主轴-数控机床电气控制

1、第5章、数控机床主轴的控制5.1 概述5.2 直、交流主轴电动机及其驱动控制5.3 主轴驱动装置的工作原理5.4 主轴分段无级调速及控制5.5.主轴准停控制 第第5章章n 数控机床的主传动系统包括主轴电动机、传动系统和主轴组件，与普通机床的主传动系统相比，结构比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级变速来承担，省去了繁杂的齿轮变速结构，有些只有二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机的无级调速的范围。5.1概述概述 第第5章章5.1.1对主传动系统的要求对主传动系统的要求 n 1 调速范围 各种不同的机床的调速范围的要求不同。多用途、通用性大的机床要求主轴的调速范围大，不但有低速大

2、转矩，而且还要有较高的速度，如车削加工中心；而对于专用数控机床就不需要较大的调速范围，如数控齿轮加工机床、为汽车工业大批量生产而设计的数控钻镗床；还有些数控机床，不但要求能够加工黑色金属材料，还要加工铝合金等有色金属材料，这就要求变速范围大，且能超高速切削。 第第5章章5.1.1对主传动系统的要求对主传动系统的要求n 2 热变形 电动机、主轴及传动件都是热源。低温升、小的热变形是对主传动系统的要求的重要指标。n 3 主轴的旋转精度和运动精度 主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动条件下测量主轴前端和距离前端300mm处的径向圆跳动和端面圆跳动值。主轴在工作速度旋转时测量上述的两项精度称为

3、运动精度.数控机床要求有高的旋转精度和运动精度. 第第5章章5.1.1对主传动系统的要求对主传动系统的要求 n 4 主轴的静刚度和抗振性 由于数控机床精度较高, 主轴的转速又很高,因此对主轴的静刚度和抗振性要求较高.主轴的轴径尺寸,轴承类型及配置方式,轴承预紧量大小,主轴组件的质量分布是否均匀及主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响.n 5 主轴组件的耐磨性主轴组件必须有足够的耐磨性,使之能够长期保持良好的精度.凡机械摩擦的部件,如轴承,锥孔等都应有足够高的硬度,轴承处还应有良好的润滑.5.1.2主轴变速方式 1.无级变速 数控机床一般采用直流或交流主轴伺服电动机实现主轴无级变速. 交流主轴电动

4、机及交流变频驱动装置(笼型感应交流电动机配置矢量变换变频调速系统)由于没有电刷,不产生火花,所以使用寿命长,且性能已达到直流驱动系统水平,甚至在噪声方面还有所降低,因此目前应用较为广泛. 第第5章章5.1.2主轴变速方式主轴变速方式 主轴传递的功率或转矩与转速之间的关系如图5-1.所示.当机床处在连续运转状态下,主轴的转速在437-3500r/min范围内,主轴传递电动机的传递功率11kw这称为主轴的恒功率区域II(实践)在这个区域内,主轴的最大输出转矩(245N.m)随着主轴转速的增高而变小.主轴转速在35-437r/min范围内,主轴的转出转矩不变称为主轴的恒转矩区域I(实践)在这个区域内

5、主轴所能传递功率随着主轴转速的降低而减小.图中虚线所示为电动机超载(允许超载30min)时恒功率区域和横转矩区域.电动机的超载功率为15KW超载的最大输出转矩为334N.m. 第第5章章5.1.2主轴变速方式主轴变速方式图图5-1. 主轴主轴功率功率转矩转矩特性特性 第第5章章5.1.2主轴变速方式主轴变速方式2、分段无级变速 数控机床在实际生产中，并不需要在整个变速范围内均为恒功率。一般要求在中、高速段为恒功率传动，在低速段为恒转矩传动。为了确保数控机床主轴低速时有较大的转矩和主轴的变速范围尽可能大，有的数控机床在交流或直流电动机无极变速的基本上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速，如图5.-

6、2a、b所示。5.1.2主轴变速方式图图5.-2 数控机床主传动的四种配置方式数控机床主传动的四种配置方式a)齿轮变速齿轮变速 b)带传动带传动c)两个电动机分别驱动两个电动机分别驱动d)内装电动机主轴传动结构内装电动机主轴传动结构 第第5章章5.1.2主轴变速方式主轴变速方式n (1)带有变速齿轮的主传动（见图5-2a） 这是大中型数控机床较常采用的配置方式，通过少数几对齿轮传动，扩大变速范围。由于电动机在额定转速以上的恒功率调速范围为25，当需扩大这个调速范围时常用变速齿轮的办法来扩大调整范围，滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。 第第5章章5.1.2主轴变速方式主

7、轴变速方式n （2）通过带传动的主传动（见图5-2b） 这种传运主要用在转速较高、变速范围不大的机床。电动机本身的调整就能够满足要求，不用齿轮变速，可以避免由齿轮传动时所引起的振动和噪声。它适用于高速低转矩特性的主轴。常用的是同步齿形带。 第第5章章5.1.2主轴变速方式主轴变速方式n （3）用两个电动机分别驱动主轴 这是上述两种方式的混合传动，具有上述两种性能（见图5-2c）。高速时，由一个电动机通过带传动；低速时，由另一个电动机通过齿轮传动，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，这样就使恒功率区增大，扩大了变速范围，避免了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的问题。但两个电动机不能同时工作，

8、也是一种浪费。 第第5章章5.1.2主轴变速方式主轴变速方式3、液压拨叉变速机构n 在带有齿轮传动的主传动系统中，齿轮的换档主要靠液压拨叉来完成。图5-3是三位液压拨叉的原理图。 第第5章章5.1.2主轴变速方式主轴变速方式n 通过改变不同的通油方式可以使三联齿轮块获得三个不同的变速位置。该机构除液压缸和活塞杆外，还增加了套筒4。当液压缸1通入压力油，而液压缸5卸压时（见图5-3a），当活塞杆2便带动拨叉3向左移动到极限位置，此时拨叉带动三联齿轮块移动到左端。当液压缸5通压力油，而液压缸1卸压时（见图5-3b），活塞2和套筒4一起向右移动，在套筒4碰到液压缸5的端部后，活塞杆继续右移到极限位置

