数控车床主轴系统

模块一对主轴驱动系统的认识任务一掌握主轴驱动系统各种故障排查方法。

1.主轴驱动系统概述主轴驱动系统也叫主传动系统，是在系统中完成主运动的动力装置部分。

主轴驱动系统通过该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，配合进给运动，加工出理想的零件。

它是零件加工的成型运动之一，它的精度对零件的加工精度有较大的影响。

引言主轴驱动系统控制数控车床的旋转运动，为车床主轴提供驱动功率以及所需的切削力。

目前在数控车床中，主轴驱动常使用交流电动机，直流电动机已被逐渐淘汰，由于受永磁体的限制，交流同步电动机功率做得很大时，电动机成本太高。

因此目前在数控机床的主轴驱动中，均采用笼型异步电动机。

为了获取良好的主轴特性，设计中采用矢量变频控制的交流主轴电动机，矢量部分分无速度传感器和有速度传感器的两种方式，后者具有更高的速度控制精度，在数控车床中无速度传感器的矢量变频器已经符合控制要求，因此，本设计中采用无速度的矢量变频器。

知识目标：1、了解主轴驱动系统的控制原理。

2、了解各种故障的产生原因。

能力目标：1、能够对主轴驱动系统启动故障进行排除和处理。

2、熟练掌握变频器的使用方法。

一、相关知识1、数控机床对主轴驱动系统的要求机床的主轴驱动和进给驱动有较大的差别。

机床主轴的工作运动通常是旋转运动，不像进给驱动需要丝杠或其它直线运动装置作往复运动。

数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进给实现刀具与工件的快速的相对切削运动。

在20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发展，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）调速范围宽并实现无极调速为保证加工时选用合适的切削用量，以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。

特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和各种材料的加工要求，对主轴的调速范围要求更高，要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无级调速，并减少中间传动环节，简化主轴箱。

主轴变速分为有级变速、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。

在无级变速中，变频调速主轴一般用于普及型数控机床，交流伺服主轴则用于中、高档数控机床。

2）、恒功率范围要宽主轴在全速范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速范围内提供主轴电动机的最大功率。

由于主轴电动机与驱动装置的限制，主轴在低速段均为恒转矩输出。

为满足数控机床低速、强力切削的需要，常采用分级无级变速的方法（即在低速段采用机械减速装置），以扩大输出转矩。

3）、具有4象限驱动能力要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。

目前一般伺服主轴可以在1秒内从静止加速到6000r/min。

4）、具有位置控制能力即进给功能（C轴功能）和定向功能（准停功能），以满足加工中心自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。

5）、具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低。

数控机床加工精度的提高与主轴系统的精度密切相关。

为了提高传动件的制造精度与刚度，采用齿轮传动时齿轮齿面应采用高频感应加热淬火工艺以增加耐磨性。

最后一级一般用斜齿轮传动，使传动平稳。

采用带传动时应采用齿型带。

应采用精度高的轴承及合理的支撑跨距，以提高主轴的组件的刚性。

在结构允许的条件下，应适当增加齿轮宽度，提高齿轮的重叠系数。

变速滑移齿轮一般都用花键传动，采用内径定心。

侧面定心的花键对降低噪声更为有利，因为这种定心方式传动间隙小，接触面大，但加工需要专门的刀具和花键磨床。

6）、良好的抗振性和热稳定性。

数控机床加工时，可能由于持续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自振等原因引起冲击力和交变力，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至可能损坏刀具和主轴系统中的零件，使其无法工作。

主轴系统的发热使其中的零部件产生热变形，降低传动效率，影响零部件之间的相对位置精度和运动精度，从而造成加工误差。

因此，主轴组件要有较高的固有频率，较好的动平衡，且要保持合适的配合间隙，并要进行循环润滑2、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。

为满足数控机床对主轴驱动的要求，主轴电动机必须具备下述功能：1）输出功率大。

2）在整个调速范围内速度稳定，且恒功率范围宽。

3）在断续负载下电动机转速波动小，过载能力强。

4）加速时间短。

5）电动机温升低。

6）振动、噪声小。

7）电动机可靠性高，寿命长，易维护。

8）体积小、质量轻。

3、主轴驱动装置分类1）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，主轴电动机要能输出大的功率，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。

2）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。

4、变频器1）工作原理根据公式：n=60f/p 可知交流异步电机的转速与电源频率 f 成正比与电机的极对数成反比，因此，改变电机的频率可调节电机的转速。

通常我们为了保证在一定的调速范围内保持电动机的转矩不变，在调节电源频率 f 时，必须保持磁通Φ不变，由公式 U≈E=4.44fWK Φ可知，Φ∝U/f 所以改变频率 f 时，同时改变电源电压 U，可以保持磁通Φ不变。

