《機床》課件第11章 主軸驅動及控制

第11章主軸驅動及控制11.1概述11.2主軸的分段無級調速及控制11.3主軸準?？刂屏曨}11.1概述11.1.1數(shù)控機床對主軸系統(tǒng)的要求（1）調速范圍寬。（2）恒功率調速范圍寬，并能提高足夠的切削功率。（3）穩(wěn)定、快速。（4）準停控制。（5）旋轉軸功能。11.1.2主軸系統(tǒng)的分類與特性

1.主軸系統(tǒng)的分類根據變速方式的不同，主軸系統(tǒng)可分為有級變速、無級變速和分段無級變速三種形式。其中，有級變速僅用于經濟型數(shù)控機床，大多數(shù)數(shù)控機床均采用無級變速或分段無級變速。2.主軸驅動的特性與直流電動機相比，鼠籠式交流異步電動機具有恒功率范圍寬，體積小，結構簡單，價格便宜，可靠性高等優(yōu)點。但是在采用一般變頻器調速時，其調速特性無法與直流電動機相比，因此必須采用矢量變頻控制技術。圖11.1主軸電動機電路模型

由于采用矢量變頻控制技術后，交流電動機與直流電動機的數(shù)學模型極為相似，因而以直流主軸電動機為例來分析其調速特性，其模型結構如圖11.1所示。根據直流電動機的工作原理可得從而導出轉距速度特性方程

（1）在基速n0以下，采用調壓調速，即在勵磁電流If不變，Φ為常數(shù)的情況下，用改變電樞電壓Ua的方法調速。這時輸出的最大轉矩Mmax取決于電樞電流最大值Imax，即

Mmax=CMΦImax

（2）基速n0以上采用弱磁方法調速，即在保持電樞電壓Ua不變的情況下，用改變勵磁電流If的方法來調速。這時If減小K倍，Φ也減小K倍，相應的轉速n增加K倍，最大轉矩則因為磁通Ф的減小而減小K倍，因此所能輸出的最大功率Pmax=Mmaxn不變,這稱為恒功率調速。主軸電機的工作特性曲線如圖11.2所示。圖11.2主軸電機的工作特性曲線11.1.3CNC與主軸驅動裝置的連接下面以日本安川（YASKAWA）VA-626MT型主軸驅動裝置為例講解CNC與主軸驅動裝置的連接，圖11.3所示為其內部原理框圖，CNC裝置與該主軸驅動裝置的連接如圖11.4所示。圖11.3安川YASKAWAVS-626MT型主軸驅動裝置原理框圖圖11.4安川YASKAWAVS-626MT型主軸驅動裝置外部連線圖1.轉速給定信號的連接（1）模擬電壓給定。（2）12位二進制數(shù)給定。（3）2位BCD碼給定。（4）3位BCD碼給定。2.開關量信號（1）RDY準備好信號:欲使主軸驅動工作，可閉合RDY觸點，主軸驅動進入正常工作狀態(tài)。（2）EMG急停信號:當EMG常閉觸點打開時，電動機立即制動至停轉。（3）FOR、REV信號:用于指定主軸正反轉，其與模擬量的極性組合見表11.1。

表11.1FOR、REV與模擬量的極性組合

（4）TLH、TLL轉矩極限限制信號：用于臨時限制主軸電動機輸出的最大轉矩，以避免機械損壞。（5）SSC軟啟動信號：使用該信號可使主軸切換工作處于通常的主軸驅動狀態(tài)或進入伺服狀態(tài)，進入伺服狀態(tài)可實現(xiàn)位置閉環(huán)控制。（6）PPI速度調節(jié)器信號：用于選擇使用PI比例積分調節(jié)器或P比例調節(jié)器。（7）DAS速度設定方式信號：用于選擇模擬量速度控制或數(shù)字量控制(12位二進制或2位BCD碼或3位BCD碼)。

（8）ZSPD零速輸出信號：若主軸轉速低于設定的值(如30r／min)，則ZSPD輸出，表明電動機停轉。（9）AGR速度到達信號：當主軸電動機轉速實際到達所設定的轉速時，AGR信號輸出。（10）NDET速度檢測信號：當主軸轉速低于某設定轉速時，NDET輸出。（11）TLE轉矩極限輸出信號：當外部轉矩極限TLL和TLH輸入信號有效時，即進入轉矩極限臨時限制狀態(tài)，TLE信號輸出。

