《数控原理与系统》第6章主轴驱动及控制

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。

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Q2
C06
R02
R05
D9 C05
D12 C02
显示 /键盘逆变模块
控制给定输入控制接线板
键盘显
示
采样驱
动
主控板
控测量制
输控制出
接线板
图3-7 通用变频器的控制框图
图3-6 电压型交 -直 -交变频器主电路的基本结构
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数控原理与控制系统
制动电阻连接
B1、B2
接地
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四工作过程
华中“世纪星”HNC—21系统中，主轴驱动单元与数控系统通过单独的接口相连，由CNC和系统的PLC发出的控制信号，经主轴驱动器变换、调制、放大，输送到主轴电动机，驱动主轴电动机回转；同时，主轴检测元件将采集到的主轴运动状态信息反馈到CNC装置，经CNC装置处理后，变成新的信号输出。
二变频调速主轴驱动系统的构成
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数控原理与控制系统
三变频器主接线端子的介绍
主接线端子是变频器与电源及电动机连接的接线端子。
RS
T - + B1 B2 U V
W
图5-2 主接线端子的示意图
目的
使用端子
主回路电源输入
R、S、T
变频器输出
U、V、W
直流电源输入
-、+
直流电抗器连接
+、B1(去掉短接片)
主轴定向准停控制方式在主轴速度控制的基础上，增加一个位置控制环。
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数控原理与控制系统
模块3：主轴驱动装置
课题1 变频器主轴驱动
广东工贸职业技术学院

数控机床的伺服系统

第6章数控机床的伺服系统
伺服驱动装置
位置控制模块速度控制单元
工作台位置检测
速度环速度检测位置环
伺服电机
测量反馈
图6-1 闭环进给伺服系统结构
数控机床闭环进给系统的一般结构如图，这是一个双闭环系统，内环为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由 CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。
第6章数控机床的伺服系统
A C1 B4 2 B 3C A
逆时针转30º
C 4 B
A 1 2 3 A
B
C 1 B
A 2
B 3 C
C
逆时针转30º
4 A
第6章数控机床的伺服系统
采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按AB→BC→CA→AB（逆时针方向）或AC→CB→BA→AC（顺时针方向）进行，其步距角仍为30。由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。
第6章数控机床的伺服系统
设 A 相首先通电，转子齿与定子 A 、 A′ 对齐（图 3a ）。然后在 A 相继续通电的情况下接通 B 相。这时定子 B 、 B′ 极对转子齿 2 、 4 产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是 A 、 A′ 极继续拉住齿 1 、 3 ，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图 3b 所示，即转子从图 (a) 位置顺时针转过了 15° 。接着 A 相断电， B 相继续通电。这时转子齿 2 、 4 和定子 B 、 B′ 极对齐（图 c ），转子从图 (b) 的位置又转过了 15° 。其位置如图 3d 所示。这样，如果按 A→A 、 B→B→B 、 C→C→C 、 A→A… 的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角 15° 。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按 A→A 、 C→C→C 、 B→B→B 、 A→A… 的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六拍方式。

数控技术及应用第6章数控机床的电气驱动-步进电动机

工作方式
步进电机的工作方式可分为：三相单三拍；三相单、步进电机的工作方式可分为：三相单三拍；三相单、双六拍；三相双三拍等双六拍；三相双三拍等。“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指每三次换接为一个循环。
一、三相单三拍
（1）三相绕组联接方式：Y 型三相绕组联接方式：（2）三相绕组中的通电顺序为：三相绕组中的通电顺序为： A相 → B相 → C相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相 → C 相→ B 相
A 相通电使转子1、3齿和 AA' 对齐。相通电使转子1 对齐。
A
B'
A C' B
B'
C' B
A'
C
A'
C
B相通电，转子2、4齿相通电，转子、齿相通电相轴线对齐，和B相轴线对齐，相对相轴线对齐 A相通电位置转 °；相通电位置转30° 相通电位置转
C相通电再转 ° 相通电再转30° 相通电再转
（3）工作过程） A 相通电，A 方向的磁相通电，
A
B' 4 1 2 3 A'
通经转子形成闭合回路。通经转子形成闭合回路。
C' B
若转子和磁场轴线方向原有一定角度，原有一定角度，则在磁场的作用下，转子场的作用下，
C
被磁化，吸引转子，被磁化，吸引转子，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，使转、生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，使转、定子的齿对齐停止转动。定子的齿对齐停止转动。
2、步进电动机
工作原理：工作原理：步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲脉冲线位移或角位移的电动机。每来一个信号转换成线位移或角位移线位移或角位移信号电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。特点：特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变转动方向。 (4)角位移量或线位移量与电脉冲数成正比。

