数控专业 数控车床主轴系统应用及维修.doc

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1、摘 要目前国内外数控车床的现状、发展动态和发展方向及其在现代工业中的重要作用， 根据设计的实际需要，对车床主轴箱开展研究，就用于实际工程的有关理论和实现原理进行了阐述，并进行了主轴箱及液压卡盘的三维设计以及优化设计。 研究过程主要分为静力分析和优化设计两个阶段，分析，得到主轴箱的静态应力和应变，并对主轴箱体和主轴的结构进行了优化设计。、数控机床的主轴控制系统，它是利用数字化的信息对机床运动及工作过程进行控制的一种方法。这种方法主用于组合机床以及生产线上的专用机床用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控(NC)机床。要实现对机床的控制，需要用几何信息描述刀具和工件间的相对

2、运动以及用工艺信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数。目前，在机械加工企业中，有许多旧式普通机床，为了机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工，充分利用普通机床，就需要对普通机床进行机电一体化改造。通常改造法有几种：一种方法是以微机作为控制元件(主要是单片机)，通过对机床的进给系统进行改造，采用步进电动机开控制系统；第二种方法是以可编程控制器(简称PLC)作为控元件，替代机床继电器连接触器组成的电气控制部分，是为了提高机床电气控制系统的可靠性，这种方法主用于组合机床以及生产线上的专用机床；第三种方法采用的数控设备来控制机床的伺服进给系统，其伺服进给为步进电机开环控制系统。这几种控制方法各有特点

3、：机构成的控制系统不但能控制机床的运动轨迹，也可以机床的机械结构，但是其接口设计复杂，可靠性低，而PLC成的控制系统接口简单，可靠性高，但不能控制机床的轨迹，对机床的机械结构部分没有改变。虽然采用专用的设备不但能简化机床的机械结构，而且能控制机床的运轨迹，但专用数控设备价格高，不适应经济性数控机床。近几年随着微电子技术、计算机技术、集成技术以及自动控制技术的发展，PLC的功能越来越强大，功能模块越来越多，可以在小型机上实现大型机的功能。关键字：主轴控制 主轴 数控车床 主轴维修目 录第一章 数控机床的分类31.1 按加工工艺方法分类31.2 按控制运动轨迹分类31.3按控制方式分类4第二章 主

4、传动系统62.1 主传动系统62.2数控机床交流主轴驱动系统7第三章 主轴部件的故障诊断与维修113.1主轴部件113.2主传动系统的常见故障及排除方法133.3主传动系统维修14结束语17致谢18参考文献19第一章 数控机床的分类1.1 按加工工艺方法分类 1.1.1金属切削类数控机床 与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制的，具有较高的生产率和自动化程度。 在普通数控机床加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床。

5、加工中心机床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率。例如铣、镗、钻加工中心，它是在数控铣床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工件一次装夹后，可以对箱体零件的四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、铰以及攻螺纹等多工序加工，特别适合箱体类零件的加工。加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，缩短了辅助时间，大大提高了生产效率和加工质量。1.1.2特种加工类数控机床 除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。 1.1.

6、3板材加工类数控机床 常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。 近年来，其它机械设备中也大量采用了数控技术，如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。 1.2 按控制运动轨迹分类 1.2.1点位控制数控机床 位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。机床数控系统只控制行程终点的坐标值，不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。可以几个坐标同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。 这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。 1.2.2直线控制数控机床 直线

7、控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。 直线控制的简易数控车床，只有两个坐标轴，可加工阶梯轴。直线控制的数控铣床，有三个坐标轴，可用于平面的铣削加工。现代组合机床采用数控进给伺服系统，驱动动力头带有多轴箱的轴向进给进行钻镗加工，它也可算是一种直线控制数控机床。数控镗铣床、加工中心等机床，它的各个坐标方向的进给运动的速度能在一定范围内进行调整，兼有点位和直线控制加工的功能，这类机床应该称为点位/直线控制的数控机床。1.2.3轮廓控制数控机床 轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续

8、相关的控制，使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求的轮廓形状。 常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。数控火焰切割机、电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。轮廓控制系统的结构要比点位/直线控系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。 现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现，增加轮廓控制功能不会带来成本的增加。因此，除少数专用控制系统外，现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。 1.3按控制方式分类1.3.1开环

