数控原理与系统-第5章主轴驱动系统

第5章数控机床主轴驱动系统

5.1概述

5.2主轴驱动装置及连接

5.3主轴变速控制

5.4主轴准停控制

5.5主轴与进给轴的关联控制

5.6高速电主轴2023/2/41数控机床主轴驱动系统是主运动的动力装置部分。主轴驱动系统提供的动力通过传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度，再配合进给运动，就可以加工出理想的零件。它是零件加工的成型运动装置之一，它的精度对零件的加工精度有较大的影响。因此，在数控机床中，主轴驱动系统是很重要的一部分。5.1概述2动态存储器DRAM模块FROM/SRAM模块系统ROM主轴控制模块轴控制模块PMC控制模块系统主CPU显示控制模块轴控制模块主轴驱动系统在数控系统中的位置及连接3动态存储器DRAM模块FROM/SRAM模块系统ROM主轴控制模块轴控制模块PMC控制模块系统主CPU显示控制模块轴控制模块4JA40_模拟量主轴的速度接口JA7A_串行主轴/主轴位置编码器信号接口56提出问题：1、主轴驱动系统包括哪些硬件设备？2、这些设备是如何连接的？3、模拟主轴和伺服主轴分别使用什么驱动放大装置？7一、数控机床主轴驱动系统组成

主轴驱动系统包括主轴驱动放大器、主轴电动机、传动机构、主轴信号检测装置及主轴辅助装置。放大器：主轴放大器用于接收系统发出的主轴速度及功能控制信号，实施主轴电动机控制信号。它可以是变频器也可以是系统专用的主轴放大器。主轴电动机：主轴电动机是主轴驱动的动力来源，可以使普通型电动机、变频专用型电动机及系统专用的主轴电动机。传动机构：数控机床主轴传动主要有三种配置方式，即带变速齿轮的主传动方式、通过带传动的主传动方式及由变速电动机直接驱动的主传动方式（详细内容见《数控机床结构》）。主轴信号检测装置：主轴信号检测装置能够实现主轴的速度和位置反馈，以及主轴功能的信号检测（如主轴定向和刚性攻螺纹控制等），可以使主轴外置编码器、主轴电动机内装传感器及外接一转信号配合电动机内装传感器检测装置。辅助装置：辅助装置主要包括主轴刀具锁紧/松开控制装置、主轴自动换挡控制装置、主轴冷却和润滑装置等。

8二、数控机床对主轴控制的要求

随着数控技术的不断发展，传统的主轴驱动已不能满足要求。现代数控机床对主传动提出了更高的要求：（1）调速范围要宽（2）主轴的旋转精度和运动精度（3）数控机床主轴的变速（4）恒功率范围要宽（5）具有四象限驱动能力（6）具有高精度的准停控制。（7）在车削中心上，还要求具有旋转进给轴的控制功能。

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为满足上述要求，数控机床绝大多数均采用笼型交流电动机配置矢量变换变频调速的主轴驱动系统。回顾电机课程，电机的发展历程？105.2主轴驱动装置及连接一、主轴驱动装置的特点主轴驱动系统是数控机床的大功率执行机构，其功能是接受数控系统(CNC)的S码（速度指令）及M码（辅助功能指令），驱动主轴进行切削加工。它接受来自CNC的驱动指令，经速度与转矩(功率)调节输出驱动信号驱动主电动机转动，同时接受速度反馈实施速度闭环控制。它还通过PLC将主轴的各种现实工作状态通告CNC用以完成对主轴的各项功能控制。111．直流主轴驱动装置

直流主轴电动机的结构与永磁式伺服电动机不同，要求能输出大的功率，所以一般是他磁式。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采用热管冷却技术。

直流驱动装置有晶闸管和脉宽调制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，因而在数控机床特别是对精度、速度要求较高的数控机床的进给驱动装置上广泛使用。而三相全控晶闸管调速装置则在大功率应用方面具有优势，因而常用于直流主轴驱动装置。

122．交流主轴驱动装置主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因此，只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。

