[机械电子]主轴驱动及控制
数控机床主轴控制_图文
5.1.3高速主轴的设计
表5-1铝合金在切削实验中切削速度和表面粗糙度的关系
转速/r﹒min-1 进给量 /mm﹒min-1
10000 20000 30000 40000
1000 2000 3000 4000
切削速度 /m﹒min-1 785 1570 2356 3142
Ra/μm
0.56 0.46 0.32 0.32
5.2.1主轴直流电动机
图5-11
直流主轴电动机结构示意图
5.2.2、直流主轴驱动控制系统
数控机床常用的直流主轴驱动系统的原理框图如图5-13所示。
（图5-13） 直流主轴驱动系统原理图
实际直流电机的电刷和换向片：
直流电机的基本结构
电机模型的各组成部件
固有机械特性
称为理想空载转速
V2 W1
n
U1
U2
W2 V1
三相绕组基波合成磁动势——旋转磁动势
交流电机三相对称绕组, 通入三相对称电流，磁动势是三相 的合成磁动势。
取U相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为 x的参考方向、U相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动 势为：
三相的合成磁动势：
可见：三相合成磁动势也是一个圆形旋转磁动势。
（4）励磁回路方程
（5）气隙磁通
。U 。
I Ia
M Ea
。 Uf 。
Φ
5.2.2、直流主轴驱动控制系统
1调磁调速回路 图5-13的上半部分为励磁控制回路，由于主轴电动
机功率通常较大，且要求恒功率调速范围尽可能大 ，因此，一般采用他励电动机，励磁绕组与电枢绕 组相互独立，并由单独的可调直流电源供电。
2、交流主轴驱动系统
5.1.2主轴变速方式
基于FANUC数控系统的模拟主轴的参数设置与调试
基于FANUC数控系统的模拟主轴的参数设置与调试唐静【摘要】基于FANUC数控系统的模拟主轴控制在中低档的数控机床中广泛使用.介绍了数控机床中模拟主轴控制系统的组成,阐述了模拟主轴控制系统CNC调试、变频器调试、主轴试运行的方法和步骤,并提出了调试过程中相关的注意点,为广大数控技术人员提供一定的参考和借鉴.【期刊名称】《常州信息职业技术学院学报》【年(卷),期】2014(013)001【总页数】3页(P21-23)【关键词】FANUC;模拟主轴;变频器【作者】唐静【作者单位】常州信息职业技术学院机电工程学院江苏常州 213164【正文语种】中文【中图分类】TG6590 引言主轴是机床上带动工件或刀具运动的轴，主轴控制的效果将直接影响零件的加工精度。
模拟主轴控制是指数控系统输出模拟电压控制主轴，主轴由调速器控制的主轴电机驱动(常用的调速器是变频器、主轴电机是三相异步电动机)，可以实现数控机床主轴的启停、正反转以及调速控制。
基于FANUC数控系统的主轴控制主要有模拟主轴控制和串行主轴控制两种类型。
模拟主轴系统的结构如图1所示。
串行主轴控制是指数控系统输出串行数据控制主轴，主轴通常由伺服驱动器控制的伺服电机驱动。
模拟主轴控制经济实用、调试方便，在中低档的数控机床中广泛使用［1］。
图1 模拟主轴系统结构示意图1 模拟主轴系统的组成基于FANUC数控系统的模拟主轴控制系统的电气原理图如图2所示。
其中，FANUC 0i-C数控系统的JA40接口输出0～10 V模拟电压;三菱E700变频器的2、5端子接收JA40接口输出的模拟电压信号，STF、STR端子接收JD1A接口输出的转向信号;主轴编码器PG的反馈信号输入JA7A接口。
图2 模拟主轴控制电气原理图2 模拟主轴的调试从系统组成的角度，数控机床模拟主轴的调试包括CNC中有关主轴的参数与信号的调试，以及变频器本身的参数与信号的调试。
调试的目的是保证数控系统能够根据指令发出正确的模拟电压信号，经过变频器调速后驱动主轴正确运行。
数控车床主轴速度控制
C．有较完善的刀具自动交换和管理系统
