有利于降低机床成本;此外, 还可以缩短机床研制周期, 适应目前快速多变的市场趋势。

采用电主轴结构的数控机床, 由于结构简化, 传动、连接环节减少, 因此提高了机床的可靠性;技术成熟、功能完善、性能优良、质量可靠的电主轴功能部件使机床的性能更加完善, 可靠性得以进一步提高。有些高档数控机床, 如并联运动机床、五面体加工中心、小孔和超小孔加工机床等, 必须采用电主轴, 方能满足完善的功能要求。

电主轴系由内装式电机直接驱动, 以满足高速切削对机床“高速度、高精度、高可靠性及小振动”的要求, 与机床高速进给系统、高速刀具系统一起组成高速切削所需要的必备条件。电主轴技术与电机变频、闭环矢量控制、交流伺服控制等技术相结合, 可以满足车削、铣削、镗削、钻削、磨削等金属切削加工的需要。

采用高速加工技术可以解决机械产品制造中的诸多难题, 取得特殊的加工精度和表面质量, 因此这项技术在各类装备制造业中得到越来越广泛的应用, 正在成为当今金切加工的主流技术。高精度、高转速数控机床主轴单元是承载高速切削技术的主体之一, 是高精度、高效率高档数控机床的核心功能部件, 是航空航天、汽车、船舶、精密模具、精密机械等尖端产品制造领域所需高档加工母机的核心部件。目前国内外电主轴技术的发展十分迅速, 各生产厂商都在高可靠性、节能性、高精度、高加工效率、环保性、智能化等方面进行持续的科技攻关, 以期形成自身的特色, 占领电主轴技术发展的制高点[13]。

数控机床主轴部件性能分析 篇2

【关键词】数控机床主轴有限元分析

一、数控机床主轴的计算方法

现代数控机床产品追求高精度、高刚度、高速度方向特性，因此对主轴部件动态特性的要求越来越高，数控机床产品主轴部件静、动态特性的分析及其结构参数优化研究就显得越来越重要。由于机床结构复杂化，利用传统的经验公式在计算时需要进行很多简化模，致使计算精度较差。若不进行简化很可能会计算繁冗，时间耗费大。为有效节约设计周期，通常采用类比设计的方法，该方法导致产品材料利用率差，不利于产品在市场上的竞争。近几年随着计算机技术的发展，通用有限元软件称为精确分析计算的首选，应用有限元技术不仅可以对主轴的静态动态进行计算还可以对其结构进行优化。

二、主轴的有限元分析及优化设计

利用有限元分析方法对机床主轴部件静、动态性能进行分析并且优化其结构，进而实现对产品性能和竞争力的提升。对数控机床主轴静动态特性进行研究意义在于整机的静态性能通常受主轴部件的静动态性能所决定。在计算时首先对主轴部件所受力情况进行分析计算。提出一个简化轴承的方法，进而建立主轴模拟模型，以便于对主轴的静动态特性的分析和对其结构的优化。

2.1主轴和轴承的分析

本文选取龙门镗床的主轴进行分析，其它机床的主轴分析可参照进行。主轴主要受铣刀在加工工件时的力及轴承支撑力。根据经过实践验证的轴承简化方式是把轴承简化为一个简单的径向弹簧和阻尼器。

（1）切削力计算公式。切削力的计算公式分为理论计算公式，理论公式不仅能准确反映切削力的值还能反映影响切削力值的因素间的内在联系。切削力的理论公式为：

式中：β为摩擦角，γ为前角，φ为剪切角，τs为材料的剪切屈服强度，ε为变形系数，ap为切削深度，aw为切屑宽度，CFC为刀具磨损影响系数，XFC为背吃刀量影响系数，YFC为进给量影响系数，KFC为实际条件影响系数，nFC为速度影响系数。

（2）铣刀受力分析。铣刀切削时，铣刀的切削位置和切削厚度是不断变化。在整个切削过程中均受到摩擦力和变形抗力的作用，因此铣刀刀齿上的切削力大小和方向也是不断变化的。铣刀所受切削力可分解为圆周切削力（或主切削力）Ft、径向切削力Fr、轴向切削力Fn；轴向切削力Fn方向在铣刀轴线方向上，其作用将使铣刀产生弯矩M，M=Fnd/2（其中d为铣刀直径）。综上切削力的计算公式为：

（3）轴承简化及计算。本文把轴承简化为一个简单的径向弹簧和阻尼器，采用有限差分模型主轴的特性。截取主轴在某轴承处的截面，用4个均布的弹簧代表轴承结合面的径向刚度。主轴受到径向力F的作用，其轴心发生微小移动，产生位移Δs轴承径向刚度与径向力F和位移Δs的关系为Kr=F/Δs。具体做法是将弹簧的一端与主轴上的节点（P5、P6、P7、P8四个节点）固结，而另一端（即图3-5中的P1、P2、P3、P4四个节点）为完全固结，每个径向刚度取为K/2。龙门镗床主轴前端设有3列向心推力球轴承，后端设有2列向心球轴承。因此在模型中用3列相同的径向弹簧分布方式模拟前端轴承的径向刚度，用3列轴向弹簧模拟前轴承的轴向刚度；后端主轴的模拟方式类似。通过公式K=βd来计算弹性系数，进而求出轴承刚度，其中β为轴承系数，d为轴承内径。弹簧分布如图2.1所示。

2.2主轴有限元计算及优化

有限元分析是进行整体研究的基础。主要包括单元类型的选择、数值分析模型的建立以及有限元分析。

（1）单元类型的选择：依据分析对象的复杂程度，所受应力和应变的特性以及计算机处理数据的能力来选取单元类型和单元数量。机床主轴部件采用SOLID45单元进行网格划分。

（2）邊界条件的建立：分析主轴运动时，主轴后端完全固定，前后端轴向及径向弹簧弹性系数不同。载荷为第二节中计算出来的切削力Ft、Fr、Fn。

（3）有限元分析静力学分析结果如图2.2。图中左侧为X方向挠度的云图，右侧为X向应力的云图，同理可以得出Y方向的挠度和Y向的应力，以及Z向上的挠度和应力。通过刚度计算公式可以得到：径向刚度、扭转刚度和轴向刚度。