第六章数控系统的概念及组成

第六章数控系统的概念及组成6.1 概述通常所说的数控系统是指数控装置与伺服系统的集成，即伺服系统是数控系统的执行系统。

数控装置发出速度和位移命令，伺服系统控制执行件按指令速度和方向运动。

6.1.1 伺服系统的概念及组成伺服意指“伺服、服从”，即随动之意。

伺服系统接受来自数控装置的命令，经过放大和转换，驱动数控机床上的执行件（主轴、刀架或工作台）实现预期的运动，并将运动结果负反馈进行偏差控制，完成精确地运动。

按ISO标准，伺服系统是一种以伪造和速度作为控制变量的自动控制系统，其中包含功率放大和反馈，从而使得输出变量的值紧密地响应输入量的值。

它与一般机床进给系统有着本质的区别：一般机床进给系统的作用在于保证切削过程能够继续进行，不能控制执行件的位移和轨迹；伺服系统将指令信息加以转换和放大，不仅能控制执行件的速度和方向，而且能精确控制其位置，以及几个执行件按一定的规律合成的轨迹。

6.1.2 数控机床伺服系统的组成原理伺服系统一般由驱动装置、伺服电动机组成，完整的伺服系统还包括数控装置、机械系统和检测反馈装置等。

驱动装置和伺服电动机组成伺服驱动系统，机械传动结构和执行件组成机械系统，如图4-1所示。

①伺服驱动装置——功率大、信号处理等，以驱动伺服电动机。

②伺服电动机——将电信号转换成旋转的机械运动信号。

③数控装置——接收加工指令程序与反馈信号，输出指令信号。

④机械系统——将伺服电动机输出的旋转运动传递转换为执行件的运动，参见第5章⑤检测反馈装置——将检测元件检测到的位置、速度信号进行处理，以形成反馈电信号。

包括测速发单机、脉冲编码器和信号处理电路等。

位置控制主要是对机床运动坐标轴进行控制，是要求最高的位置控制，不仅对单个轴的运动速度和位置精度的控制有严格要求，而且在多轴联动时，还要求各移动轴由很好的动态配合，才能保证加工效率、加工精度和表面粗糙度。

有关内容参见11章。

图4-1 机床伺服系统的组成原理伺服系统是一种反馈控制系统，以指令脉冲为输入给定量，与输出量进行比较，利用偏差值对系统进行自动调节，以消除偏差，使输出量紧密跟踪给定值。

数控机床维修与调整第6章主轴驱动系统的故障诊断

3．主传动变速的配置形式
（a）由调速电动机直接驱动
（b）通过带传动的主传动
（c）带有变速齿轮的主传动图6－1 数控机床主传动系统三种配置方式
6.1.2．主轴驱动系统的分类
6.1.3．常用的主轴驱动系统介绍
1．FANUC（法那科）公司主轴驱动系统 2．SIEMENS（西门子）公司主轴驱动系统 3．DANFOSS（丹佛斯）公司系列变频器 4．HITACHI（日立）公司系列变频器 5．HNC（华中数控）公司系列主轴驱动系统
6.1.1．不同类型的主轴系统的特点和使用范围 1．主轴系统的特点 2．主轴系统的类型和使用范围主轴传动和进给传动一样，经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动，而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，目前已很少见到在数控机床上有使用直流主轴伺服系统了。
故障部位电气部分故障
可能原因
检查步骤
排除措施确保电源正确确保接线正确，且反馈装置正常根据参数说明书，设置好相关参数
系统电源缺相、相序不正测量输入的系统电源确或电压不正常反馈不正确测量反馈信号
驱动器异常，如：增益调整电路或颤动调整电路的调整不当三相输入的相序不对用万用表测量输入电源
确保电源正确
6.4．主轴通用变频器
6.4.1．变频器技术简介 6.4.2．变频器调速原理与特性 6.4.3．三菱FR-A500系列变频器 6.4.4．主轴通用变频器常见报警及故障处理 6.4.5．通用变频器故障维修实例
表6－6 电动机不转的故障综述
表6－7 主轴定向不停止的故障综述
表6－8 电刷磨损严重或电刷面上有划痕的可能原因
6.2.5．直流主轴驱动系统日常维护