D．有工件自动交换、工件夹紧与放松机构
E．床身机架具有很高的动刚度和静刚度
F．采用全封闭罩壳
2.2 数控机床的基本工作过程
首先根据零件图样，结合加工工艺进行程序编制，然后通过键盘或者其它输入设备送入数控系统后再经过调试、修改，最后把它存储起来。加工时就按所编程序进行有关数字信息处理。一方面通过插补运算器进行加工轨迹运算处理，从而控制伺服系统驱动机床各坐标轴，使刀具与工件的相对位置按照被加工零件的形状轨迹进行运动，并通过位置检测回馈以确保其位移精度。另一方面按照加工要求，通过PLC控制主轴及其它辅助装置协调工作，如主轴变速、主轴齿轮换挡、适时进行ATC刀具自动交换、工件夹紧与放松、润滑系统的开停、切削液的开关，必要时超载或限位保护起作用，控制机床运动迅速停止。
3.2 数控车床主轴速度控制方式
3.2.1 主轴速度CNC控制方式
主轴速度CNC控制方式指，主轴的速度是由系统CNC加工程序的S码指定的速度值决定，可以通过机床面板上的主轴倍率开关进行修调（通常为50%~120%），这是数控机床通常的控制方式。
3.2.2 主轴速度的特殊S码控制方式
这种控制方式主要用于普通型数控车床的主轴速度控制，该类主轴传动控制方式为手动换挡（低、中和高速选择），以及电磁离合器配合双速电动机自动变速控制，在加工程序中通过S码（一般在每挡有四种S码速度选择）实施电磁离合器和双速电动机的控制。
随着技术的不断发展，机床结构有了很大的改进，从而对主轴系统提出了新的要求，而且因用途而异。在数控机床中，数控车床占42%，数控钻镗铣床占33%，数控磨床、冲床占23%，其它只占2%。为了满足现代数控机床对主轴驱动的更高要求，主轴电动机必须具备如下功能：
数控课件——数控机床主轴及控制
一、数控机床对主传动系统的要求
调速 数控机床为了保证加工时能选用合理的切削用量，充 分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工 精度和表面质量，必须具有更高的转速和更大的调速范 围并能实现无级调速。
主轴的旋转精度 良好的抗振性和热稳定性
加工精度与主传动系统的刚度密切相关，应提高 传动件的制造精度与刚度；主轴产生振动，影响加工精 度和表面粗糙度，甚至破坏刀具或零件，主轴要求具有 足够的抑制振动的能力；发热产生热变形，影响加工精 度，主轴部件具有较高的热稳定性。 主轴组件的耐磨性 主轴组件必须有足够的耐磨性，使之能够长期保持精 度，如轴承、锥孔等。（硬度、润滑）
二、机床主轴的回转精度和影响因素
➢ 机床主轴是装夹刀具或工件的位置基准，它的误差也将直接影响 工件的加工质量——工件加工表面的形状精度。机床主轴的回转精 度是机床主要精度指标。
➢ 主轴的回转误差主要包括主轴的径向圆跳动、窜动和摆动。 ➢ 造成主轴径向圆跳动的主要原因有：轴径与轴孔圆度不高、轴承
滚道的形状误差、轴与孔安装后不同心以及滚动体误差等。使用该 主轴装夹工件将造成形状误差。 ➢ 造成主轴轴向窜动的主要原因有：推力轴承端面滚道的跳动以及 轴承间隙等。 ➢ 由于前后轴承、前后轴承孔或前后轴径的不同心造成主轴在转动 过程中出现摆动现象。摆动不仅给工件造成工件尺寸误差，而且还 造成形状误差。 ➢ 提高主轴旋转精度的方法主要有通过提高主轴组件的设计、制造 和安装精度，采用高精度的轴承等方法。
数控系统必须具 有主轴闭环控制 功能。其特性与 进给系统伺服系 统相近，进行位 置控制。
主轴的刀具自动夹紧机构
在带有刀库的自动换刀数控机床中，为实现刀具在主轴 上的自动装卸，其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构。 主轴前端的结构形式。
主轴运动的控制幻灯片
第三节 主轴分段 无级变速及控制
•15
一、概述
❖ 采用无级调速主轴机构，主轴箱虽然得到大 大简化，但其低速段输出转矩常常无法满足 机床强力切削的要求。
