《数控原理与系统》第章主轴驱动及控制

第6章主轴驱动及控制第6章主轴驱动及控制概述主轴的分段无级调速及控制主轴准停控制小结习题第一页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制本章导读本章主要介绍主轴驱动装置的特性与连接方法、主轴分段无级调速控制、主轴准停控制等内容。通过本章的学习，了解数控机床对主轴的要求，熟悉主轴驱动装置的一般连接方法，掌握主轴调速、准停控制方法。第二页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制6.1

概述数控机床的主轴驱动和进给驱动有很大的差别。主轴的运动通常是旋转运动，以调速和功率驱动为主。随着数控技术的不断发展，对主轴驱动和控制提出了更高的要求。第三页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制6.1.1数控机床对主轴控制的要求一般来说，数控机床对主轴系统有以下要求。（1）调速范围宽。要求有较宽的调速范围，以保证加工时选用

合理的切削用量，获得最佳的生产率、加工精度和表面质量；并希望能够无级调速，以简化主轴箱设计。调速范围一般要求达到1：100以上。第四页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制（2）恒功率调速范围宽，并能提高足够的切削功率。由于在金属切削加工工艺中，一般在精加工时小吃刀量，高转速；粗加工时大吃刀量，低转速；具有恒功率的特性。这就要求主轴系统具有较宽的恒功率调速范围，才能满足负载特性的需要。但由于受主轴电机与驱动的限制，其低速段均为恒转矩输出，为此可采用分段无级变速的方法，以展宽恒功率范围。第五页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制（3）稳定、快速。要求主轴在正、反、停等过程中可进行自动加减速控制，并且加减速时间短，反应快速。准停控制。为满足加工中心自动换刀以及某些加工工艺的需要，要求主轴具有准停控制功能。旋转轴功能。在车削中心上，要求主轴具有旋转进给(C轴)控制功能。第六页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制6.1.2

主轴系统的分类与特性1.主轴系统的分类根据变速方式的不同，主轴系统可分为有级

变速、无级变速和分段无级变速三种形式。其中，有级变速仅用于经济型数控机床，大多数数控机

床均采用无级变速或分段无级变速。第七页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制为满足变速的要求，早期的数控机床常采用直流主轴驱动系统。由于直流电动机存在体积大、恒功率调速范围窄、电刷易磨损、维护比较麻烦等缺点，而逐渐被交流主轴驱动系统所取代。目前，绝大多数数控机床均采用鼠笼式交流异步电动机配置矢量变频调速器，构成主轴驱动系统。第八页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制2.主轴驱动的特性与直流电动机相比，鼠笼式交流异步电动机具有恒功率范围宽，体积小，结构简单，价格便宜，可靠性高等优点。但是在采用一般变频器调速时，其调速特性无法与直流电动机相比，因此必须采用矢量变频控制技术。第九页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制由于采用矢量变频控制技术后，交流电动机与直流电动机的数学模型极为相似，因而以直流主轴电动机为例来分析其调速特性，

其模型结构如图6.1所示。根据直流电动机的工作原理可得第十页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制图6.1主轴电动机电路模型第十一页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制从而导出转距速度特性方程第十二页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制（1）在基速n0以下，采用调压调速，即在励磁电流

If不变，Φ为常数的情况下，用改变电枢电压Ua的方法调速。这时输出的最大转矩Mmax取决于电枢电流最大值Imax，即Mmax=CMΦImax而对一台主轴电动机来说，最大电流为恒定，因此所能输出最大转矩是恒定的，而输出功率随转速升高而增加，因此基速n0以下称为恒转矩调速。第十三页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制（2）基速n0以上采用弱磁方法调速，即在保持电

枢电压Ua不变的情况下，用改变励磁电流If的方法来调速。这时If减小K倍，Φ也减小K倍，相应的转速n增加K倍，最大转矩则因为磁通Ф的减小而减小K倍，因此所能输出的最大功率Pmax=Mmaxn不变,这称为恒功率调速。主轴电机的工作特性曲线如图6.2所示。第十四页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制图6.2

主轴电机的工作特性曲线第十五页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制6.1.3

CNC与主轴驱动装置的连接下面以日本安川（YASKAWA）VA-626MT型主轴驱动装置为例讲解CNC与主轴驱动装置的连接，图

6.3所示为其内部原理框图，CNC装置与该主轴驱动装置的连接如图6.4所示。第十六页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制1．转速给定信号的连接YASKAWA