（4）主轴的模态分析。主轴的工作于高速状态，伴有轻微振动和冲击，所以需要从模态分析计算它的固有频率和幅值确定其是否安全。图2.3中左侧为一阶固有频率右侧为二阶固有频率。

通过计算其一、二阶的固有频率均避开电机的干扰频率。

（5）主轴的有限元优化

首先进行参数化建模，选取阶梯段的外径和长度为变量。在满足主轴强度的前提下以主轴的体积最小为优化目标。优化后得到：体积减小15.7%，静态挠度减少7.3%，一阶频率增加77.2%以及一阶模态幅值减少9.7%。通过利用ANSYS有限元软件对主轴进行静态和模态分析，经过优化得到最优解实现了在满足性能要求下，最大程度的降低了成本。

结论

高速机床主轴 篇3

机床行业是国际公认的基础装备制造业, 是战略性产业, 是国民经济的脊柱产业。但随着制造业市场需求的变化、产品升级需求的释放、“振兴规划”和“重大专项”政策的出台, 产品结构在不断优化, 机床行业将出现结构性复苏机会。目前中国机床产业仅仅在规模方面具有相对比较优势, 与机床制造强国相比, 在结构、水平、研发和服务能力等方面都还存在明显的差距。机床主轴是机床上带动工件或刀具旋转的轴, 主轴运行能力的好坏直接关系到机床的性能和设备的档次。通常由主轴、轴承和传动件等组成主轴部件。主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削效率的重要因素。衡量主轴部件性能的指标主要是旋转精度、刚度和速度适应性。①旋转精度:②动、静刚度。③速度适应性。其中主轴轴承是主轴一切运动的开始, 轴承的精密度也决定着机床加工质量的关键。

1 机床改造的现状

普通机床的轴承改造技术经过近几年的实践运行, 整个机床的运行速度系统得到了最大程度的优化。机床的主轴轴承是精密机床及类似设备的主轴轴承, 它对保证精密机床的工作精度和使用性能起到重要的作用。随着近年来高速主轴轴承的研发并应用到机床中, 使机床生产的产品质量稳定、效率提高;具有较高的稳速精度和快速运行速度, 能满足高性能场合的生产要求;最重要就是帮助客户大幅度降低了维护成本。高速轴承越来越深入的应用, 让我们看到了其巨大的节能潜能和良好的效益。国内在近几年也涌现出了一大批领先的机床接卸改造解决方案供应商, 为纺织、机床、印刷包装、食品医疗、煤矿等行业中提供先进、适用的解决方案, 高速轴承的应用已经相当广泛, 得到了国内用户的认可。通过对机床进行主轴承的改造为广大生产厂商带来到技术上的突破的同时也创造出了相应的价值。

2 高速轴承改造机床的特点

如果要实现对机床生产效率的提升, 机床主轴就要高速旋转, 目前, 新型的高速主轴轴承, 主要特点为提高主轴速度, 因而提高机床效率。高速主轴轴承是一种高刚性的推力轴承, 由于无需承受倾覆力矩, 其动态特性不会在复合载荷下削弱, 因而高速主轴轴承可以提高主轴速度和强劲支撑。当高速主轴轴承与机床中高速的圆柱滚子轴承一起使用时, 既可承受高速主轴的高径向载荷, 又可承受高速主轴的轴向载荷。

3 高速轴承在机床改造中的具体应方案

以笔者工作的单位为例, 我厂主要应用的是数控立式铣床, 由于这种机床的轴承利用率和损坏率十分的高, 经维修人员对高速轴承系统具有的优点进行论证, 最终决定改用高速轴承对机床的主轴进行改造。

但是某些机床中, 高速而且轴向负荷大, 使用球轴承则使用寿命过短, 使用短圆柱滚子轴承则轴向负荷能力不足, 轴向游隙难于调整, 希望利用圆锥滚子轴承突破这个难题。提高圆锥滚子轴承高速限制的技术关键在于改进内圈大挡边与滚子大端面间的润滑状态, 这个部位在高速时最易发生剧烈磨损和烧伤, 是限制其高速化的主要原因。

普通结构的圆锥滚子轴承中, 润滑油的流通路线在内圈大挡边与滚子大端面接触部位很难得到润滑油, 而此部位相对滑动大, 恰恰又最需要润滑油。因此, 就需要使用高速轴承来实现机床的改造 (如图1所示) , 高速轴承挡边在外圈, 这样流通的润滑油就能润滑外圈挡边和滚子大端面的接触部位, 同时此处即使在静止时也能储存些油, 避免了起动时贫油烧伤的事故, 但外圈挡边上按需要开设几个排油孔, 以避免油无排出通道, 留于某部位造成油搅拌的动力损失和温升过高。由于内圈无挡边, 温度有所降低, 因而减少了内圈与轴之间配合面间发生蠕动的可能性。这种结构的轴承对保持架采用外圈引导方式, 使得保持架能较平稳地引导滚子不致歪斜地正常运转, 避免发生振动和过度磨损, 这也有利于高速。应用高速轴承进行改造后dmn值可达200万, 比普通结构的提高两倍, 例如用于燃气轮机减速器主轴的这种轴承 (型号为I-IA30205) , 在轴向负荷1000N的条件下, 保证有2L/min的给油量对轴承实行循环供给4号透平油, 其工作转速可达6万转而不致出现烧伤。