9、，此时，三联齿轮块被拨叉3移动到右端。当压力油同时进入液压缸1和5时（见图5-3c），由于活塞杆的两端直径不同，使活塞杆处在中间位置。在设计活塞杆和套筒4的截面直径时，应使套筒4的圆环面上的向右推力大于活塞杆2的向左的推力。液压叉换挡在主轴停车之后才能进行，但停车时拨叉带动齿轮块移动又可能产生“顶齿”现象，因此在这种主运动系统中通常设一台微电动机，它在拨叉移动齿轮块的同时带动各传动齿轮低速回转，使移动齿轮与主动齿轮顺利啮合。 第第5章章5.1.2主轴变速方式主轴变速方式图图5-3三位液三位液压拨叉压拨叉的原理的原理图图 第第5章章5.1.2主轴变速方式主轴变速方式4、电磁离合器变速n 电磁离合

10、器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操纵元件。电磁离合器用于数控机床的主传动时，能简化变速机构，通过若干个安装在各传动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。n 如图5-4所示为THK6380型自动换刀数控铣镗床的主传动系统图，该机床采用双速电机和六个电磁离合器完成18级变速。 第第5章章5.1.2主轴变速方式主轴变速方式图图5-4THK6380型自动换刀数控铣镗床的主传动系统图型自动换刀数控铣镗床的主传动系统图 第第5章章5.1.2主轴变速方式主轴变速方式图图5-5无集电环摩擦片

11、式无集电环摩擦片式电磁离合器电磁离合器1-传动齿轮传动齿轮 2联结件联结件 3套筒套筒 4外摩擦片外摩擦片 5内摩擦片内摩擦片 6挡环挡环 7滚动轴承滚动轴承8绕组绕组 9-铁心铁心 10衔衔铁铁 11螺钉螺钉 第第5章章5.1.2主轴变速方式主轴变速方式n图5-5是数控铣镗床主轴箱中使用的无滑环摩擦片式电磁离合器。传动齿轮1通过螺钉固定在联接件2的端面上，根据不同的传动结构，运动既可从齿轮1输入，也可以从套筒3输入。连接件2的外周开有六条直槽，并与外摩擦片段上的六个花键齿相配，这样就把齿轮1的转动直接传递给外摩擦片段。套筒3的内孔和外圆都有花键，而且和挡环6用螺钉11连成一体。内摩擦片5通过

12、内孔花键套装在套筒3上，并一起转动。当线圈8通电时，衔铁10被吸引右移，把内摩擦片刻和外摩擦片段压紧在挡环6上，通过摩擦力矩把齿轮1与套筒3结合在一起。无滑环电磁离合器的线圈8和铁心9是不转动的，在铁心9的右侧均匀分布着六条键槽，用斜键将铁心固定在变速箱的壁上。当线圈8断电时，外摩擦片4的弹性爪使衔铁10迅速恢复到原来位置，内、外摩擦片互相分离，运动被切断。这种离合器的优点在于省去了电刷，避免了磨损和接触不良带来的故障，因此比较适合于高速运转的主运动系统。由于采用摩擦牌来传递转矩，所以允许不停车变速。但也带来了另外的缺点，这就是变速时将产生大量的摩擦热，还由于线圈和铁心是静止不动的，这就必须在

13、旋转的套筒上装滚动轴承7，因而增加了离合器的径向尺寸。此外，这种摩擦离合器的磁力线通过钢质的摩擦片，在线圈断电之后会有剩磁，所以增加了离合器的分离时间。 第第5章章5.1.2主轴变速方式主轴变速方式图图5-6啮合式电磁离啮合式电磁离合器合器1线圈线圈 2-衔铁衔铁 3螺钉螺钉 4弹簧弹簧 5-定位定位环环 6隔离环隔离环 7-连接连接螺钉螺钉 8-旋转集电环旋转集电环9磁轭磁轭 第第5章章5.1.2主轴变速方式主轴变速方式n 图5-6为啮合式电磁离合器，它是在摩擦面上做了一定齿形，来提高传递的扭力。n 线圈1通电，带有端面齿的衔铁2又通过渐开线花键来定位环5相联，再通过螺钉7与传动件相联。磁轭

14、内孔的花键送给另一个轴，这样，就使与螺钉相联的轴与另一轴同时旋转。隔离环6是防止传动轴分离一部分磁力线，进而削弱电磁吸引力。衔铁采用渐开线花键与定位环5相联是为了保证同轴度。n 这种离合器必须在低于12r/min的转速下变速 第第5章章5.1.2主轴变速方式主轴变速方式n与其他型式的电磁离合器相比，啮合式电磁离合器能够传递更大的转矩，因而相应地减小了离合器的径向和轴向尺寸，使主轴箱的结构更为紧凑。啮合过程无滑动是它的另一个优点，这样不但使摩擦热减少，有助于改善数控机床主轴箱的热变形，而且还可以在有严格要求的传动比的传动链中使用。但这种离合器带有旋转集电环8，电刷与滑环之间有摩擦，影响了变速的可

15、靠性，而且还应避免在很高的转速下工作。另一方面，离合器必须在低于12r/min的转速下变速，这将给自动变速带来不便。根据上述特点，啮合式电磁离合器较适宜于在要求温升小和结构紧凑的数控机床上使用。 第第5章章5.1.2主轴变速方式主轴变速方式5、内装电动机主轴变速n 图5.1-26内装电动机主轴n 这种主传动是电动机直接带动主轴旋转，如图5.1-2d所示，因而大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴的精度影响较大。n 近年来，出现了一种新式的内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体。其优点是主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止