VA-626MT型主轴驱动装置有4种转速给

定连接方式，使用时根据所配CNC装置的输出信号类型通过设定面板的设定任选其中的一种方式。这4种速度给定方式为。第十七页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制（1）模拟电压给定。CNC装置通过其主轴模拟电压输出接口，输出0～±10V模拟电压，接至NCOM和0V端。电压正负控制电机转向，电压大小控制电动机转速。如果数控装置输出的电压为单极性0～+10V，则可通过FORWARDRUN(正转)与REVERS

RUN(反转)开关量指定正反转。（2）12位二进制数给定。数控装置通过输出12位二进制代码（12根线）至主轴驱动的2CN连接器，控制主轴转速。第十八页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制（3）2位BCD码给定。数控装置输出00～99的二位BCD码(共8根信号)至主轴驱动的2CN连接器，控制主轴转速。（4）3位BCD码给定。数控装置通过输出000～999的三位BCD码(共12根信号)至主轴驱动的2CN连接器，控制主轴转速。第十九页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制2.开关量信号（1）

RDY准备好信号:欲使主轴驱动工作，可闭合RDY触点，主轴驱动进入正常工作状态。EMG急停信号:当EMG常闭触点打开时，电动机立即制动至停转。FOR、REV信号:用于指定主轴正反转，其与模拟量的极性组合见表6.1。第二十页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制表6.1

FOR、REV与模拟量的极性组合第二十一页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制（4）TLH、TLL转矩极限限制。用于临时限制主轴电动机输出的最大转矩，以避免机械损坏。例如主轴机械准停时，可使用该功能。最大输出转矩可设定为额定转矩的5％～100％。（5）SSC软启动信号：使用该信号可使主轴切换工作处于通常的主轴驱动状态或进入伺服状态，进入伺服状态可实现位置闭环控制。（6）PPI速度调节器信号：用于选择使用PI比例积分调节器或P比例调节器。第二十二页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制（7）

DAS速度设定方式信号：用于选择模拟量速度控制或数字量控制(12位二进制或2位BCD码或3位BCD码)。ZSPD零速输出信号：若主轴转速低于设定的值

(如30

r／min)，则ZSPD输出，表明电动机停转。AGR速度到达信号：当主轴电动机转速实际到达所设定的转速时，AGR信号输出。第二十三页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制NDET速度检测信号：当主轴转速低于某设定转速时，NDET输出。TLE转矩极限输出信号：当外部转矩极限TLL和TLH输入信号有效时即进入转矩极限临时限制状态，

TLE信号输出。ALM报警信号：当主轴驱动报警时，报警信号ALM输出，同时报警代码(ALMCODE)通过AC0、ACl、AC2、AC3编码输出，指示报警内容。第二十四页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制（13）TDET转矩检测输出信号：当主轴输出转矩低于某一定值时，TDET输出，该信号用于检测主轴负载情况。（14）模拟量输出信号：两路模拟量输出用于外接转速

与负载表，其输出直流电压与实际转速及负载成正比。第二十五页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制图6.3

安川YASKAWA

VS-626MT型主轴驱动装置原理框图第二十六页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制图6.4

安川YASKAWA

VS-626MT型主轴驱动装置外部连线图第二十七页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制6.2

主轴的分段无级调速及控制以主轴功率3.7KW，最高转速6000r/min的数控机床为例，可有以下4种驱动调速方案。（1）全段无级调速。如果仅考虑主轴功率和最高转速的要求，可选用额定功率3.7KW、额定转速

1500r/min的主轴电动机，直接驱动主轴，工作特性曲线如图6.5（a）所示。第二十八页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制图中，在1500r/min～6000r/min调速范围内，最大输出功率Pmax=3.7KW；在1500r/min以下，输出转距Mmax=15N•m，Pmax随着转速的降低而下降。在750r/min时，Pmax只能达到1.85KW。这显然是无法满足机床低速大转距要求的。第二十九页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制为此，可选用额定功率7.4KW、额定转速

1500r/min的主轴电动机，在1/2额定电压下无级变速

驱动主轴，工作特性曲线如图6.6所示。在750r/min～6000r/min整个范围内，Pmax=3.7KW，在750r/min以下，Mmax=30N•m，完全能够满足机床低速大转距要求的。第三十页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制图6.5