4 应用高速主轴进行改注意的问题

高速轴承加工以高于常规轴承几倍的速度对生产的模具进行高速加工。由于进行改造以后的高速机床主轴激振频率远远超过原始机床系统的固有频率范围, 所以在进行零件加工的过程中机床平稳且无冲击, 并且表面粗糙度高。但是由于高速轴承既要按高精度轴承要求, 又要按高温轴承要求, 所以在考虑其配合和游隙时, 要顾常温升至高温时的尺寸变化和硬度变化, 以及高速下离心力所引起的力系变化和形状变化。在高速、高温的条件下, 从配合和游隙的选择上要力求保持轴承的精度和工作性能, 这为机床主轴的改造增加了很大的难度。为了保证机床主轴轴承安装后的滚道变形小, 过盈配合的过盈量不能取得太大, 而高速下的离心力和高温下的热膨胀, 或是抵销配合表面的法向压力。或是使配合面松弛, 因此过盈量必须在考虑上述两种因素的前提下审慎地加以计算, 在常温常速下有效的过盈量对于高速轴承可能是无效的。如果计算结果这个矛盾太大 (通常只有在超高速下才有这种情况) , 只有采取环下润滑法与静压润滑法并用的双重润滑措施, 而这种方案有可能使轴承的dmn值突破300万的大关。

在考虑高速轴承游隙时不但要考虑上述各项因素, 而且要考虑轴的热伸长对游隙的影响, 要求轴承在工作状态下, 即在工作温度下有最佳的游隙, 而这种游隙是在内、外圈球沟中心精确对位的状态下形成的。由于高速轴承力求降低相对滑动和内部摩擦, 最好不要采用将内、外圈沿轴向相对错位的方法来调整球轴承的游隙。

5 总结

数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化, 使制造业成为工业化的象征, 而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大。作为数控机床的主要工作部件, 主轴性能的好坏直接影响到机床的性能, 甚至关系到整个加工企业的生产效率, 所以对于机床主轴用高速轴承的改造方面的研究有着十分重要的现实意义。

摘要：首先阐述了目前机床行业的发展形势以及发展现状, 并描述了当前形势下机床改造的现状正在向节能高效简单稳定的方向发展, 并以实际事例论述了机床主轴改造的基本方案, 指出了高速主轴轴承在进行机床改造的相关优势, 最后叙述了高速轴承在未来机床行业中应用的前景。

关键词：主轴轴承,数控机床,高速轴承

参考文献

[1]宗鸣摘, 刘旭东, 李湘媛.NSK机床用高速轴承在数控铣床中的应用研究, 2003 (01) .

[2]齐尔麦, 徐燕申, 谢艳.模块化数控机床概念设计的研究, 2003 (01) .

[3]冯超.基于高速轴承的数控轴机床设计研究, 2002.

浅议电主轴在数控机床中的应用 篇4

关键字： 电主轴；数控机床；调速

1. 概述

数控机床具有高精度、高柔性和高效的特点；电机的转子直接用来当做数控机床的主轴，可以免去中间一系列的传动零部件，具有结构简单、效率高的优点。随着电主轴技术的进步，电主轴的转速从几千转每分到几万转每分；电主轴的直径从25mm到300mm；功率从几十千瓦到几百千瓦；扭矩范围最大可达300Nm。电主轴的结构紧凑、输出稳定、动态性能佳，并且对于数控机床的振动、噪声等方面的影响小。

2. 电主轴

所谓电主轴就是将电机的转子直接作为机床的主轴，主轴单元的壳体就是电机座，并配合其他安全保障措施，实现电机与机床主轴的一体化。电主轴直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。

电主轴中所使用的轴承包括精密滚动轴承、液体动静压轴承、气体静压轴承和磁悬浮轴承等，但主要是精密角接触陶瓷球轴承和精密圆柱滚子轴承。角接触球轴承不但可同时承受径向和轴向载荷，而且刚度高，高速性能好，结构简单紧凑，品种规格繁多，便于维修更换，因而在电主轴中得到广泛的应用。随着陶瓷轴承技术的发展，应用最多的电主轴轴承是混合陶瓷球轴承，即滚动体使用Si3N4陶瓷球，采用“小珠密珠”结构，轴承套圈为GCr15钢圈。这种混合轴承通过减小离心力和陀螺力矩，来减小滚珠与沟道间的摩擦，从而获得较低的温升及较好的高速性能。

2.1 电主轴的润滑

对于电主轴来说，良好的润滑能够保证电主轴正常的工作。选用合理的轴承润滑方式不仅可以保证轴承的温度在规定范围内，而且可以以降低零部件的损耗，确保数控机床加工出来的产品达到要求。电主轴的润滑方式主要有脂润滑、油雾润滑和油气润滑等。实践表明在润滑中供油量过多或过少都是有害的，而前两种润滑方式均无法准确地控制供油量多少，不利于主轴轴承转速和寿命的提高。而新近发展起来的油气润滑方式则可以精确地控制各个摩擦点的润滑油量，可靠性极高。油气润滑技术是利用压缩空气将微量的润滑油分别连续不断地、精确地供给每一套主轴轴承，微小油滴在滚动和内、外滚道间形成弹性动压油膜，而压缩空气则可带走轴承运转所产生的部分热量。实践证明，油气润滑是高速大功率电主轴轴承的最理想润滑方法，但其所需设备复杂，成本高。由于油气润滑方式润滑效果理想，目前已成为国际上最流行的润滑方式。

2.2 电主轴的冷却技术

电主轴有两个主要的内部热源：内置电动机的发热和主轴轴承的发热。如果不加以控制，由此引起的热变形会严重降低机床的加工精度和轴承使用寿命，从而导致电主轴的使用寿命缩短。电主轴由于采用内藏式主轴结构形式，位于主轴单元体中的电机不能采用风扇散热，因此，自然散热条件较差。电机在实现能量转换过程中，内部产生功率损耗，从而使电机发热。研究表明，在电机高速运转条件下，有近1/3的电机发热量由电机转子产生，并且转子产生的绝大部分热量都通过转子与定子间的气隙传人定子中；其余2/3的热量产生于电机的定子，所以，对电机产生发热的主要解决方法是对电机定子采用冷却液的循环流动来实行强制冷却。典型的冷却系统是用外循环水式冷却装置来冷却电机定子，将电机的热量带走。角接触球轴承的发热主要是滚子与滚道之间的滚动摩擦、高速下所受陀螺力矩产生的滑动摩擦以及润滑油的粘性摩擦等产生的。减小轴承发热量的主要措施：适当减小滚珠的直径，从而减小摩擦，减少发热量。采用合理的润滑方式，油气润滑方式对轴承不但具有润滑作用，还具有一定的冷却作用。