13①交流异步伺服系统交流异步伺服通过在三相异步电动机的定子绕组中产生幅值、频率可变的正弦电流，该正弦电流产生的旋转磁场与电动机转子所产生的感应电流相互作用，产生电磁转矩，从而实现电动机的旋转。其中，正弦电流的幅值可分解为给定或可调的励磁电流与等效转子力矩电流的矢量和；正弦电流的频率可分解为转子转速与转差之和，以实现矢量化控制。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，是机床主轴驱动主要的采用形式。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。14②交流同步伺服系统近年来，随着高能低价永磁体的开发和性能的不断提高，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，既可以加工铝等低硬度材料，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。15二、数控装置与模拟主轴连接信号原理

问题的提出：数控装置和模拟主轴间要传递哪些信号？实现何种功能？1.主轴启停（M03、M04、M05----输出信号Y1.0、Y1.1）2.主轴速度控制（S800-----10V～+10V）3.

主轴编码器连接（螺纹、攻丝、转速在系统上显示---差分编码器）16图5-2

FANUCOiMate-TC数控系统与三菱变频器接线图171.CNC到变频器的信号（1）主轴正转信号、主轴反转信号用于手动操作（JOG状态）和自动状态（自动加工M03、M04、M05）中，实现主轴的正转、反转及停止控制。系统在点动状态时，利用机床面板上的主轴正转和反转按钮发出主轴正转或反转信号，通过系统PMC控制KA3、KA4的通断，向变频器发出信号，实现主轴的正、反转控制，此时主轴的速度是由系统存储的S值与机床主轴的倍率开关决定的。系统在自动加工时，通过对程序辅助功能代码M03、M04、M05的译码，利用系统的PMC实现继电器KA3、KA4的通断控制，从而达到主轴的正反转及停止控制，此时的主轴速度是由系统程序中的S指令值与机床的倍率开关决定的。输入输出信号的分类：CNC到变频器的信号变频器到CNC的信号变频器到机床侧的信号18（2）系统故障输入：当数控机床出现故障时，通过系统PMC发出信号控制KA6获电动作，使变频器停止输出，实现主轴自动停止控制，并发出相应的报警信息。（3）系统复位信号：当系统复位时，通过系统PMC控制KA7获电动作，进行变频器的复位控制。（4）主轴电动机速度模拟量信号：用来接收系统发出的主轴速度信号（模拟量电压信号），实现主轴电动机的速度控制。FANUC系统将程序中的S指令与主轴倍率开关的乘积转换成相应的模拟量电压（0~10V），输入到变频器的模拟量电压频率给定端，从而实现主轴电动机的速度控制。192.变频器到CNC的信号（1）变频器故障输入信号当变频器出现任何故障时，数控系统也停止工作并发出相应的报警（机床报警灯亮及发出相应的报警信息）。主轴故障信号是通过变频器的故障输出端发出，再通过PMC向系统发出急停信号，使系统停止工作。20（2）主轴频率到达信号数控机床自动加工时，主轴频率到达信号实现切削进给开始条件的控制。当系统的功能参数（主轴速度到达检测）设定为有效时，系统执行进给切削指令前要进行主轴速度到达信号的检测，即系统通过PMC检测来自变频器发出的频率到达信号，系统只有检测到该信号，切削进给才能开始，否则系统进给指令一直处于待机状态，使用SU作为信号的输入。21（3）主轴零速信号数控机床有些动作需要主轴停止才能进行，如：当数控车床的卡盘采用液压控制时，主轴零速信号用来实现主轴旋转与液压卡盘的连锁控制。只有主轴速度为零时，液压卡盘控制才有效；主轴旋转时，液压卡盘控制无效，使用Y13作为信号输入。3.变频器到机床侧的信号；主轴负载表的信号，变频器将实际输出电流转换成模拟量电压信号（0~10V），通过变频器输出接口（5-AM）输出到机床操作面板上的主轴负载表（模拟量或数显表），实现主轴负载监控。2223仿真软件演示模拟主轴连接24四、数控装置与伺服主轴装置的连接

