数控车床主传动的改造

1、第第2 2章章 数控车床改造数控车床改造2.1 2.1 数控车床主传动的改造数控车床主传动的改造数车主传动的种类数车主传动的种类数车主传动改造的主要内容数车主传动改造的主要内容数控机床主轴改造案例数控机床主轴改造案例2.1.12.1.1数车主传动的种类数车主传动的种类 数控车床的主传动系统要求调速范围宽、扭距大、变速快、精度高。主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因此，需完成主轴调速及正反转功能。但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴也提出了相应的位置控制要求，因此，要求其输出功率大，具有恒转矩段及恒功率段，有准停控制，主轴与进给联动。 与进给伺服一样，主轴伺服经历了从普

2、通三相异步电动机传动到直流主轴传动。随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代。交流异步伺服系统交流异步伺服通常有模拟式、数字式两种方式。与模拟式相比，数字式伺服加速特性近似直线，时间短，且可提高主轴定位控制时系统的刚性和精度，操作方便，是机床主轴驱动采用的主要形式。然而交流异步伺服存在两个主要问题：一是转子发热，效率较低，转矩密度较小，体积较大；二是功率因数较低，因此，要获得较宽的恒功率调速范围，要求较大的逆变器容量。数字式主轴伺服交流异步伺服系统模拟式主轴伺服交流异步伺服系统模拟式主轴伺服交流异步伺服系统交流同步伺服系统 近年来，随着高能低价永磁体的开发和

3、性能的不断提高，使得采用永磁同步调速电动机的交流同步伺服系统的性能日益突出，为解决交流异步伺服存在的问题带来了希望。与采用矢量控制的异步伺服相比，永磁同步电动机转子温度低，轴向连接位置精度高，要求的冷却条件不高，对机床环境的温度影响小，容易达到极小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒转矩运行，特别适合强力切削加工。同时其转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性好，特别适合高生产率运行。较容易达到很高的调速比，允许同一机床主轴具有多种加工能力，既可以加工像铝一样的低硬度材料，也可以加工很硬很脆的合金，为机床进行最优切削创造了条件。电主轴 电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，它将主轴电动机的定子、

4、转子直接装入主轴组件的内部，电动机的转子即为主轴的旋转部分，由于取消了齿轮变速箱的传动与电动机的连接，实现了主轴系统的一体化、“零传动”。因此，其具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并可改善机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速切削机床上得到了广泛的应用。 从理论上讲，电主轴为一台高速电动机，其既可使用异步交流感应电动机，也可使用永磁同步电动机。电主轴的驱动一般使用矢量控制的变频技术，通常内置一脉冲编码器来实现厢位控制及与进给的准确配合。由于电主轴的工作转速极高，对其散热、动平衡、润滑等提出了特殊的要求。在应用中必须妥善解决，才能确保电主轴高速运转和精密加工。2.1.2 2.1.2

5、 数车主传动改造的主要内容数车主传动改造的主要内容数控机床主轴驱动系统包括主轴驱动装置、主轴电动机、主轴位置检测装置、传动机构及主轴。数车主传动改造也应从这几方面考虑。1主轴驱动装置 模拟量控制的主轴驱动装置采用变频器来实现主轴电动机控制，有通用变频量控制通用电动机和专用变频器控制专用变频电动机两种形式。串行数字控制的主轴驱动装置是数控系统生产厂家用来驱动该厂家专用主轴电动机的驱动装置，不同数控系统的主轴驱动装置各异。2主轴伺服电机的选择 （a）功率特性曲线 （b）转矩特性曲线图2-1 主轴电动机特性曲线（FANUC iI3/10000）输出功率是主轴电机负载能力的指标。图2-1所示为主轴电动

6、机特性曲线（FANUC iI3/10000），从图2-1（a）功率特性曲线可见主轴电机的额定功率是指在恒功率区（速度1400到7000rpm）内运行时的输出功率，低于基本速度1400 rpm时达不到额定功率，速度愈低，输出功率就愈小。3主轴位置检测装置 当要求机床有螺纹加工功能、准停功能和恒线速加工等功能时，则需要对主轴进行进给控制和位置控制。此时，主轴电动机装配有编码器或者在主轴上安装外置式的编码器，作为主轴位置检测。如图2-2所示为改造时在主轴末端或挂轮架处增装一光电编码器。图2-2 主轴编码器安装图 此外，刚性攻丝功能必须采用伺服电机来驱动主轴，不仅要求在主轴上增加位置传感器，而且对主轴

7、传动机构的间隙和惯量都有严格的要求，所以不能忽略这个功能的成本。对用户来说，如果没有特殊的要求（例如高速高精度、特种材料或大直径孔加工等），可以采用弹性伸缩卡头，在一般主轴上进行柔性攻丝来满足加工要求，就不必选用刚性攻丝功能。3主轴位置检测装置4传动机构及主轴 主轴驱动变速目前主要有两种形式：一是主轴电动机带齿轮换挡，目的在于降低主轴转速，增大传动比，以适应切削的需要；二是主轴电动机通过同步齿形带或V带驱动主轴，该类主轴电动机又称宽域电动机或强切削电动机，具有恒功率宽的特点。由于无需机械变速，主轴箱内省却了齿轮和离合器，主轴箱实际上成为主轴支架，简化了主传动系统，从而提高了传动链的可靠性。2.