16、的响应特性，并利于控制振动和噪声。缺点是电动机运转产生的热量易使主轴产生热变形。因此，温度控制和冷却是使用内装电动机主轴的关键问题。 第第5章章5.1.2主轴变速方式主轴变速方式图图5-7 日本研制的立式加工中心主轴组件日本研制的立式加工中心主轴组件n如图5-7所示为日本研制的立式加工中心主轴组件，其内装电动机主轴最高转速可达20000r/min。 第第5章章5.1.3高速主轴的设计高速主轴的设计n 自20世纪80年代以来，数控机床、加工中心主轴向高速化发展。高速主轴的发展是以航空工业、家电、汽车等工业追求机械零件的轻量化而普遍采用铝合金零件后，提出的轻铝合金高速加工的课题而产生的。对于钢铁等

17、黑色金属的加工，由于刀具寿命的限制，目前的最高主轴转速在10000r/min已经足够充裕，而铝合金的切削性能就不同，根据日本隈铁工所做的铝合金切削试验，速度提高，表面粗糙Ra值降低。表5-1是铝合金在切削实验中切削速度和表面粗糙度的关系 。 第第5章章5.1.3高速主轴的设计高速主轴的设计转速/rmin-1 进给量/mmmin-1切削速度/mmin-1 Ra/m 10000 10007850.5620000200015700.4630000300023560.3240000400031420.32表表5-1铝合金在切削实验中切削速度和表面粗糙度的关系铝合金在切削实验中切削速度和表面粗糙度的关系

18、 第第5章章5.1.3高速主轴的设计高速主轴的设计主轴高速化首先要解决的技术问题有三方面：1.高速电动机的控制技术是一项新技术。2.高速轴承的开发 高速时选用陶瓷轴承的方案已在加工中心机床上采用，其轴承的滚动体是用陶瓷材料制成，而内、外圈仍用轴承钢制造。陶瓷材料为Si3N4，其优点是重量轻，为轴承钢的40%；热膨胀率低，是轴承钢的25%；弹性模量大，是轴承的1.5倍。采用陶瓷流动体，可大大减小离心力和惯性滑移，有利于提高主轴转速。目前的问题是陶瓷价格昂贵，且有关寿命、可靠性试验数据尚不充分，需进一步试验和完善。 第第5章章5.1.3高速主轴的设计高速主轴的设计3.冷却润滑技术的研究 过去，加工

19、中心机床主轴轴承大部采用油脂润滑方式，为了适应主轴转速向更高速化发展的需要，新的冷却润滑方式相继开发出来，见表5-2。时间/年 转速/r润滑方式 备 注 19805000 油脂 1984 7000 油气 1986 10000 油脂 15000 油气 陶瓷轴承（滚动体） 1988 20000 喷注 陶瓷轴承（滚动体） 1990 2500030000 喷注 全陶瓷轴承 第第5章章5.1.3高速主轴的设计高速主轴的设计n （1）油气润滑方式 这种润滑方式不同于油雾方式，油气润滑是用压缩空气把小油滴送进轴承空隙中，油量大小可达最佳值，压缩空气有散热作用，润滑油可回收，不污染周围空气。图5-8是油气润滑

20、原理图。 图图5-8 油气润滑油气润滑 第第5章章5.1.3高速主轴的设计高速主轴的设计n根据轴承供油量的要求，定时器的循环时间可从199min定时，二位二通气阀每定时开通一次，压缩空气进入注油器，把少量油带入混合室，经节流阀的压缩空气，经混合室，把油带进塑料管道内，油液沿管道壁被风吹进轴承内，此时，油成小油滴状 图图5-9 喷注润滑系统喷注润滑系统 第第5章章5.1.3高速主轴的设计高速主轴的设计n（2）喷注润滑方式 这是最近开始采用的新型润滑方式，其原理如图5-9所示。它用较大流量的恒温油（每个轴承34L/min）喷注到主轴轴承，以达到冷却润滑的目的。回油则不是自然回流，而是用两台排油液压

21、泵强制排油。n（3）突入滚道式润滑方式 内径为100mm轴承以2000r/min速度旋转时，线速度为100m/s以上，轴承周转的空气也伴随流动，流速可达50m/s。要使润滑油突破这层旋转气流很不容易，采用突入滚道式润滑方式则可以可靠地将油送入轴承滚道处。n（4）电动机内装式主轴 电动机转子装在主轴上，主轴就是电动机轴，多用在小型加工中心机床上。这也是近来高速加工中心主轴发展的一种趋势。如图5-10所示为结构示意图以及冷却油流经路线。 第第5章章5.1.3高速主轴的设计高速主轴的设计图图5-10电动机内装式主轴电动机内装式主轴 第第5章章5.2 直、交流主轴电动机及其驱动控制直、交流主轴电动机及

22、其驱动控制n 机床主轴驱动和进给有很大差别，对直流主轴伺服电动机要求有很宽的调速范围和提供大的转矩和功率。 第第5章章5.2.1主轴直流电动机主轴直流电动机n 主轴驱动采用直流主轴电动机时在结构上与永磁式直流进给伺服电动机不同。由于要求有较大的功率输出，所以在结构上不做成永磁式，而与普通直流电动机相同，其主磁极是采用铁心加励磁绕组，如图5-11 第第5章章5.2.1主轴直流电动机主轴直流电动机1直流主轴电动机的结构 直流主轴电动机由图中可看出结构仍由转子及定子组成，不过定子由主磁极与换向极构成，有时还要带有补偿绕组。为了改善换向性能在电动机结构上均有换向极；为缩小体积，改善冷却效果，避免电动机

23、热量传到主轴上，均采取轴向强迫通风冷却或热管冷却；为适应主轴调速范围宽的要求，一般主轴电动机都能在调速比1：100的范围内实现无级调速，而且在基本速度以上达到恒功率输出，在基本速度以下为恒转矩输出，以适应重负荷的要求。电动机的主极和换向极都采用矽钢片叠成，以便在负荷变化或在加速、减速时有良好的换向性能。电动机外壳结构为密封式，以适应恶劣的机加工车间的环境。在电动机的尾部一般都同轴安装有测速发电机作为速度反馈元件 . 第第5章章5.2.1主轴直流电动机主轴直流电动机图图5-11 直流主轴电动机结构示意图直流主轴电动机结构示意图 第第5章章5.2.1主轴直流电动机主轴直流电动机2.直流主轴电动机的