9、控制数控机 这类控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件，伺服驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机。数控系统每发出一个进给指令，经驱动电路功率放大后，驱动步进电机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的。此类数控机床的信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制数控机床。 开环控制系统的数控机床结构简单，成本较低。但是，系统对移动部件的实际位移量不进行监测，也不能进行误差校正。因此，步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与丝杠等传动误差都将影

10、响被加工零件的精度。开环控制系统仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。 1.3.2闭环控制数控机床 接对工作台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上讲，闭环系统的运动精度主要取决于检测装置的检测精度，也与传动链的误差无关，因此其控制精度高。图1-3所示的为闭环控制数控机床的系统框图。图中A为速度传感器、C为直线位移传感器。当位移指令值发送到位置比较电路时，若工作台没有移动，则没有反馈量，指令值使得伺服电动机转动，通过A

11、将速度反馈信号送到速度控制电路，通过C将工作台实际位移量反馈回去，在位置比较电路中与位移指令值相比较，用比较后得到的差值进行位置控制，直至差值为零时为止。这类控制的数控机床，因把机床工作台纳入了控制环节，故称为闭环控制数控机床。 闭环控制数控机床的定位精度高，但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。 1.3.3半闭环控制数控机床 半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移电流检测装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，并对误差进行修正。通过测速元件A和光电编码盘B可间接检测出伺服电动机的转速，从而推算出工作台的实

12、际位移量，将此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。由于工作台没有包括在控制回路中，因而称为半闭环控制数控机床。半闭环控制数控系统的调试比较方便，并且具有很好的稳定性。目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体，这样，使结构更加紧凑。 1.3.4混合控制数控机床 将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。混合控制数控机床特别适用于大型或重型数控机床，因为大型或重型数控机床需要较高的进给速度与相当高的精度，其传动链惯量与力矩大，如果只采用全闭环控制，机床传动链和工作台全部置于控制闭环中，闭环调试比较复杂。混合控制系统又分为两种形式： 1.3.4.1开环补偿型它的基本控制选用步

13、进电动机的开环伺服机构，另外附加一个校正电路。用装在工作台的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差。 1.3.4.2半闭环补偿型它是用半闭环控制方式取得高精度控制，再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环修正，以获得高速度与高精度的统一。其中A是速度测量元件（如测速发电机），B是角度测量元件，C是直线位移测量元件。第二章 主传动系统2.1 主传动系统由于数控机床的主轴驱动广泛采用交、直流主轴电动机，这就使得主传动的功率和调速范围较普通机床大为增加。同时为了进一步满足对主传动调速和转矩输出的要求，在数控机床上常采用机电结合的方法，即同时采用电动机调速和机械齿轮变速这两种方法。用来实现机

14、床主运动的，它将主电动机的原动力变成可供主轴上刀具切削加工的切削力矩和切削速度。为适应各种不同的加工及各种不同的加工方法，数控机床的主传动系统应具有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，同时主传动系统还需要有较高精度及刚度并尽可能降低噪声，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。2.1.1电动机与主轴直联的主传动 其优点是结构紧凑，但主轴转速的变化及转矩的输出和电动机的输出特性致，因而使用上受到一定限制。 2.1.2经过一级变速的主传动 一级变速目前多用V带或同步带来完成，其优点是结构简单安装调试方便，且在一定程度上能够满足转速与转矩输出要求，但主轴调速范围比仍与电动机一样，受电

15、动机调速范围比的约束。2.1.3带有变速齿轮的主传动 这种配置方式大、中型数控机床采用较多。它通过少数几对齿轮降速，使之成为分段无极变速，确保低速大转矩，以满足主轴输出转矩特性的要求，如图8-3所示。2.1.4电主轴系统由内装式电主轴单元、驱动控制器、编码器、通讯电缆、直流母线制动器组合成的，用以将电网电能变为电主轴单元的机械能，同时实现电主轴准停。准速、准位的系统称之为电主轴系统。大型数控铣(含并联机构数控铣)、小型数控车(无轴定位)电主轴单元+开环式驱动控制器+直流母线能耗制动器。 电主轴系统品质的优劣是大型数控铣、加工中心、数控车品质优劣的关键之一。对闭环式配置的电主轴系统而言尤为重要。