❖ 单纯追求无级调速，会增大主轴电动机的功 率，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。
•16
❖ 当主轴采用齿轮减速后，虽然增大了低速输出力矩， 但也降低了最高主轴转速。因此，通常采用齿轮自 动换挡的方式，实现主轴分段无级变速，以达到同 时满足低速转矩和最高主轴转速的要求。
•6
(四) 主轴电动机特性曲线
•7
•8
❖ 某公司交流主轴驱动装置的特性曲线，其功率为5.5～7.5KW
•9
第二节 数控装置 与主轴驱动装置的信号连接
一、主轴伺服系统基本工作原理 二、主轴转速的控制及信号连接 三、开关量信号及控制
•10
ห้องสมุดไป่ตู้
安川 VS-626MT主轴伺服系统内部工作原理框图 ——典型的交－直－交变频电路
TTL、TTH输入信号有效时， 即进入力矩极限临时限制状态 TLE信号输出
达设定转速，输出信号 可作CNC主轴S指令完 成的应答信号
低于设定力矩，输出信号 检测主轴负载
两路模拟量输出用于 外接转速和负载表— —输出电压与实际转 速及负载成正比
•12
•13
主轴转速的四种控制方法
➢ 模拟电压指定：0～±10V ➢ 12位二进制指定：共12根信号线 ➢ 2位BCD码指定：00～99 ➢ 3位BCD码指定：000～999
热条件好，温升较低 ❖ 适用于机床、建筑、纺织等行业
•28
摩擦片式电磁离合器
❖ 采用摩擦片传递转矩，所以允许不停车变速 ❖ 缺点：
数控机床主轴驱动变频控制
数控机床主轴驱动变频控制一、前言数控机床是传统机床向智能化方向发展的结果，其操作简单、精度高、效率高等特点，使得其在现代制造业中大有用处。
数控机床中的主轴驱动控制是其中的一个重要环节，其精度和可靠性对整个机床的操作效果有着至关重要的作用。
本篇文档将主要介绍数控机床主轴驱动变频控制相关知识。
二、数控机床主轴驱动变频控制的原理数控机床的主轴驱动控制系统主要是由相关电气元件组成的变频器控制系统。
变频器就是将市电通过整流、滤波、逆变后输出一定的频率、电压并控制电机转速的电子装置。
在数控机床的主轴驱动系统中，变频器通过对电机控制进行电压和频率的调整，来实现主轴的旋转，进而控制其转速和输出功率。
变频器输出的频率、电压均可调整，因此可以通过控制变频器的输出，来实现对主轴的速度调节。
电气控制系统通过实时监测机床运行状态、主轴运行状态、机床速度、主轴转速等信息，根据预先设定的运转条件，通过控制变频器输出的电压、频率实现对机床的工作状态并实现对主轴的速度调节。
三、数控机床主轴驱动变频控制的优点与传统机床的主轴驱动方式相比，数控机床主轴驱动变频控制有诸多优点，主要体现在以下几个方面：1.可调性强：通过对变频器的控制，可以实现精确的主轴转速调节，可以满足不同需求的工件加工。
2.精度高：由于采用了电气控制系统，可以实现主轴转速的精确控制，进而实现加工精度的提高。
3.效率高：数控机床主轴驱动变频控制由于能够实现电气控制，减少了机械传动过程中的机械损耗，因此其效率远高于传统机床主轴驱动方式。
4.运转平稳：变频器可以调节输出电压和频率，可以进一步实现对主轴转速的控制，从而实现机床运转的平稳。
四、数控机床主轴驱动变频控制的应用数控机床主轴驱动变频控制技术的应用相当广泛，可以应用于各种数控机床类型，包括数控车床、数控加工中心、数控铣床等。
特别是在高速、高精度、高效率的加工应用中，其优势更加明显。
五、数控机床主轴驱动变频控制的维护和保养为了确保数控机床主轴驱动变频控制系统的长期稳定运行，必须进行日常的维护和保养。
第五章 主轴的驱动与控制
5.4 主轴准停控制
2.编码型主轴准停(安川主轴准停)
EAST CHINA INSTITUTE OF TECHNOLOgy EAST CHINA INSTITUTE OF TECHNOLOgy
2012-4-17
准停角度由外部开关量(12位)任意设定(与磁准停不同) 准停过程与磁准停过程类似.