24、工作原理和特性 直流主轴电动机虽然结构上有了很大的变化，但其工作原理和永磁式直流电动机相似，也是建立在电磁力定律基础上的，由励磁绕组和磁极产生磁场，通电导体（电枢绕组）与磁场相互作用产生电磁力和电磁转矩，从而驱动转子作旋转运动。 直流主轴伺服电动机的性能主要表现在转矩速度特性曲线上，如图5-12所示。图中1为转矩特性曲线，2为功率特性曲线。由图可知，在基本转速nj以下属于恒转矩（T）调速范围，采用改变电枢电压的方法实现调速；在基本转速nj以上属于恒功率（P）调速范围，采用控制励磁电流的方法实现调速。一般来说恒转矩和恒功率速度范围之比为1：2。（图（图5-12） 直流主轴电动机特性曲线直流主轴电

25、动机特性曲线 第第5章章5.2.2、直流主轴驱动控制系统、直流主轴驱动控制系统n数控机床常用的直流主轴驱动系统的原理框图如图5-13所示。（图（图5-13） 直流主轴驱动系统原理图直流主轴驱动系统原理图 第第5章章5.2.2、直流主轴驱动控制系统、直流主轴驱动控制系统1调磁调速回路n 图5-13的上半部分为励磁控制回路，由于主轴电动机功率通常较大，且要求恒功率调速范围尽可能大，因此，一般采用他励电动机，励磁绕组与电枢绕组相互独立，并由单独的可调直流电源供电。n 图中，励磁控制回路的电流给定、电枢电压反馈、励磁电流反馈三组信号经比较之后输入至比例一积分调节器，调节器的输出经过电压/相位转换器，控

26、制晶闸管触发脉冲的相位，调节励磁绕组的电流大小，实现电动机的恒功率弱磁调速。 第第5章章5.2.2、直流主轴驱动控制系统、直流主轴驱动控制系统 2调压调速回路 图5-13中的下部分为调压调速回路，类似于直流进给伺服系统，它也是由速度环和电流环构成的双闭环速度控制系统，通过控制直流主轴电动机的电枢电压实现变速，该系统具有如下特点：n(1)速度指令电压和速度反馈电压在经过“阻容滤波”之后，进入比较器进行比较放大，从而得到速度误差信号。n(2)为了获得满意的静态和动态的调速特性，合理地解决速度调节系统的稳定性与精度之间的矛盾，速度调节器通常采用PI调节器。速度误差信号经过比例一积分环节（PI调节器）

27、，产生电流给定信号，输出到电流调节器，作为电流给定。n(3)速度调节器输出的电流给定值与电流反馈值一起输入电流调节器。为了加快电流环的响应速度，缩短系统起动过程，并减少低速轻载时由于电流断续对系统稳定性的影响，提高系统的稳定性，电流调节器通常使用比例调节器。 第第5章章5.2.2、直流主轴驱动控制系统、直流主轴驱动控制系统n(4)电流调节器的输出信号经过由同步电路、移相控制电路组成的移相触发环节，控制晶闸管整流桥的导通角，达到调速目的。 总之，具有速度外环、电流内环的双环调速系统具有良好的静态和动态指标 ，它可最大限度地利用电动机的过载能力，使过渡过程最短。 3主回路电路n数控机床主轴要求正、

28、反转，且切削功率应尽可能大，并希望能迅速停止和改变转向，其驱动装置往往采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统，如图5-14所示。n由图可知，主回路有12只晶闸管组成 ，它们分成V1、V2，如图5-14（b）所示，每组按三相桥式连接形成变流桥，两组变流桥反极性并联（即反并联），由一个交流电源供电，分别实现电动机的正转和反转的控制（即可逆驱动），其中V1为正组晶闸管，V2为反组晶闸管。为保证在任何时间内只允许一组桥路工作，另一组桥路阻断，采用逻辑控制电路（它包括方向控制、逻辑判断、及输出切换等环节）。 第第5章章5.2.2、直流主轴驱动控制系统、直流主轴驱动控制系统（图（图5-14） 可逆调速系

29、统的主回路可逆调速系统的主回路 第第5章章5.2.3 交流主轴电动机及其调速控制交流主轴电动机及其调速控制n 交流主轴电动机是一种具有笼式转子的三相感应电动机，它具有转子结构简单、坚固、价格便宜、过载能力强、使用维护方便等特点。随着电子技术的发展，特别是计算机控制技术的发展，交流主轴电动机的调速性能得到了极大改善，正越来越多地被数控机床应用。 第第5章章5.2.3 交流主轴电动机及其调速控制交流主轴电动机及其调速控制1、交流主轴伺服电动机 三相异步交流伺服电动机有笼型和线绕型之分，笼式转子被认为是所能采用的最简单、最牢固的机械结构，能传递很大的转矩，承受很高的转速，得到广泛的应用。（1）交流主

30、轴伺服电动机的结构 图5-15所示为西门子1PH5系统交流主轴电动机外形，同轴连接的ROD323光电编码器用于测速和矢量变频控制。 第第5章章5.2.3 交流主轴电动机及其调速控制交流主轴电动机及其调速控制n交流主轴电动机的总体结构由定子和转子组成。它的内部结构和普通交流异步电动机相似，定子上有固定的三相绕组，转子铁心上开有许多槽，每个槽内装有一根导线，所有导体两端短接在端环上，如果去掉铁心，转子绕组的形状像一个鼠笼，所以称为笼型转子。图图5-15 交流主轴交流主轴电动机外电动机外形图形图 第第5章章5.2.3 交流主轴电动机及其调速控制交流主轴电动机及其调速控制（2）工作原理n 异步交流伺服

