数控主轴论文（精选11篇）
数控主轴论文 篇1
某加工中心采用三菱M70A数控系统, 驱动器型号MDS-D-SPJ3-55, 主轴电机型号SJ-V5.5-14T+TS5691 (128P/REV) 。
1. 故障现象
主轴电机在3000r/min时可正常工作, 电机温度在30℃。电机在6000r/min时发热严重, 温度升至80～120℃。此时尚未实际切削, 只是主轴空转。
做过如下处理: (1) 将电机与负载脱开, 电机在6000r/min工作时正常。没有温度升高现象。 (2) 测量主轴机械安装精度, 在标准范围之内。 (3) 全部参数按照厂家提供的标准值设定, 经核对无误。
在显示器上观察到设定主轴速度3000r/min时, 实际主轴转速很快稳定在3000r/min, 温度30～34℃。设定主轴速度6000r/min时, 实际主轴转速在5990～5999r/min跳动, 温度67～71℃。
2. 主轴发热原因分析
(1) 因为主轴电机空转没有发热现象, 所以判断主轴电机没有硬故障。
(2) 因测量机械安装精度在标准范围内, 况且在3000r/min时能够正常工作, 观察其空载电流在10%IN (IN为额定电流) 以下, 可排除机械系统的安装精度问题。
(3) 主轴参数 (生产商提供的出厂值) 应该根据实际情况加以调整, 如果主轴其他的参数如“电机型号”, “编码器分辨率”, “回生电阻类型”设置不对, 控制器会检测出并自动报警。由于主轴电机以速度控制为目标, 因此其可以调整的是速度环增益 (VGN) 参数13005。
3. VGN参数的调整
(1) VGN参数13005=150 (标准值) 。主轴电机在3000r/min时可正常工作, 温度30～34℃, 空载电流7%～10%IN, 速度误差0～1r/min;主轴电机在5000r/min时, 空载电流在30%～40%IN, 速度误差10～20r/min, 从画面上看, 实际速度一直在跳动, 不能稳定在指令值范围;主轴电机在6000r/min时, 空载电流在50%～70%IN, 速度误差10～20r/min, 从画面上看, 实际速度一直在跳动, 不能稳定在指令值范围, 温度在短时内上升到70℃。
(2) 设置VGN参数13005=250。逐渐升高主轴速度, 主轴电机在5000～5600r/min时, 工作正常;当主轴电机在6000r/min出现不正常, 此时空载电流在50%～70%IN, 速度误差为10～20r/min, 从画面上看, 实际速度一直在跳动, 不能稳定在指令值范围, 温度在短时内上升到70℃。说明修改VGN参数13005能改善电机运行。
(3) 设定VGN参数13005=300, 比标准设定值提高一倍, 这时, 主轴电机的工作状态有了明显改善。主轴电机在6000r/min时, 空载电流在13%～14%IN, 速度误差0～1r/min, 从画面上看, 实际速度稳定在指令值范围, 温度在40℃。
(4) VGN参数的影响过程。VGN是实际速度跟随指令速度的能力。当VGN参数13005为150, 而指令速度升高到5000～6000r/min, 在主轴监视画面观察到实际速度一直在乱跳, 没有稳定在指令值范围, 说明主轴伺服电机一直努力使实际速度达到指令速度, 由于VGN不够, 所以实际速度一直不能达到指令速度, 但主轴电机一直在执行实际速度跟随指令速度的动作, 故主轴电机的电流就异常增大, 导致温度升高, 表现在显示屏上: (1) 实际速度一直在跳动; (2) 空载电流值升高, 达到50%～70%IN; (3) 电机温度在80～120℃。当提高VGN参数13005=300时, 伺服主轴电机的实际速度跟随指令速度的能力提高, 实际速度很快就达到指令速度, 使电机工作状态正常。
又例三菱M64系统, 主轴电机型号SJ-V22, 运行时主轴电机发热, 电机的三相线发热烫手, 同时车螺纹时发生乱丝的故障。在显示屏上观察到主轴实际速度不稳定, 经查该机床使用一台55kW的变频器驱动主轴电机。因变频器是大干扰源, 将该变频器移开并做好抗干扰措施后故障消除。这是因主轴编码器信号线受到干扰, 使所反馈的电机实际速度总是达不到指令速度, 所以该主轴电机总在不断地工作, 迫使实际速度达到指令速度, 从而造成电机发热。
一般伺服驱动电机不明原因的发热可以同理分析和处理: (1) 先排除机械安装精度方面的问题, 可将电机脱开机械连接, 观察空载电流应该在5%以内。 (2) 排除周围的干扰源, 特别是排除其对编码器信号线的干扰 (观察其实际速度的数值是否变化) 。 (3) 将编码器的电源电缆加粗 (1mm2) 。 (4) 提高参数VGN的数值, 以机床不发生振动啸叫为标准。
摘要：介绍一起主轴发热故障现象和排除过程, 提出了解决伺服电机发热的一般原则。
关键词：数控伺服主轴,过热故障,处理
数控主轴论文 篇2
2006-07-27
在数控机床中，不论是数控车床、钻床还是铣床，其主轴是最关键的部件，对机床精度起着至关重要的作用。
主轴的结构与其需实现的功能关，加工及装配的工艺性也是影响其形状的因素。主轴端部的结构已标准化，主轴头部的形状手册中已有规定。
机床主轴的定位形式一般有两支承或三支承。以两支承的数控铣床主轴为例进行介绍。
大部分机床主轴前端结构如图1所示，重点讨论主轴前支承部分。主轴前端支承是由3182100系列轴承和一个能承受双向力的角接触轴承构成。国外有很多数控机床主轴也采用这种结构。
图1 机床主轴前端结构
该结构对技术力量较强的厂家来说，凭经验进行合理的选配和调整，不会对精度产生太大的影响。但这种结构在设计上存在不妥之处，当前面的3182100系列轴承2需要预紧时，要靠拧紧螺母6来实现。在装配前选配调整垫1时，因为主轴本身的加工等原因，很难使调整垫1正好符合3182100系列轴承的预紧力要求，因为当各件都装上后，拧紧螺母6使3182100系列轴承开始预紧，但当轴承2的外端与调整垫1端面接触时，因轴承位置已经靠死，螺母拧不动。若轴承2未达到应有的预紧力时，将会影响主轴的刚性和回转精度。
在轴承精度已选好，且工件加工情况也良好时，从理论上分析前后轴承的调整对主轴精度的影响，如果2所示。前后轴承最大径向跳动位于同一平面，并在主轴轴线的同侧。δ表示主轴前端检验处的径向跳动，δ1表示前轴承的最大径向跳动，δ2表示后轴承的最大径向跳动，且δ＜δ1＜δ2，a为主轴前支承到检验处的距离，L为主轴前后支承之间的距离。
另一种情况，如图3所示，前后支承的最大跳动位于同一平面，但在主轴轴线的两侧。主轴前端检验处的最大径向跳动为δ′，且δ′＞δ1。
比较两种情况可以得出以下结论：δ＜δ′，表明若使主轴前端检验处径向跳动最小，应使其满足图1的条件，而应避免图3所示的情况。对图1所示的前支承调整环节来说，要达到图2所示的情况是比较困难的。
轴承的间隙是影响主轴回转精度及刚度的重要因素。然而轴承在预紧过程中，若间隙过小，容易引起主轴轴承过热；若间隙过大，又会影响回转精度，所以用图1所示的结构对轴承进行预紧时，很难将间隙一次性调好。如调不好，还要重新拆下轴承等相关的一些零件，再拿出调整垫1进行配磨。磨去多少合理，理论上无法算出，只能凭经验。这样既烦琐，又难以保证效果。