问题的提出：数控装置和数字主轴间要传递哪些信号？实现何种功能？25四、数控装置与伺服主轴装置的连接

图5-3S系列主轴伺服系统的连接方法K1为从伺服变压器副边输出的AC200V三相电源电缆，应接到主轴伺服单元的R、S、T和G端。26图5-3S系列主轴伺服系统的连接方法K2为从主轴伺服单元的U、V、W和G端输出到主轴电机的动力线，应与接线盒盖内面的指示相符。

K3为从主轴伺服单元的端子T1上的R0，S0和T0输出到主轴风扇电机的动力线，应使风扇向外排风。K4为主轴电机的编码器反馈电缆，其中PA、PB、RA和RB用作速度反馈信号，O1H和O2H为电机温度接点，SS为屏蔽线。

27图5-3S系列主轴伺服系统的连接方法K5为从NC和PMC输出到主轴伺服单元的控制信号电缆，接到主轴伺服单元的50芯插座CN1

28芯号信号功能1，2SAR1，2主轴速度到达信号（输出）3，4SST1，2主轴零速信号（输出）5TLML主轴扭矩限制信号（小扭矩）（输入）6OTTLML，TLMH信号地线（0V）7，8MRDY1，2主轴运行准备信号（输入）9，10TLM5，6主轴扭矩限制信号（输出）11，12ALM1，2主轴故障（输出）13OR主轴故障报警公共线14OS主轴速度连续修调，正反转信号地线（0V）15，16STD1，2主轴速度检测信号（输出）17CTH主轴高速档信号（输入）18OM主轴功率/转速表地线19，20ARST1，2主轴报警复位信号（输入）21TLMH主轴扭矩限制信号（大扭矩）（输入）22，23ORAR1，2主轴定向完成信号（输出）24CTM主轴中速档信号（输入）25，26ORCM1，2主轴定向命令信号（输入）27，28OVR1，2主轴速度连续修调命令信号（输入）29+15V电源30，31DA2，E主轴速度信号（模拟电压）（输入）45SFR主轴正转命令（输入）46SRV主轴反转命令（输入）47，48ESP1，2主轴紧急停机命令（输入）49LM1主轴功率表信号（输出）50SM1主轴转速表信号（输出）50芯插座CN1

信号含义29主轴伺服单元和进给伺服单元由一个电源模块统一供电。由三相电源变压器副边输出的线电压为200V的电源（R，S，T）经总电源断路器BK1，主接触器MCC和扼流圈L加到电源模块上，电源模块的输出端（P，N）为主轴伺服放大器模块和进给伺服放大器模块提供直流200V电源。30急停控制信号接到电源模块的+24V和ESP端子后，再由其相应的输出端接到主轴和进给伺服放大器模块，同时控制急停状态。从NC发出的主轴控制信号和返回信号经光缆传送到主轴伺服放大器模块。控制电源模块的输入电源的主轴接触器MCC安装在模块外部。3132仿真软件演示数字主轴连接335.3主轴变速控制主轴变速：有级变速：配以齿轮变速的经济型数控机床无级变速：直流或交流主轴伺服电动机（常用）分段无级变速：在交流或直流主轴伺服电动机无级变速的基础上配以齿轮变速（常用）34图5-5主轴功率转矩特性一、无级变速35二、分段无级变速带有变速齿轮的主传动通过带传动的主传动用两个电动机分别驱动主轴内装电动机主轴变速36数控系统齿轮自动换挡功能：M41~M44首先需要在数控系统参数区设置M41~M44四挡对应的最高主轴转速，数控系统会根据当前S指令值，判断应处的挡，并自动输出相应的M41~M44指令给可编程控制器（PLC）、控制更换相应的齿轮挡，数控装置输出相应的模拟电压。

三、自动换挡控制图5-6主轴分段无极变速结构示意图37当数控系统读到有挡的变化S指令时，则输出相应的M代码（M41、M42、M43、M44)。输出信号送至PMC。50ms后，CNC发出M选通信号Mstrobe，指示可编程控制器可以读取并执行M代码，选通信号持续l00ms。延迟50ms读取，是为了让M代码稳定，保证读取的数据正确。

