数控机床电气控制与系统维护 教学课件 作者 宋运伟项目五

数控机床电气控制与系统维护高等职业教育十二五国家规划教材主编宋运163.com数控机床电气控制与系统维护项目一数控机床的认知项目二数控机床电气控制基础知识项目三数控装置及其接口项目四数控机床伺服驱动系统安装与调试项目五数控机床主轴控制系统项目六数控机床的PLC控制与应用项目七数控机床的故障诊断与维修项目八数控机床的维护与保养任务一数控机床主轴控制系统的认知

任务二交流变频主轴驱动系统的连接与调试

项目五数控机床主轴控制系统认知数控机床主轴控制系统的认知知识技能任务一数控机床主轴控制系统的认知掌握主轴驱动系统的特点掌握主轴电动机的分类与各自特点能够识别所使用的机床的主轴电机与驱动装置的位置与类型任务描述

通过对数控机床主轴控制系统的介绍，完成对实训中心的数控机床主轴驱动系统的认知。任务一数控机床主轴控制系统的认知知识链接在20世纪60-70年代，数控机床的主轴一般采用三相感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式。随着刀具技术、生产技术、加工工艺以及生产效率的不断提高，上述传统的主轴驱动已不能满足生产的需要。现代数控机床对主轴传动提出了更高的要求：1．调速范围宽2．恒功率范围要宽3．具有4象限驱动能力4．具有位置控制能力一、数控机床对主轴控制系统的要求重点任务一数控机床主轴控制系统的认知知识链接常见主轴电动机可以分为以下三类：1．直流主轴电动机当采用直流电动机作为主轴电动机时，直流主轴电动机的主磁极不是永磁式，而是采用铁芯加励磁绕组，以便进行调磁调速的恒功率控制。为改善磁场分布，有的主轴电动机在主磁极上除了励磁绕组外还有补偿绕组；为改善换向特性，主磁极之间还有换向极。直流主轴电动机的过载能力一般约为1.5倍。2．交流主轴电动机交流主轴电动机采用三相交流异步电动机。电动机主要由定子及转子构成，定子上有固定的三相绕组，转子铁芯上开有许多槽，每个槽内装有一根导体，所有导体的两端短接在端环上，如果去掉铁芯，转子绕组的形状像一个鼠笼，所以叫做笼型转子。定子绕组通入三相交流电后，在电动机气隙中产生一个旋转磁场，称为同步转速。二、主轴电动机的分类与特点任务一数控机床主轴控制系统的认知知识链接3．电主轴将主轴电动机的定子和转子直接装入主轴组件的内部即形成电主轴，实现了机床主轴系统的一体化。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯量小和动态特性好等优点，并可改善机床的动平衡，避免震动和噪声，在高速切削机床上得到广泛应用。图5-2所示为电主轴结构。任务一数控机床主轴控制系统的认知知识链接1．直流主轴驱动从原理上说，直流主轴驱动系统与通常的直流调速系统并没有本质的区别，但因为数控机床高速、高效和高精度的要求，决定了直流主轴驱动系统具有以下特点：（1）调速范围宽。采用直流主轴驱动系统的数控机床通常只设置高、低两级速度的机械变速机构，电动机的转速由主轴驱动器控制，实现无级变速，因此，它必须具有较宽的调速范围。（2）直流主轴电动机通常采用全封闭的结构形式，可以在有尘埃和切削液飞溅的工业环境中使用。（3）主轴电动机通常采用特殊的热管冷却系统，能将转子产生的热量迅速向外界发散。（4）直流主轴驱动器主回路一般采用晶闸管三相全波整流，以实现四象限的运行。（5）主轴控制性能好。主轴伺服器一般都带有D/A转换器、“使能”信号输入、“准备好”输出、速度/转矩显示输出等信号接口。（6）纯电气主轴定向准停控制功能。三、主轴系统的分类任务一数控机床主轴控制系统的认知知识链接2．交流主轴驱动交流主轴驱动系统有模拟和数字式两种型式，交流主轴驱动系统与直流主轴驱动系统相比，具有如下特点：（1）由于驱动系统必须采用微处理器和现代控制理论进行控制，因此其运行平稳、振动和噪声小。（2）驱动系统一般都具有再生制动功能，在制动时，既可将电动机能量反馈回电网，起到节能的效果，又可以加快起制动速度。（3）特别是对于全数字式主轴驱动系统，驱动器可直接使用CNC的数字量输出信号进行控制，不要经过D/A转换，转速控制精度得到了提高。（4）与数字式交流伺服驱动一样，在数字式主轴驱动系统中，还可采用参数设定方法对系统进行静态调整与动态优化，系统设定灵活、调整准确。（5）由于交流主轴电动机无换向器，主轴电动机通常不需要进行维修。（6）主轴电动机转速的提高不受换向器的限制，最高转速通常比直流主轴电动机更高，可达到数万转。熟练掌握任务一数控机床主轴控制系统的认知知识链接随着交流调速技术的发展，目前数控机床的主轴驱动多采用交流主轴电动机配变频器控制的方式。变频器的控制方式从最初的电压空间矢量控制(磁通轨迹法)到矢量控制(磁场定向控制)，发展至今为直接转矩控制，从而能方便地实现无速度传感器化；脉宽调制(PWM)技术从正弦PWM发展至优化PWM技术和随机PWM技术，以实现电流谐波畸变小、电压利用率最高、效率最优、转矩脉冲最小及噪声强度大幅度削弱的目标；功率器件由GTO、GTR、IGBT发展到智能模块IPM，使开关速度快、驱动电流小、控制驱动简单、故障率降低、干扰得到有效控制及保护功能进一步完善。四、交流主轴的速度控制任务一数控机床主轴控制系统的认知知识链接主轴驱动装置的接口与进给驱动装置有许多类似，进给驱动装置具备的接口，在主轴驱动装置上一般都可以找到，只是不同厂家不同档次的主轴驱动装置所包含的接口类型不同，例如，主轴伺服装置的接口类型比变频器的接口要丰富；具备矢量控制功能的变频器又比简易型变频器接口丰富。不同的是：进给驱动装置主要工作在位置控制模式下，而主轴驱动装置主要工作在速度控制模式下；同一台数控机床上主轴输出功率比进给轴输出功率要大得多。因此，在接口上主轴驱动装置又具有自身的特点。进给驱动装置和主轴驱动装置有相互融合的趋势，即主轴驱动装置的位置控制功能和精度开始接近进给驱动装置，另一方面进给驱动装置动态特性、高速特性开始接近主轴驱装置五、主轴驱动装置的接口任务一数控机床主轴控制系统的认知技能训练（1）在数控实训中心及工厂企业进行参观，感受数控机床所处的环境；（2）辨认不同类型的数控机床主轴电动机的位置，掌握其结构及接口组成；（3）辩识各种不同主轴产品的铭牌型号与技术参数；（4）采用上网查询、向技术人员咨询等方式搜集市面常用主轴系统的型号、技术参数、功能指标等内容。任务一数控机床主轴控制系统的认知总结与提高1、数控机床对主轴控制系统的要求有哪些？2、请列举主轴驱动装置接口的类型与作用。任务一数控机床主轴控制系统的认知交流变频主轴驱动系统的连接与调试知识技能任务二