如果将主轴前支承的定位方式改为图4所示。以螺母1进行轴向定位，垫片2起防松作用。在加工中若稍有位置偏差，也可通过垫片1使之与轴承3的端面均匀接触。由此可见，螺母1既是轴向定位基准，又可控制轴向移动量，因此调整控制比较方便。
图4
在过去，这种定位方式较难推广，其主要原因在于主轴上切削螺纹时，螺纹孔和螺母端面的垂直度要求很高，因此难以加工。但在目前数控机床普及的情况下，切削螺纹的工序已经比较容易。这种结构在理论上是正确的，在实践上是可行的。
数控车床主轴系统的发展现状 篇3
1. 主轴系统分类及特点
数控机床主轴驱动系统是数控机床的大功率执行机构，其功能是接受数控系统（CNC）的S码速度指令及M码辅助功能指令，驱动主轴进行切削加工。它包括主轴驱动装置、主轴电动机、主轴位置检测装置、传动机构及主轴。通常主轴驱动被加工工件旋转的是车削加工，所对应的机床是车床类；主轴驱动切削刀具旋转的是铣削加工，所对应的机床是铣床类。
全功能数控机床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统根据控制方式的不同主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮（以获得更大的转矩）带动主轴旋转。另外根据主轴速度控制信号的不同可分为模拟量控制的主轴驱动装置和串行数字控制的主轴驱动装置两类。模拟量控制的的主轴驱动装置采用变频器实现主轴电动机控制，有通用变频器控制通用电机和专用变频器控制专用电机两种形式。目前大部分的经济型机床均采用数控系统模拟量输出+变频器+感应（异步）电机的形式，性价比很高，这时也可以将模拟主轴称为变频主轴。串行主轴驱动装置一般由各数控公司自行研制并生产，如西门子公司的611系列，日本发那克公司的α系列等。
1.1普通笼型异步电动机配齿轮变速箱
这是最经济的一种方法主轴配置方式，但只能实现有级调速，由于电动机始终工作在额定转速下，经齿轮减速后，在主轴低速下输出力矩大，重切削能力强，非常适合粗加工和半精加工的要求。如果加工产品比较单一，对主轴转速没有太高的要求，配置在数控机床上也能起到很好的效果；它的缺点是噪音比较大，由于电机工作在工频下，主轴转速范围不大，不适合有色金属和需要频繁变换主轴速度的加工场合。
1.2普通笼型异步电动机配简易型变频器
可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有工作在约500转/分钟以上才能有比较满意的力矩输出，否则，特别是车床很容易出现堵转的情况，一般会采用两挡齿轮或皮带变速，但主轴仍然只能工作在中高速范围，另外因为受到普通电动机最高转速的限制，主轴的转速范围受到较大的限制。
1.3通笼型异步电动机配通用变频器
目前进口的通用变频器，除了具有U/f曲线调节，一般还具有无反馈矢量控制功能，会对电动机的低速特性有所改善，配合两级齿轮变速，基本上可以满足车床低速（100—200转/分钟）小加工余量的加工，但同样受最高电动机速度的限制。这是目前经济型数控机床比较常用的主轴驱动系统。
1.4专用变频调速电动机配通用变频器
将调速电动机与主轴合成一体，这是几年来新出现的一种结构。这种变速方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴影响较大。
2.主轴系统的发展方向
机床的主轴驱动与进给驱动有较大的差别。机床主轴的工作运动通常是旋转运动，不像进给驱动需要丝杠或其他直线运动装置作往复运动。数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进给实现刀具与工件的快速的相对切削运动。在20世纪60—70年代，数控机床的主轴一般采用三项感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式。随着刀具技术、生产技术、加工工艺以及生产效率的不断发展，上述传统的主轴驱动已经不能满足生产的需要。现代数控机床对主轴传动提出了更高的要求：
2.1调速范围宽并实现无级调速；
对主轴的调速范围要求更高，就是要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无极调速，并减少中间传动环节，简化主轴箱。主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式，其中有级变速仅用于经济型数控机床，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。在无级变速中，变频调速主轴一般用于普及型数控机床，交流伺服主轴则用于中、高档数控机床。
2.2恒功率范围要宽；
主轴在全速范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速范围内提供主轴电动机的最大功率。由于主轴电动机与驱动装置的限制，主轴在低速段均为恒转矩输出。为满足数控机床低速、强力切削的需要，常采用分级无级变速地方法（即在低速段采用机械减速装置），以扩大输出转矩。
2.3具有4象限驱动能力；
要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。
2.4具有位置控制能力；
即进给功能（C轴功能）和定向功能（准停功能），以满足机床自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。
2.5具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低；
2.6良好的抗震性和热稳定性。
3.国内外先进主轴系统
数控机床动力磁悬浮主轴系统是一种新型高速机床主轴系统，近几年来，美国、日本、德国、意大利、英国、加拿大和瑞士等工业强国争相投入巨资大力开发与之相关的高速变频技术和动力磁悬悬浮轴承技术。由于其对调速性能提出了很高的要求，不仅能够实现主轴高速旋转、大功率输出，还要求在较宽的调速范围内实现无级变速。动力磁悬浮主轴调速的关键在于如何实现动力磁悬浮轴承调速，动力磁悬浮轴承也称磁悬浮感应电动机，是一种新型转子支撑结构，磁悬浮轴承和感应电机于一身，具有自悬浮和自驱动能力。与传统电磁轴承相比，动力磁轴承的支撑力不是由分别放置在点击左右两端的电磁轴承产生，而是由动力次轴承自身产生。由于动力磁轴承的旋转机械不再需要任何独立的轴承支撑，同时又具有感应交流电动机的特点，因此它也属于无轴承电动机的一种类型。动力磁轴承具有体积小，临界转速高等特点，适用于小型乃至超小型结构，更适合超高速运行的场合。
简述数控机床的主轴组件 篇4
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.