数控技术第六章数控机床的伺服驱动系统

白城师范学院机电系机自教研室
16
全闭环数控系统
CNC 插补指令
位置控制单元
速度控制单元
+
位置控制 +
速度控制
- 调节器
- 调节与驱动
实际位置反馈
实际速度反馈
检测与反馈单元
电机
机械执行部件
在由❖闭位由环置于伺检位服测置系元环统件内❖中来的全，测许闭由量多速工环机度作数械检台传控测的动系元位环统件置节的来，的测由位摩量速置擦电度特采动和性样机位、点的置刚速反性度馈和，信号讲具❖车间环来，有该隙系床调可很都统系、节以高是的统伺消的超非设主服除位精线计电整置要磨性、如件动个控用床的安机驱制图的于，装以的动精的实精故和及速和度虚际❖动很调度度传。较闭线位容试机要和动其大环易都所置或工环定求型造相系示进作节位交很的成当统台的精，行流高系困数的误度通直检伺的统难控位差一常接测服的。镗置、般机使对。不电铣。间为床用稳运动因隙0床等.定直0动此和机、0。，1流从失部。超～使理动伺精闭论量服上。电
❖ （4）能承受频繁的起动、制动和正反转。
白城师范学院机电系机自教研室
10
❖ 三、位置控制系统和速度控制系统的主要技术指标
❖ 位置控制系统是保证位置精度的重要环节。
❖ 速度控制系统由速度控制单元、伺服电动机、速度检测装置等构成。速度控制系统的核心是速度控制单元，用来控制电动机转速。
❖ 一般的位置控制包括位置环和速度环，具有位置控制环节的系统才是真正的伺服系统。
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第六章数控机床的伺服驱动系统

第六章数控机床的伺服驱动系统第一节概述一、数控机床伺服系统的概念及组成如果说CNC装置是数控机床的“大脑”，发布“命令”的指挥机构，那么，伺服系统就是数控机床的“四肢”，是一种“执行机构”，它忠实而准确地执行由CNC装置发来的运动命令。

数控机床伺服系统是以数控机床移动部件（如工作台、主轴或刀具等）的位置和速度为控制对象的自动控制系统，也称为随动系统、拖动系统或伺服机构。

它接受CNC装置输出的插补指令，并将其转换为移动部件的机械运动（主要是转动和平动）。

伺服系统是数控机床的重要组成部分，是数控装置和机床本体的联系环节，其性能直接影响数控机床的精度、工作台的移动速度和跟踪精度等技术指标。

通常将伺服系统分为开环系统和闭环系统。

开环系统通常主要以步进电动机作为控制对象，闭环系统通常以直流伺服电动机或交流伺服电动机作为控制对象。

在开环系统中只有前向通路，无反馈回路，CNC装置生成的插补脉冲经功率放大后直接控制步进电动机的转动；脉冲频率决定了步进电动机的转速，进而控制工作台的运动速度；输出脉冲的数量控制工作台的位移，在步进电动机轴上或工作台上无速度或位置反馈信号。

