数控主轴系统与控制

1、1机床主轴系统与控制机床主轴系统与控制2 数控机床的主轴驱动不同于进给驱动，主轴的工作运动数控机床的主轴驱动不同于进给驱动，主轴的工作运动通常为旋转运动。通常为旋转运动。主轴驱动的主要要求主轴驱动的主要要求： 输出功率大输出功率大 2.2250kw，结构上不能采用永磁式，结构上不能采用永磁式 宽的调速范围宽的调速范围 1：1001000恒转矩，恒转矩，1：10恒功率调速恒功率调速 主轴既能正转、又能反转，且能快速制动主轴既能正转、又能反转，且能快速制动 特殊要求特殊要求 如：如：加工螺纹加工螺纹，要求主轴驱动与进给驱动实行同步控制；，要求主轴驱动与进给驱动实行同步控制；为了保证为了保证端面加工

2、端面加工的光洁度，要求主轴驱动系统具有恒线速的光洁度，要求主轴驱动系统具有恒线速切削控制；在加工中心上，由于切削控制；在加工中心上，由于自动换刀自动换刀的需要，要求主抽的需要，要求主抽驱动系统具有高精度的停位控制；有的数控机床还要求主轴驱动系统具有高精度的停位控制；有的数控机床还要求主轴驱动系统具有角度控制功能等。驱动系统具有角度控制功能等。一、一、 主轴驱动的概念主轴驱动的概念二、二、 机床主轴的分类机床主轴的分类1. 按结构分类按结构分类机械主轴机械主轴机械主轴机械主轴电主轴电主轴机械主轴结构机械主轴结构高速电主轴高速电主轴电主轴结构电主轴结构卡盘卡盘夹紧装置夹紧装置加紧轴加紧轴电机电机球

3、轴承球轴承动平衡点动平衡点主轴主轴装置装置锥形盘弹簧锥形盘弹簧液压力液压力电主轴，主轴单元电主轴，主轴单元刀柄安装刀柄安装2. 按驱动电机类型分按驱动电机类型分 ： 直流主轴驱动系统直流主轴驱动系统 早期的数控机床多采用直流主轴驱动系统。早期的数控机床多采用直流主轴驱动系统。 交流主轴驱动系统交流主轴驱动系统 自自20世纪世纪70年代末年代末80年代初，在数控机床主轴驱动中开始年代初，在数控机床主轴驱动中开始采用交流主轴驱动系统。采用交流主轴驱动系统。 现代数控机床多采用交流主轴驱动系统。现代数控机床多采用交流主轴驱动系统。101. 直流主轴电动机的结构直流主轴电动机的结构 与一般直流电动机一

4、样，只是与一般直流电动机一样，只是为了减小转动惯量而做得细长一些。它的励磁绕组和电为了减小转动惯量而做得细长一些。它的励磁绕组和电枢分别由两个独立电源供电。枢分别由两个独立电源供电。2. 特性曲线特性曲线额定速度以下：额定速度以下： 恒转矩恒转矩范围，范围，用改变转子绕组电压调速。用改变转子绕组电压调速。额定速度以上：额定速度以上： 恒功率恒功率范围，范围，用控制定子激磁来调速。用控制定子激磁来调速。eTaTCI 恒转矩调速：恒转矩调速： 用改变用改变转子绕组转子绕组电压调速。电压调速。 恒功率调速：恒功率调速： 用控制定子激磁来调速。用控制定子激磁来调速。控制磁势大小控制磁势大小控制转子电压

5、大小控制转子电压大小141. 交流主轴电动机的结构交流主轴电动机的结构 交流主轴电机多采用交流主轴电机多采用交流异步交流异步电机，很少采用永磁同步电机。电机，很少采用永磁同步电机。 主要因为永磁同步电机的容主要因为永磁同步电机的容量做得不够大，且电机成本较高量做得不够大，且电机成本较高。另外主轴驱动系统不象进给系。另外主轴驱动系统不象进给系统那样要求很高的性能，调速范统那样要求很高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用异步围也不要太大。因此，采用异步电机完全可以满足数控机床主轴电机完全可以满足数控机床主轴的要求，笼型异步电机多用在主的要求，笼型异步电机多用在主轴驱动系统中。轴驱动系统中。与普通