（12）ALM報警信號：當主軸驅動報警時，報警信號ALM輸出，同時報警代碼(ALMCODE)通過AC0、ACl、AC2、AC3編碼輸出，指示報警內容。（13）TDET轉矩檢測輸出信號：當主軸輸出轉矩低于某一定值時，TDET輸出，該信號用于檢測主軸負載情況。（14）模擬量輸出信號：兩路模擬量輸出用于外接轉速與負載表，其輸出直流電壓與實際轉速及負載成正比。11.2主軸的分段無級調速及控制1.主軸無級調速驅動方案（1）全段無級調速。（2）同功率電動機，分段無級調速。

圖11.53.7kW電動機工作特性曲線

(a)全段無級調速；(b)分段無級調速圖11.67.4kW電動機工作特性曲線2.分段無級調速的控制多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)均能夠提供四擋變速功能，而數(shù)控機床通常使用兩擋即可滿足要求。圖11.7所示為主軸分段無級調速的控制結構。圖11.7主軸分段無級變速結構示意圖3.齒輪變速自動換擋的操縱機構

1)液壓撥叉液壓撥叉是一種用一只或幾只液壓缸帶動齒輪移動的變速操縱機構。最簡單的二位液壓缸實現(xiàn)雙聯(lián)齒輪變速，對于三聯(lián)或三聯(lián)以上的齒輪變速則需使用差動液壓缸。圖11.8所示為三位液壓撥叉的原理圖，通過電磁閥改變不同的通油方式可獲得三個位置。圖11.8三位液壓撥叉的工作原理

（1）液壓缸1通入液壓油而液壓缸5卸壓時，活塞桿帶動撥叉向左移至極限位置。

（2）液壓缸5通入液壓油而液壓缸1卸壓時，活塞桿和套筒一起移至右極限位置。

（3）左、右缸同時通入壓力油時，由于活塞桿兩端直徑不同使其向左移動；又由于套筒和活塞桿截面直徑不同，使得套筒向右的推力大于活塞桿向左的推力，因此套筒壓向液壓缸的右端，而活塞桿緊靠套筒的右面，撥叉處于中間位置。2）電磁離合器變速電磁離合器是應用電磁效應接通或切斷運行的元件。它便于實現(xiàn)自動化操作，但缺點是體積大，磁通易使機械零件磁化。在數(shù)控機床主傳動中，使用電磁離合器能夠簡化變速機構，通過安裝在各傳動軸上離合器的吸合與分離形成不同的運動組合傳動路線，實現(xiàn)主軸變速。11.3主軸準?？刂?/p>

主軸準停又叫主軸定位，即當主軸停止時，控制其停于固定位置。主軸準停是加工中心自動換刀所必需的功能。在自動換刀的鏜銑加工中心上，切削的轉矩通常是通過刀桿的端面鍵來傳遞的，這就要求主軸具有準確定位于圓周上特定角度的功能，如圖11.9所示。

當加工階梯孔或精鏜孔后退刀時，為防止刀具與小階梯孔碰撞或拉毛已加工好的內孔表面，必須先讓刀再退刀，這種情況下也必須具有準確定位功能，如圖11.10所示。在零件程序中，執(zhí)行準停功能的指令為M19。圖11.9主軸準停換刀示意圖圖11.10主軸準停鏜背孔示意圖1.機械準停控制

機械準?？刂埔话悴捎茫中尾圯喍ㄎ槐P準停結構，如圖11.11所示。圖11.11機械準停原理示意圖2.電氣準?？刂?/p>

1）磁傳感器準停磁傳感器主軸準?？刂朴芍鬏S驅動自身完成，其系統(tǒng)構成如圖11.12所示。磁傳感器準停的時序如圖11.13所示。圖11.12磁傳感器準?？刂葡到y(tǒng)構成圖11.13磁傳感器準停時序圖2）編碼器型主軸準停這種準停功能也是由主軸驅動完成的，控制結構如圖11.14所示。CNC只需發(fā)出ORT命令，主軸驅動完成準停后回答準停完成信號ORE。其控制步驟與傳感器類似，所不同的是準停角度可由編碼(12位)設定，更加靈活方便。圖11.14編碼器型主軸準停結構3）數(shù)控系統(tǒng)準停這種準?？刂品绞绞怯蓴?shù)控系統(tǒng)完成的，其原理與進給位置控制的原理非常相似，如圖11.15所示。圖11.15數(shù)控系統(tǒng)控制主軸準停結構

為實現(xiàn)這種準停控制，要求：（1）數(shù)控系統(tǒng)必須具有主軸閉環(huán)控制功能。（2）具有較高的主軸傳動精度