16、目前我国已能自行开发设计各类高速电主轴。但闭环式驱动控制器及高水平的编码器尚不过关。选用优质的进口编码器和驱动控制器来匹配我国自行开发的电主轴单元，从而组成电主轴系统，以供应国内数控机床之急需，从而降低主机成本，提高主机的市场竞争力是一条可行之路。2003年，洛阳轴研科技股份有限公司分别与德国博世-力士乐公司、德国AMK公司驻中国办事处取得联系，并成功地实现了Refu(力土乐)电源+Sumtak编码器+ZYS 10,000r/min电主轴单元的联配。为大面积推广中西结合的电主轴系统创出了一条路。2003年7月洛阳轴研科技股份有限公司与德国博世-力士乐(中国有限公司)电子传动与控制事业部达成联合

17、开发Indramat-ZYS电主轴系统品牌的协议。在协议的推动下首轮Indramat-ZYS数控机床用电主轴系统型谱已问世。由于国产电主轴单元同类型产品价格远低于进口电主轴，故Indramat-ZYS电主轴系统价格也远比进口系统低得多，从而为国产数控机床的发展提供了新的选择。2.2一种高性能数控机床交流主轴驱动系统该系统以智能功率模块IPM为逆变器开关元件，以MCS96系列双单片机为主控制器，控制算法采用全数字转差频率式矢量控制。主控制器采用双CPU结构，一片CPU完成速度外环控制、监控及显示等；另一片CPU用于电机高速控制，80C196MC完成电流内环控制。两片CPU之间通过共享RAM进行通

18、讯，有效地解决了一般CPU计算能力不强的问题。主回路采用由智能功率模块IPM组成的电压型交直交逆变器。该系统还具有功能齐全的检测与保护电路等。 实验表明该系统具有良好的静态和动态性能，能够满足数控机床对驱动系统的上述要求。 2.2.1 主回路 主回路采用交直交电压型结构，主要由整流电路、滤波器及逆变电路等组成。逆变电路采用新型功率器件智能功率模块(Intelligent Power Module，简称IPM)。智能功率模块IPM是一种先进的混合集成智能功率模块，它由高速、低耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及过流、短路、欠压和过热保护电路组成，是继IGBT之后电力电子技术领域的又一革新性成果。由

19、于IPM内部采用了能连续监测功率器件电流的IGBT芯片，实现了高效的过流保护和短路保护；IPM内部还集成了过热和欠压保护电路，大大提高了系统可靠性；IPM内部还集成了绝缘栅双极型晶体管IGBT及其驱动电路，缩短了产品开发周期；IPM通态损耗和开关损耗都较低，减少了散热片尺寸，降低了成本。所以，与IGBT相比，智能功率模块IPM具有明显的优势。 2.2.2 控制电路为了实现数控机床的快速实时和可靠控制，控制电路采用80C196MC-80C196KC双单片机结构。80C196MC CPU具有较高的运算速度和较强的控制能力，它的任务是完成要求实时性高的电流内环控制，产生PWM控制信号，完成保护等功能

20、。特别是80C196MC片内含有3相波形发生器WFG(Wave Form Generator)。WFG具有3个同步的PWM模块，每个模块包含一个相位比较寄存器，一个无信号时间(dead-time)发生器和一对可编程的输出。WFG可以产生独立的3对PWM波形，它们具有共同的载波频率、无信号时间和操作方式，一旦启动之后，WFG只要求CPU在改变PWM的占空比时加以干预。如采用16MHz晶振时，中心对准的PWM的载波周期为0.15s16ms，增量为0.25s，无信号时间的调整范围为0.125125s。无信号时间用来防止一对互补的PWM同时有效，以保证输出波形不交叠。WFG大大简化了用于产生同步脉宽调

21、制(PWM)波形的控制软件和外设硬件，特别适用于控制3相交流感应电动机，也可用于控制直流无刷电动机和其它需要多个PWM输出的装置。WFG是80C196MC/MD独有的特色之一。80C196KC主要完成转速控制与检测，键盘中断输入并修改重要参数，显示有关信息，矢量变换，向80C196MC提供指令信号等功能。 双单片机之间的通讯采用共享RAM方式，以提高系统的运行速度。80C196KC将计算出的电流环所需参数，如励磁电流、转矩电流、旋转角速度等，传送到共享RAM相应单元，而80C196MC则从共享RAM中读取这些数据。 2.2.3 检测与保护电路 1)电流检测 由于数控机床要求较宽的调速范围，因此