3.7

kW电动机工作特性曲线(a)全段无级调速；(b)分段无级调速第三十一页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制图6.6

7.4

kW电动机工作特性曲线第三十二页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制（2）同功率电机，分段无级调速。选用与主轴要求同功率的3.7KW、额定转速

1500r/min的主轴电动机。如果采用1:2齿轮减速驱动主轴，工作特性曲线如图6.5（b）所示。虽然低速时输出转距增大，Mmax=30N•m，满足了低速大转距要求，但降低了最高主轴转速。为此，可采用分两段无级变速驱动主轴，在低速段：750r/min～3000r/min范围内用1:2齿轮减速，在高速段：1500r/min～6000r/min范围内直接驱动，并由CNC系统控制齿轮机构自动换档，则可同时满足低速转矩和最高主轴转速的要求。第三十三页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制比较上述两种方案，可以看出：采用全段无级调速，主轴箱可以大大简化，但必需选用大功率的主轴电动机，从而使主轴电动机与驱动装置的体积、重量及成本大大增加。采用分段无级调速，既不增大电机的功率，又能展宽恒功率范围，比较经济，但需要自动换档机构。应用中可根据实际情况而定。第三十四页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制2.分段无级调速的控制多数数控系统均能够提供四挡变速功能，而数控机床通常使用两挡即可满足要求。图6.7所示为主轴分段无级调速的控制结构。第三十五页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制图6.7主轴分段无级变速结构示意图第三十六页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制数控系统具有使用M41～M44代码进行齿轮自动

变速的功能。首先需要在数控系统参数区设置M41～M44四档对应的最高主轴转速，这样数控系统会根据当前S指令值，判断应处的档，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

齿轮档，数控装置输出相应的模拟电压。例如M41对应的主轴最高转速为1000r／min，M42对应的主轴转速为3500r／min，主轴电动机最高转速为3500r／min。第三十七页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制当S指令在0～1000r／min范围时,M41对应的齿轮应啮合,S指令在1001～3500r/min范围时，M42对应的齿轮应啮合。不同机床主轴变速所用的方式不同，控制的具体实现可由可编程控制器来完成。目前常采用液压拨叉或电磁离合器来带动不同齿轮的啮合。显然，该例中M42对应的齿轮传动比为1：1，而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力矩的3.5倍。第三十八页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制对变速时出现的顶齿现象，现代数控系统均采用在变速时，由数控系统控制主轴电动机低速摆动的方法来实现齿轮的顺序啮合。而变速时主轴电动机低速摆动的速度可在数控系统参数区中设定。第三十九页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制3.齿轮变速自动换挡的操纵机构1)液压拨叉液压拨叉是一种用一只或几只液压缸带动齿轮移动的变速操纵机构。最简单的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6.8所示为三位液压拨叉的原理图，通过电磁阀改变不同的通油方式可获得三个位置。第四十页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制图6.8

三位液压拨叉的工作原理第四十一页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制（1）当液压缸1通人液压油而液压缸5卸压时，活塞杆2带动拨叉3向左移至极限位置。（2）当液压缸5通入液压油而液压缸1卸压时，活塞杆2和套筒4一起移至右极限位置第四十二页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制（3）当左右缸同时通入压力油时，由于活塞杆2两端直径不同便其向左移动，而由于套筒4和活塞杆2截面直径不同，而使套筒4向右的推力大于活塞2两端直径不同便其向左移动，而由于套筒4和活塞杆2截面直径不同，而使套筒4向右的推力大于活塞扦2向左的推力，因此套筒4压向液压缸的右端，而活塞杆2紧靠套筒4的右面，拨叉处于中间位置。第四十三页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制要注意的是，每个齿轮的到位需要有到位检测元件(如接近开关)检测，该信号有效说明变档已经结束。对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摆动来解决液压拨叉可能产生的顶齿问题。第四十四页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制对于单纯分档有级变速的恒速交流电动机驱动场合，通常在传动链上安置一个微型电机或液压马达来解决顶齿问题。正常工作时，离合器脱开；齿轮变速时，主轴电机断电，离合器吸合，微电机工作，带动主轴慢速转动，同时，油缸移动齿轮，从而顺利啮合。液压拨叉需要附加一套液压装置，将电信号转换为电磁阀动作，再将压力油分至相应的液压缸,因而增加了复杂性。第四十五页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制2）电磁离合器变速电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运行的元件。它便于实现自动化操作，但缺点是体积大，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，实现主轴变速。第四十六页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制在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，所以允许不停机变速。但如