在主轴电机上或主轴上直接安装编码器
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2012-4-17
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5.5 主轴与进给轴联动
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三、主轴旋转与径向进给的关联控制 利用数控车床或磨床进行端面切削时，为了 保证加工端面的平整光洁，要求实现即恒线速 度加工。 注：1.D逐渐减小时，主轴转 速也不能超过极限。 2.须满足功率与转矩的要 求。 视频
2012-4-17
5.4 主轴准停控制
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二、机械准停控制
带有V形槽的定位盘与主轴端面保持一定的关系，以确定位位置。 当要求准停时，主轴减速，当无触点开关检测到有效信号后，使主 轴停转并断开传动轴，当定位盘V槽与销正对时，销进入槽中。准停完 成。
毕业设计(论文)-数控机床主轴与变频器电机控制
湖南师范大学高等教育自学考试本科生毕业论文数控机床主轴与变频器电机控制学生姓名：年级专业：2008级数控指导老师及职称：学院：工学院湖南·长沙提交日期：2010年05月湖南师范大学高等教育自学考试本科生毕业论文诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
毕业论文作者签名：年月日目录摘要 (1)关键词 (1)1数控机床简介 (2)1.1数控机床主轴结构 (2)1.2 数控机床主轴传动形式 (2)1.3 数控机床主轴驱动方式 (2)1.4 数控机床电器控制系统的组成 (3)2 数控机床主轴系统 (3)2.1 数控机床主轴驱动系统分类 (3)2.2 数控机床的主轴性能 (3)2.3 主轴伺服系统的故障及诊断 (4)2.4 数控机床为何能加工高精度工件 (4)2.5 电主轴 (5)3 变频器矢量控制介绍 (6)4 数控车床主轴变频控制的系统结构与运行模式 (6)4.1 主轴变频控制的基本原理 (6)4.2 主轴变频控制的系统构成 (7)5 无速度传感器的矢量控制变频器 (8)5.1 主轴变频器的基本选型 (8)5.2 无速度传感器的矢量变频器 (9)5.3 矢量控制中的电机参数辨识 (9)5.4 数控车床主轴变频矢量控制的功能设置 (10)6 结论 (10)参考文献 (11)致谢 (11)数控机床主轴与变频器电机控制学生: 陈泽勇指导老师：周志冰（湖南师范大学工学院，长沙 410128）摘要：本次论文论述是数控机床主轴与变频器电机控制问题。
随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。
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通用性好的万能型车床、加工精度高 的精密 型车床 和加工 效率高 的专用 型车床 的特点 于一身 ，是国 内使用 量最大 ，覆盖 面最广 的一种 数控机 床。 11.马鞍车床
马鞍车床在车头箱处的左端床身为下沉 状，能 够容纳 直径大 的零件 。车床 的外形 为两头 高，中 间低， 形似马 鞍，所 以称为 马鞍车 床。马 鞍车床 适
4、专用变频电动机配通用变频器
中档数控机床主要采用这种方案，主轴传 动两挡变速甚至仅一挡即可实现转速在 100—200r/min左右时车、铣的重力切削。 一些有定向功能的还可以应用与要求精镗 加工的数控镗铣床，若应用在加工中心上， 还不很理想，必须采用其他辅助机构完成 定向换刀的功能，而且也不能达到刚性攻 丝的要求。
二、数控机床对主轴驱动系统的要 求
机床主轴的工作运动通常是旋转运动，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。
1、调速范围宽并实现无极调速
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
5、具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低。
6、良好的抗振性和热稳定性
主轴驱动及控制
§6.1概述 §6.2主轴的分段无级调速及控制 §6.3主轴准停控制
数控机床主传动系统是用 来实现机床主运动的，它将主 电动机的原动力变成可供主轴 上刀具切削加工的切削力矩和 切削速度。典型数控机床主传 动系统外观如左图。
