高速加工第二章剖析课件

数控高速加工与工艺数控高速加工与工艺第二章 数控高速机床目录高速加工机床高速加工机床结构构高速加工机床的高速加工机床的类型型12浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u介介绍绍 主要讲述高速机床主要讲述高速机床传动上和结构上的主要传动上和结构上的主要特点，提出了特点，提出了“零传动零传动”的设计理论，并以加的设计理论，并以加工中心机床为典型实例，工中心机床为典型实例，系统分析了高速机床的系统分析了高速机床的性能、结构和相关技术，性能、结构和相关技术，在此基础上，还介绍了在此基础上，还介绍了一些其他类型的高速切一些其他类型的高速切削机床。削机床。浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u电主轴电主轴ElectrospindleMotor SpindleMotorized SpindleHigh Frequency SpindleDirect Drive Spindle浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u电主轴优点电主轴优点 1、降低振动和噪声等问题，提高零件高速加工的精度、降低表面粗糙度，并提高环境质量。2、将主轴传动系统的转动惯量尽可能地减至最小，主轴回转时具有极大的角加、减速度。3、提高主轴系统刚度，和系统的固有频率，电主轴即使在最高转速运转时，仍可确保低于其临界转速，保证高速回转时的安全。4、没有中间环节，减少冲击，主轴运转更为平稳，使得主轴轴承寿命相应得到延长。浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u电电主主轴轴内部内部结结构构Connection*):信号电缆(温度传感器和开关)机架永磁体定子定子转子转子Connection*):功率电缆Connection:主冷却精密冷却浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u主主轴轴其他其他辅辅助系助系统统驱动控制系统轴承润滑系统密封系统冷却系统锥孔清洁系统浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u电主轴的基本参数与结构步局 电电主主轴轴的的基基本本参参数数和和主主要要规规格格包包括括：套套简简直直径径、最最 高高 转转 速速、输输 出出 功功 率率、基基 速速、基速转矩、转矩和刀具接口等。基速转矩、转矩和刀具接口等。基基速速又又称称额额定定转转速速，是是指指恒恒转转矩矩驱驱动动与与恒恒功功率率驱驱动动交交汇汇点点，即即小小于于基基速速时时为为恒恒转转矩矩驱驱动动，大大于基速时为恒功率驱动于基速时为恒功率驱动 。浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u电电主主轴轴整体整体结结构构浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u电电主主轴轴参数参数浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u电电主主轴轴轴轴承承1、滚动轴承 电主轴采用的轴承主要有滚动轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴。滚动轴承具有刚度高、高速性能好、结构简单紧凑、标准化程度高、品种规格繁多、便于维修更换、价格适中和便于选择等优点，因而在电主轴中得到最广泛的应用。电主轴一般采用适应高速且可同时承受径向和轴向负荷的精密角接触球轴承。浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u电电主主轴轴轴轴承承轴承配置形式及预加载荷浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u电电主主轴轴轴轴承承 高速主轴会对轴承产生很大的接触应力，温升与磨损，降低轴承的使用寿命。可采用以下两种方法：适当减少滚珠的直径。采用轻质材料来制造滚珠。氮化硅(Si3N+)陶瓷球浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u流体静压轴承 流体静压轴承为非直接触式轴承，具有磨损小、寿命长、旋转精度高、阻尼特性好(振动小)等优点，用于机床电主轴上，在加工零件时可使刀具寿命长、加工表面质量高。气体静压轴承电主轴的转速可高达100 000200 000rmin，其缺点是刚度差，承载能力低，在机床上一般只限用于小孔磨削和钻孔。浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u磁悬浮轴承（磁力轴承）磁悬浮轴承电主轴在空气中回转，由于不接触，因此没有磨损，无需任何润滑，寿命很长。由于磁悬浮轴承轴心的位置用电子反馈控制系统进行自动调节，因此其刚度值可以任意设定，可自动动平衡和主动控制阻尼而将振动减至很低。这种轴承温升低，回转精度极高(可高达0.1m)，主轴轴向尺寸变化也很小，是一种很有发展前途的电主轴。浙江机电u进给进给系系统统高速加工机床结构高速加工机床结构（一）高速机床对进给要求：高速度、高加速度、高精度、高可靠性、高安全性、合理成本。