数控主轴论文 篇5
关键词:数控机床 结构
一、数控车床主轴变频的系统结构与运行模式
(一)主轴变频控制的基本原理
由异步电机理论可知,主轴电机的转速公式为:n=(60f/p)×(1-s)
其中p是电动机的极对数,s是转差率,f是供电电源的频率,n是电动机的转速。从上式可看出,电机转速与频率近似成正比,改变频率即可以平滑地调节电机转速。而对于变频器而言,其频率的调节范围是很宽的,可在0～400Hz(甚至更高频率)之间任意调节,因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。当然,转速提高后,还应考虑到对其轴承及绕组的影响,防止电机过分磨损及过热,一般可以通过设定最高频率来进行限定。变频器与数控装置的联系通常包括:①数控装置到变频器的正反转信号;②数控装置到变频器的速度或频率信号;③变频器到数控装置的故障等状态信号。
(二)主轴变频控制的系统构成
不使用变频器进行变速传动的数控车床一般用时间控制器确认电机转速到达指令速度开始进刀,而使用变频器后,机床可按指令信号进刀,这样一来就提高了效率。在本系统中,速度信号的传递是通过数控装置到变频器的模拟给定通道(电压或电流),通过变频器内部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置,数控装置就可以方便而自由地控制主轴的速度。该特性曲线必须涵盖电压/电流信号、正/反作用、单/双极性的不同配置,以满足数控车床快速正反转、自由调速、变速切削的要求。
二、无速度传感器的矢量控制变频器
(一)主轴变频器的基本选型
目前较为简单的一类变频器是V/F控制(简称标量控制)。它就是一种电压发生模式装置,对调频过程中的电压进行给定变化模式调节,常见的有线性V/F控制(用于恒转矩)和平方V/F控制(用于风机水泵变转矩)。标量控制的弱点在于低频转矩不够(需要转矩提升)、速度稳定性不好(调速范围1:10),因此在车床主轴变频使用过程中被逐步淘汰,而矢量控制的变频器正逐步进行推广。所谓矢量控制,通俗地讲是为使鼠笼式异步机像直流电机那样具有优秀的运行性能及很高的控制性能,通过控制变频器输出电流的大小、频率及其相位,用以维持电机内部的磁通为设定值,产生所需转矩。
矢量控制相对于标量控制而言,其优点有:①控制特性非常优良,可以直流电机的电枢电流加励磁电流调节相媲美;②能适应要求高速响应的场合;③调速范围大(1:100);④可进行转矩控制。这里推荐并介绍无速度传感器的矢量变频器。
(二)无速度传感器的矢量变频器
无速度传感器的矢量变频器目前包括西门子、艾默生、东芝、日立、LG、森兰等厂家都有成熟的产品推出。总结各自产品的特点,它们都具有以下特点:①电机参数自动辨识和手动输入相结合;②过载能力强,如50%额定输出电流2min、180%额定输出电流10s;③低频高输出转矩,如150%额定转矩/1HZ;④各种保护齐全(通俗地讲,就是不容易炸模块)。
(三)矢量控制中的电机参数辨识
由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流,因此在其内部的算法中大量涉及到电机参数。从异步电动机的T型等效电路表示中可以看出,电机除了常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外,还有R1(定子电阻)、X11(定子漏感抗)、R2(转子电阻)、X21(转子漏感抗)、Xm(互感抗)和I0(空载电流)。参数辨识中分电机静止辨识和旋转辨识两种。其中在静止辨识中,变频器能自动测量并计算顶子和转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗,并同时将测量的参数写入;在旋转辨识中,变频器自动测量电机的互感抗和空载电流。
对于数控车床的主轴电机,使用了无速度传感器的变频调速器的矢量控制后,具有以下显著优点:大幅度降低维护费用,甚至是免维护的;可实现高效率的切割和较高的加工精度;实现低速和高速情况下强劲的力矩输出。
参考文献:
数控拉刀磨床专用电主轴结构分析 篇6
关键词：电主轴,机械结构,转子轴,轴套
一、引言
数控拉刀磨床专用电主轴出现主轴停止运转故障, 设备报警。主轴转子的轴Ⅰ与轴Ⅱ出现0.5mm的轴向窜动, 使主轴转子运转不平衡, 造成电流剧增、负载大、温升快、有异响。与厂商联系, 暂不提供技术支持, 需采购新备件, 需16周时间, 费用30万元人民币。自主改进将面临的技术难点有:主轴高速 (18000r/min) 运转的平衡控制措施无参考依据;轴Ⅰ与轴Ⅱ的预紧扭矩数值及方法, 无技术支持;专用电主轴的装配、调试方案及专用调整工具缺失;损坏零件的加工图和零件的材料, 无参考依据。
为打破国外技术垄断, 缩短修理周期及采购费用, 在没有维修资料和说明的情况下, 成立技术团队, 自主制定改进修理方案, 尝试分解电主轴, 对其内部结构进行分析和研究。着重分析该电主轴的机械结构, 剖析故障产生原因, 掌握装配调整方法, 恢复设备加工功能。
二、电主轴结构
1. 电主轴外观
电主轴是将主轴和电机合二为一的机床部件 (图1) , 将主轴部件的主轴部分适当延长后, 直接在延长段加装电机转子, 使电机与主轴同轴, 并在转子外部加装定子线包封闭, 形成同轴电机, 电机工作时直接带动主轴工作。
电机与主轴同轴安装, 结构紧凑、刚性好、传动效率和旋转精度高, 能快速实现零到数万转之间的转速调整。电主轴是一套主轴组件, 不是一件孤立的主轴, 包括电机定子线圈 (图2) 、转子、高速轴承、轴承润滑装置、主轴冷却装置。它是一种集高速电机、高速轴承、润滑系统、冷却系统、平衡技术及精密制造与装配技术的综合运用。
2. 转子轴
转子轴 (图3) 由转子轴Ⅰ和轴Ⅱ两部分组成。轴Ⅰ (图4) 包括两套角接触球轴承1 (背对背安装) , 内外隔套和锁紧螺母6, 轴套7 (一是保证两轴同步旋转;二是两轴的安全保护, 使主轴精度不致下降) , 滑动轴承3 (两套, 支撑轴Ⅰ, 减小轴Ⅰ的径向跳动量) , 3片碟簧10 (在砂轮主轴发生碰撞时, 瞬间发生微量变形, 可以有效保护主轴) , 垫片5和内六方螺钉9 (图5) 。
3. 轴Ⅱ组成及磨损分析