22、，输出电流的频率变化范围较大，一般的电流互感器不能满足要求，故采用霍尔电流互感器对输出电流进行检测。霍尔电流互感器的特点是体积小，响应速度快，准确度和线性度高。 2)转速采样 由于数控机床要求转速控制精度较高，一般的测速部件难以满足要求，为此采用1024高分辨率的光电脉冲编码器，以实现高速定位、高速攻丝、轮廓控制等功能。 3)保护功能 智能功率模块IPM具有性能优良的内置保护电路，以避免因系统失灵或过应力而使功率器件损坏。如果IPM模块的一种保护电路动作，IGBT栅驱动单元就会关断驱动脉冲，并输出一个故障信号。IPM模块的内部保护功能有以下几种。 (1) 控制电源电压锁定(UV)IPM内部控制

23、电路由15V直流电源供电，如果由于某种原因这一电源电压低于规定的欠压动作值(UV)，该功率器件将被关断并输出一个故障信号；只有当电源电压超过欠压复位值(UVr)时电路才能恢复正常工作。如果干扰信号持续时间小于规定的tDUV，欠压保护电路将不予理睬，控制电路正常工作，这样可以有效地避免干扰信号对电路正常工作的影响。在UV和UVr之间应设有一定的差值，这样可以避免欠压保护电路频繁切换，保证电路的正常运行。 (2) 过热保护(OT)IPM内部装有温度传感器，用于检测功率器件的工作温度如果传感器检测到基板温度超出过热动作值(OT)，IPM内部控制电路将截止下桥臂器件的栅驱动，使控制输入信号无效，同时给

24、出下桥臂故障信号，直到温度恢复正常，从而保护了功率器件。当温度回落到过热复位值(OTr)以下，并且控制输入为高电平(关断状态)时，功率器件将接受下一个低电平(开通状态)输入信号且恢复正常工作。同样，为避免过热保护频繁动作，在过热动作值OT与过热复位值OTr之间也设有20的差值。 (3) 过流保护(OC)IPM采用带电流传感器的IGBT，用来测量功率器件的工作电流，如果流过IGBT的电流超出过流动作值(OC)的时间大于toff(OC)，IGBT将被关断。对超过OC数值但时间小于toff(OC)的电流脉冲，过流保护电路将不予理睬。当检测出过电流时，IPM内部控制电路将IGBT软关断，同时输出一个故

25、障信号。软关断能够控制关断大电流时所产生的浪涌电压，从而避免浪涌电压过高，有效地保障了IPM的安全。 (4) 短路保护(SC)如果负载发生短路或系统控制器发生故障，从而导致上下桥臂直接导通，使流经IGBT的电流超过短路保护动作值(SC)，IPM内置短路保护电路将启动软关断，关断IGBT，并输出一个故障信号。由于第三代IPM采用了实时电流控制电路(RTC)，它直接监测IGBT末级驱动电路电流，将SC检测和关断之间的响应时间减小到不足0.1s，从而大大减小了短路电流幅值、功率应力和电压峰值，有效地保障了IPM的安全。 为了保证系统安全可靠地运行，除了IPM的自保护功能之外，系统中还设有过流、短路、

26、交/直流过压、欠压、缺相和快熔保护等各项保护措施。 4)控制算法 针对数控机床高精度要求，控制算法采用转差频率式矢量控制。矢量控制是把交流电动机模拟直流电动机来控制，通过坐标变换把交流电动机定子电流矢量分解成按转子磁场定向的两个直流分量，并对这两个分量进行控制，从而获得与直流电动机相同的调速性能。 在转差频率式矢量控制算法中，要用到电动机参数，如果给定参数与实际值不符，转矩或转子磁通就不等于它们的指令值。在这里转子时间常数的误差至关重要，它直接影响矢量控制的动静态特性，因此需要对转子时间常数进行适当补偿。在负载一定的情况下，电动机运行于最佳状态，则认为实现了准磁场定向控制。采用的方法是选取电动