2.3电主轴的调速方法

在数控机床中，电主轴通常采用变频调速方法。目前，主要有普通变频驱动和控制、矢量控制驱动器的驱动和控制以及直接转矩控制三种控制方式。普通变频为标量驱动和控制，其驱动控制特性为恒转矩驱动，输出功率和转速成正比。普通变频控制的动态性能不够理想，在低速时控制性能不佳，输出功率不够稳定，也不具备C轴功能，但价格便宜、结构简单，一般用于磨床和普通的高速铣床等。矢量控制技术模仿直流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法来实现驱动和控制，具有良好的动态性能。矢量控制驱动器在刚启动时具有很大的转矩值，加之电主轴本身结构简单，惯性很小，故启动加速度大，可以实现启动后瞬时达到允许极限速度。直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的又一种新型的高性能交流调速技术，其控制思想新颖，系统结构简洁明了，更适合于高速电主轴的驱动，更能满足高速电主轴高转速、宽调速范围、高速瞬间准停的动态特性和静态特性的要求，已成为交流传动领域的一个热点技术。

3. 小结

随着对电主轴研究的越来越深入，电主轴已经在机床制造业和工业生产中得到了广泛的应用。目前，欧美等国家开展电主轴技术的研究非常早，其电主轴的发展迅速，技术水平处于世界先进水平。随着数字技术和变频技术的不断进步，国外已经形成了有关电主轴的一系列标准。我国的电主轴技术也得到了一定的发展，但是水平和进度明显不如国外国家。我国目前应该着重研究具有功率和转矩大、调速范围大、以及快速、准确的定位等数字化电动主轴技术。

参考文献：

[1]吴玉厚.数控机床电主轴单元技术.机械工业出版社，2006.

[2]张瑜胜.电主轴在数控机床中的应用. 机械管理开发，2011

普通机床主轴变频改造技术 篇5

由于工业革命的发展, 机床大规模使用, 时至今日普通机床在国民生产中的使用比例依然很大。但随着科学技术的不断进步, 普通机床存在的不足也日渐突出。由于普通机床数量较多, 且尚能正常工作, 若直接淘汰太浪费。如能对这些机床适当改造, 满足工作需要实现旧物新用, 则大大节约成本。本文采用变频技术, 对普通机床主轴部分进行改造, 以使普通机床在现代数字化车间仍发挥生产力。

1 普通机床的主要特点

普通机床主轴箱结构复杂, 如图1所示。主轴转速通过改变不同齿数的齿轮相互啮合, 外部用拨叉拨动齿轮, 从而实现转速切换, 这种变速结构复杂, 中间传动件比较多, 故障率也多, 在维修维护上面投入的精力也较大。主轴电机自开机就一直额定转速运行, 而机床切削需要不同转速, 这就遭横极大的电力资源浪费。

鉴于普通机床存在的上述问题, 机床改造应该从减少故障率和节约能源方面采取措施。普通机床档位多, 许多档位转速不常用, 手动停车换挡比较麻烦并且效率低。引入变频技术, 可实现对普通机床主轴换挡改造。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。它能够控制电机的启动电流, 降低电力线路电压波动, 启动时需要的功率低, 具有可控的加速功能, 速度、转矩可以调整, 节能, 减少机械传动部件。采用变频多段调速技术, 多段速即多个频率段, 各频率段对应不同转速。对普通机床主轴进行改造既简化机床换挡操作又能节约能源, 还能降低主轴变速故障率。

2 变频改造方案

2.1 改造目标

以大连机床厂9 3年生产的C D 6 1 4 0 A机床为例, 实施变频改造。该机床主轴有三个段速, 分别为高、中、低, 7×3配比使用, 可以设置2 1个有效主轴速度, 利用旋钮代替手柄进行变速操作, 可实现不停车变速、实时变速, 提高效率, 减轻劳动强度。

2.2 器件准备

机床电机功率为7.5 k W, 选择相匹配的西门子变频器M M 4 2 O, 型号为6 S E 6 4 2 0-2 U D 2 7-5 C A O。多段变频调速需要有波段编码开关, 本文选择型号为D C R S-0 1 N的3 0°二进制编码开关。

2.3 电气调试

利用B O P面板进行参数设置, 一般先进行快速设置, 包括电机电流、电压、频率、速度、上下坡时间等。着重介绍多段变频参数的设置。西门子变频器有三个输入端子 (D I N 1/D I N 2/D I N 3) 和C O M端, 通过这三个端子可以组合8个不同的开关信号, 即变频器可以实现八段调速来满足调速需要。P 7 0 0设置2 (端子输入) , P 7 0 1—P 7 0 3设置1 7, P 1 0 0 0设置3 (固定频率) , P 1 0 8 0设置值小于P 1 0 0 1 (最低频率) , P 1 0 0 1—P 1 0 0 7为频率设定值, 激活方式见表1。

P 1 0 0 1—P 1 0 0 7频率设置值应该根据实际加工需求的速度进行比例运算, 如1 4 0 0 r对应频率50 H z, 70 0 r则对应25H z, 分别写入对应参数中。普通机床有三个配速段, 继续保留以保证低速时大扭矩的输出。二进制编码开关的输出代码见表2。

对比表1和表2, 只需将A、F、B、D分别接入D I N 1、D I N 2、D I N 3、C O M端既可。

2.4 综合测试性能

机床原有启停功能已能满足动作上的需求, 只需在接触器下端安装变频器即可, 并将机械速度调至1 4 0 0 r保持机械速度恒定, 因为机床的正反转是通过离合器进行控制, 故这里不需考虑正反问题, 安装简便易于实现。

3 结语

原有机床采用机械变速、停车、换挡, 劳动强度大, 效率低, 电机一直在高速运行, 对电机的损伤较大。变频改造后, 电机可以在停止切削时停车, 减少电力损耗;主轴变速采用旋钮进行调节, 简单轻松;主轴箱的齿轮不再参与啮合, 降低故障发生率, 中间环节的能量损耗也大大减少。对普通机床进行变频改造, 既可继续发挥普通机床的生产力, 又能节约生产成本。