轴Ⅱ由空心轴2、垫片4、调节螺母8、空心调节螺钉11、调节轴套12、两套角接触球轴承 (背对背安装) 、内外隔套、轴承压盖组成 (图5) 。
空心轴2为硅钢材料, 硬度低, 垫片4材料硬度高, 长期使用过程中, 电主轴高速旋转, 机械振动使内六方螺钉9松动, 造成轴Ⅰ和轴Ⅱ之间的轴向窜动增大, 导致空心轴2与垫片4运转不同步, 加剧了空心轴2内轴肩处的磨损 (图5中标号13) 。
三、电主轴典型故障及处理方法
数控拉刀磨床专用电主轴故障现象是电主轴停止运转, 设备报警。电主轴的转子轴Ⅰ和轴Ⅱ出现0.5mm的轴向窜动, 使主轴转子运转不平衡, 造成电流剧增、负载大、温升快、有异响。
1. 故障检查与分析
(1) 故障检查。在检查主轴不转故障的过程中, 电气方面测得电主轴的线圈烧坏, 线圈委派外协单位绕制修复, 可以达到其性能要求。机械方面, 通过分解电主轴, 发现其转子轴由轴Ⅰ和轴Ⅱ两部分组成。故障点: (1) 轴承没有预紧; (2) 轴Ⅰ端部内六方螺钉9松动; (3) 空心轴2内壁磨损; (4) 轴套7破裂; (5) 调节螺母8研死。
(2) 电主轴机械结构分析。轴Ⅰ上的两套轴承为背对背安装, 轴承外环固定在线圈定子台阶孔内, 两套轴承之间安装隔环, 内环低于外环约0.02mm。通过旋转轴Ⅰ上锁紧螺母6, 轴Ⅰ承受向右的拉力并向右伸张, 同时锁紧螺母6推轴承内环向相反的方向移动, 利用内外环高度差来消除游隙, 实现轴Ⅰ轴向预紧。轴Ⅰ上的轴套7用于与轴Ⅱ连接, 传递转矩, 实现轴Ⅰ与轴Ⅱ同步运转。滑动轴承3用于支撑轴Ⅰ, 减小轴Ⅰ的径向跳动量, 滑动轴承的装配要求主要是轴Ⅰ的轴颈与轴承孔之间获得所需要的间隙和良好的接触, 使轴Ⅰ在轴承中运转平稳。垫片4的内圆与轴Ⅰ配合, 垫片4的外圆与空心轴2的内壁配合, 垫片4上放有3片碟簧, 在砂轮主轴发生碰撞的瞬间, 碟簧发生微量变形, 可以有效保护主轴。将调节螺母8旋紧, 就可以把垫片4, 小垫片5和3片碟簧固定在轴Ⅱ上。以空心轴2和垫片4为基准, 通过旋紧内六方螺钉9, 可以消除轴Ⅰ的轴向蹿动, 实现轴Ⅰ上轴承的轴向预紧。以空心轴2的外圆轴肩和轴承内环为基准, 通过旋紧空心调节螺钉11 (与调节螺母8配合) , 间接拉紧轴Ⅱ端部的轴套12, 可以消除轴Ⅱ的轴向蹿动, 同时实现轴Ⅱ上轴承的预紧。
(3) 电主轴故障分析。出现主轴不转故障, 转子轴内的内六方螺钉松动, 在主轴高速旋转的过程中, 轴2与垫片4运转不同步, 垫片4会在轴2内部自转, 垫片4与轴2的材料不同, 并且垫片4比轴2的硬度高, 主轴经常这样工作, 造成轴2内轴肩处磨损 (见图5中标号13) , 致使轴2内轴肩处与轴套7端面间的距离缩短, 但是轴Ⅰ上的轴套7与垫片4左端面之的距离保持不变, 这就会出现“轴变长”的现象, 导致转子轴整体不能预紧, 轴向蹿动0.5mm。同时又造成了轴Ⅰ与轴Ⅱ的同轴度超差。轴Ⅰ与轴套7是紧配合, 轴套7的破裂 (图5中标号14) , 使其可以绕轴Ⅰ自转, 这样, 主轴在高转速旋转时, 会出现轴Ⅰ与轴Ⅱ的运转不同步, 造成电主轴的负载过大, 电流增大, 电主轴长期这样工作, 会导致线圈烧坏, 电气元件老化, 缩短使用寿命。
2. 故障排除方法
(1) 对主轴两端的轴承进行预紧。
(2) 配做轴Ⅰ上的轴套7, 零件图见图6, 并热装于轴Ⅰ上。
(3) 配做轴Ⅱ上的垫片4, 增加其厚度5mm, 并在靠近滑动轴承端铣槽, 槽深2mm (试装时槽深分别为0.5mm、1mm、1.5mm和2mm) 。配做轴Ⅱ上的调节螺母8, 零件图见图7。
(4) 摸索专用电主轴的装配方法并配做专用调整工具。
3. 装配电主轴
轴Ⅰ上的两套轴承为背对背安装, 轴承外环固定在线圈定子台阶孔内, 两套轴承之间安装隔环, 内环低于外环0.02mm。以空心轴2和垫片4为基准, 通过旋紧内六方螺钉, 使轴Ⅰ承受向右的拉力, 向右伸张, 同时锁紧螺母6推轴承内环向相反的方向移动, 利用内外环高度差来消除轴Ⅰ的轴承游隙, 实现轴Ⅰ轴向预紧。以空心轴2的外圆轴肩和轴承内环为基准, 通过旋紧空心调节螺钉 (与调节螺母8配合) , 间接拉紧轴Ⅱ的轴套, 可以消除轴Ⅱ的轴向蹿动, 同时实现轴Ⅱ上轴承的轴向预紧。
轴Ⅰ上装有带凹槽的轴套7, 轴Ⅱ上设计有与轴套7的凹槽相配合的凸台, 在装配时, 空心轴2与轴套7连接, 垫片4的内圆与轴Ⅰ配合, 垫片4的外圆与空心轴2的内壁配合, 垫片4上放置3片碟簧, 将调节螺母8旋紧, 就可以把小垫片5, 垫片4和3片碟簧固定在轴Ⅱ上。以空心轴2和垫片4为基准, 通过旋紧内六方螺钉9, 可以消除轴Ⅰ的轴向蹿动。以空心轴2的外圆轴肩和轴承内环为基准, 通过旋紧空心调节螺钉 (与调节螺母8配合) , 间接拉紧轴套, 可以消除轴Ⅱ的轴向蹿动。至此, 电主轴装配完成。
四、轴Ⅰ与轴Ⅱ装配关系及注意事项
1. 轴Ⅰ上的两套轴承为背对背安装
轴承外环固定在线圈定子台阶孔内, 两套轴承之间安装隔环, 内环低于外环约0.02mm。通过旋转锁紧螺母6, 使轴Ⅰ承受向右的拉力, 向右伸张, 同时锁紧螺母6推轴承内环向相反的方向移动, 利用内外环高度差来消除游隙, 实现轴Ⅰ轴向预紧。轴套7用于与轴Ⅱ连接。滑动轴承3用于支撑轴Ⅰ, 减小轴Ⅰ的径向跳动量, 滑动轴承的装配要求主要是轴Ⅰ的轴颈与轴承孔之间获得所需要的间隙和良好的接触, 使轴Ⅰ在轴承中运转平稳。
2. 轴Ⅱ上两套轴承的安装和轴向预紧方法与轴Ⅰ相同
应该注意轴Ⅱ为空心轴, 轴承与空心轴的配合应较紧, 以避免轴的收缩使配合松动。
3. 轴Ⅰ和轴Ⅱ轴向间隙的消除方法
轴Ⅰ上装有带凹槽的轴套7, 空心轴2与轴套7装配见图8, 轴Ⅱ上设计有与轴套7的凹槽相配合的凸缘 (图9) 。在装配时, 空心轴2与轴套7连接, 垫片4的内圆与轴Ⅰ配合, 垫片4的外圆与空心轴2的内壁配合, 垫片4上放置3片碟簧, 将调节螺母8旋紧, 就可以把小垫片5, 垫片4和3片碟簧10固定在轴Ⅱ上。以空心轴2和垫片4为基准, 通过旋紧内六方螺钉9, 可以消除轴Ⅰ的轴向蹿动。以空心轴2的外圆轴肩和轴承内环为基准, 通过旋紧空心调节螺钉11 (与调节螺母8配合) , 间接拉紧轴套12, 可以消除轴Ⅱ的轴向蹿动。
4. 电主轴现场安装试车注意事项