§ 6.1概述
数控机床的主轴驱动系统也就是主传动系统，
它的性能直接决定了加工工件的表面质量，因此，
5、伺服主轴驱动系统
伺服主轴驱动系统具有响应快、速度
高、过载能力强的特点，还可以实现定向
和进给功能，当然价格也是最高的，通常
是同功率变频器主轴驱动系统的2--3倍以
上。伺服主轴驱动系统主要应用于加工中
心上，用以满足系统自动换刀、刚性攻丝、
主轴C轴进给功能等对主轴位置控制性能要
求很高的加工。
6、电主轴
电主轴是主轴电动机的一种结构形式，
驱动器可以是变频器或主轴伺服，也可以
不要驱动器。电主轴由于电机和主轴合二
为一，没有传动机构，因此，大大简化了
主轴的结构，并且提高了主轴的精度，但
是抗冲击能力较弱，而且功率还不能做得
太大，一般在10KW以下。由于结构上的优
势，电主轴主要向高速方向发展，一般在
10000r/min以上。
备下列三种基本机能： 车刀 1.冷硬性－在常温时的硬度，又名耐磨 性。
2.红硬性－在高温下还能保持切削所需 的硬度 。
3.韧性－能
承受振动和冲击负荷的机能。
高速钢(又名风钢、锋钢或白钢)
高速钢是一种含钨和铬较多的合金 钢。近 年来我 国试制 成功了 B202无 铬高速
合加工径向尺寸大，轴向尺寸小的零 件，适 于车削 工件外 圆、内 孔、端 面、切 槽和公 制、英 制、模 数、经 节螺纹 ，还可 进行钻 孔、镗 孔、铰 孔等工 艺
，特别适于单件、成批生产企业使用 。马鞍 车床在 马鞍槽 内可加 工较大 直径工 件。机 床导轨 经淬硬 并精磨 ，操作 方便可 靠。车 床具有 功率大 、转速 高
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10.数控车床 数控机床是一种通过数字信息，控制机 床按给 定的运 动轨迹 ，进行 自动加 工的机 电一体 化的加 工装备 ，经过 半个世 纪的发 展，数 控机床 已是现 代
制造业的重要标志之一，在中国制造 业中， 数控机 床的应 用也越 来越广 泛，是 一个企 业综合 实力的 体现。 数控车 床是数 字程序 控制车 床的简 称，它 集
，刚性强、精度高、噪音低等特点。
12.仪表车床
仪表车床属于简单的卧式车床，一般来 说最大 工件加 工直径 在250mm以下 的机床 ，多属 于
仪表车床。仪表车床分为普通型、六 角型和 精整型 。这种 车床主 要由工 人手工 操作， 适用于 单件、 简单零 部件的 大批生 产。 编辑本段车刀
车刀是车床加工必不可少的部分。车刀 是由刀 头和刀 杆两部 门组成 。刀杆 一般是 碳素结 构钢制 成。刀 头是担 任切削 工作的 ，所使 用的材 料必需 具
在数控机床的维修和维护中，主轴驱动系统显得
很重要。
一、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。
三、 不同类型的主轴系统的特点和 使用范围
1、普通笼型异步电动机配齿轮变速箱
这是最经济的一种方法主轴配置方式，
但只能实现有级调速，由于电动机始终工
作在重切削能力强，非常
适合粗加工和半精加工的要求。
2、普通笼型异步电动机配简易型变 频器
可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有
工作在约500转/分钟以上才能有比较满意的力矩
输出，否则，特别是车床很容易出现堵转的情况，
一般会采用两挡齿轮或皮带变速，但主轴仍然只
能工作在中高速范围，另外因为受到普通电动机
最高转速的限制，主轴的转速范围受到较大的限
制。
这种方案适用于需要无级调速但对低速和高速都 不要求的场合，例如数控钻铣床。国内生产的简 易型变频器较多。
3、普通笼型异步电动机配通用变频 器
目前进口的通用变频器，除了具有
U/f曲线调节，一般还具有无反馈矢量控制
功能，会对电动机的低速特性有所改善，
配合两级齿轮变速，基本上可以满足车床
低速（100—200转/分钟）小加工余量的
加工，但同样受最高电动机速度的限制。
这是目前经济型数控机床比较常用的主轴
驱动系统。
四、常用的主轴驱动系统介绍
1、FANUC（法那科）公司主轴驱动系统 目前三个系列交流主轴电动机为： S系列电动机，额定输出功率范围1.5～37KW； H系列电动机，额定输出功率范围1.5～22KW； P系列电动机，额定输出功率范围3.7～37KW。
该公司交流主轴驱动系统的特点为：①采用为处 理器控制技术，进行矢量计算，从而实现最佳控 制。②主回路采用晶体管PWM逆变器，使电动机 电流非常接近正弦波性。③具有主轴定向控制、 数字和模拟输入接口等功能。