27、机实际旋转角速度与给定角速度之间的误差绝对值作为目标函数，进行转子时间常数的自寻优。即当电流稳定运行时，选取适当的转子时间常数使这个误差绝对值最小。设转速环每1ms采样一次，并把每163次采样点作为一组数据，这样163次采样大约需要4s的时间。每次时间常数自寻优以后，让电动机运转4s，然后继续采样寻优。 第三章 主轴及主轴部件的故障诊断与维修3.1主轴部件数控机床主轴部件是影响机床加工精度的主要部件，要求主轴部件具有与本机床工作性能相适应的高回转精度、刚度、抗振性、耐磨性、和低的温升，其结构必须很好的解决刀具和工具的装夹、轴承的配置、轴承间隙调整和润滑密封等问题。数控机床的主轴部件主要有以下几

28、个部分：主轴本体及密封装置、支承主轴的轴承、配置在主轴内部的刀具卡进及吹屑装置、主轴的准停装置等。主轴的结构根据数控机床的规格、精度采用不同的主轴轴承。一般中小规格的数控机床的主轴部件多采用成组的高精度滚动轴承；重型数控机床采用液体静压轴承；高精度数控机床采用气体静压轴承；转速达20000r/min的主轴采用磁力轴承或氮化硅材料的陶瓷滚珠轴承。3.1.1主轴润滑 为了保证主轴有良好的润滑，减少摩擦发热，同时又能把主轴组件的热量带走，通常采用循环式润滑系统。用液压泵供油强力润滑，在油箱中使用油温控制器控制油液温度。现在许多数控机床的主轴采用高级锂基润滑脂封闭方式润滑，每加一次油脂可以使用710年

29、，简化了结构，降低了成本且维护保养简单，但是需要防止润滑油和油脂混合，通常采用迷宫式密封方式。为了适应主轴转速向更高速化发展的需要，新的润滑冷却方式相继开发出来。这些新的润滑冷却方式不单要减少轴承温升，还要减少轴承内外圈的温差，以保证主轴热变形小。油气润滑方式。 这种润滑方式近似于油雾润滑方式，所不同的是，油气润滑是定时定量的把油雾送进轴承空隙中，这样既实现了油雾润滑，又不至于油雾太多而污染周围空气；后者则是连续供给油雾喷注润滑方式。 它用较大流量的恒温油（每个轴承34L/min）喷注到主轴轴承，以达到润滑冷却的目的。需要特别指出的是，较大流量的油，不是自然回流，而是用排油泵强制排油，同时，采

30、用专用高精度大容量恒温油箱，油温变动控制在0.5。3.1.2防泄漏 在密封件中，被密封的介质往往是以穿漏、渗透或扩散的形式越界泄漏到密封连接处的彼侧。造成泄漏的基本原因是流体从密封面上的间隙中溢出。或是由于密封部件内外两侧密封介质的压力差或浓度差，致使流体向压力或浓度低的一侧流动。加工中心主轴前支承的密封结构。卧式加工中心主轴前支承处采用的双层小间隙密封装置。主轴前端车出两组锯齿形护油槽，在法兰盘4和5上开沟槽及泄漏孔，当喷入轴承2内的油液流出后被法兰盘4内壁挡住，并经过其下部的泄油孔9和套筒3上的回油斜孔7流回油箱，少量油液沿着主轴6流出时，主轴护油槽在离心力的作用下被甩至法兰盘4的沟槽内，

31、经过回油斜孔7重新流回油箱，达到了润滑介质防泄漏的目的当外部切削液、切屑及灰尘等沿主轴6与法兰盘5之间的间隙进入时，经法兰盘5的沟槽由泄漏孔7排出，少量的切削液、切屑及灰尘进入前锯齿沟槽，在主轴6高速旋转的离心力作用下仍被甩至法兰盘5的沟槽内由泄油孔7排出，达到了主轴端部密封的目的。要使间隙密封结构能在一定的压力和温度范围内具有良好的密封防泄漏性能，必须保证法兰盘4和5与主轴及轴承端面的配合间隙符合如下条件。法兰盘4与主轴6的配合间隙应控制在0.10.2mm（单边）范围内。如果间隙偏大，则泄漏量将按照间隙的3次方扩大；若间隙过小，由于加工及安装的误差，容易与主轴局部接触使主轴局部升温并产生噪声