6、三相异步电动机同。据电机学知，交流异步电机的转速与普通三相异步电动机同。据电机学知，交流异步电机的转速表达式为：表达式为： （r/min） 式中式中 f1定子电源频率（定子电源频率（Hz）；）； p磁极对数；磁极对数； s转差率。转差率。 由此可以知，有由此可以知，有变转差率、变极对数及变频变转差率、变极对数及变频三种调速方式。三种调速方式。l 变转差率调速时，低速转差率大，转差损耗功率也大，效率变转差率调速时，低速转差率大，转差损耗功率也大，效率低。低。l 变极调速只能产生二种或三种转速，不能做成无级调速，应变极调速只能产生二种或三种转速，不能做成无级调速，应用范围较窄。用范围较窄。l 变频

7、调速变频调速是从高速到低速都可以保持有限的转差率，故它具是从高速到低速都可以保持有限的转差率，故它具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，可以认为是一种理有高效率、宽范围和高精度的调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。想的调速方法。 spfn16012. 2. 交流主轴电动机的工作原理交流主轴电动机的工作原理3. 功率功率速度特性速度特性曲线曲线mEfKEU111mrNfKE111144. 4改变频率改变频率f1，可平滑调节同步转速。但只，可平滑调节同步转速。但只改变频率是不够的，由电机学知：改变频率是不够的，由电机学知： 式中式中 E1感应电势；感应电势； Kr1基波绕组系数；基波绕组系数；

8、 N1定子每相绕组串联匝数；定子每相绕组串联匝数； m每极气隙磁通量。每极气隙磁通量。由上式可见，定子由上式可见，定子电压不变电压不变时，随时，随f1的上升，气隙磁通的上升，气隙磁通m将减小。又从转矩公式将减小。又从转矩公式 式中式中 CT转矩常数；转矩常数； I2折算到定子上的转子电流；折算到定子上的转子电流； cos 2 转子电路功率因数。转子电路功率因数。22cosICTTe n T f4 f1 f1f2f3f4 f2 f3 由转子电流与主磁通由转子电流与主磁通作用而产生的电磁转矩公式作用而产生的电磁转矩公式可知，可知，T与与、I2成正比。要成正比。要保持保持T不变，即要求不变，即要求U

9、1/f1为为常数常数，可以近似地维持，可以近似地维持 恒恒定。此时的机械特性曲线族定。此时的机械特性曲线族如图所示。如图所示。 (1) 恒转矩调速恒转矩调速 为了在为了在低速低速时保持最大转矩时保持最大转矩Tm不变，就必须采不变，就必须采取取E1/f1=常数常数的协调控制，显然，这是一种理想的的协调控制，显然，这是一种理想的保持磁通恒定的控制方法。恒保持磁通恒定的控制方法。恒Tm调速的机械特性如调速的机械特性如图所示。图所示。 n T f4 f1 f1f2f3f4 f2 f3 (2) 恒最大转矩（恒最大转矩（Tm）调速）调速恒功率调速，是在恒功率调速，是在额定频率以上额定频率以上进行调速。进行

10、调速。因电机绕组是按额定电压等级设计的，不可能超过额定因电机绕组是按额定电压等级设计的，不可能超过额定电压，因此定子电压不可能与频率成正比地提高。电压，因此定子电压不可能与频率成正比地提高。若频率上升，若频率上升，额定电压不变额定电压不变，那么气隙磁通，那么气隙磁通m将随着将随着f1的升高而降低，转矩也减小，特性变软。如图所示，得的升高而降低，转矩也减小，特性变软。如图所示，得到近似恒功率的调速特性。到近似恒功率的调速特性。 n T f4 f1 f1f2f3f4 f2 f3 （3 3） 恒功率调速恒功率调速 eTaTCI 22cosICTmTe(4) 交流主轴电动机的矢量变换交流主轴电动机的矢

11、量变换25 转子的转子的不平衡不平衡是由于转子质量分布不均匀，旋转时产生的是由于转子质量分布不均匀，旋转时产生的惯性离心力惯性离心力的分布相对于转轴不对称而无法完全消除造成的。的分布相对于转轴不对称而无法完全消除造成的。离心力可以表示为：离心力可以表示为：2Fmrmr偏心质量偏心质量/kg；矢径矢径/m；转子旋转角速度转子旋转角速度/rad/s。在平衡技术中，用在平衡技术中，用来表示转子的来表示转子的不平衡量不平衡量，并以符号，并以符号mrU 表示。表示。 U为一为一矢量矢量，其方向与半径矢量，其方向与半径矢量r相同。相同。 如果用如果用系统的质量系统的质量 M 去除转子的不平衡量去除转子的不