可编程控制器接收到Mstrobe信号后，立即使M完成信号为无效，告诉数控系统M代码正在执行。图5-7自动换挡时序图384）PMC开始对M代码进行译码，并执行相应的换挡控制逻辑。5）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，从而使主轴慢速转动或振动，以解决齿轮顶齿问题。6）可编程控制器完成换挡后，置M信号有效，并告诉数控系统换挡工作已经完成。7）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。图5-7自动换挡时序图39一、概述轴准停功能又称主轴定位功能(SpindleSpecifiedPositionStop)，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5-8。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5-9所示。

5.4主轴准停控制40机械准停一般要求主轴具有无级调速的功能，接受到数控系统发出准停指令（如M19）后，控制主轴电动机带动主轴以可以设定的准停速度（一般为小于100r/min的低速，如60r/min）和方向旋转。1）接收到无触点开关有效信号后，停止主轴，主轴电动机与主轴传动件依惯性继续旋转，同时控制定位销伸出压向主轴定位盘。2）接收到定位销到位信号后，通知系统准停指令完成。二、机械准停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5-10所示。

41根据机械结构的具体特点，为防止定位销提前顶死主轴而使准停失败，定位销伸出的同时也可以不停止主轴，而是待定位销到位后立即停止主轴。若接收到取消主轴准停的指令（如M20）则控制定位销退回，检测到定位销退回到位的回答信号后，表示主轴准停取消的指令完成。采用机械准停的方式，主轴准停定位销的伸出和退回必须分别有到位检测信号，并且必须和主轴的运行有互锁关系，即：1）主轴以非准停速度旋转时不得伸出定位销；2）若定位销退回到位信号无效则禁止主轴旋转；3）若定位销伸出到位信号无效则禁止换刀动作继续进行。42

图5-11为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动主轴转动以实现准停。这种双向端面凸轮准停机构，动作迅速可靠，但是凸轮制造较复杂。机械准停还有其他实现方式，如端面螺旋凸轮准停等，但基本原理是一样的。

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目前中高档数控系统均采用电气准停控制，采用电气准停控制有如下优点：(1)机械结构简单与机械准停相比，电气准停只需在主轴旋转部件和固定部件上安装传感器即可。(2)准停迅速准停时间包括在换刀时间内，而换刀时间是加工中心的一项重要指标。采用电气准停，即使主轴在高速旋转时完成，大大缩短了准停时间。

三、电气准停控制

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(3)可靠性高由于无需复杂的机械、开关、液压缸等装置，也没有机械准停所形成的机械冲击、磨损，因而准停控制的寿命与可靠性大大增加。

(4)控制简单通常只需要主轴准停指令信号、准停完成回答信号即可实现主轴准停控制。

(5)性能价格比提高由于简化了机械结构和强电控制逻辑，这部分的成本大大降低。但电气准停常作为选择功能，定购电气准停附件需要另外的费用。但从总体来看，性能价格比提高。

45目前电气准停通常有磁传感器准停、编码器准停和数控系统准停三种。1．磁传感器主轴准停磁传感器主轴准停控制由数控系统和主轴驱动器共同完成，与机械准停的控制过程有些类似。在主轴上安装了一个磁性体，使之与主轴一起旋转，在聚磁性体外1~2mm外固定一个磁性传感器。磁性传感器信号经放大器与主轴控制单元连接，当主轴需要定位准停时即进行控制，其步骤如下：461）转动或停止时，数控装置发出准停指令后，立即控制主轴加速或减速至某一准停速度（一般很慢）。2）主轴到达定向速度并且检测到准停位置信号时（即磁发体与磁传感器对准），立即控制主轴停止，并向主轴驱动器发出位控工作模式指令，主轴驱动器控制主轴电动机在位控模式下静止锁死。3）若取消主轴准停状态，只需撤销主轴驱动器的位控工作模式指令，恢复到速度工作模式即可。这种准停方式参考位置和准停位置都是由磁性传感器决定，受磁性传感器的精度及磁性体回转半径影响，准停精度不是很高。47