32、。+法兰盘4内端与轴承端面的间隙应控制在0.150.3mm之间。小间隙可使压力油直接被挡住并沿法兰盘4内端面下部的泄油孔9经回油斜孔7流回油箱。法兰盘5与主轴的配合间隙应控制在0.150.25mm（单边）范围内。间隙太大，进入主轴6内的切削液及杂物会显著增多，间隙太小，则容易与主轴接触。法兰盘5沟槽深度应大于10mm（单边），泄漏孔7应大于6mm，并位于主轴下端靠近沟槽内壁处。法兰盘4的沟槽深度应大于12mm（单边），主轴上的锯齿尖而深；一般在57mm范围内，以确保具有足够的甩油空间。法兰盘4处的主轴锯齿向后倾斜，法兰盘5处的主轴锯齿向前倾斜，法兰盘4上的沟槽与主轴6上的护油槽对齐，以保证被主

33、轴甩至法兰盘沟槽内腔的油液能可靠地流回油箱。套筒前端的回油斜孔7及法兰盘4的泄油孔9流量为进油孔1的23倍，以保证压力油能顺利地流回油箱。3.1.3刀具夹紧 在自动换刀机床的刀具自动夹紧装置中，刀具自动夹紧装置的刀杆常采用7：24的大锥度锥柄，既利于定心，也为松刀带来方便。用蝶形弹簧通过拉杆及夹头拉住刀柄的尾部，使刀具锥柄和主轴锥孔紧密配合，夹紧力达10000N以上。松刀时，通过液压缸活塞推动拉杆来压缩蝶形弹簧，使夹头张开，夹头与刀柄上的拉钉脱离，刀具就可拔出进行新、旧刀具的更换，新刀装入后，液压缸活塞后移，新刀具又被蝶形弹簧拉紧。在活塞推动拉杆松开刀柄的过程中，压缩空气由喷气头经过活塞中心孔

34、和拉杆中的孔吹出，将锥孔清理干净，防止主轴锥孔中掉入切屑和灰尘，把主轴锥孔表面和刀杆的锥柄划伤，同时保证刀具的正确位置。3.2主传动系统的常见故障及排除方法（见表7-1）表7-1 主传动系统的常见故障及排除方法序号故障现象故障原因排除方法1主轴发热主轴轴承损伤或轴承不清洁更换轴承，清除脏物主轴前端盖与主轴箱体压盖研伤修磨主轴前端盖，使其压紧主轴前轴承，轴承与后盖有0.020.05mm间隙轴承润滑油脂耗尽或润滑油脂涂抹过多涂抹润滑油脂，每个3ml2主轴在强力切削时停转电动机与主轴连接的皮带过松移动电动机座，拉紧皮带，然后将电动机座重新锁紧皮带表面有油用汽油清洗后擦干净，再装上皮带使用过久而失效更

35、换新皮带摩擦离合器调整过松或磨损调整摩擦离合器，修磨或更换摩擦片3主轴噪声缺少润滑涂抹润滑脂保证每个轴承涂抹润滑脂量不得超过3ml小带轮与大带轮传动平稳情况不佳带轮上的平衡块脱落，重新进行动平衡主轴与电动机连接的皮带过紧移动电动机座，使皮带松紧度合适齿轮啮合间隙不均匀或齿轮损坏调整啮合间隙或更换新齿轮传动轴承损坏或传动轴弯曲修复或更换轴承，校直传动轴4主轴没有润滑油循环或润滑不足油泵转向不正确，或间隙太大改变油泵转向或修理油泵吸油管没有插入油箱的油面下面将吸油管插入油面以下2/3油管和滤油器堵塞清除堵塞物润滑油压力不足调整供油压力5润滑油泄漏润滑油过量调整供油量密封件损坏更换密封件管件损坏更换