摘要：以大连机床厂生产的CD6140A机床为例, 介绍其变频改造方案, 实现电机在停止切削时停车, 并采用旋钮变速, 降低中间传动环节能量损耗。

关键词：机械传动,电气传动,变频改造

参考文献

[1]赵景波.西门子S7-200PLC实践与应用[M].北京:机械工业出版社, 2012

简述数控机床的主轴组件 篇6

主轴组件的工作性能, 对整机性能和加工质量以及机床生产率有着直接影响, 是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。因此, 数控机床对主轴组件有较高的要求。

主轴支承是主轴组件的重要组成部分, 主轴支承是指主轴轴承、支承座及其相关零件的组合体, 其中核心元件是轴承。采用滚动轴承的支承称为主轴滚动支承;采用滑动轴承的支承称为主轴滑动支承。滚动轴承的主要优点是适应转速和载荷变动的范围大;能在零间隙或负间隙 (一定的过盈量) 条件下稳定运转, 具有较高的旋转精度和刚度;轴承润滑容易, 维修、供应方便, 摩擦因数小等。其缺点是滚动轴承的滚动体数目有限, 刚度是变化的, 阻尼也较小, 容易引起振动和噪声;径向尺寸也较大。滑动轴承具有抗振性好、运转平稳、旋转精度高及径向尺寸小等优点, 但制造、维修比较困难, 并受到使用场合限制, 如立式主轴漏油问题解决较困难等。

数控机床主轴支承根据主轴组件的转速、承载能力及回转精度等要求的不同而采用不同种类的轴承。一般中小型数控机床 (车床、铣床、加工中心、磨床) 的主轴组件多采用滚动轴承;重型数控机床采用液体静压轴承;高精度数控机床 (如坐标磨床) 采用气体静压轴承;转速达 (2-10) ×104r/min的主轴可采用磁力轴承或陶瓷滚动轴承。在使用中, 应根据主轴组件工作性能的要求、制造条件和经济效果综合考虑, 合理选用。

主轴组件的滚动轴承既要有承受径向载荷的径向轴承, 又要有承受两个方向轴向载荷的推力轴承。轴承类型及型号选用主要应根据主轴组件的刚度、承载能力、转速、抗振性及结构等要求合理进行选定。

同样尺寸的轴承, 线接触的滚子轴承比点接触的球轴承的刚度要高, 但极限转速要低;多个轴承比单个轴承承载能力要大;不同轴承承受载荷类型及大小不同;还应考虑结构要求, 如中心距特别小的组合机床主轴, 可采用滚针轴承。为提高主轴组件的刚度, 通常采用轻系列或特轻系列轴承, 因为当轴承外径一定时其孔径 (即主轴轴颈) 可以较大。

通常情况下, 可按下列条件选用滚动轴承。

(1) 中高速重载。双列圆柱滚子轴承配双向推力角接触球轴承 (如配推力轴承, 则极限转速低) 。成对圆锥滚子轴承结构简单, 但极限转速较低。空心圆锥滚子轴承的极限转速可以提高, 但成本较高。

(2) 高速轻载。成组角接触球轴承, 根据轴向载荷的大小分别选用25°或15°接触角。

(3) 轴向载荷为主。精度不高时, 选用推力轴承配深沟球轴承;精度较高时, 选用向心推力轴承。

通常提高主轴组件性能的措施有以下几种:

(1) 提高旋转精度。

提高主轴组件的旋转精度, 首先是要保证主轴和轴承具有一定的精度, 此外还可采取一些工艺措施, 例如选配法、装配后精加工等方法。

(2) 改善动态特性。

主轴组件应有较高的动刚度和较大的阻尼, 使得主轴组件在一定幅值的周期性激振力作用下, 受迫振动的振幅较小。通常主轴组件的固有频率是很高的, 远远高于主轴的最高转速, 故不必考虑共振问题, 按静态处理。但是对于高速主轴, 特别是带内装式电动机的高速主轴, 则要考虑共振问题。改善动态特性的主要措施有以下一些:

(1) 使主轴组件的固有频率避开激振力的频率。通常应使固有频率高于激振力频率30%以上。如果发生共振的那阶模态属于主轴的刚体振动 (平移或摇摆振型) , 则可设法提高轴承刚度;当属于主轴的弯曲振动, 则需提高主轴的刚度, 如适当加大主轴直径、缩短悬伸等。激振力可能由于主轴组件不平衡 (固有频率等于主轴转速) 或断续的切削力 (固有频率等于主轴转速乘刀齿数) 等而产生。

(2) 主轴轴承的阻尼对主轴组件的抗振性影响很大, 特别是前轴承。如果加工表面的Ra值要求很小, 又是卧式主轴, 可用滑动轴承。例如外圆磨床和卧轴平面磨床。滚动轴承中, 圆锥滚子轴承的端面有滑动摩擦, 其阻尼要比球轴承和圆柱滚子轴承高一些。适当预紧可以增大阻尼, 但过大的预紧反而使阻尼减小。故选择预紧时还应考虑阻尼的因素。

(3) 采用三支承结构时, 其中辅助支承的作用在很大程度上是为提高抗振性。

(4) 采用消振装置。

(3) 控制主轴组件温升。

主轴运转时, 滚动轴承的滚动体在滚道中摩擦、搅油, 滑动轴承承载油膜受到剪切内摩擦, 均会产生热量, 使轴承温度上升。轴承直径越大, 转速越高, 发热量就越大。故轴承是主轴组件的主要热源。前后轴承温度的升高不一致, 使主轴组件产生热变形, 从而影响轴承的正常工作, 导致机床加工精度降低。故对于高精度和高效自动化机床, 如高精度磨床、坐标镗床和自动交换刀具的数控机床 (即加工中心) , 控制主轴组件温升和热变形, 提高其热稳定性是十分必要的。主要措施有两项:

(1) 减少支承发热量。合理选择轴承类型和精度, 保证支承的制造和装配质量, 采用适当的润滑力式, 均有利于减少轴承发热。

(2) 采用散热装置。通常采用热源隔离法、热源冷却法和热平衡法。这些方法能够有效地降低轴承温升, 减少主轴组件热变形。机床实行箱外强制循环润滑, 不仅带走了部分热量, 而且使油箱扩大了散热面积。对于高精度机床主轴组件, 油液还要用专门的冷却器冷却, 以降低温度。采用恒温装置, 降低轴承温升, 可使主轴热变形小而均匀。

参考文献

[1]胡俊, 王宇晗等.数控技术的现状和发展趋势.机械工程师, 2000 (3) :5～7.