安川YASKAWA主轴驱动VS-626MT使用不同的选件可具有三种主轴电气准停方式，即磁传感器型、编码器型以及由数控系统控制完成的主轴准停。YASKAWA主轴驱动加上可选定位件(OrientationCard)后，可具有磁传感器主轴准停控制功能。磁传感器主轴准停控制由主轴驱动自身完成。当执行M19时，数控系统只需发出准停起动命令ORT，主轴驱动完成准停后会向数控系统回答完成信号ORE，然后数控，系统再进行下面的工作。其基本结构如图5-12所示，基本标准规格如表5-2所示。

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由于采用了磁传感器，故应避免将产生磁场的元件如电磁线圈、电磁阀等与磁发体和磁传感器安装在一起，另外磁发体(通常安装在主轴旋转部件上)与磁传感器(固定不动)的安装是有严格要求的，应按说明书要求的精度安装。

采用磁传感器准停时，接受到数控系统发来的准停开关量信号ORT，主轴立即加速或减速至某一准停速度(可在主轴驱动装置中设定)。49

主轴到达准停速度且准停位置到达时(即磁发体与磁传感器对准)，主轴即减速至某一爬行速度(可在主轴驱动装置中设定)。然后当磁传感器信号出现时，主轴驱动立即进入磁传感器作为反馈元件的闭环控制，目标位置即为准停位置。准停完成后，主轴驱动装置输出准停完成ORE停号给数控系统，从而可进行自动换刀(ATC)或其他动作。磁发体与磁传感器在主轴上位置示意如图5-13所示，准停控制时序如图5-14所示。50编码器主轴准停功能由主轴驱动器完成，数控系统只需发出准停指令信号然后监测主轴驱动器返回的准停完成信号即可。在准停参考位置的获取上可以分为磁性传感器式和编码器Z脉冲式两种。准停中主轴驱动器的工作过程如下：1）接收到准停指令后，控制主轴电动机以准停速度和准停旋转方向旋转。2）监测到准停参考位置信号后，控制主轴电动机相对准停参考位置转过一个角度（该角度可以在主轴驱动器内部设定和修改）后静止锁死。编码器准停与磁传感器的相对位置。这种准停方式可以在主轴驱动器内部随意修改调整。

2．编码器型主轴准停

51主轴准停参考位置由磁性传感器获得时，可以采用主轴电动机内部安装的编码器信号（来自于主轴驱动装置），也可以在主轴上直接安装其他编码器，用于控制主轴转过的相对角度；若采用编码器Z脉冲来获得主轴准停参考位置，则必须安装与主轴同步旋转的编码器。另外需要说明的是，无论采用何种准停方式（特别是磁传感器定位方式），当需要在主轴上安装元件时应注意平衡问题。因为数控机床的主轴精度、转速都很高，因此对动平衡要求很严格。一般中速以下的主轴的不平衡影响不是很大，但高速主轴的不平衡会引起主轴振动。为适应主轴高速化的需要，国外已开发出整环式磁传感器主轴准停装置，由于磁性体采用整环形式，动平衡较好。52

安川YASKAWA主轴驱动VS-626MT配置选件板则可具有编码器主轴准停功能。这种准停控制也是完全由主轴驱动完成的，CNC只需发出准停命令ORT即可，主轴驱动完成准停后回答准停完成ORE信号。基本规格如表5-3

位置检测方式使用编码器A，B，C信号准停位置基本准停位置为编码器零位C脉冲到达处，准停位置偏移可在主轴驱动内部或外部指定重复准停精度小于±0.20误差修正力矩额定力矩/±0.10误差选件板JPAC-C236编码器型号PC-1024ZLH表5-3YASKAWA编码器准停规格53

图5-15为编码器主轴准停控制结构图。可采用主轴电动机内置安装的编码器信号(来自主轴驱动装置)，也可在主轴上直接安装另一个编码器。采用前一种方式要注意传动链对主轴准停精度的影响。主轴驱动装置内部可自动转换，使主轴驱动处于速度控制或位置控制状态。采用编码器准停，准停角度可由外部开关量(十三位)随意设定，这一点与磁准停不