36、管件6刀具不能夹紧蝶形弹簧位移量较小调整蝶形弹簧行程长度刀具松紧弹簧上的螺母松动顺时针旋转松夹刀具弹簧上的螺母使其最大工作载荷不得超过13kN7刀具夹紧后不能松开松刀弹簧压合过紧逆时针旋转松夹刀具弹簧上的螺母使其最大工作载荷不得超过13kN液压缸压力和行程不够调整液压压力和活塞行程开关位置3.3主传动系统维修3.3.1主传动系统维修实例例1. 主轴噪声的故障维修故障现象：车床CK6140在1200转时，主轴噪声变大分析及处理过程：CK6140采用的是齿轮变速传动。一般来讲主轴产生噪声的噪声源主要有：齿轮在啮合时的冲击和摩擦产生的噪声；主轴润滑油箱的油不到位产生的噪声；主轴轴承的不良引起的噪声。

37、将主轴箱上盖的固定螺钉松开，卸下上盖，发现油箱的油在正常水平。检查该挡位的齿轮及变速用的拨叉，看看齿轮有没有毛刺及啮合硬点，结果正常，拨叉上的铜块没有摩擦痕迹，且移动灵活。在排除以上故障后，卸下皮带轮及卡盘，松开前后锁紧螺母，卸下主轴，检查主轴轴承，检查中发现轴承的外环滚道表面上有一个细小的凹坑碰伤，更换轴承，重新安装好后，用声级计检测，主轴噪声降到73.5dB。例2主轴漏油故障现象：ZJK7532铣钻床加工过程中出现漏油分析及处理过程：该铣钻床为手动换挡变速，通过主轴箱盖上方的注油孔加入冷却润滑油。在加工时只要速度达到400rpm时，油就会顺着主轴流下来。观察油箱油标，油标显示在油在上限位置

38、。拆开主轴箱上盖，发现冷却油已注满了主轴箱（还未超过主轴轴承端），游标也被油浸没。可以肯定是油加的过多，在达到一定速度时油弥漫所致。放掉多余的油后主轴运转时漏油问题解决。外部观察油标正常，是因为加油过急导致游标的空气来不及排出，油将游标浸没，从而给加油者假象，导致加油过多，从而漏油。例3. 主轴箱渗油故障现象：CJK6032车床主轴箱部位有油渗出分析及处理过程：将主轴外部防护罩拆下，发现油是从主轴编码器处渗出。该CJK6032车床的编码器安装在主轴箱内，属于第三轴，该编码器的油密封采用O型密封圈的密封方式。拆下编码器，将编码器轴卸下，发现该O型密封圈的橡胶已磨损，弹簧已露出来，属于安装O型密封

39、圈不当所致。更换密封圈后问题解决。例4. 加工件粗糙度不合格故障现象：CK6136车床车削工件粗糙度不合格分析及处理过程：该机床在车削外圆时，车削纹路不清晰，精车后粗糙度达不到。在排除工艺方面的因素后（如刀具、转速、材质、进给量、吃刀量等），将主轴挡位挂到空挡，用手旋转主轴，感觉主轴较松。打开主轴防护罩，松开主轴止退螺钉，收紧主轴锁紧螺母用手旋转主轴，感觉主轴合适后，锁紧主轴止退螺钉，重新精车削，问题得到解决。3.3.2 主轴转速监测方案在电动机的同步传动轴上安装一块条形铁片，和电动机同步旋转，由接近开关对其检测，每转检测到两个脉冲信号，通过对脉冲信号的检测而得知其转速。检测脉冲信号有两种方案

40、。 第一方案：在一定周期Tp内读取脉冲信号的个数N，PLC是一种顺序控制器，它的程序是由前到后一步一步执行，每执行完一遍为一个扫描周期，然后从头开始循环执行。假如程序有2000步，每步执行时间周期为30s，则程序的扫描周期约60ms，扫描频率约16Hz，能够准确检测出的脉冲频率应低于8Hz，当转速的脉冲频率大于16Hz，即转速n480r/min时，PLC受其扫描频率的影响，不能准确检测出脉冲的个数，情况不好时，会出现高速时检测的脉冲个数很少，误判为电动机基本停止而进行下面动作，造成事故。此种方案只适用于主轴低速旋转状态的监测。第二种方案：检测脉冲信号持续为“0”或“1”的时间T，当n60r/m