果速度过高,会由于滑差运动产生大量的摩擦热。牙嵌式电磁离台器由于在摩擦面上加工成一定的齿形，提高了传递转矩，减小离合器的径向轴向尺寸，使

主轴结构更加紧凑，摩擦热减小。但牙嵌式电磁离

合器必须在低速时变速。第四十七页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制6.3主轴准停控制主轴准停又叫主轴定位，即当主轴停止时，控制其停于固定位置。主轴准停是加工中心自动换刀所必需的功能。在自动换刀的镗铣加工中心上，切削的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，如图6.9所示。第四十八页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制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加工好的内孔表面，必须先让刀再退刀，这种情况下也必须具有准确定位功能，如图6.10所示。在零件程序中，执行准停功能的指令为M19。按主轴准停控制的实现方式，可分为机械准停和电气准停。第四十九页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制图6.9主轴准停换刀示意图第五十页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制图6.10

主轴准停镗背孔示意图第五十一页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制1.机械准停控制机械准停控制一般采用Ｖ形槽轮定位盘准停结构，如图6.11所示。带有Ｖ形槽的定位盘与主轴端面保持一定的关系，以确定定位位置。当CNC执行准停控制指令M19时，首先使主轴减速至某一预先设定的低速转动，然后当接近开关信号有效后，立即使主轴电动机停转并断开主轴传动链，此时主轴电动机与主轴传动件依惯性继续空转，同时准停油缸定位销伸出并压向定位盘。当定位盘Ｖ形槽与定位销正对时，由于油缸的压力，定位销插入Ｖ形槽中，LS2准停到信号有效，表明准停动作完成。这里LS1为准停释放信号，LS2为准停释放信号。第五十二页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制采用这种准停方式，必须有—定的逻辑互锁，即当LS2有效时，才能进行换刀等动作。而只有当LS1有效时，才能启动主轴电动机正常运转。上述控制逻辑通常由数控系统所配的可编程控制器完成第五十三页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制图6.11

机械准停原理示意图第五十四页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制2.电气准停控制多数中高档数控系统均采用电气准停控制，电气准停通常有以下3种方式：（1）磁传感器准停磁传感器主轴准停控制由主轴驱动自身完成，控制结构如图6.12所示。当CNC系统执行M19指令

时，向主轴驱动发出主轴准停启动命令ORT。主轴驱动响应ORT命令，立即使主轴减速至预先设定的准停速度。第五十五页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制图6.12

磁传感器准停控制系统构成第五十六页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制当磁发体与磁传感器对准时，主轴立即减速至某

一爬行速度。当磁发体与磁传感器再次对准时，主轴

驱动立即进入磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制，目标位置为准停位置。准停完成后，主轴驱动装置输

出准停完成ORE信号给CNC装置，从而可进行自动换刀或其它动作。时序如图6.13所示。第五十七页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制图6.13

磁传感器准停时序图第五十八页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制2）编码器型主轴准停这种准停功能也是由主轴驱动完成的，控制结构如图6.14所示。CNC只需发出ORT命令，主轴驱动完成准停后回答准停完成信号ORE。其控制步骤与传感器类似，所不同的是准停角度可由编码

(12位)设定，更加灵活方便。第五十九页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制图6.14编码器型主轴准停结构第六十页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制3）数控系统准停这种准停控制方式是由数控系统完成的，其原理与进给位置控制的原理非常相似，如图6.15所示。第六十一页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制图6.15

数控系统控制主轴准停结构第六十二页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制为实现这种准停控制，要求：①数控系统必须具有主轴闭环控制功能。②具有较高的主轴传动精度。通常用电动机轴端编码器信号反馈给数控装置，构成位置闭环，这就要求主轴传动链要有较高的精度。第六十三页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制③主轴驱动具有伺服状态。通常为避免冲击，主轴驱动都采用软启动方式。但这对主轴位置闭环控制会产生不良影响。位置增益过低，则准停精度和刚度不能满足要求；过高则会产生严重的定位振荡现象。因此必须使主轴进入伺服状态，使其特性与进给系统伺服系统相近，才可进行位置控制。第六十四页，共六十八页。第6章主轴驱动及控制采用数控系统控制主轴准停时，准停角度由数控系统内部设定