（二）传统的进给系统存在的问题浙江机电u进给系统进给系统高速加工机床结构高速加工机床结构 （1）刚度低、惯量大，难以获得高进给速度和高加速度。（2）非线性严重，不易实现闭环控制。（3）传动误差较大，影响机床加工精度。（4）结构复杂。（5）传动噪声大。（6）传动效率低。浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u解决问题的途径 1.采用新设计、新工艺、新材料等对传统的滚珠丝杆副进行创新。2.研发开发高速机床用直线伺服电动机和其构成的高速进给系统。3.研究开发新的并联机构驱动系统,空间机构学理论与现代驱动系统的结合。浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u高速滚珠丝杆螺母传动系统的技术创新。1、提高系统刚度 丝杠中空结构 预拉处理 提高丝杠支承刚度 提高滚珠与滚道接触刚度浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构2.增大丝杠螺母的导程和螺纹头数3.实施强制冷却,减少发热的影响4.对螺母结构进行特殊设计 减小滚珠直径 钢珠采用空心结构,钢珠一大一小间隔排列,螺纹滚道和反向器进行优化设计.浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u高速滚珠丝杆螺母传动系统的技术创新5、采用陶瓷等新材料制造滚珠.6、对螺母预加载荷进行自适应用控制7、采用螺母旋转，丝杆不动的运动分配方案8、采用双电机驱动方案。浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构采用高速滚珠丝杠螺母传动的优点和存在问题 1.高速滚珠丝杠螺母副制造难度大.2.速度和加速度仍受到较大限制.3.进给行程有限,一般不超过46M 4.存在由失动量等形成的非线性特性,全闭环时系统稳定性不易保证.浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u直直线电线电机机浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u直直线电线电机原理机原理浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u直直线电机机结构形式构形式浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u使用系使用系统统系统概览系统概览1FN 直线电机和西门子系统直线电机和西门子系统浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u对机械设计的整体要求:-移动质量尽量小-良好的基础-高固有频率的刚性机床设计-整体结构具有良好的阻尼系数u光栅:光栅也用作速度反馈(位置信号微分)-通过设计和防护保证切屑不会进入电机 工作区域-微小的颗粒不会影响1FN直线电机(初级和次级有间隙)max.50 mm次级部件 support plate bundles flux lines no magnetization of the machine使用直线电机应注意使用直线电机应注意浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u直直线电线电机和旋机和旋转电转电机机对对比比优良的阻尼特性，更短的稳定化时间，高动态特性高动态特性更大的行程更大的行程实现任意长度的移动无间隙无间隙无过调更高的同步更高的同步更简单的调节性快速性快速性 高速度高加速度无磨擦无磨擦无接触的驱动装置高精度高精度达 0.1mm易于安装易于安装更少的部件灵活性灵活性Mehrere unab-hngige Lufer auf1 Achse直线电机集成了直线电机集成了皮带/链条直线电机直线驱动装置滚珠线杆气缸出条浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u直直线电线电机机误差误差:0,4 m误差误差:5 mCircle diagram with look ahead controlDiameter:300 mmVelocity:4 m/minMass:ca.1,2t直线电机驱动直线电机驱动旋转伺服电机旋转伺服电机+丝杠丝杠浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u1FN 直直线电线电机的机的热热隔离隔离Ort温升10 K0 K精密冷却动力冷却在接触区域的温升热隔离的厚度DT 2K(1FN1)maxDT 4K(1FN3)max 1FN1电机电机浙江机电高速加工机床结构高速加工机床结构u电机其他机其他结构构连接盒连接盒选件选件:精密冷却精密冷却(4 K 温升)次级部件次级部件初级部件初级部件选件选件:防护板防护板(保护次级部件)选件选件:冷却部件冷却部件(4 K to environment)主冷却主冷却浙江机电高速加工机床的类型高速加工机床的类型数控钻床 数控磨床 数控镗床 1.数控机床数控机床2.数控加工中心数控加工中心立式加工中心卧式加工中心浙江机电高速加工机床的类型高速加工机床的类型u国外先国外先进机床机床 日本日本 FANUC德国肖特德国肖特美国哈挺美国哈挺瑞士米克朗瑞士米克朗德国斯宾纳德国斯宾纳TC系列系列韩国现代韩国现代美国新新那提美国新新那提日本东芝日本东芝德国德国DMG浙江机电