12、平衡量 U，即得到转，即得到转子的单位质量的不平衡量，叫做转子子的单位质量的不平衡量，叫做转子不平衡率不平衡率 ，表示的，表示的是转子的不平衡程度。是转子的不平衡程度。e一、主轴不平衡的基本概念一、主轴不平衡的基本概念1. 机床主轴不平衡的主要因素机床主轴不平衡的主要因素l 主轴设计存在不对称；主轴设计存在不对称；l 主轴材质分布不均匀；主轴材质分布不均匀；l 主轴加工和装配的过程中存在误差；主轴加工和装配的过程中存在误差；l 刀具结构或者磨损产生不平衡。刀具结构或者磨损产生不平衡。动平衡去重点动平衡去重点2. 主轴不平衡量的种类主轴不平衡量的种类1) 静不平衡静不平衡主轴的不平衡量仅在主轴的

13、不平衡量仅在重心重心G处偏离轴线处偏离轴线方向的状态。方向的状态。用一个通过主轴重心用一个通过主轴重心G的的矢量矢量Us 表示。表示。2) 力偶不平衡力偶不平衡是主轴是主轴不平衡量的连线与轴线在重心不平衡量的连线与轴线在重心G 相交相交的状态，此时的状态，此时转轴的转轴的不平衡量不平衡量围绕重心形成一个力偶。围绕重心形成一个力偶。力偶不平衡用一对大小相同、方向相反的力偶不平衡用一对大小相同、方向相反的矢量矢量Um表示。表示。3) 动不平衡动不平衡是主轴不平衡量连线与轴线既是主轴不平衡量连线与轴线既不平行也不相交的不平行也不相交的状态。状态。可以等效为可以等效为不在同一个平面不在同一个平面的一个

14、的一个静不平衡量静不平衡量Us 和一个和一个力力偶不平衡量偶不平衡量Um。4) 准静不平衡准静不平衡是动不平衡的一种特例，是主轴不平衡量连线与轴线在是动不平衡的一种特例，是主轴不平衡量连线与轴线在重心重心G 以外以外的某一点的某一点相交相交的不平衡状态。可等效为的不平衡状态。可等效为同一个平面内同一个平面内的一个的一个静不平衡量静不平衡量和一个和一个力偶不平衡量力偶不平衡量。转子经过动平衡校正后剩下的不平衡量称为转子经过动平衡校正后剩下的不平衡量称为剩余不平衡量剩余不平衡量。剩余不平衡量的许可值叫剩余不平衡量的许可值叫许用不平衡量许用不平衡量Uper。3. 主轴动平衡标准主轴动平衡标准转子的不

15、平衡程度可以用转子的不平衡程度可以用许用不平衡度许用不平衡度eper表示。表示。其中，其中，M 为主轴转子质量。为主轴转子质量。国际标准国际标准ISO1940和国家和国家JB 333083 标准规定标准规定转子平衡品转子平衡品质等级质等级为为其中，其中， 为最高转子工作角速度为最高转子工作角速度高速主轴高速主轴的动平衡等级一般应为的动平衡等级一般应为G1G0.4，即，即G=0.41（mm/s)perperUeMperGe二、主轴动平衡识别方法二、主轴动平衡识别方法l 工业现场通常采用工业现场通常采用在线动平衡在线动平衡来降低主轴的振动。来降低主轴的振动。l 对于平衡操作而言，不同的对于平衡操作

16、而言，不同的平衡方法平衡方法对主轴振动的对主轴振动的平衡效率和平衡效果是不同的。平衡效率和平衡效果是不同的。l 常见的主轴不平衡量识别方法主要包含常见的主轴不平衡量识别方法主要包含影响系数法影响系数法、振型平衡法振型平衡法以及以及全息动平衡法全息动平衡法等。等。1. 影响系数法影响系数法l 利用线性系统中利用线性系统中校正量与所测量校正量与所测量之间的之间的线性线性关系来达到主关系来达到主轴平衡的目的的。轴平衡的目的的。l 从控制工程的角度看，影响系数是一种从控制工程的角度看，影响系数是一种振动响应振动响应、校正量校正量与与传感器位置传感器位置三者之间的传递函数。三者之间的传递函数。l 校正面