31、电动机的工作原理和普通交流异步电动机基本相似。定子绕组通入三相交流电后，在电动机气隙中产生一个励磁的旋转磁场，当旋转磁场的同步转速与转子转速有差异时，转子的导体切割磁感线产生感应电流，与励磁磁场相互作用，从而产生转矩。由此可以看出，在异步伺服电动机中，只要转子转速小于同步转速，转子就会受到电磁转矩的作用而转动。若异步伺服电动机的磁极对数为p，转差率为s，定子绕组供电频率为f，则转子的转速。 异步电动机的供电频率发生变化时，转子的转速也将发生变化。 第第5章章5.2.3 交流主轴电动机及其调速控制交流主轴电动机及其调速控制（3）三相交流主轴伺服电动机的特性n和直流主轴电动机一样，交流主轴电动机也

32、是由功率速度关系曲线来反映它的性能，其特性曲线可见图5-16所示。从图中曲线可见，交流主轴电动机的特性曲线与直流主轴电动机类似：在基本速度以下为恒转矩区域，而在基本速度以上为恒功率区域。但有些电动机，如图中所示那样，当电动机速度超过某一定值之后，其功率速度曲线又往下倾斜，不能保持恒功率。对于一般主轴电动机，这个恒功率的速度范围只有1：3的速度比。另外，交流主轴电动机也有一定的过载能力，一般为额定值的1.21.5倍,过载时间则从几分钟到半个小时不等。（图5-16） 交流主轴电动机的特性曲线图 第第5章章5.2.3 交流主轴电动机及其调速控制交流主轴电动机及其调速控制2、交流主轴驱动系统交流主轴驱

33、动系统的原理如图5-17所示。其工作过程如下：图图5-17 交流主轴驱动系统的原理框图交流主轴驱动系统的原理框图 第第5章章5.2.3 交流主轴电动机及其调速控制交流主轴电动机及其调速控制n由CNC来的转速给定指令1在比较器中与测速反馈信号2比较后产生转速误差信号，这一转速误差经比例积分调节器3放大后，作为转矩给定指令电压输出。n转矩给定指令经绝对值回路4将转矩给定指令电压转化为单极性信号。然后经函数发生器6、V/F转换器7，转换为转矩给定脉冲信号。n转矩给定脉冲信号在微处理器8中与四倍频回路17输出的速度反馈脉冲进行运算。同时，预先存储在微处理器ROM中的信息给出幅值和相位信号，分别送到DA

34、振幅器10和DA强励磁9。nDA振幅器用于产生与转矩指令相对应的电动机定子电流的幅值，而DA励磁强化回路用于控制增加定子电流的幅值。两者输出经乘法器11处理后，形成定子电流的幅值给定。 第第5章章5.2.3 交流主轴电动机及其调速控制交流主轴电动机及其调速控制n另一方面，从微处理器输出的U、V相位信号sin和sin（-1200）分别送到U相和V相的电流指令回路12，并在电流指令回路中与幅值给定相乘后产生U相和V相的电流给定指令。n电流给定指令与电流反馈信号比较之后的误差，经放大送到PWM控制回路14，变成固定频率的脉宽调制信号，其中，W相信号由IU、IV两信号合成产生。n上述脉宽调制信号经PW

35、M转换器15，最终控制电动机的三相电流。n作为检测器件的脉冲编码器产生每转固定的脉冲。这一脉冲经四倍频回路17进行倍频后，经F/V转换器19转换为电压信号，提供速度反馈电压。n由于低速时，F/V转换器的线性度较差，速度反馈信号一般还需要在微分电路18和同步整流电路20中作相应的处理。 第第5章章5.3 主轴驱动装置的工作原理主轴驱动装置的工作原理5.3.1主轴驱动装置的特点n 为满足数控机床对主轴驱动的要求，主轴电动机必须具备下述功能：（1）输出功率大；（2）在整个调速范围内速度稳定，且恒功率范围宽；（3）在断续负载下电动机转速波动小，过载能力强；（4）加、减速时间短；（5）电动机温升低；（6

36、）振动、噪声小；（7）电动机可靠性高、寿命长、易维护；（8）体积小、重量轻。 第第5章章5.3.1主轴驱动装置的特点主轴驱动装置的特点1、直流主轴驱动装置n直流主轴电动机的结构与永磁式直流伺服电动机不同，主轴电动机要输出较大的功率，所以一般采取他激式。为缩小体积，改善冷却效果，以免电动机过热，常采用轴向强迫风冷或热管冷却技术。n直流驱动装置有可控硅和脉宽调制PWM调速两种形式。由于脉宽调制PWM调速具有很好的调速性能，因而在对静动态性能要求较高的数控机床进给驱动装置上广泛使用。而三相全控可控硅调速装置则适于大功率应用场合，因而常用于直流主轴驱动装置。 第第5章章5.3.1主轴驱动装置的特点主轴

37、驱动装置的特点2、交流主轴驱动装置n由于直流电动机有机械换向的弱点，其应用受以很多限制。换向器表面线速度及换向电流、电压均受到限制，增加了电动机制造的难度、成本以及调速控制系统的复杂性，限制了其转速和功率的提高，并且它的恒功率调速范围也较小。换向器必须定期停机检查和维修，使用和维护都比较麻烦。进入20世纪80年代后，微电子技术、交流调速理论、现代控制理论等有了很大发展，同时新型大功率半导体器件、大功率晶体管GTR、绝缘栅双极晶体管IGBT不断成熟，为交流驱动进入实用阶段创造了必要的条件。现在绝大多数数控机床均采用鼠笼式交流电动机配置矢量变换控制变频调速主轴系统。这是因为一方面鼠笼式交流电动机克

38、服了直流电动机机械换向的弱点以及在高速、大功率方面受到的限制，另一方面配置矢量变换控制的变频交流驱动的性能已达到直流驱动的水平。另外，交流电动机体积小、重量轻，采用全封闭罩壳，防灰尘和油污性能较好，因而交流电动机彻底取代直流电动机已是必然趋势。 第第5章章5.3.2 交流主轴电动机交流主轴电动机n目前交流主轴驱动中均采用鼠笼式感应电动机。鼠笼式感应电动机由固定的、有三相绕组的定子和可以旋转的、有笼条的转子构成。定子的三相对称绕组通入三相交流后，有电动机气隙中产生旋转磁场，这一点与同步电动机相同。鼠笼式感应电动机转子的结构比较特殊，在转子铁心上开有许多槽，每个槽内装有一根导体，所有导体两端短接在

