数控系统主轴驱动与准停控制

第六章主轴驱动及控制§6.1概述§6.2主轴分段无级调速及控制§6.3主轴准停控制数控系统主轴驱动与准停控制第1页数控机床主传动系统是用来实现机床主运动，它将主电动机原动力变成可供主轴上刀具切削加工切削力矩和切削速度。经典数控机床主传动系统外观如左图。数控系统主轴驱动与准停控制第2页§6.1概述数控机床主轴驱动系统也就是主传动系统，它性能直接决定了加工工件表面质量，所以，在数控机床维修和维护中，主轴驱动系统显得很主要。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动力装置部分。主轴驱动系统经过该传动机构转变成主轴上安装刀具或工件切削力矩和切削速度，配合进给运动，加工出理想零件。它是零件加工成型运动之一，它精度对零件加工精度有较大影响。数控系统主轴驱动与准停控制第3页二、数控机床对主轴驱动系统要求

机床主轴工作运动通常是旋转运动，数控机床通常经过主轴回转与进给轴进给实现刀具与工件快速相对切削运动。1、调速范围宽并实现无极调速2、恒功率范围要宽3、含有4象限驱动能力4、含有位置控制能力5、含有较高精度与刚度，传动平稳，噪音低。6、良好抗振性和热稳定性数控系统主轴驱动与准停控制第4页三、

不一样类型主轴系统特点和使用范围

1、普通笼型异步电动机配齿轮变速箱这是最经济一个方法主轴配置方式，但只能实现有级调速，因为电动机一直工作在额定转速下，经齿轮减速后，在主轴低速下输出力矩大，重切削能力强，非常适合粗加工和半精加工要求。数控系统主轴驱动与准停控制第5页能够实现主轴无级调速，主轴电动机只有工作在约500转/分钟以上才能有比较满意力矩输出，不然，尤其是车床很轻易出现堵转情况，普通会采取两挡齿轮或皮带变速，但主轴依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限制，主轴转速范围受到较大限制。这种方案适合用于需要无级调速但对低速和高速都不要求场所，比如数控钻铣床。国内生产简易型变频器较多。2、普通笼型异步电动机配简易型变频器数控系统主轴驱动与准停控制第6页3、普通笼型异步电动机配通用变频器当前进口通用变频器，除了含有U/f曲线调整，普通还含有没有反馈矢量控制功效，会对电动机低速特征有所改进，配合两级齿轮变速，基本上能够满足车床低速（100—200转/分钟）小加工余量加工，但一样受最高电动机速度限制。这是当前经济型数控机床比较惯用主轴驱动系统。数控系统主轴驱动与准停控制第7页4、专用变频电动机配通用变频器

中等数控机床主要采取这种方案，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、铣重力切削。一些有定向功效还能够应用与要求精镗加工数控镗铣床，若应用在加工中心上，还不很理想，必须采取其它辅助机构完成定向换刀功效，而且也不能到达刚性攻丝要求。数控系统主轴驱动与准停控制第8页5、伺服主轴驱动系统伺服主轴驱动系统含有响应快、速度高、过载能力强特点，还能够实现定向和进给功效，当然价格也是最高，通常是同功率变频器主轴驱动系统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轴进给功效等对主轴位置控制性能要求很高加工。数控系统主轴驱动与准停控制第9页6、电主轴

电主轴是主轴电动机一个结构形式，驱动器能够是变频器或主轴伺服，也能够不要驱动器。电主轴因为电机和主轴合二为一，没有传动机构，所以，大大简化了主轴结构，而且提升了主轴精度，不过抗冲击能力较弱，而且功率还不能做得太大，普通在10KW以下。因为结构上优势，电主轴主要向高速方向发展，普通在10000r/min以上。数控系统主轴驱动与准停控制第10页四、惯用主轴驱动系统介绍

1、FANUC（法那科）企业主轴驱动系统

当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。该企业交流主轴驱动系统特点为：①采取为处理器控制技术，进行矢量计算，从而实现最正确控制。②主回路采取晶体管PWM逆变器，使电动机电流非常靠近正弦波性。③含有主轴定向控制、数字和模拟输入接口等功效。数控系统主轴驱动与准停控制第11页2、SIEMENS（西门子）企业主轴驱动系统

SIEMENS企业生产直流主轴电动机有1GG5、1GF5、1GL5和1GH5四个系列，与这四个系列电动机配套6RA24、6RA27系列驱动装置采取晶闸管控制。1PH5和1PH6两个系列交流主轴电动机，功率范围为3～100KW。驱动装置为6SC650系列交流主轴驱动装置或6SC611A（SIMODRIVE611A）主轴驱动模块，主回路采取晶体管SPWM变频器控制方式，含有能量再生制动功效。另外，采取为处理器80186可进行闭环转速、转矩控制及磁场计算，从而完成矢量控制。同过选件实现C轴进给控制，在不需要CNC帮助下，实现主轴定位控制。数控系统主轴驱动与准停控制第12页3、DANFOSS（丹佛斯）企业系列变频器

当前应用于数控机床上变频器系列惯用有：VLT2800，可并列式安装方式，含有宽范围配接电机功率：0.37KW-7.5KW200V/400；VLT5000，可在整个转速范围内进行准确滑差赔偿，并在3ms内完成。在使用串行通讯时，VLT5000对每条指令响应时间为0.1ms，可使用任何标准电机与VLT5000匹配。数控系统主轴驱动与准停控制第13页4、HITACHI（日立）企业系列变频器