开始启动时要监控冷却、润滑、压缩空气的工作情况, 工作正常时, 再开启主轴, 同时观察负载电流的变化。开始时主轴转速应≤3000r/min, 运行10～20min, 再慢慢加速至5000r/min进行试加工。电主轴的工作转速应不超过额定转速为宜, 让主轴反复启动、运转、加速、减速, 一定要缓慢加减速。另外, 电主轴内部有冷却水管、油管、气管3组管路, 3组管路循环工作, 保证高速电主轴的可靠运转。
五、结论
数控拉刀磨床专用电主轴结构比较特殊, 它是一个转子两根轴。两轴要同时旋转, 调整两轴间隙的内六方螺钉不能松动, 若松动, 则轴承没有预紧, 会影响到主轴的径向跳动和轴向窜动。径向跳动过大, 主轴转子与定子线圈间隙约0.25～0.5mm, 如间隙过小, 转子和定子扫堂, 易发生碰撞, 电流不稳定, 造成线圈或变频器烧坏。变频器外协修理时, 发现参数设置范围过大, 造成变频器电流参数过大, 线圈已经烧坏。
数控机床高速电主轴技术及应用 篇7
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。
数控铣床主轴热负荷的应用研究 篇8
数控铣床是在普通铣床的基础上集成了数字控制系统, 能在程序代码控制下精确进行铣削加工的机床。在加工过程中, 机床主轴产生的热量对主轴的回转精度, 工件加工精度都会造成直接影响, 尤其是在机床高速运转的情况下更容易引起工件加工误差。数控铣床属于高速精密应用, 主轴的承载能力同一般工程应用完全不同, 因此对主轴的热负荷能力进行分析与设计, 对于数控铣床的精度有着重要意义。
二、数控铣床主轴的热来源
数控铣床主轴系统, 包括主轴箱体和主轴传动系统, 现代机床的传动结构已经得到了极大的简化, 主轴系统成为机床的核心部件, 直接影响着机床的加工精度, 其热来源主要包括两个方面。
1、切削热
切削热是来自于机械加工过程中, 切削所消耗的能量, 这些能量几乎全部转化为热量。尤其是机床在高速切削的情况下, 切削变形所消耗的能量更高, 产生的热量更大。不过在高速切削的时候, 大部分热量会被切屑带走, 仅3%左右由刀具散热。
2、摩擦发热
主轴承系统的热来源主要是轴承的摩擦发热。在切削的过程中, 刀具切削所产生的热量传递给主轴的仅占总切削热的3%。但主轴承摩擦所产生的热量, 却大量积存于主轴承上, 并且使主轴产生非均匀温度场, 造成主轴轴线抬升和倾斜的现象, 从而对机床的加工精度造成影响。所以我们在考虑数控铣床主轴热负荷问题的时候, 主要从主轴的摩擦发热方面进行考虑。
三、主轴系统热负荷分析
主轴轴承摩擦产生的热量, 其中一部分会传入主轴及主轴箱部件之中, 使主轴和主轴箱部件的温度上升;剩下的热量, 一部分通过主轴和主轴箱表面散发到空气之中, 另一部分则通过主轴冷却构件带出。在主轴系统中, 由于主轴冷却构件与水箱是相连的, 在运转的时候, 泵系统将水箱里的水送到铣床主轴冷却构件从而降低主轴的温度并把热量带回水箱, 再通过水箱将部分热量散发到空气中, 但是带入水箱中的热量, 并不能完全散发出去, 会使水箱中的冷却水温度升高, 对主轴部件的温度形成影响。在整个过程中, 冷却水的温度是一直在发生着变化的, 所以我们在分析主轴热负荷的时候, 再加上数控铣床主轴部件结构相当复杂, 要准确描述主轴热负荷, 用数学函数是很难进行的。所以我们采用有限元法, 对主轴热负荷进行分析。
1、主轴和主轴箱的有限元热负荷模型
通过主轴系统的热来源分析, 我们可以发现主轴轴承发出的热量, 除了传入主轴之外, 还会传入主轴箱内的其它部件中, 对主轴系统的精度造成影响, 所以我们在建立有限元热负荷模型分析主轴系统的热负荷时, 要将主轴和主轴箱作为一个整体进行分析, 这样所得到的结果才更接近于实际情况。
在有限元热负荷模型计算时, 需要对热负荷边界进行处理。数控铣床的热负荷一般只需考虑热源和对流换热这两种情况。热源包括轴承摩擦生热和刀具切削生热两个部分, 对流形式包括自然对流、冷却系统对流两个部分。对于主轴冷却系统来说, 其对流体的温度就是冷却水的温度。
2、主轴系统与冷却水箱之间的冷却模型
主轴冷却系统的冷却水温度是随时间变化的, 我们在建立冷却模型的时候, 需要将时间划分为一个个的时间段, 并假设主轴冷却部分与冷却水箱之间是完全绝热的, 冷却水在流回冷却水箱后能马上均匀混合。那么, 我们根本能量守恒定律可以推断出, 主轴冷却系统的热负荷, 将其加入有限元模型上, 即可得出主轴及主轴箱的温度场。在我们实际应用研究中会发现, 支承温度升到稳定状态是一个非常缓慢的过程, 并且前、中、后支承温度变化过程基本相同, 其过程基本上可以分成三个阶段, 包括快速温升阶段, 稳态过渡阶段和稳态阶段。主轴端的变化过程与支承变化过程也极为相似。
四、数控铣床主轴热负荷应用
通过对数控铣床主轴热负荷模型的研究, 我们可以发现, 在对工件进行加工之前, 如果先对铣床进行预热, 再对工件进行加工, 这样就可以大大减少主轴热变形对加工精度的影响, 我们称预热所达到的温度点为拐点。而拐点之后, 支承和主轴的温度基本上是呈线性增加, 各曲线大致处于平行状态, 其流量的大小影响了温升曲线的间距, 随着流量的增大, 相邻曲线的间距渐渐减少。
此外, 水箱大小对主轴热负荷也有影响。在热模型研究中, 我们会发现冷却水箱大小不同时, 前支承和主轴温升变化曲线的区别。水箱的大小, 对于前支承温升的变化有着较大的影响。所以我们在设计冷却水箱的大小时, 应当充分考虑轴承对温升的要求和冷却水箱实际占用的空间大小, 以此确定冷却水箱的大小。
五、结束语
通过对数控铣床主轴系统热来源、散热途径、热负荷模型的研究, 我们可以分析得出:
第一, 在数控铣床主轴散热系统中, 当我们使用普通水箱对铣床主轴进行冷却时, 主轴系统的温升变化过程非常缓慢, 而在冷却系统中采用恒温水箱比普通水箱会有更好的效果。
第二, 冷却系统中, 冷却水的流量对温升曲线的间距会有影响, 但当冷却水流量达到一定数值时, 冷却效果就不那么明显了, 所以需要注意冷却水的流量控制, 使其在一个比较合适的范围内。
第三, 冷却系统中冷却水箱的大小, 对于拐点后主轴系统的温升变化具有较大的影响, 不过同冷却水流量一样, 当冷却水箱的尺寸达到一定值之后, 再增加其容积对主轴系统的温升影响就不再那么明显。