39、端环上。如果去掉铁心，转子绕组的形状像一个笼型，所以叫做笼型转子，其结构如图5-17所示。图图 517 笼形转子的机构笼形转子的机构 第第5章章5.3.2 交流主轴电动机交流主轴电动机n图5-18所示为一个简单的实验装置，磁极N，S表示定子旋转磁场，把一个能够自由转动的笼型转子放在可用手柄转动的两极永久磁铁中间，转动手柄使永久磁铁旋转，笼型转子也将跟着转动，且转子的转速总比磁铁慢。当磁极改变旋转方向时，笼型转子也跟着改变方向。图图 518鼠笼型感应电动机的工作原理鼠笼型感应电动机的工作原理 第第5章章5.3.2 交流主轴电动机交流主轴电动机n图5-19所示为笼型转子产生电磁转矩的原理。永久磁铁

40、沿顺时针方向以ns旋转，其磁力线也顺时针切割转子笼条，而相对于磁场，转子笼条逆时针切割磁力线，转子中产生感应电动势。根据右手定则，N极下导体的感应电动势方向从纸面出来，而S极下导体的感应电动势方向垂直进入纸面。由于笼型转子的导体均通过短路环连接起来，因此在感应电动势的作用下，转子导体中有电流流过，电流方向与感应电动势方向相同。再根据通电导体在磁场中的受力原理，转子导体要与磁场相互作用产生电磁力，电磁力作用于转子，产生电磁转矩。根据左手定则，转乱方向与磁铁转动方向一致，转子便在电磁转矩的作用下转动起来。 第第5章章5.3.2 交流主轴电动机交流主轴电动机n因为电动机轴上总带有机械负载，即使空载时

41、也存在摩擦、风阻等。为了克服负载阻力，转子绕组中必须有一定大小的电流，以产生足够的电磁转矩。而转子绕组中的电流是由旋转磁场切割转子产生的，要产生一定的电流，转子转速必须低于磁场转速。因为如果两者转速相同，则不存在相对运动，转子导体将不切割磁力线，感应电动势、电流以及电磁转矩也就不会产生。这一点与同步电动机有本质差别。而转子转速比旋转磁场低多少主要由机械负载决定，负载大则需要较大的导体电流，转子导体相对旋转磁场就必须有较大的相对速度。n因为这种电动机的转子总要滞后于定子旋转磁声场，所以称其为异步电动机。又因为电动机转子中本来没有电流，转子导体的电流是切割定子旋转磁场时感应产生的，因此异步电动机也

42、叫做感应电动机。鼠笼式感应电动机具有结构简单，价格便宜、运行可靠、维护方便等许多优点。 第第5章章5.3.2 交流主轴电动机交流主轴电动机笼型转子电磁转矩的产生笼型转子电磁转矩的产生 第第5章章5.3.3交流主轴驱动装置交流主轴驱动装置n过去交流调速的性能无法与直流调速相比，因而大大限制了它在数控机床中的作用。矢量交换控制（transvector control）是1971年由德国Felix Blaschke等人提出的，是对交流电动机调速控制的理想方法。矢量控制法是应用使交流电动机变频调速后的机械特性和动态性能足以与直流电动机相媲美。n直流电动机的励磁电路磁场和电枢电流Ia是互相独立的，电磁转

43、矩（M=CMIa）与磁场和电枢电流Ia成正比，而异步电动机的励磁电流和负载电流彼此互相关联。n直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间互相垂直，而异步电动机的主磁场与转子电流磁场间的夹角，与转子回路的功率因数有关。n直流电动机通过独立调节主磁场和电枢磁场之一进行调速，异步电动机则不能。因此，如果在交流电动机中，也能对负载电流和励磁电流分别进行控制，并使它们的磁场在空间上垂直，则交流电动机的调速性能就可以和直流电动机相比。 第第5章章5.3.3交流主轴驱动装置交流主轴驱动装置1、三相（、）/二相（，）等效变换n等效变换的准则是，使变换前后有同样的旋转磁动势，即必须产生同样的旋转磁场。这种变换是将三相交

44、流电动机变为等效的二相交流电动机。图5-19a，为三相交流电动机中彼此相隔120 空间角度的3个定子绕组，分别通以时间相差120 电角度的三相平衡交流电流u，v和w，于是在定子上产生了以同步角速度o旋转的磁场矢量。如果在空间相差90 的两相绕组，（图5-19b）时间相差90 的电流，则可产生与三相，绕组的旋转磁场完全一致的空间旋转磁场。由图5-20可知其磁通势为：n矢量变换控制的基本思路就是用等效概念，通过复杂的坐标交换，将三相交流输入电流变为等效的、彼此独立的励磁电流f和电枢是流a，从而使交流电动机能像直流电动机一样，通过对等效电枢绕组电流和励磁绕组电流的反馈控制，达到控制转矩和励磁磁通的目

45、的。最后，通过相反的变换，将等效的直流量再还原为三相交流量，控制实际的三相感应电动机。采用这种控制方法，交流电动机的数学模型与直流电动机极其相似，使交流电动机能得到与直流电动机同样的调速性能。 第第5章章5.3.3交流主轴驱动装置交流主轴驱动装置5-19 三相和二相等效变换三相和二相等效变换对应的电流为UVWUVW11=-cos60 -cos60 =-22FF FFFFFVWVW33sin60 -sin60 =-22FFFFFUVWVW11-2233=22iiiiiii 第第5章章5.3.3交流主轴驱动装置交流主轴驱动装置5-20 三相和二相磁动势变换三相和二相磁动势变换 第第5章章5.3.3