17、校正面单位校正量单位校正量在检测面处产生的在检测面处产生的振动响应振动响应称为影响系称为影响系数。数。优点：优点：依靠依靠传感器传感器直接采集的数据进行平衡，直接采集的数据进行平衡，不涉及转子动不涉及转子动力力学方面的知识，可以用学方面的知识，可以用计算机辅助计算机辅助进行动平衡，在工业现进行动平衡，在工业现场应用广泛。场应用广泛。1) 单面影响系数法单面影响系数法2) 双面影响系数法双面影响系数法一个一个校正面校正面和一个和一个检测面。检测面。两个两个校正面和校正面和两个两个检测面。检测面。影响系数：影响系数：平衡转子需要在校正面上加配重：平衡转子需要在校正面上加配重：影响系数：影响系数：校

18、正配重：校正配重：2. 振型平衡法振型平衡法振型平衡法的实质是求取转子振型平衡法的实质是求取转子各阶挠曲变形函数各阶挠曲变形函数的平衡配重，的平衡配重，以实现转子平衡。以实现转子平衡。转子在转子在任意转速任意转速下的振型都可以分解为下的振型都可以分解为各阶振型各阶振型的线性叠加。的线性叠加。转子在某一转速下的挠曲振型：转子在某一转速下的挠曲振型：优点：优点：充分考虑了转子的充分考虑了转子的模态信息模态信息，能获得，能获得全转速全转速范围内转范围内转子的优良平衡状态；试重以试重组的形式添加，子的优良平衡状态；试重以试重组的形式添加，平衡效率平衡效率更更高。高。缺点：缺点：模态平衡法理论基础建立在

19、模态平衡法理论基础建立在忽略系统阻尼忽略系统阻尼之上，平衡之上，平衡过程会有一定误差；模态平衡法要在过程会有一定误差；模态平衡法要在临界转速附近临界转速附近测点转子测点转子模态比，平衡过程有一定危险性。模态比，平衡过程有一定危险性。36全息谱的构成原理全息谱的构成原理三维全息谱三维全息谱全息谱通过全息谱通过信息融合技术信息融合技术为转子为转子的振动响应提供了更加全面真实的振动响应提供了更加全面真实的描述的描述. .X-AmpFrequency1x2x3x4xY-AmpFrequency1x2x 3x4x+1x-2x-3x+4xFrequencyYX二维全息谱二维全息谱3. 全息动平衡法全息动平

20、衡法全息谱转频椭圆及构造过程全息谱转频椭圆及构造过程l 全息动平衡利用全息动平衡利用转转频椭圆初相矢频椭圆初相矢表征表征被测截面的失衡振被测截面的失衡振动。动。l 在在失衡振动失衡振动的描述的描述上全息动平衡考虑上全息动平衡考虑了了支承各向异性支承各向异性对对主轴轴心轨迹的影主轴轴心轨迹的影响，能有效提高这响，能有效提高这类主轴的类主轴的平衡精度平衡精度。全息动平衡技术全息动平衡技术是在全息谱技术的基础上发展而来的，从平衡是在全息谱技术的基础上发展而来的，从平衡原理上来讲全息动平衡仍然属于原理上来讲全息动平衡仍然属于影响系数法。影响系数法。全息动平衡流程图全息动平衡流程图过程与试重平衡一样。过

21、程与试重平衡一样。全息动平衡时只关注全息动平衡时只关注转频振动，转频振动，三、主轴动平衡控制技术三、主轴动平衡控制技术1. 动平衡控制技术分类动平衡控制技术分类l按照配重实施方式分：按照配重实施方式分：去重去重法、法、加重加重法和法和质量调质量调整法。整法。l按照自动化程度分：按照自动化程度分：人工离线人工离线平衡、平衡、半自动半自动平衡和平衡和在线在线自动自动平衡。平衡。l按照平衡对象分：按照平衡对象分：刚性刚性轴平衡和轴平衡和挠性挠性轴平衡。轴平衡。在线自动平衡在线自动平衡就是就是在转子正常在转子正常运行运行状态下，状态下，实时实时监控转子振监控转子振动，动，随时消除随时消除运行过程中出现

22、的不平衡，整个动平衡过程运行过程中出现的不平衡，整个动平衡过程无无需停车。需停车。2. 在线自动动平衡装置在线自动动平衡装置在线自动动平衡方法的核心技术在于在线自动动平衡方法的核心技术在于在线平衡装置在线平衡装置，目前应，目前应用成熟的在线动平衡调整装置有用成熟的在线动平衡调整装置有喷液式喷液式、电动机式电动机式和和电磁式电磁式三种。三种。喷液式喷液式动平衡调整装置采用动平衡调整装置采用加重法加重法进行配重。主要应用于转进行配重。主要应用于转速较高的主轴平衡。速较高的主轴平衡。电动机式和电磁式电动机式和电磁式动平衡装置均采用动平衡装置均采用调整质量分布调整质量分布的方法进的方法进行配重。行配重