[2]尹向东.我国机床行业发展展望和应对策略.机械设计与制造, 2005 (1) :

[3]周延佑.迅速占领市场是机床数控产业的紧迫任务.中国机械工程, 1998, 9 (5) .

[4]文怀兴等.数控机床系统设计.北京:化学工业出版社, 2005.

[5]沈阳车床研究所编写.《车床主轴结构分析》, 1987.7.

数控机床主轴故障诊断与维修 篇7

首先简单了解一下该模拟主轴的原理。该模拟主轴变频器控制回路如图 (1) 所示。当给系统输入主轴转速S, 按下正转按钮时, 变频器上GND与X1成一回路, 主轴电机正转, 使主轴正转;反转同理;当按下停止按钮时, 变频器上GND与X1、X2都成断路, 使主轴电机停止转动, 主轴停止。启动机床时, 当没有给系统转速S值时, 变频器GND与VR1两端没有电压, GND分别与X1、X2有电势差, 测得大概为4.9V左右, 电机不得电, 主轴不动;当给系统输入一个转速S值时, CNC运算成0-10V的模拟电压, 变频器GND与VR1两端有电压 (即有频率信号输入) , 利用机床操作面板上主轴正转和反转按钮发出主轴正转或反转信号 (即启动指令输入) , 通过PMC控制中间继电器的通断, 向变频器发出信号, 实现主轴的正反转。系统在自动加工时, 通过对程序辅助功能代码M03、M04、M05的译码, 利用系统的PMC实现中间继电器的通断控制, 从而达到主轴的正反转及停止控制, 此时的主轴速度是由系统程序中的S指令值与机床的倍率开关决定的。

我院一台GSK928TA数控车床在JOG状态下主轴启动后停止, 屏幕无任何报警显示。经过分析, 产生该故障的原因可能有:

(1) 主轴部分机械卡死

在断电的情况下, 用手拉动皮带轮, 可以转动电机与主轴, 未出现拉动的过程中卡住的现象。可得知此故障非机械故障。

(2) 主轴线路的控制元器件损坏

对于检查元器件的好坏, 可在断电的状态下用万用表进行检测, 经检测, 直流继电器线圈、交流接触器线圈良好, 各触头良好, 主轴线路控制的元器件无损坏。重新启动主轴, 故障依旧, 此分析可排除。

(3) 主轴电机短路, 造成热继电器保护

启动主轴后观察热继电器, 并未发现热继电器保护动作;用万用表对其进行检测, 未检测到断路现象, 主轴电机并未发生断路。

(4) 系统输出脉冲时间不够

查看系统参数说明书, 查的45号参数为输出脉冲时间 (如表1) , 观察到屏幕上设定的45号参数为0.5, 猜测可能是输出时间不够, 导致主轴启动后停止;修改45号参数为2.00, 输入S值指令, 启动正转或反转, 主轴会比原来的情况多转一下后停止, 故障依旧, 并未排除。

经分析, 要使主轴电机转动的两个条件是:频率指令和启动指令。输入转速S值, 用万用表检测变频器上GND与VR1之间存在电压, 可知, 输入频率指令正常;在按下启动按钮, 在主轴转动的时候, 测得GND与X1或X2之间电压, 但时间很短, 同样, 在变频器的输出端, 测得强电输出。由此可知, 在电机转动的时候, 频率指令与启动指令都能正常的输入和输出。

查看变频器, 启动主轴后不久, 变频器上显示dd, 查看变频器说明书, 了解到dd为直流制动, 通过查阅变频器说明书, 对直流制动时间 (F505) 设为启始值时, 启动主轴后, 故障依旧。

(5) 主轴控制回路没有带自锁电路, 而把参数设置为脉冲信号输出, 使主轴不能正常运转。

首先, 假设主轴回路带自锁电路, 当系统输入一个转速, 变频器得到一个模拟电压, 按下启动按钮后, 电机转动并自锁, 使电机一直运行。因此, 假设不成立, 则主轴回路没有带自锁电路, 在查看系统参数说明书时, 发现45号参数为0时, 主轴启停输出信号为长信号。

通过不断的调整45号参数值, 发现电机的停止与脉冲时间的输出有关。分析可能脉冲时间输出为一时间继电器, 当时间到达时断开, 使CNC内部控制启动的中间继电器断开, 使变频器上的GND与X1或X2断开, 电机得不到启动指令。

当把45号参数改为0时, 启动主轴, 主轴正常工作, 故障消除。

参考文献

[1]GSK928TA数控车床系统参数说明书

[2]GSK928TA数控车床变频器使用说明书

[3]GSK928TA数控车床变频器参数说明书

[4]GSK928TA接口引脚一览表

[5]宗国成尹昭辉沈为清-编数控机床维护与常见故障分析北京:机械工业出版社2008

高速机床主轴 篇8

机床主轴是机床的主要零件,其性能直接影响被加工零件的质量。主轴伸出端的挠度是影响加工零件质量的重要因素之一。本文利用大型有限元分析软件ANSYS对机床主轴进行了优化设计,不仅大大减轻了主轴的体积,也为设计出性能优、重量轻的机床主轴提供了理论依据。

1 机床优化设计模型

1.1 ANSYS优化设计原理

优化设计是一种寻求最优设计方案的技术,所谓“最优设计”指的是一种方案不仅可以满足设计要求,而且所需的支出(如重量、体积、费用等)最小,也就是说最优设计方案就是一种最有效率的方案。