在闭环伺服系统中，以检测元件为核心组成反馈回路，检测执行机构的速度和位置，由速度和位置反馈信号来调节伺服电动机的速度和位移，进而来控制执行机构的速度和位移。

数控机床闭环伺服系统的典型结构如图1-5所示。

这是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。

速度环由速度调节器、电流调节器及功率驱动放大器等部分组成，利用测速发电机、脉冲编码器等速度传感元件，作为速度反馈的测量装置。

位置环是由CNC 装置中位置控制、速度控制、位置检测与反馈控制等环节组成，用以完成对数控机床运动坐标轴的控制。

数控机床运动坐标轴的控制不仅要完成单个轴的速度位置控制，而且在多轴联动时，要求各移动轴具有良好的动态配合精度，这样才能保证加工精度、表面粗糙度和加工效率。

二、伺服系统应具有的基本性能1．高精度：伺服系统的精度指输出量能够复现输入量的精确程度。

数控机床技术第六章数控机床的进给传动系统

数控机床技术第六章数控机床的进给传动系统
第六章数控机床的进给传动系统
数控机床技术第六章数控机床的进给传动系统
第六章数控机床的进给传动系统
数控机床技术第六章数控机床的进给传动系统
第六章数控机床的进给传动系统
5.3 高速主பைடு நூலகம்系统和电主轴
一、高速主轴系统高速切削是20世纪70年代后期发展起来的一种新
数控机床技术第六章数控机床的进给传动系统
第六章数控机床的进给传动系统
2．特点
1）摩擦系数很小，仅为0.0005，比滚珠丝杠（摩擦系数为0.002-0.005）的摩擦损失更小，因此其启动力矩很小，传动灵敏，避免了爬行。
2）油膜层可以吸振，提高了运动的平稳性。 3）油液不断流动，有利于散热和减少热变形，提高了机床的加工精度和光洁度。 4）油膜层具有一定刚度，减小了反向间隙。 5）油膜层介于螺母与丝杠之间，对丝杠的误差有“均化” 作用，可使丝杠的传动误差小于丝杠本身的制造误差。 6）承载能力与供油压力成正比，与转速无关。但静压丝杠副应有一套供油系统，而且对油的清洁度要求高，如果在运动中供油因故中断，将造成不良后果。
数控机床技术第六章数控机床的进给传动系统
第六章数控机床的进给传动系统
第六章数控机床的进给传动系统
❖ 6.1 对进给传动系统的基本要求 ❖ 6.2 数控机床进给传动系统的基本形式 ❖ 6.3 进给传动系统齿轮传动间隙消除方法
数控机床技术第六章数控机床的进给传动系统
第六章数控机床的进给传动系统
数控机床技术第六章数控机床的进给传动系统
第六章数控机床的进给传动系统
4．滚珠丝杠副的密封与润滑（1）密封
通常，滚珠丝杠副可用防尘密封圈和防护套密封。密封圈有接触式和不接触式两种，装在滚珠螺母的两端。防护套可防止尘土及杂质进入滚珠丝杠。对于暴露在外面的丝杠一般采用螺旋钢带、伸缩套筒、锥形套管以及折叠式防护罩。这些防护罩一端连接在滚珠螺母的端面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。近年来，还出现了一种钢带缠卷式丝杠防护装置。

数控技术及应用第6章：数控机床的电气驱动

绿色化
随着环保意识的提高，未来数控机床电气驱动系统将更加注重节数控机床电气驱动系统的硬件组成
主轴电机及其驱动装置
主轴电机
用于驱动数控机床的主轴旋转，实现切削加工。
主轴驱动装置
控制主轴电机的启动、停止、转速和转向，确保主轴按照加工要求稳定运行。
进给电机及其驱动装置
精确控制。
进给电机控制软件的应用范围
03
广泛应用于数控机床、机器人、自动化生产线等机械设备中，
用于驱动工作台、机械臂等部件的移动。
电气驱动系统的故障诊断与维护
故障诊断软件的主要功能
通过采集电气驱动系统的运行数据，实时监测电气驱动系统的状态，发现异常情况及时报警，并提供故障诊断和定位功能。
故障诊断软件的应用范围
用于降低数控机床在工作过程中产生的热量，保持机床的稳定运行和延长使用寿命。
03
数控机床电气驱动系统的软件控制
主轴电机的软件控制
主轴电机控制软件的主要功能
控制主轴电机的启动、停止、正反转、调速等操作，确保主轴电机按照设定的参数和程序运行。
主轴电机控制软件的实现方式
通过PLC（可编程逻辑控制器）或专用控制器编写控制程序，实现对主轴电机的精确控制。
数控车床的电气驱动系统主要用于控制车床的主轴和进给轴，实现工件的切削加工。
应用实例：某公司生产的数控车床采用交流伺服电机驱动，具有高精度、高效率的特点，广泛应用于汽车零部件、轴承等行业的加工。
数控铣床的电气驱动系统应用实例
数控铣床的电气驱动系统主要用于控制铣床的主轴、进给轴和旋转轴，实现复杂零件的加工。
广泛应用于数控机床、自动化生产线等机械设备中，用于提高设备的可靠性和稳定性，降低故障率。