所以, 我们对主轴系统, 应当采取合适的冷却方式和冷却结构, 以寻找最佳的降低主轴系统温升的设计方案, 获量较好的温度场分布, 从而减少主轴系统因热变形引起的精度问题。
参考文献
[1]蒋兴奇:《主轴轴承热特性及对速度和动力学性能影响的研究》, 浙江大学, 2001年。
[2]王金生、姚春燕:《ANSYS在数控铣床热特性分析中的应用》, 《浙江工业大学学报》, 2004.32。
[3]梁允奇:《机械制造中的传热与热变形基础》, 机械工业出版社, 1982年。
数控主轴论文 篇9
笔者公司购进的两台数控铣床, 数控系统型号为GSK990M, 伺服驱动系统型号为DA98-14。使用大约两年后, 发现机床在开机或加工过程中遇急停状态时, 主轴箱 (Z轴) 出现瞬间向下滑行约15 cm的现象, 给人身和设备产生严重的安全隐患。笔者试图通过以下三种方法来维修: (1) 怀疑Z轴电机抱闸磨损引起摩擦力变小, 更换电机; (2) 增加平衡块的重量; (3) 调整Z轴导轨与镶条的间隙, 结果都未能解决Z轴下滑问题。最后通过对电气控制线路的认真分析, 提出抱闸的电气控制电路的改进, 解决了主轴箱突然下滑问题, 消除了安全隐患, 节省了制造厂提出更换数控系统的昂贵费用。
1 机床抱闸电气控制原理和故障分析
1.1 机床抱闸的电气控制原理
机床使用GSK990M开环控制数控系统, Z轴伺服电机带抱闸制动装置, 抱闸的工作电源为DC24V, 通过外部接触器、继电器控制而不是数控系统内部控制, 抱闸得电打开, 失电抱紧。Z轴上的主轴箱通过链条与床身后的重量平衡装置相连且主轴箱与平衡块重量相当, 抱闸信号是重力轴控制下滑的有效手段, 通常将伺服系统准备好信号作为抱闸打开的一个必要条件。理论上, 只要抱闸信号与伺服电机驱动使能信号的时序符合控制要求, 在开机、加工过程突然断电或遇紧急停止情况时, 即使抱闸信号由于负载动作的延时也不会大幅度地下滑[1]。
1.2 机床的故障分析
数控铣床经过两年的使用, 在机械装置方面, 抱闸制动器、链轮、丝杆、导轨等由于机械磨损引起摩擦力变小, 会产生主轴箱与平衡块出现不平衡状态, 同时产生主轴箱下滑的原因还有控制伺服电机抱闸装置的线路设计不合理、系统参数设置不合理、电机选型不当 (制动器额定力矩偏小) 等引起。本文所提及的数控铣床是由于机床电气线路设计不合理引起机床在开机或加工过程中遇急停状态时, 主轴箱 (Z轴) 出现瞬间向下滑行。从机床的控制线路可以看出, 机床在开机时, 抱闸得电即时打开, 而伺服驱动器从得电到伺服电机激励需要一定的延时, 这样出现了抱闸得电时间超前伺服电机激励的时间, 引起主轴箱因重力下滑;当机床遇急停状态时, 抱闸处于得电打开状态, 伺服电机无励磁, 同样引起主轴箱因重力惯性下滑。
2 电路的改进和故障的解决
2.1 机床在开机时, 主轴箱 (Z轴) 出现瞬间向下滑行故障的解决方法
电路改进前机床的开机过程, 相关电路见图1~图3[2]。工作过程:机床上电→继电器KA1线圈得电 (无急停、超程和电机过载状态时) →启动NC→继电器KA2线圈得电自锁→继电器KA3线圈得电→接触器KM1、KM2、KM3、KM4线圈得电 (接触器KM2、KM3分别控制伺服驱动器的控制电源和驱动电源) →Z轴电机抱闸因KM4得电打开, 伺服驱动器因接触器KM3得电使伺服电机激励, 产生力矩防止主轴箱下滑。但是由于时序不同步, 电机抱闸 (外控) 得电打开时间超前伺服电机产生激励时间 (大约1秒) , 造成主轴箱瞬间向下滑行。
电路改进的原理:调整电机抱闸得电与电机激励的时序, 使抱闸得电打开时间滞后电机得电2秒, 抱闸得电打开延时2秒并不影响机床的正常工作。改进电路见图4和图5, 用时间继电器KT1 (型号:WENJI-3) 代替接触器KM4, 设置延时2秒。开机过程, NC启动→继电器KA2线圈得电自锁→继电器KA3线圈得电→接触器KM1、KM2、KM3、时间继电器KT1线圈得电→Z轴电机抱闸因KT1动合触点延时2秒得电打开, 伺服驱动器因接触器KM3得电使伺服电机激励, 产生力矩防止主轴箱下滑。
2.2 机床在加工过程中遇急停状态时, 主轴箱出现瞬间向下滑行故障的解决方法
电路改进前机床遇急停状态的开机过程, 见图1[1]NC和伺服上电电路, 图2[1]伺服上电和Z轴制动电路, 和图3[1]伺服驱动和抱闸控制电路。工作过程:当机床遇急停或碰到限位开关时, 继电器KA1线圈失电→继电器KA3线圈失电→接触器KM3线圈失电→伺服驱动器失电, 伺服电机无激励, 失去牵引力。与此同时, 因机床在急停时继电器KA2仍得电即NC仍处于启动状态→接触器KM1、KM2、KM4线圈 (以下改为时间继电器KT1线圈) 仍保持得电→电机抱闸仍处于打开状态, 所以加工过程中机床遇急停或碰到限位开关时, 电机抱闸处于打开状态, 电机又无励磁失去牵引力, 主轴箱因重力惯性会产生瞬间向下滑行现象。
电路改进的原理:在控制时间继电器KT1线圈 (原接触器KM4) 的线路中串联继电器KA1的动合触点, 见改进后的图4和图5。工作过程:当机床遇急停或碰到限位开关时, 继电器KA1线圈失电→继电器KA3线圈失电→接触器KM3线圈和时间继电器KT1线圈失电→接触器KM3线圈失电引起伺服驱动器失电, 伺服电机无励磁失去牵引力, 时间继电器KT1线圈失电引起电机抱闸抱紧, 防止主轴箱因重力惯性产生瞬间向下滑行。
3 结语
采用开环控制的数控铣床, 由于机床电气线路设计不合理产生主轴箱 (Z轴) 在开机和加工过程遇急停时突然下滑的故障, 作者对控制抱闸的电气线路进行改进, 有效地解决主轴箱的突然下滑问题, 解除了安全隐患, 为公司节省了设备厂要求更换控制系统的高昂费用。
摘要：介绍采用开环控制数控铣床伺服电机抱闸的电气控制工作原理, 分析铣床在开机或在加工过程遇急停时主轴箱突然下滑的故障原因, 提出对抱闸控制的电气线路进行改进。改进后的电路符合电气控制要求, 保护了人身和设备安全, 节省了制造厂要求更换数控系统的昂贵费用。
关键词：数控铣床,主轴箱 (Z轴) ,突然下滑,抱闸控制,电气线路,改进
参考文献
[1]广州数控.DA98交流伺服驱动单元使用手册[Z].2003.