优化设计是通过构建优化模型,在满足设计要求的条件下进行的迭代运算,求得目标函数的极值,得到最优设计方案。优化问题的数学模型可以表示为:

最优设计变量:X*=[x1*x2* … xn*]T 。

目标函数:f(X*)=minf(X) X∈Q⊂Rn 。

约束条件:gu(X)≤0 u=,1,2,…,p 。

hv(X)=0 v=1,2,…,q 。

在ANSYS程序中总是只能有一个最小化目标函数。在ANSYS中变量分为两类:一类是设计变量x,作为“自变量”,优化是通过改变设计变量的数值来实现的,每个设计变量都有上、下限,它定义了设计变量的变化范围;另一类是状态变量,它们一般是设计变量的函数,作为“因变量”,状态变量可能有上、下限,也可能只有上限[1]。

1.2 优化问题数学模型的建立

机床主轴一般多为阶梯轴,其支承有双支承和三支承两种方式,这里讨论双支承方式。为了便于用材料力学公式进行其刚度和强度计算,常将阶梯轴简化为以当量直径表示的等截面轴。 为了能通过待加工的棒料,主轴常做成空心的。

1.2.1 建立目标函数

主轴的优化以体积最小为追求目标。主轴的结构简图见图1,设主轴外径为D,内径为d,两支承跨距为L1,伸出端长度为L2。若以体积最小为优化目标,则其目标函数为:

主轴内径d主要决定于棒料直径,因此可作为常量处理,故目标函数是决定主轴刚度和强度的3个参数D、L1、L2的函数,可取设计变量为:

这样,目标函数可写成:

1.2.2 约束条件

工件加工质量在很大程度上取决于主轴的刚度。因此,要求主轴伸出端的挠度不超过给定的静变形,即y≤y0。据此,可建立主轴静刚度约束条件为:

根据材料力学的莫尔积分公式,挠度[2]为:

其中:M和M0分别为作用在端点C处的外力F和单位力所引起的弯矩;L为主轴的全长;E和J分别为主轴的弹性模量和截面惯性距,且:

取许用挠度y0=0.005,并按工程要求设定D的取值范围为6 cm～10 cm;L1的取值范围为30 cm～48 cm;L2的取值范围为9 cm～12 cm,最后可得主轴优化设计的数学模型为:

在约束条件中未考虑x1和x3的上限值,这是因为无论从减小伸出端挠度或是从减小主轴体积来看,都要求x1和x3往小处变化,故对它们的上限值不作约束处理。式(8)是一个三维约束小型约束优化问题,也可采用约束随机方向搜索法进行优化得到最优结果。

2 ANSYS的机床主轴优化设计

2.1 ANSYS优化的基本过程

ANSYS优化的基本过程[3]如图2所示。

2.2 机床主轴的优化

采用BEAM3单元,将主轴划分为30个单元,机床主轴由钢材制造,E=210 GPa。根据程序要求设定设计变量:直径D为6 cm～10 cm,L1为30 cm～48 cm,L2为9 cm～12 cm。对主轴采用零阶方法进行优化,目标为主轴的体积最小,部分优化结果见表1。

由表1可知,最佳序列为第10次迭代结果,第9次迭代为最优(第10次迭代目标函数虽然最小,但等效应变过大)。得到的最优结果与理论上的最优有较小的误差,这可能是由于迭代精度引起的[4],也可能是由于单元类型等多种因素引起的。主轴受力变形见图3,设计变量、状态变量以及目标函数的优化曲线分别见图4～图6。

3 结论

通过对机床主轴的优化,使其在保证设计要求的同时,体积减小约70%,极大地减轻了主轴重量。由此可见,基于ANSYS的结构优化设计在解决优化问题时可以减少建立优化设计数学模型的步骤,其结果也是有效的、可靠的,是结构优化设计的重要方法。

摘要：用有限元分析软件AN SY S对机床主轴进行优化设计。首先给出了优化设计的数学模型,并给出AN SY S具体的设计步骤。通过得出的优化结果说明AN SY S优化设计模块在机械零件优化设计上的可行性,为其他较为复杂的机械零件设计提供了新的思路和方法。

关键词：ANSYS,主轴,优化设计

参考文献

[1]刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2]孙靖民,梁迎春.机械优化设计[M].北京:机械工业出版社,2009.

[3]李黎明.AN SY S有限元分析实用教程[M].北京:清华大学出版社,2005.

[4]屈锦卫,于建国.基于AN SY S的植树挖坑机主轴的优化设计[J].森林工程,2006(11):12-14.

高速机床主轴 篇9

数控机床主轴具有保证支承刚性、通过卡盘连接工件、输出扭矩以及保证回转精度 (径向跳动精度及轴向窜动精度) 等作用[1], 其中径向跳动测量是关键技术之一。机床主轴在运行一段时间后会发生一定程度的径向跳动, 严重时将影响零件的加工精度, 并过早地导致刀具的损坏。其常见原因包括载荷不均匀、主轴箱受到撞击或者金属零件本身存在一定的缺陷等, 从而造成锥孔局部变形、主轴的轴承磨损或者弯曲[2]。可见, 在机床维修过程中, 准确测量主轴径向跳动数据将为技术工人检测、调整和维修主轴设备提供重要的依据。反之, 不正确的测量方式得到的数据将会对调整过程产生错误的指导作用, 并导致主轴维修工作的失败。

1 现状分析

1.1 原有测量方式说明

图1是采用人工方法测试主轴的径向跳动示意图。人工测试主轴径向跳动方法描述如下:首先, 将检测棒插入主轴头下的锥孔中并锁紧, 用手轻轻转动, 如果没有感觉到明显阻力, 表明测试棒安装完毕。其次, 在主轴端部A点和距离端部300mm处B点先后进行径向跳动测试。测量工具是指示器, 采用直读式千分表, 从起始点开始, 每隔90°读取一个数据, 直至读完。最后, 对这些样本数据进行人工处理。这时, 通常将测量中的负向和正向摆动差值的绝对值作为最终计算结果。