8、1.32.1.3数控机床主轴改造案例数控机床主轴改造案例 为了提高数控车床主传动的控制性能和控制精度，可以将模拟量控制的变频主轴升级改造成数字量控制的串行主轴。从而优化主轴精度和综合性能，提高数控车床零件加工质量。下面将着重介绍两个把模拟变频主轴升级改造成数字伺服主轴的案例。 如图2-3所示为改造前的主轴传动机构及变频驱动。运动是从5kw的交流异步电机经三角皮带传至变速箱，通过齿轮变速使主轴获得高中低3档转速，再由主电机变频调速使主轴转速达到261260r/min。这个转速往往不能满足加工要求。 改造前模拟主轴的控制连接框图见图2-4所示，模拟主轴强电电路图见图2-5所示。【案例一案例一】1

9、. 改造要点原主轴电机1 . 改造要点(a) 主轴传动机构中的变速箱及手柄1 . 改造要点 (b) 主轴上（即C轴）装配的光电编码器1 . 改造要点 (c)变频驱动装置及系统的连接 图2-3 原主轴传动机构及变频驱动1 . 改造要点 改造前模拟主轴的控制连接框图见图2-1所示，模拟主轴强电电路图见图2-5所示。 图2-4 模拟主轴的控制连接框图1 . 改造要点 2- 5 模拟主轴强电电路图1 . 改造要点2系统选型及配置 机床数控单元为FANUC 0i-TD，伺服控制器及主轴电机均选用FANUC公司自己生产的i系列。FANUC的伺服电机具有平滑的旋转特性、优秀的加速能力以及高可靠性，搭配内置编

10、码器可以实现高精度定位与控制。(1) 伺服控制器 i主轴放大器用于驱动i系列主轴电机，其选择取决于所搭配伺服电机的规格。 按驱动电压分为200V（SPM）与400V（SPM-HV），按检测器输入口数为单检测器口（A型）与双检测器口（B型）。所用iSP5.5A型伺服控制总外形图见图2-6，主要性能指标见表2.1。(1) 伺服控制器 (a)伺服的连接 (b)系统的连接图2-6伺服控制总外形图表2.1 主轴放大器主要性能指标伺服型号伺服型号额定输入额定输入电压电压最大输出最大输出电压电压额定输入额定输入功率功率额定输出额定输出电流电流iSP5.5A06B-6141-H006#H580283-339V

11、2406.8KW27A(1) 伺服控制器(2) 主轴电机 主轴电机外形图如图2-7所示，主要性能指标见表2.2所示。 表2.2 主轴电机主要性能指标电 机电 机名称名称额定额定功率功率（KW)最大最大功率功率 （30分钟，分钟，kW）额 定额 定功 率功 率基 本基 本速 度速 度（r/min）额定额定功率功率上限上限速度速度（r/min）最 高最 高转 速转 速(r/min)堵 转堵 转扭 矩扭 矩(Nm)旋 转旋 转惯 量惯 量(kgm )iI3/10 0 0 0 A06B-1405-B1033.75.5 15007000 10000 23.50.0148(2) 主轴电机相相数数电电压压（

12、V）最最大大电电流流（A）接接法法极极数数a m p input功率功率因数因数轴轴承承温温度度防护防护等级等级3154-220234200-230V，50HZ/60HZ68%0-40IP54*iI的I表示INDUCTION（感应）检测器分辨率重量(kg)2048P/r46(2) 主轴电机 图2-7主轴电机外形图3改造方案（1）机械方面 改造过程分为机械与电气两部分。机械方面拆除原电机，制作新的连接件安装好新电机。还需要对主轴轴承加以检查，最好更换为精度等级较高的轴承。 图2-8 电机连接需要购买数字主轴驱动单 元 和 主 轴 电 机 。 数字主轴控制的硬件连接框图见图2-9所示，数字主轴的电

13、气控制连接图见图2-10所示。图2-9 数字主轴控制的硬件连接框图（2）电气改造3改造方案 图2-10 数字主轴的电气控制连接图（2）电气改造 按照新的电路图连接控制电路后，更改系统内的有关参数。系统内的有关参数见图2-11所示。图2-11 系统内的有关参数（3）更改系统内的有关参数（4）更改PMC控制梯图数字主轴的PMC梯图见图2-12所示。串行主轴的速度指令是由NC以数字形式发送给主轴放大器的。S指令主要控制的是主轴的速度，在编制PMC控制梯图时,主轴要想获得速度指令首先要注意以下几个信号：a：主轴急停 *G71.1b：机床准备好 G70.7c：主轴停止 *G29.6e：主轴倍率 G30