数控主轴论文 篇10
【关键词】数控重型卧式车床；尾座；主轴轴承；润滑油路；改进措施
CK61160×8M/32T数控重型卧式车床在参与我公司日常生产工作的过程当中，有极为突出的应用优势：包括精度高，设备运行期间稳定可靠；吃刀量到，结构布置合理，整体布局科学；数控操作系统简便精确，加工效率高；控制面板设计科学，节约人力、时间消耗等，因此得到了广泛的应用。具体至该数控车床尾座部分，主轴轴承运行期间，为避免其与尾座套筒因频繁摩擦出现磨损问题，就需要依赖于润滑油路对两者之间的润滑关系进行改进。换句话来说，一旦润滑油路出现运行问题，则将直接对整个尾座部分的运行产生影响，干预主轴轴承的平稳运行，带来严重的经济损失，需要改进润滑条件，提高运行稳定性。
1、润滑油路问题表现
唐山钢铁集团重机装备有限公司所使用CK61160×8M/32T数控重型卧式车床为重型机床，该机床正常运行状态下所加工工件的极限长度为12000.0mm，过刀架最大工件回转直径尺寸为φ1250.0mm，机床整体中心高度为900.0mm，主轴转动速度承载标准为（按每分钟计）1.0～200.0r。分析该CK61160×8M/32T数控重型卧式车床尾座部分可知：从结构组成的角度上，主要由上尾座、以及下尾座这两个部分所构成。其中，上尾座的主要价值在于：确保在整个车床的正常运行状态下，尾座套筒能够以机动运行方式快速响应操作指令并接近工件，同时对工件进行必要的预紧处理。该部分主要由电子测力计、以及主轴套筒部件等构成。而下尾座的主要价值则在于：确保在整个车床的正常运行状态下，尾座移动的到位，尾座下体放松、卡紧等动作相应的可靠。整体运行期间，尾座上体结构、下体结构、乃至螺母丝杠的润滑完全取决于尾座主轴轴承的运行，在尾座启动前，需要预先对油泵进行启动。但在该CK61160×8M/32T数控重型卧式车床的实际运行过程当中发现：受到尾座主轴轴承润滑条件的限制性因素影响，因无法及时获取可靠的润滑保障，从而频繁性的出现设备因故停台的问题，对数控车床的正常运行产生了极为不良的影响，一方面造成了主轴轴承的严重损坏，另一方面经济损失严重。为解决这一问题，我公司对该CK61160×8M/32T数控重型卧式车床进行停机处理，拟对在尾座主轴轴承润滑油路中存在的问题进行根除。
2、润滑油路缺陷机制分析
从该CK61160×8M/32T数控重型卧式车床尾座对应的结构图纸当中分析不难得知：在数控车装尾座当中，套筒座体上方仅对应有一个与套筒移动所使用螺母部件连接的润滑油孔，即在整个数控车床的运行过程当中，仅该润滑油孔能够面向支持套筒移动的螺母丝杠提供润滑作业。但与之相对应的运行工况在于：只有在该车床尾座套筒处于移动状态的情况下，该润滑油路能够实施润滑动作。从实际运行的角度上来说，主轴前后轴承仅能够依托于螺母丝杠研磨处理基础之上的微量机油发挥润滑功效。这一实际情况所造成的问题在于：在车床尾座主轴轴承处于正常运行的状态下，受到较差润滑条件的因素影响，主轴轴承的研磨与损坏问题在所难免，且会对润滑油路的正常运行产生极为不良的影响。基于上述分析可知：整个CK61160×8M/32T数控重型卧式车床尾座主轴轴承润滑油路所存在的最主要问题，以及改进的核心内容在于：对车床尾座主轴轴承对应润滑条件进行改进，优化螺母丝杠的润滑供应条件，最大限度的控制轴承磨损问题。
3、润滑油路改进思路及其措施
结合上述分析，对CK61160×8M/32T数控重型卧式车床尾座进行如下改进：第一步，需要在车床尾座套筒部件上选择合理的钻孔，定位钻孔与隔套能够保持良好的贯通状态。在反复的观察与比选后，借助于套筒导向槽内既有的螺纹孔，使用任意螺纹孔进行钻孔钻通作业，避免在钻进期间对螺纹孔产生损伤。借助于此种方式，以本数控车床既有供油油路，将主轴轴承润滑油集中引流至定距隔套部件当中；第二步，以引流后的定距隔套为对象，在其辅助作用之下加工润滑油油槽，油槽加工标准为：长度300.0mm。同时，为面向主轴轴承提供可靠的润滑油保障，需要在所加工油槽的左右两端分别钻标准孔，确保能够有效的改善车床尾座主轴轴承所对应的润滑条件。
结合上述改进思路，在将该思路实际作用于CK61160×8M/32T数控重型卧式车床尾座主轴轴承润滑油路改进的过程当中，依照如下方式实施：首先，需要在停机状态下，对车床尾座套筒进行拆卸处理，同时分解相关零部件。观察可知：在该车床尾座套筒导向槽内部设置有两个M8标准尺寸的螺纹孔。选取前端螺纹孔，使用φ6钻头钻通该螺纹孔，钻进期间对螺纹孔螺纹进行必要防护；其次，在划线操作平台上，按照定距隔套φ320变径过渡设置标准位置，标注中心线，并根据中心线在操作平台上画出油槽加工线（油槽加工尺寸的控制标准为：长度300.0mm，宽度10.0mm，高度5.0mm），镗床加工完成润滑油油槽加工作业；再次，油槽底部两端位置钻孔，钻孔控制标准尺寸为：φ6钻头，钻进角度45.0°；最后，完成对所拆卸尾座套筒零部件的装配工作，并恢复车床的正常运行。
4、结束语
通过对主轴轴承润滑油路的改进与优化，重新装配与开机后，整个CK61160×8M/32T数控重型卧式车床的运行稳定性得到了保障。通过在运行期间的动态观察可知：该车床尾座主轴轴承的润滑条件较改进前明显好转，极大程度上的避免了因尾座润滑失效而对主轴轴承外观产生的磨损或性能产生的影响，降低了机损率，提高了车床运行的经济性、安全性。总结本次改进的主要经验在于：以钻通导向槽内部前端螺纹孔，设施油槽加工线的方式，优化螺母丝杠的润滑供应条件，最大限度的控制轴承磨损问题。该经验可为后续同类事故的处理与优化提供一定的参考、借鉴。
参考文献
[1]陈佰江，高中庸，李书平等.齿轮啮合中的摩擦激励频率分析与润滑降噪特性研究[J].润滑与密封，2009，34（6）：66-69.
