《机床》课件第11章 主轴驱动及控制

第11章主轴驱动及控制11.1概述11.2主轴的分段无级调速及控制11.3主轴准停控制习题11.1概述11.1.1数控机床对主轴系统的要求（1）调速范围宽。（2）恒功率调速范围宽，并能提高足够的切削功率。（3）稳定、快速。（4）准停控制。（5）旋转轴功能。11.1.2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。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。图11.1主轴电动机电路模型

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11.1所示。根据直流电动机的工作原理可得从而导出转距速度特性方程

（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

（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11.2所示。图11.2主轴电机的工作特性曲线11.1.3CNC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11.3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11.4所示。图11.3安川YASKAWAVS-626MT型主轴驱动装置原理框图图11.4安川YASKAWAVS-626MT型主轴驱动装置外部连线图1.转速给定信号的连接（1）模拟电压给定。（2）12位二进制数给定。（3）2位BCD码给定。（4）3位BCD码给定。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。（2）EMG急停信号:当EMG常闭触点打开时，电动机立即制动至停转。（3）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11.1。

表11.1FOR、REV与模拟量的极性组合

（4）TLH、TLL转矩极限限制信号：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。（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。（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)。

（8）ZSPD零速输出信号：若主轴转速低于设定的值(如30r／min)，则ZSPD输出，表明电动机停转。（9）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。（10）NDET速度检测信号：当主轴转速低于某设定转速时，NDET输出。（11）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。

（12）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。（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。11.2主轴的分段无级调速及控制1.主轴无级调速驱动方案（1）全段无级调速。（2）同功率电动机，分段无级调速。

图11.53.7kW电动机工作特性曲线

(a)全段无级调速；(b)分段无级调速图11.67.4kW电动机工作特性曲线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11.7所示为主轴分段无级调速的控制结构。图11.7主轴分段无级变速结构示意图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11.8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。图11.8三位液压拨叉的工作原理

（1）液压缸1通入液压油而液压缸5卸压时，活塞杆带动拨叉向左移至极限位置。

（2）液压缸5通入液压油而液压缸1卸压时，活塞杆和套筒一起移至右极限位置。

（3）左、右缸同时通入压力油时，由于活塞杆两端直径不同使其向左移动；又由于套筒和活塞杆截面直径不同，使得套筒向右的推力大于活塞杆向左的推力，因此套筒压向液压缸的右端，而活塞杆紧靠套筒的右面，拨叉处于中间位置。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。11.3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11.9所示。

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11.10所示。在零件程序中，执行准停功能的指令为M19。图11.9主轴准停换刀示意图图11.10主轴准停镗背孔示意图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11.11所示。图11.11机械准停原理示意图2.电气准停控制

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，其系统构成如图11.12所示。磁传感器准停的时序如图11.13所示。图11.12磁传感器准停控制系统构成图11.13磁传感器准停时序图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11.14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。图11.14编码器型主轴准停结构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11.15所示。图11.15数控系统控制主轴准停结构

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