41、in时，发出主轴停止完了信号。由于PLC程序执行过程的延时，数控系统收到主轴停止信号，并执行下面动作时，主轴已完全停止旋转，n=60r/min所对应脉冲信号持续为“0”或“1”的时间T为0.25s，因此我们把检测脉冲信号的计时器设定为0.25s。同样高速时也会出现脉冲测不准的情况，但不管情况多坏，在0.25s的时间内“0”或“1”至少变化一次，因此可以准确地判断主轴是否停止旋转。此方案可以适用于主轴高速或低速旋转时主轴制动状态的检测。在实际应用中，我们采用了此方案。 3 PLC实现主轴能耗制动的控制方法。LC设计程序中，X20.0为转速脉冲信号的输入，M05为主轴停止信号，Y50.0为主轴停止

42、完了信号。 两个计时器TM1、TM2分别判断X20.0脉冲信号持续为“0”或“1”的时间是否达到设定的时间，只要有一个时间到达，即R100.1或R100.2变“1”，导致R100.3变“1”，此时M05为“1”，导致Y50.0输出“1”，则发出主轴制动完了信号，实现了主轴停止的准确判断。 电主轴的出现，很好的适应了超高速加工的要求，并将逐步取代传统的机床主轴系统。异步主轴电机主要的控制方法有二种：矢量控制和直接转矩控制。矢量控制系统，转子磁链矢量的相角是利用电机电压、电流信号或电流、速度信号观测转子磁链矢量而得到， 磁链采用闭环控制。转子磁链矢量的观测也受某些参数变化的影响，但比起间接矢量控制

43、参数变化的影响更容易得到补偿，高速时可获得更精确的转子磁链矢量相角，而且磁链闭环控制可进一步降低对参数变化的敏感性，提高磁场定向准确度。直接转矩控制系统 直接转矩控制技术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，直接转矩控制系统。它避免了繁琐的坐标变换，充分利用电压型逆变器的开关特点，通过不断切换电压状态使定子磁链轨迹为六边形或近似圆形，控制定子磁链，也即调整定于磁链与转子磁链的夹角，从而对电动机转矩进行直接控制，使异步电动机的磁链和转矩同时按要求快速变化。在维持定子磁链幅值不变的情况下，通过改变定子磁链的旋转速度以控制电机的转速。 以上二种控制方法均能达到较好的控制效果，

44、且目前已有许多成熟的应用。如德国keb公司的带编码器反馈的闭环异步伺服系统，采用闭环矢量控制，并且同时支持增量型，正余弦及ssi编码器反馈，给系统的组成带来了极大的灵活性。结 论数控机床的主传动承受主切削力，它的功率大小与回转速度直接影响着机床的加工效率。而主轴部件是保证机床加工精度和自动化程度的主要部件，它们对数控机床的性能有着决定性的影响。主轴部件工作性能的主要因素是它的刚度特性。加工中心主轴部件的结构设计、刚度特性在很大程度上决定了高速加工中心的加工质量，也是影响其加工精度的重要因素。因此，深入研究对机床精度和动特性影响比较大的主轴部件为研究对象,利用有限元法,对主轴部件进行动态分析,找

45、出薄弱环节,试图通过改进主轴部件结构上相应的薄弱模态,使整机的动态性能得到较大的提高主轴部件的刚度特性，对于进一步提高加工中心的工作性能有十分重要的意义。致 谢论文能顺利完成时因为是因为在论文写作中我得到了许多人的帮助。首先我非常感谢我的指导老师孙美维，从课题的选取研究到总体的结束，她都帮助我解决了不少困难，论文能顺利完成，是因为在设计当中我得到了许多人的帮助。首先非常感谢我的指导教师孙美维。从课题的选取、研究、到总体设计的结束。她都帮助我解决了不少困难。为了我们的毕业设计，她到处给我们找资料、鼓气。随时监导我们的设计。在此，我向我的老师表示我真诚的谢意！参考文献1王侃夫. 数控机床控制技术与系统M. 北京:机械 工业 出版社,2002.2杜金城. 电气变频调速设计技术M. 北京: 中国 电力出版社,2001.3王侃夫. 数控机床控制技术与系统M. 北京:机械工业出版社,2002.4杜金城. 电气变频调速设计技术M. 北京:中国电力出版社,2001.5高钟毓机电控制工程北京：清华大学出版社，2002 .19