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数控机床对主轴驱动系统的要求

主轴驱动系统也叫主传动系统,是在系统中完成主运动的动力装置部分。主轴驱动系统通过该传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度,配合进给运动,加工出理想的零件。它是零件加工的成型运动之一,它的精度对零件的加工精度有较大的影响。

数控机床的主轴驱动系统也就是主传动系统,它的性能直接决定了加工工件的表面质量,因此,在数控机床的维修和维护中,主轴驱动系统显得很重要。

机床的主轴驱动和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它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纪60-70年代,数控机床的主轴一般采用三相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:

调速范围宽并实现无极调速

为保证加工时选用合适的切削用量,以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心,为适应各种刀具、工序和各种材料的加工要求,对主轴的调速范围要求更高,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级调速,并减少中间传动环节,简化主轴箱。

目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达1∶100,恒功率调速范围也可达1∶30,一般过载1.5倍时可持续工作达到30min。

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。

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的方法(即在低速段采用机械减速装置),以扩大输出转矩。

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。目前一般伺服主轴可以在1秒内从静止加速到6000r/min。

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),以满足加工中心自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。

具有较高的精度与刚度,传动平稳,噪音低。

数控机床加工精度的提高与主轴系统的精度密切相关。为了提高传动件的制造精度与刚度,采用齿轮传动时齿轮齿面应采用高频感应加热淬火工艺以增加耐磨性。最后一级一般用斜齿轮传动,使传动平稳。采用带传动时应采用齿型带。应采用精度高的轴承及合理的支撑跨距,以提高主轴的组件的刚性。在结构允许的条件下,应适当增加齿轮宽度,提高齿轮的重叠系数。变速滑移齿轮一般都用花键传动,采用内径定心。侧面定心的花键对降低噪声更为有利,因为这种定心方式传动间隙小,接触面大,但加工需要专门的刀具和花键磨床。

良好的抗振性和热稳定性。

数控机床加工时,可能由于持续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自振等原因引起冲击力和交变力,使主轴产生振动,影响加工精度和表面粗糙度,严重时甚至可能损坏刀具和主轴系统中的零件,使其无法工作。主轴系统的发热使其中的零部件产生热变形,降低传动效率,影响零部件之间的相对位置精度和运动精度,从而造成加工误差。因此,主轴组件要有较高的固有频率,较好的动平衡,且要保持合适的配合间隙,并要进行循环润滑。

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