46、交流主轴驱动装置交流主轴驱动装置2、矢量旋转变换（V/R） 将三相电动机转化为二相电动机后，还需要将二相交流电动机变换为等效的直流电动机，如图5-21。在直流电动机中，如果电枢反应得到完全补偿，励磁磁通势与电枢磁通势正交。在图5-21，设d为励磁绕组，通过励磁电流d，为电枢绕组，通过电枢电流q，产生的等效合成磁通势为，以同步角速度o旋转，这样就可看成直流电动机。将二相交流电动机转化为直流电动机的变换，实质上就是矢量与标量的转换，是静止直角坐标系与旋转直角坐标系间的转换，转化条件是保证合成磁通势不变。图5-21b，、的合成矢量为l，将l在合成磁通势的水平方向及垂直方向投影，可得d,q。转换公式为

47、d =cos+sinq = -sin+cos 而直角坐标系与极坐标系的变换（K/P）公式为221dqqd+tan =iiiii 第第5章章5.3.3交流主轴驱动装置交流主轴驱动装置5-21二相交流电动机和直流电动机的等效变换二相交流电动机和直流电动机的等效变换 第第5章章5.3.3交流主轴驱动装置交流主轴驱动装置n 矢量变换控制的原理如图5-22示，图中带“*”号的标记表示控制值，不带”*”号标记的量表示实际测量值。该原理图类似于直流电动机的双环调速系统，ST为速度调节器，它输出相当于直流电动机电枢电流的q* 信号，T为磁通调节器，输出d* 信号。这2个信号经坐标变换器k/p合成为定子电流幅值

48、给定信号 和相角给定信号，控制变频器逆变器各相的导通。而实际检测的三相电流经3/2相变换器和矢量旋转变换器V/R后得到等效电流 ，再经坐标变换器得到定子电流幅值的反馈信号转差速度与实际转速 相加后，可得到同步速度。为了控制气隙磁通，理论上讲可以在电动机轴上安装磁通传感器直接检测气隙磁通，但这种方法不易实现，且在检测信号中干扰信号较大，因此一般都使用间接磁通控制。 第第5章章5.3.3交流主轴驱动装置交流主轴驱动装置 5-22矢量变换控制原理矢量变换控制原理 第第5章章5.3.4 交流主轴驱动特性曲线 n 典型的交流主轴驱动的工作特性曲线如图5-23示.由于矢量变换控制的交流驱动具有与直流驱动相

49、似的数学模型，下面以直流驱动的数学模型进行分析。由工作特性曲线可见，基速n0以左属于恒转矩调速，通过改变电枢电压的方法实现，其调速基本公式为 n= =Kifn最大转矩的计算公式为Mmax=CmImax5-23流主轴驱动的工作特性曲线流主轴驱动的工作特性曲线 第第5章章5.3.4 交流主轴驱动特性曲线n 基数n0以左的励磁电流If不变，通过改变电枢电压调速，其输出的最大转矩Mmax取决于电枢电流的最大值Imax。主轴电动机的最大电流是恒定的，因此所能输出的最大转矩也是恒定的，因此基速n0以右采用弱磁升速的方法调速，即采用调节励磁电流If的方法。它输出的最大功率为Pmax=Mmaxnn 在弱磁升速

50、中，If减小K倍，相应的转数即增加K倍，电动机所输出最大转矩则因为磁通的减小而减小K倍，因此所能输出的最大功率不变，因此称为恒功率调速。n 图5-24 为某交流主轴驱动装置的特性曲线，其功率为5.55.7kW。通常主轴驱动装置的过载能力较强，可以30min内过载30%左右运行。 第第5章章5.3.4 交流主轴驱动特性曲线5-24主轴驱动的特性曲线主轴驱动的特性曲线(a)转速转速功率曲线功率曲线 （b）转速）转速转矩曲线转矩曲线 第第5章章5.4 主轴分段无级调速及控制5.4.1 概述n 数控装置可通过三种方式控制主轴驱动.一种是通过主轴模拟电压输出接口,输出零到正负10V模拟电压至主轴驱动装置

51、,电压的正负控制电机转向,电压的大小控制电机的转速.另一种是输出单级性010V模拟电压至主轴驱动装置,通过正转与反转开关量信号指定正反转.第三种是选择数控装置输出的12位二进制代码或2位BCD码(3位BCD码)开关量信号至主轴驱动,控制主轴的转速.n 不论采用哪一种方法,均可实现主轴电动机的无级调速.采用无级调速主轴机构,主轴箱虽然得到大大的简化,但其低速段输出转矩常无法满足机床强力切削的要求.如单纯追求无级变速,势必要正大主轴电动机的功率,从而使主轴电动机与驱动装置的体积,重量及成本增加. 第第5章章5.4.15.4.1 概述概述图图5-25二挡齿轮变速的二挡齿轮变速的M（n）、）、(n)

52、曲线曲线因此数控机床常采用14挡齿轮变速与无级调速相结合的方式,即分段无级变速方式.图5-25采用齿轮变速与不采用齿轮变速主轴的输出特性.采用齿轮变速虽然低速的输出转矩增大,但降低了最高主轴转速.因此通常用数控系统控制齿轮自动变挡,同时满足低速转矩和最高轴转速的要求.一般数控系统均提供24挡变速功能,而数控机床使用2挡即可满足要求. 第第5章章5.4.2自动变挡控制自动变挡控制n数控系统可使用M41M44代码进行齿轮的自动变挡.首先需要在数控系统参数区设置M41M44 4挡对应的最高主轴转速,这样数控系统根据当前S指令值判断挡位,并自动输出相应的M41M44的指令至可编程控制器(PLC),控制

53、更换响应的齿轮挡,然后数控装置输出响应的模拟电压,如图-26示.例如M41对应的最高主轴转速为1000r/min,M42对应的最高主轴转速为3500r/min,主轴电动机的最高转速为3500r/min.当S指令在01000r/min单位内时,M41对应的齿轮啮合;当S指令在10003500r/min范围内时,M42对应齿轮啮合.M42对应的齿轮传动比为1:1,M41对应的传动比为1:3.5,此时主轴输出的最大转矩为主轴电动机最大输出的最大转矩的3.5倍.不同机床主轴变挡所用的方式不同,控制具体实现可由可编程控制器完成.目前常采用液压拨叉或电磁离合器带动不同齿轮的啮合n对变速时出现的顶齿现象,现