交流变频主轴驱动系统的连接与调试掌握交流异步电机变频调速的基本原理掌握电动机在变频供电下的输出特性了解变频器的参数含义及其设置方式熟悉变频器在数控车床控制柜中的安装方式，并能根据电路图进行控制线路连接掌握变频器的参数设置方式，并能根据控制要求进行调试任务描述

通过对日立SJ100变频器的认识与了解，完成变频器的接线调试与参数设置工作。任务二

交流变频主轴驱动系统的连接与调试知识链接一、三相异步电动机的概念在现代的数控机床控制电路中，为了实现各种复杂工艺的加工要求，主轴驱动需要采用各种各样的电机控制方案。随着工艺技术的不断发展和进步，各种设备单元根据其工艺特点，对主轴驱动与控制也提出各种不同的要求，有的要求电动机能迅速起动、制动和反转；有的要求多台电动机之间的转速按一定的比例协调运动；有的要求电动机达到极慢的稳定运动；有的要求电动机启动、制动平稳，并能准确地停止在给定位置。任务二

交流变频主轴驱动系统的连接与调试知识链接二、变频调速原理变压变频调速是改变同步转速的调速方法。为达到良好的控制效果，常采用电压–频率协调控制（即U/f控制），并分为基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。（1）基频以下调速以便充分利用电动机铁心，发挥电动机产生转矩的能力，在基频以下采用恒磁通控制方式;

（2）基频以上调速在基频以上调速时，频率从f1N向上升高，但定子电压Us却不可能超过额定电压UsN，只能保持Us=UsN不变，这将是磁通与频率成反比下降，使得感应电动机工作在弱磁状态。注意区别任务二

交流变频主轴驱动系统的连接与调试知识链接三、通用变频器的构造与接线在数控机床主轴交流电动机驱动中，广泛使用变频器进行驱动。所谓“通用”包含两方面的含义：一是可以和通用的异步电动机配套应用；二是具有多种可供选择的功能，可适应各种不同性质的负载。变频器的主要组成模块如下：(1)整流、逆变单元(2)驱动控制单元(3)CPU(4)保护及报警单元(5)参数设定和监视单元任务二

交流变频主轴驱动系统的连接与调试技能训练1．实训地点：数控实训中心及相关工厂的数控加工车间。2．实验目的：（1）熟悉异步电动机、变频器的控制原理以及与控制系统的连接方法；（2）了解变频器数字操作键盘的使用和参数设置的方法，变频器常见功能的测试。（3）掌握主轴伺服系统常见故障的诊断方法。3．实验设备（1）数控综合实验台一台，配日立SJ-100变频器；（2）万用表一块，2mm一字起一把。（3）数控实验台电气原理图4．实验内容与步骤（1）数控系统与主轴伺服系统的连接根据附录B中给定的数控系统综合实验台电路图进行数控系统与变频器控制端子之间的线路连接。（2）日立SJ100变频器面板的认识实验实训项目一变频调速系统的构成、调整及使用实验任务二

交流变频主轴驱动系统的连接与调试技能训练（3）变频器与三相异步电机的控制实验（4）设置典型故障并分析原因任务二

交流变频主轴驱动系统的连接与调试总结与提高1．认真总结实训过程，书写实训报告。