23、。电动机式电动机式在线平衡调整装置被广泛用于在线平衡调整装置被广泛用于砂轮磨床砂轮磨床主主轴的动平衡。轴的动平衡。电磁式电磁式动平衡装置处于研究阶段，在工业领域动平衡装置处于研究阶段，在工业领域鲜有应用鲜有应用。（1）喷液型优点：优点：不需要向平衡头输送控制信号和供给能量，不需要向平衡头输送控制信号和供给能量，保证了平衡头的可靠性；保证了平衡头的可靠性；平衡精度高；平衡精度高；平衡能力强。平衡能力强。缺点：缺点：停转后液体流出，平衡停转后液体流出，平衡状态破坏；状态破坏；容腔中液体挥发容腔中液体挥发, , 影响影响平衡精度；平衡精度；需要较好的保养。需要较好的保养。原理：原理：通过不同的喷嘴就

24、可向不同的容腔喷入一定量的液体通过不同的喷嘴就可向不同的容腔喷入一定量的液体, , 以改变平衡头的重心位置以改变平衡头的重心位置, , 达到在线平衡。达到在线平衡。美国美国SBS公司公司Hydrokompenser转速转速30030000r/min，平衡精度，平衡精度0 .02 microns，平衡能力，平衡能力5 to 50,000 gcm。德国德国 Dittle 公司公司H6000系统系统最高转速：最高转速：30,000 r/min 30,000 r/min （2）电动机型）电动机型优点：优点： 结构结构紧凑紧凑，易于实现；，易于实现；停转后停转后状态能保持状态能保持；平衡时间短。平衡时间

25、短。原理：原理：用可控用可控微型电机驱动微型电机驱动多级齿轮传动补偿质量，电动机通多级齿轮传动补偿质量，电动机通过电刷、滑环或无线遥控从驱动或控制系统获得运动指令。过电刷、滑环或无线遥控从驱动或控制系统获得运动指令。缺点：缺点： 机械结构复杂，限制了平衡机械结构复杂，限制了平衡转速转速的继续提高；的继续提高；平衡装置尺寸大，平衡装置尺寸大，安装困难，安装困难，且无法保障长期工作时的稳定性；且无法保障长期工作时的稳定性；需要特种电机；需要特种电机；采用滑环向电机供电时，滑环容易磨损；采用电池供电时，电采用滑环向电机供电时，滑环容易磨损；采用电池供电时，电量有限，不能长期工作。量有限，不能长期工作

26、。美国美国SBS公司公司SB-4500系列系列平衡头平衡头装在磨床的主轴端，随主轴转动，平衡头内两个微电装在磨床的主轴端，随主轴转动，平衡头内两个微电机通过精密机通过精密齿轮系统齿轮系统驱动两个质量补偿平衡重块。驱动两个质量补偿平衡重块。转速转速30013000r/min，平衡精度，平衡精度0 .02 microns，平衡能力，平衡能力75 12,000 gcm。（3）电磁型）电磁型原理：原理：通过电磁力拖动平衡质量块相对平衡头移动的动平衡装通过电磁力拖动平衡质量块相对平衡头移动的动平衡装置。置。缺点：缺点：机械结构复杂，机械结构复杂，起支撑作用的轴承在高速时可能因起支撑作用的轴承在高速时可能

27、因离心力离心力较大而发生松动，限制了平衡转速的继续提高；较大而发生松动，限制了平衡转速的继续提高； 工作环境工作环境温度温度受到限制，温度过高使得其中的永久磁铁退受到限制，温度过高使得其中的永久磁铁退磁磁 。优点：优点： 结构结构紧凑紧凑，易于实现；，易于实现；停转后状态能保持；停转后状态能保持；平衡时间短。平衡时间短。德国德国 Dittle 公司公司 德国德国Dittel公司的电磁式自动平衡装置分为两种公司的电磁式自动平衡装置分为两种, 一种为一种为安装在转轴内部安装在转轴内部, 如下图（左）所示如下图（左）所示, 最高转速可达最高转速可达20000 r/min, 平衡面位置不受外界干扰，最大平衡能力平衡面位置不受外界干扰，最大平衡能力3,300 gcm ； 另一种将平衡装置做成