54、代数控系统均采用由数控系统控制主轴电动机低速转动或振动的方法,实现齿轮的顺利啮合.而变挡时主轴电动机低速转动或振动的速度可在数控系统参数区中设定. 第第5章章5.4.2 自动变挡控制自动变挡控制 某系统自动变挡动作的时序图 第第5章章5.4.2 自动变挡控制自动变挡控制n1 当数控系统读到有挡变化的S指令时,输出响应的M代码(M41M44),代码由BCD码输出或由而进制输出(由数控系统的参数确定),输出信号送至可编程控制器.n2 50ms后,CNC发出M选通信号M strobe,指示可编程控制器读取并执行M代码,选通信号持续100ms。保证50ms后读取是为了使M代码稳定，保证读取得数据正确。

55、n3 可编程控制器接受到M strobe信号后，立即使M完成信号无效，通知数控系统M代码正在执行。n4 可编程控制器开始对M代码进行译码，并执行相应的变挡控制逻辑。n5 M代码输出200ms后，数控系统根据参数设置输出一定的主轴蠕动量，使主轴慢速转动或振动，以解决齿轮顶齿问题。n6 可编程控制器完成变速后，置M完成信号有效，通知数控系统变挡工作已经完成。n7 数控系统根据参数设置的每挡主轴最高转速，自动输出新的模拟电压使主轴转速为给定的S值 第第5章章5.4.3自动变挡的实现自动变挡的实现n 现代数控机床采用“主轴电动机2挡变速齿轮传递主轴”结构。数控机床的变速齿轮箱比传统机床的主轴箱简单的多

56、。变挡控制常采用液压拔叉和电磁离合器两种方法。 第第5章章5.4.3自动变挡的实现自动变挡的实现1 液压拔叉变速n液压拔叉是一种用一只或几只液压缸带动齿轮移动的变速机构，最简单的采用二位液压缸实现双联齿轮变速。对于三联或三联以上的齿轮变速，则需使用差动液压缸。图5-28三位液压拔叉的原理图，它由液压缸1和5，活塞杆2，拔叉3和套筒4组成，通过电磁伐改变不同的通油方式，可获得拔叉的3个位置。（1）当液压缸1通入压力油而液压缸5卸压时，活塞杆2带动拔叉3相左移至极限位置。（2）当液压缸5通入压力油而液压缸1卸压时，活塞杆2和套筒4一起移至右极限位置。（3）但左右缸同时通入压力油时，由于活塞杆2两端

57、直径不同，使其相左移动。又由于套筒4和活塞杆2截面住直径不同，使套筒4向右的推力大于活塞杆2相左的推力，因此套筒4被压向液压缸的右端，而活塞杆2紧靠套筒4的右面，拔叉处于中间位置。要注意每个齿轮到位后需要到位检查元件（如感应开关）检查，检查信号有效说明变挡已经结束。对于主轴驱动无级变速的场合，可采用数控系统控制主轴电动机慢速转动或振动的方法，解决液压拔叉移动齿轮时可能产生得顶齿问题。 第第5章章5.4.3自动变挡的实现自动变挡的实现5-28三位液压的拔叉原理三位液压的拔叉原理n液压拔叉需要附加一套液压装置，将电信号转换为电磁阀动作，在将压力油分至相应的液压缸，因而增加了其结构的复杂性。 第第5

58、章章5.4.3自动变挡的实现自动变挡的实现2 电磁离合器变速n电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运行的元件，便于实现自动化操作，但它的缺点是体积大，磁通易使机械零件磁化。在数控机床主传动中使用电磁离合器能够简化变速机构，通过安装在各传动轴上离合器的吸合与分离，形成不同的运动组合传动路线，实现主轴的变速。 n数控机床中常使用无滑环摩擦片式电磁离合器和牙嵌式电磁离合器。由于摩擦片式电磁离合器采用摩擦片传递转矩，允许不停机变速。但如果速度过高，会由于滑差运动产生大量的摩擦热。牙嵌式电磁离合器由于将摩擦面加成一定的齿轮，提高了传递转矩，减小了离合器的径向轴向尺寸，使主轴结构更加紧凑，摩擦热减小。但牙嵌

59、式电磁离合器必须在主轴转速很低时转速。 第第5章章5.5.主轴准停控制主轴准停控制5.5.1 概述n 主轴准停功能又称主轴定向功能（Spindle Specified Position Stop），即当主轴停止时，控制其停于固定的位置，这是自动换刀所必须的功能。在自动换刀的数控镗铣加工中心上，切削转矩通常是通过刀杆的端面键来传递的。这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的功能，见图5-29当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时，为防止刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面，必须先让刀，后再退刀，而要让刀，刀具必须具有准确功能，如图5-30。 第第5章章5.5.1 概述概述图图5-29主轴准停换刀主轴

60、准停换刀图图5-30轴准停镗背孔示意图轴准停镗背孔示意图 第第5章章5.5.1 概述概述主轴准停可分为机械准停与电气准停，它们的控制过程是一样的，如图主轴准停可分为机械准停与电气准停，它们的控制过程是一样的，如图5-31示。示。5-31主轴准停控制主轴准停控制 第第5章章5.5.2 机械准停机械准停n图5-32典型的端面螺旋凸轮准停装置。在主轴1上固定有一个定位滚子2，主轴上空套有一个双向端面凸轮3，该凸轮和液压缸5中活塞杆4相连接，当活塞带动凸轮3向下移动时（不转动），通过拨动定位滚子2并带动主轴承转动，当定位销落入端面凸轮的V形槽内，便完成了主轴准停。因为是双向端面凸轮，所以能从两个方向拨