目前大部分变频器都采用了上述原理。

用同时改变f和U 的方法来实现电机转速 n的调速控制，并使得输出扭矩在一定范围内保持不变。

注：电机的极对数与转速V，U，W代表三相电机的每一相，电机内部共有3组线圈，每一组就是一相，出来两个线头，3相共出6个线头，分别按照一定的接法接到三相电源上。

一组线圈或一相包含多个线圈，但不会是单数的，因为它要组成南北两个极，而且在电机内部是对称的，例如图1，其中一相V,有两个线圈一个在上部一个在下部，两个线圈是串联的，通电时就产生两个磁极，图2的V相有4个线圈，也串联在一起，也是对称的，但它有4个极，这个图只是告诉大家线圈在电机内部的方位，和所谓的磁极对数。

第一个图每一相有南北两个极，就是一对磁极，磁极对数是1，通常叫它2极电机，转速最快。

实物图：二、任务分析1、主轴变频系统常见故障处理1）主轴电机不转主要有以下原因：①检查CNC系统是否有速度控制信号输出。

②主轴驱动装置故障。

③主轴电动机故障。

④变频器输出端子U、V、W不能提供电源。

造成此种情况可能有以下原因：报警；频率指定源和运行指定源的参数是否设置正确；智能输入端子的输入信号是否正确。

2）电机反转造成电机反转的原因主要有：①检查输出端子U/T1，V/T2和W/T3的连接是否正确？（使得电机的相序与端子连接相对应，通常来说：正转（FWD）＝U－V－W，和反转（REV）＝U－W－V）。

②检查控制端子（FW）和（RV）连线是否正确？（端子(FW）用于正转，（RV）用于反转）。

3）电机转速不能到达额定转速主要原因可能有：①如果使用模拟输入，是否用电流或电压“O”或“OI”。

检查连线；检查电位器或信号发生器。

②负载太重。

减少负载；重负载激活了过载限定。

4）主轴振动或噪声太大：检查振动的周期是否与转速有关，如无关，一般是主轴驱动装置未调整好；如有关，应检查主轴机械部分是否良好，测速装置是否不良2、主轴驱动系统启动常见故障分析：对于主轴驱动系统启动故障的原因有很多，首先检查外围电路，确保主轴电机、变频器电源正常供电；也有可能是CNC无速度信号输出，如果CNC无速度信号输出，要检测速度给定信号，检查系统参数；另外还可能是主轴驱动器故障，首先要检查是否有报警错误代码显示，如有报警，对照相关说明书解决（主要有过流、过、过压、欠压以及功率块故障等）。

其次还要检查频率指定源和运行指定源的参数是否设置正确。

三、思考题1、如何判断变频器自身故障？2、如何修改变频器的参数？3、阐述电机的两种启动方式。

模块二主轴驱动系统参数设置与修改任务目标知识目标1、明白数控系统参数在数控系统中的作用。

2、了解数控系统硬件连接与系统参数的关系能力目标1、掌握各种参数的意义2、能够对主轴驱动系统参数进行设置和修改相关知识1、华中HNC-21TF数控系统参数设置（1）．参数树数控系统中的参数进行分级管理，各级参数组成参数树。

华中HNC-21TF数控系统的参数树如图2.1.1所示。

系统参数硬件配置参数通道参数通道0通道1通道2通道3轴0轴1轴3轴2轴0轴1轴2轴3坐标轴参数轴补偿参数参数索引PMC系统参数外部报警系统PMC用户参数DNC参数参数树2.1.1（2）．参数管理权限数控装置的运行，严格依赖于系统参数的设置，因此，对参数修改的权限采用分级管理。

在华中HNC-21TF数控装置中，设置了三种级别的权限，即数控厂家、机床厂家、用户；不同级别的权限，可以修改的参数是不同的。

1)数控厂家：最高级权限，能修改所有参数。

2)机床厂家：中间级权限，能修改机床调试时需要设置的参数。

3)用户厂家：最低级权限，仅能修改用户使用时需要改变的参数。

数控机床在最终用户处安装调试后，一般不需要修改参数。

在特殊的情况下，如需要修改参数，首先应输入参数修改的密码，所输入的密码正确，则可进行此权限级别的参数修改；否则，系统会提示密码输入错，不能进行该权限级别参数的修改。

（3）、主菜单与子菜单在华中HNC-21TF数控装置中主操作界面下，用Enter键选中某项后，若出现另一个菜单，则前者称主菜单，后者称子菜单。

菜单可以分为两种：弹出式菜单和图形按键式菜单，如图2.1.2所示。