14、当以上信号不正确时，主轴是不能获得速度指令的。 NO.3708#0=1 检查主轴速度到达信号。当到达信号为0时，禁伺服轴的进给。PMC控制梯图PMC控制梯图PMC控制梯图 图2-12 数字主轴的PMC梯图至此，一台车床主轴控制部分就改成了串行伺服主轴驱动。 另外，数控单元为FANUC 0i-TD或FANUC 0i-mate TD的机床，也可选用FANUC公司自己生产的i系列伺服控制器及主轴电机，改造过程与上相同，在此不再赘述。图2-13 为采用i系列主轴电机及伺服控制器改造车床后电气柜内部情形。图2-13采用i系列主轴电机及伺服控制器改造车床后电气柜内部情形【案例二】【案例二】1改造要点 CY

15、NC-500P机床（采用西门子802C数控单元）是两坐标（纵向Z、横向X）连续控制卧式数控机床，能自动完成内外圆表面、圆锥面、圆弧面、端面、多种螺纹（公英制螺纹、锥螺纹、端面螺纹）、钻、铰、镗孔等车削加工。外形如图2-14所示。 改造要点：主轴驱动采用时光科技有限公司的11KW伺服控制器驱动11KW电机，取消原设备的变速箱，保留一级皮带传动。原设计是机械变速3档6级/变频调速3档无级，改造后的主轴为伺服主轴，实现无级变速（不必每次机床上电时，必须在MDA方式下用S代码输入确定主轴档位，手动方式下的转速才能以参数设定的数值转动），实现恒线速切削，可以长时间高、低速运行，主轴具有定位功能。 图2-

16、14 CYNC-500P机床外形图2系统选型及配置(1) 伺服控制器 伺服控制总外形图见图2-15所示，主要性能指标见表2.3所示。 图2-15 伺服控制总外形图 表2.3 主要性能指标型号型号IMS-GCT4011S备注备注额定输出容量19KVA额定输出电流24A电源三 相 3 8 0 V 、50HZ/60HZ允许波动:+10%-15%(2) 主轴电机主轴电机外形图如图2-16所示，主要性能指标见表2.4所示。 表2.4 主轴电机主要性能指标型号型号SF11KW功率11KW基频50/60HZ电压380V电流22.6A接法转速1460RPM 图2-16 主轴电机外形图 (3) 码盘： LF-1

17、024-BM-C05D 1024(精度提高需选用2500线)(4) 皮带轮：110mm/245mm 减速比:2.2273(5) 皮带：160042(6) 制动电阻： RXHG-1100W 503改造方案 机床数控单元为西门子802C，主轴驱动为连续直流电压（010V和10V10V可变），精度相当于12位D/A输出。伺服控制按脉冲列和模拟量两种输入方式实施： (1)方案一：脉冲列方式 原理：将NC侧的模拟量输出信号（10V10V）通过F/V转换单元（输出频率0250KHZ）转换为脉冲列信号后经过控制器内部运算，转化为频率进行速度控制。 接线方式：按照控制器单脉冲列方式接线。 试验结果：运行状况比

18、较理想，考虑到此方法需要外接电路，而用模拟量直接连接更加简洁，如果可以达到精度要求，选择模拟量控制为佳。(2)方案二：模拟量方式 原理：将+10V和-10V信号分开，接口板经过改造后，模拟量接口为010V和010V分别对应相应地址，精度由原来的准十位提高到十一位。 接线方式：只需引入模拟量信号和相应I/O信号即可。 试验结果：实现正向62500rpm、反向42500rpm平稳调速，可达到定位、恒线速度加工的要求。分析比较 方案一、二经试验证明均为可行方案：方案二连接简单、控制方便；但由于本控制器A/D精度为11位，如果不能达到客户要求、可选用方案一（需要外加转换模块）。4技术/技术指标比较分析

19、经现场调试，对机床参数的调整，确保了机床动作准确，精度符合要求。数控机床中主轴调速三种传动方案的主要技术指标对比见表1.5。4技术/技术指标比较分析 表1.5 三种主轴调速传动方案的技术性能对比机械变速主轴机械变速主轴变频变速主轴变频变速主轴伺服主轴伺服主轴变速范围三档六速：50、100200、400800、1600三档： 351601406205802500无级： 52500变比：2.2273电机转速730r.p.m 1450r.p.m5072320r.p.m22 5568r.p.m主轴转速对应转距1档：50：934 100：6962档：200：234 400：1743档：800：58 1600：441档：max100：1015 160：6572档：max400：254 620：1693档：max1600：63 2500：425673：156800：1311600：66速度精度低1%0.08%主轴定位无无有定位精度无无0.352度/脉冲变速箱有有无电机功率5/7.5KW11KW11KW电机转距