数控主轴论文 篇11
在数控机床中的各部件中, 主轴箱是很重要的部件, 在数控机床的设计中主轴箱的设计也是最为复杂的一项。主轴箱为多级齿轮传动, 通过传动系统, 经箱体内各个位置上的传动轴和传动齿轮, 最后把运动传到主轴上, 使主轴获得所需的转速和方向。设计中要考虑到各轴之间的强度、刚度和转速等, 所以设计过程必须要全面考虑, 这便为主轴箱的设计增加了难度。机床的整体性能也与主轴箱的设计密切相关, 保证并提升主轴箱的机械性能, 对于精度的保证和加工产品的优化都具有重要意义。
1 电机选择及传动方案
已知nmin=40r/min, nmax=2000r/min, 由于所设计的是小型自动机床, 所以取公比φ=1.58, 选择的转速级数为Z=2。
1.1 主电机的选择
本设计选用伺服电机。
1) 负载转矩及负载惯量的计算。
伺服电机轴上的负载转矩Ti= (F×L/2πμ) +T0。
滚珠丝杠围绕其中心轴旋转时的惯量:
主轴箱轴向移动物体的惯轴量:
2) 机械工作频繁情况下计算转矩。
在机械频繁启动、制动的情况的下, 需计算电机的均方根值, 公式如下:
综上, 选电机Y90L-4, 额定功率为2.2k W, 功率因数为0.79, 同步转速为1400r/min, 最大转矩为2.2N·m。
1.2 传动设计
在这次设计中采用集中传动形式的主轴变速箱。传动系统简图如图1所示。
2 主要零件的计算与验算
2.1 主轴主要结构参数的确定
主轴的有如下主要结构参数:主轴内孔直径d, 主轴前、后轴颈D1和D2, 主轴主要支撑间的跨距L和主轴前端悬伸量a, 这些参数会影响到主轴的刚度和主轴旋转精度。
1) 主轴最小直径估算。在数值上p≤nj时, 最小轴颈就可以按照扭转刚度估算, 即:
由此可取主轴的最小直径d1=46 mm, 最小直径应是后轴颈直径, 由于考虑到应预留出安装锁紧螺母的长度, 及轴上轴承的安装有配合要求、轴承的类型, 后轴颈的直径定为D2=50 mm。
2) 主轴内孔d及拉杆直径的确定。
主轴本身的刚度与抗弯截面惯性矩成正比, 关系式为
我们采用外螺纹拉抓BT—50, 知BT—50拉抓外螺纹的尺寸为M15×1.5, 所以拉杆前端内螺纹必须是M15。同时为了使拉杆的刚性满足要求, 取拉杆的直径为18 mm, 根据拉杆的直径确定主轴内孔的最小直径23 mm。
3) 主轴前端悬伸量C及支承跨距L的确定。
主轴前端预留出安装冷却液喷头的距离:轴承挡环的厚度, 轴承的宽度, 轴肩的宽度以及主轴下支撑的安装位置, 这里确定C=140 mm。
一般情况主轴的职称跨距L= (2~3.5) a, 但是实际情况的结构设计, 因结构因素以及支承刚度会因磨损量逐渐增大而不断降低, 主轴主要支撑之间的实际跨距L往往大于最佳跨距L, 本次取L=360 mm。
2.2 主轴刚度验算
本文以弯曲刚度校核, 知:[y]=0.00025L, 角接触球轴承处的偏转角[θ]=0.0016 rad。
根据公式P=F切v, 得F切=P/v, 则当线速度v最小时, 切削力最大。
1) 挠度的计算。主轴的前悬伸部分较粗, 刚度较高, 其变形可以忽略不计;后悬伸部分不影响强度, 当主轴前端作用一外载F, 则挠度:
2) 偏转角。主轴在切削工件时会承受较大的切削力, 主轴前端必然会产生弯曲变形:
所以 θD≤[θ]=0.0016 rad。综上所述, 主轴的刚度满足要求条件。
2.3 传动轴的计算
2.4 齿轮的计算
1) 齿轮齿数确定。在主传动中, 一般齿轮最小齿数的取值要大于18~20。在本次设计中, 取值如下:第一组齿轮传动比u1=1.667, u2=0.48, 齿数Z1=30, Z2=50, Z3=54, Z4=24;第二组齿轮传动比u3=2, 齿数Z5=30, Z6=60。
2) 齿轮模数的计算。
3) 齿宽确定。在成对的齿轮设计中, 为了不让两个齿轮因装配的问题产生轴向误差时减小齿合齿宽而增大齿轮载荷, 主动轮上小齿轮齿宽应大些。
4) 齿轮的验算及具体数值。在齿轮应力的验算中, 一般需要选择同一模数的齿轮中负载最大且齿数最小的, 进行弯曲应力和接触应力的验算。其中齿轮4符合要求, 已知齿轮4的齿数为24, 模数为2.5 mm。计算齿轮应力:
齿轮的材料选40Cr。大齿轮、小齿轮的表面硬度60HRC, 故[σf]=1650 MPa, 得出[σw]=920 MPa。 因 σf<[σf], σw<[σw], 故满足要求。
各齿轮的详细数值如表1所示。
mm
3 主轴箱总装图设计
主轴箱装配图的主要视图如图2, 由图可见主轴箱的整体传动方式, 齿轮的相对位置, 各轴的装配关系, 以及主轴、传动轴、齿轮、轴套、轴承等的形状和相对位置。
4 结语
XK-7132数控钻铣床具有制造成本低, 结构简单, 加工精度高, 自动化程度高以及操作维修方便等优点。合理的主轴箱设计, 不仅可以提高机床的加工精度和自动化程度, 而且对组合机床的整体设计也至关重要, 对数控机床在机械加工企业的普及等方面具有非常重要的意义。
参考文献
[1]曾海泉, 杨德武.机械设计基础[M].长春:吉林科学技术出版社, 2002.
[2]现代实用机床设计手册编委会.现代实用机床设计手册[M].北京:机械工业出版社, 2006.
[3]龚仲华.现代数控机床设计典例[M].北京:机械工业出版社, 2014.
[4]费叶琦, 刘英, 黄秀玲.钻孔组合机床主轴箱体的设计计算[J].林业机械与木工设备, 2012 (8) :36-39.