1.2 原有技术的主要缺点

尽管上述过程是目前业界最常使用的测量方法, 但是其缺陷也很明显。第一, 该测量方法采用人工观察仪表读数, 读取数据因为个体原因存在一定的差别。同时, 采用手工记录手段其数据容易受到意外的修改, 从而给调试工作带来困难。第二, 该测量方式只能测量出主轴的最大径向跳动数值, 却无法判断出主轴相关部件在某个具体部位的扭曲情况, 即缺乏一个具有解析作用的立体图形, 而技术工人依然还要通过经验来调整主轴系统。第三, 由于数据是手工记录, 所以大量数据无法在线采集和保存, 不利于今后利用这些数据进行设备的故障诊断、分析和排除工作。

2 测量方法的改进

2.1 总体方案的改进设计

图2是一种由线位移测量传感器、可编程控制器、变频器和触摸屏等元件组成的数据采集和控制系统的新方案。其中, 位移传感器采用的是通过专用设备修刻过的高精密电阻[3], 最小能够感受测试棒0.2μm的位移量。通过变送器可以将其转换成4~20m A的电流信号。该信号由可编程控制器采集、存储并运算。测试过程中, 通过屏幕命令, 可使变频器控制主轴电机转过合适的角度, 并同时采集数据, 触摸屏幕用于显示当前数据、历史数据、运算结果等;也可以启动或停止各种操作等。比较图1和图2的虚线框部分, 前者是人工测量, 后者是自动测量。自动测量中, 一次按下启动键后, 所有动作与数据处理将自动完成, 并生成数据表格和图形。

2.2 传感器设计

为了克服传统杠杆式指示器无法直接获得电学量测量信号诸如电压、电流或者电阻值等缺点[4], 我们重新设计了传感器的结构, 如图3所示。Ci是传统的检棒;S1是新设计的传感器测量头;S2是反力弹簧;BL是起固定作用的铁板;LE是齿条, GE是齿轮, 通过两者之间的啮合, 将传感器在直线方向的偏移量转换成指针PT的角位移;Rx是由康铜组成的电阻丝, 其本身被紧密地绕制在圆形骨架上, 并通过指针与电阻丝之间的相对滑动, 精确地将线位移量转换成电阻变化量;而Rx、R1、R2和R3组成了一个平衡电桥, 在标准电势E的作用下, 电桥两端输出值为Ub的电动势。该信号可以通过图2所示的可编程控制器所接收, 并形成标准的4~20m A的信号。

2.3 数据采集系统设计

由于可编程控制器具有性能稳定、指令丰富以及性价比优越等特点, 所以采用可编程控制器来采集传感器信号是一种比较好的选择[5]。图4是采用西门子S7-200系列可编程控制器梯形图编写的一部分数据采集程序。其中, SM0.0是一个常“1”节点, 表示其后的运算模块恒常有效。I_DI模块是将线位移传感器的16位带符号整数转换成32位带符号整数, 以提高整体的运算精度, 转换后的存储地址是VD100;DI_R模块是将32位带符号整数转换成浮点数, 转换后的存放地址是VD104;MUL_R和ADD_R分别是乘法和加法模块, 分别用来计算直线方程的斜率和截距, VD112存放的是当前采集的线性位移量, 单位是μm。由于梯形图在运算过程中采用功能模块, 所以其在形式上并不是很直观。

现在描述其数学处理过程。为了在内存中能够正确测量到线位移测量值, 这里需要建立一个直线方程, 即式 (1) 。

其中, x代表从线位移传感器中所获得的无量纲整数, 其全量程数值范围是0~32700;y代表线性位移工程量, 单位是μm, 数值范围是0~1000;k为直线方程的斜率;b为直线方程的截距。对于一个已知直线方程来说, 其静态斜率计算过程如下:

为了计算截距, 将一个特殊点P1 (6400, 0) 带入式 (1) , 得:

因此, 根据前面的斜率k和截距b, 我们可以写出如下的直线方程:

这个表达式满足以下条件:y∈[0, 1000], x∈[6400, 332200000]0]。图5是线性测量方程的建立方法, 其有效测量范围是0~1000μm。

4 图形实验结果分析

将可编程序控制器中所采集的各个数据点以光滑的形式连接起来, 形成如图6所示的图形。将检测到的数据导入数学模型, 首先在屏幕上会显示出理想圆柱体[6]。接着, 根据刚才所测量的数据, 会显示出实际的圆柱体。由于这些数据是在理想圆柱体曲线上形成的增量, 因此这两个圆柱体是有差别的。差别越大, 说明主轴径向跳动误差越大[7]。由于是图形化显示, 所以可以清晰地显示主轴有关部件扭曲的具体位置。这对指导技术工人调整主轴机构具有重要的指导意义。

在直角坐标系X-Y-Z中, 左边是标准圆柱体O, 右边是实测圆柱体O’。其中, Pu1、Pu2、…、Pun是上端各点圆柱体边缘偏差值, Pd1、Pd2…Pdn是下端各点圆柱体边缘偏差值。在另一个直角坐标系X-Y中, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ是4个象限中的边缘偏差值。当所有偏差值均小于规定值δ时, 主轴的径向跳动是合格的;反之, 是不合格的, 需要进行人工调整。可见, 基于数据采集的图形显示, 为现场维修人员提供了更为直观的主轴径向跳动信息。

5 结束语

主轴径向跳动在数值上看起来很小, 但是一定的误差仍然会给刀具带来巨大的影响。只有降低这一径向跳动误差, 才有可能大大提高刀具的使用寿命和生产效率[8]。主轴径向跳动测量方法的数字化与图形化为主轴性能调整和维修提供了重要依据。本研究采用通过可变电阻的变化来反映实际的机械装置的位移量变化。由于这个电阻在特种设备上经过精密修刻过, 其电阻值精确且稳定, 所以在一定条件下测量得到的数据比起传统的机械杠杆表更精确。这个测量手段的使用可以实现现代数据采集系统的在线信息收集、存储、图像处理以及数学建模等功能, 对减轻数控机床维修人员的劳动强度和提升维修工作的技术含量, 具有重要的意义。

参考文献

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