HITACHI企业主轴变频器应用于数控机床上通常有：L100系列通用型变频，额定输出功率范围为0.2KW-7.5KW，V/f特征可选恒转矩/降转矩，可手动/自动提升转矩，载波频率0.5HZ-16HZ连续可调。日立SJ100系列变频器，是一个矢量型变频，额定输出功率范围为0.2KW-7.5KW，载波频率在0.5HZ-16HZ内连续可调，加减速过程中可分段改变加减速时间，可内部/外部开启直流制动；日立SJ200/300系列变频器，额定输出功率范围为0.75KW-132KW，含有2台电机同时无速度传感器矢量控制运行且电机常数在/离线自整定。数控系统主轴驱动与准停控制第14页5、HNC（华中数控）企业系列主轴驱动系统

HSV-20S是武汉华中数控股份有限企业推出全数字交流主轴驱动器。该驱动器结构紧凑、使用方便、可靠性高。采取是最新专用运动控制DSP、大规模现场可编程逻辑阵列（FPGA）和智能化功率模块（IPM）等当今最新技术设计，含有025、050、075、100各种型号规格，含有很宽功率选择范围。用户可依据要求选配不一样型号驱动器和交流主轴电机，形成高可靠、高性能交流主轴驱动系统。数控系统主轴驱动与准停控制第15页五、主轴驱动系统分类

主轴驱动器主轴电动机分类：按变速方式：有级、无级、分段无级按电源方式：直流、交流数控系统主轴驱动与准停控制第16页§6.2主轴分段无级调速及控制

一、主轴无级调速方案二、分段无级调速控制三、齿轮变速自动换挡操纵机构数控系统主轴驱动与准停控制第17页一、主轴无级调速方案1、全段无级调速特点：需要大功率主轴电动机，使主轴电动机与驱动装置体积、重量、成本大大增加。2、同功率电动机，分段无级调速特点：可展宽恒功率范围，经济，但需要自动换挡机构。数控系统主轴驱动与准停控制第18页调速方式：数控系统主轴驱动与准停控制第19页二、分段无级调速控制数控机床常采取1~4挡齿轮变速与无级调速相结合方式，即分段无级变速。采取齿轮减速即使低速输出转矩增大，但降低了最高主轴转速。所以通常均采取齿轮自动变速，到达同时满足低速转矩和最高主轴转速要求。普通说来，数控系统均提供4挡变速功效要求，而数控机床通常使用2挡即可满足要求。数控系统主轴驱动与准停控制第20页三、齿轮变速自动换挡操纵机构主轴电动机变速齿轮传递主轴变速方法液压拨叉电磁离合器数控系统主轴驱动与准停控制第21页主轴换挡控制数控系统主轴驱动与准停控制第22页§6.3主轴准停控制当主轴停顿时，控制其停于固定位置（定位于圆周上特定角度）又称“主轴准停”、“主轴定位”、“主轴定向”准停指令：M19或M06数控系统主轴驱动与准停控制第23页一、主轴定向用途加工中心自动换刀精镗后退刀背镗车床上工件定位

数控系统主轴驱动与准停控制第24页1、加工中心自动换刀(Autotoolchanging)在加工中心中，当主轴停转进行刀具交换时，主轴需停在一个固定不变位置上，从而确保主轴端面上键也在一个固定位置，这么，换刀机械手在交换刀具时，能确保刀柄上键槽对正主轴端面上定位键。数控系统主轴驱动与准停控制第25页2、精镗孔后退刀(Fineboring)在精镗孔退刀时，为了防止刀尖划伤已加工表面，采取主轴准停控制，使刀尖停在一个固定位置（X轴或Y轴上），方便主轴偏移一定尺寸后，使刀尖离开工件表面进行退刀。数控系统主轴驱动与准停控制第26页3、背镗（Counterboring）经过小孔镗大孔，主轴准停控制，使刀尖停在一个固定位置（X轴或Y轴上），方便主轴偏移一定尺寸后，使刀尖能经过前壁小孔进入箱体内对大孔进行镗削。数控系统主轴驱动与准停控制第27页4、车床上工件定位

用于工件定位，进行自动装载和卸载数控系统主轴驱动与准停控制第28页二、主轴定向控制实现方式（Methods）机械准停（Mechanicalorientation）电气准停（Electricalorientation）数控系统主轴驱动与准停控制第29页1、V型槽定位盘—滚轮准停装置（Mechanicalorientation）M19→主轴减速→无触点开关发信→主电机停转，惯性空转→活塞在电磁阀作用下，将滚轮推入V型槽，同时行程开关发出应答信号，准停结束，能够进行换刀等动作。数控系统主轴驱动与准停控制第30页2、磁性传感器或编码器准停

（Electronicorientation）利用装在主轴上磁性传感器或编码器作为检测元件，经过它们输出反馈信号，使主轴准确地停在要求位置上。数控系统主轴驱动与准停控制第31页举例FANUC系统中编码器主轴定向控制连接图数控系统主轴驱动与准停控制第32页电气准停特点1)不需