第五章 数控机床主轴控制系统

第五章数控机床主轴控制系统5.1概述5.2普通主轴控制5.3数控机床变频调速主轴和伺服主轴的工作原理

5.4主轴驱动装置的接口和选型

5.5数控机床的主轴系统

数控机床主轴及其控制系统的性能在某种程度上决定了机床的性能及其档次，因此，在数控机床的发展进程中都引起高度的重视。本章首先介绍数控机床主轴控制系统的要求；接着简要阐述三相笼型感应电动机+齿轮变速箱这种普通主轴的控制；紧接着以较大的篇幅阐述变频器调速主轴的工作原理，特别是其中的感应电动机变频调速原理；然后自然地引入矢量控制和直接转矩控制，这些都是现代数控机床高性能主轴的基础；此后介绍了主轴控制系统的接口和选型，为数控系统的设计提供参考；由于加工中心机床的日益普及，因此，本章最后介绍了主轴的定向功能和主轴的进给功能。

5.1概述

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是往复运动。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

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。目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达1∶100，恒功率调速范围也可达1∶30，一般过载1.5倍时可持续工作达到30min。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。

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。5.2普通主轴的控制

三相笼型感应电动机具有结构简单、价格便宜、坚固耐用、维修方便等优点。因此三相笼型感应电动机+齿轮变速箱的主轴变速系统方案广泛应用于传统的机床，在旧机床的数控化改造和一些简易型数控机床上也有较多的采用，这种主轴变速系统方案简称普通主轴，三相笼型感应电动机也简称为普通主轴电动机。普通主轴的控制通过对三相笼型感应电动机的控制实现，包括起动、换向、停止制动和调速等。5.2.1三相笼型感应电动机起动

三相笼型感应电动机的起动方式有直接起动与降压起动两种。三相笼型感应电动机直接起动简便、经济。但直接起动时的起动电流是额定电流的4~7倍，过大的起动电流会造成电网电压明显下降，直接影响在同一电网工作的其它负载设备的正常工作，所以直接起动电动机的容量受到一定限制。通常容量小于11Kw的笼型电动机可采用直接起动。当电动机容量较大时，则采用降压起动。有时为了减小或限制起动时对机械设备的冲击，即使是容量较小的电动机，也要求采用降压起动。

三相笼型电动机一般采用三相交流380V电源供电，接通电源（一般由交流接触器完成）即可旋转，交换三相电源中的任意两相即可改变电机的旋转方向。直接起动是指直接将电源加载到电动机上，而降压起动则是先通过降压电路使电动机以较小的起动电流和电压旋转起来，当电动机接近额定转速时再将电动机定子绕组电压恢复到额定电压，电动机进入正常运行。

三相笼型感应电动机降压起动方法有：定子串电阻或电抗器降压起动、自耦变压器降压起动、星-三角降压起动、延边三角形降压起动等。1.直接起动（direct-on-linestarting）

三相笼型感应电动机直接起动是中小型数控机床常用的方法，其控制电路主回路如图5-2所示。空气开关QF3手动控制，有短路保护和过载保护功能；交流接触器KM3、KM4控制电动机两个旋转方向的直接起动；三相RC灭弧器RC2用于消除电动机起动/停止或切换的瞬时高压拉弧。

2．星-三角（Y-∆）降压起动（star-deltastarting）

凡是正常运行时三相定子绕组接成三角形运转的三相笼型感应电动机都可采用星-三角（Y-∆）降压起动。起动时，定子绕组先接成Y联结，接入三相交流电源。由于每相绕组的电压下降到正常工作电压的，故起动电流则下降到全压起动时的1/3。电动机起动旋转，当转速接近额定转速时，将电动机定子绕组改成∆联结，电动机进入正常运行。这种降压起动方法简便、经济，可用在操作较频繁的场合，但其起动转矩只有全压起动时的1/3。Y系列电动机起动转矩为额定转矩的1.4~2.2倍，所以Y系列电动机Y-∆起动不仅适用于轻载起动，也适用于较重负载下的起动。图5-3为Y-∆降压起动电路图。电路工作说明：起动时KM1通电吸合并自保，KM1主触点闭合接入三相交流电源，电动机联结成Y形；接近额定转速时KM1断开，KM2吸合，其主触点将电动机定子联结成∆形，其辅助触点断开；KM1线圈重新通电吸合，于是电动机在D联结下正常运转。由于电动机主电路采用KM2常闭辅助触点来短接电动机三相绕组末端，因容量有限，故该控制电路仅用于13kW以下电动机的起动控制。对于13kW以上电动机，则采用另一个接触器代替KM2常闭辅助点来短接电动机三相绕组实现Y-∆的转换，由于KM2接在∆内，因而它们的额定电流为接在∆外时的1/。。另外还有定子绕组串接电阻的降压起动（statorresistancestarting）、自耦变压器降压起动（acto-tronsformerstarting）和延边三角形降压起动等方法，一般用较少，此处不再赘述。5.2.2三相笼型感应电动机的制动

三相感应电动机断开电源后，由于惯性作用，转子需经一定时间才停止旋转，这往往不能满足某些生产机械的工艺要求，也影响生产率的提高，并造成运动部件停位不准确，工作不安全。为此，应对电动机采取有效的制动措施。一般采用的制动方法有机械制动与电制动（electricbraking）。所谓机械制动，是利用外加的机械作用力使电动机转子迅速停止的一种方法。电制动是使电动机工作在制动状态，即使电动机电磁转矩方向与电动机旋转方向相反，起制动作用。电制动方法有反接制动、直流制动、电容制动及双流制动等。1．反接制动（plugbraking）

普通主轴的反接制动是指电源反接制动，即改变电动机电源相序，使电动机定子绕组产生的旋转磁场与转子旋转方向相反，产生制动，使电动机转速迅速下降。当电动机转速接近零时应迅速断开三相电源，否则电动机将反向起动。另外，反接制动时，转子与定子旋转磁场的相对速度接近于2倍的同步转速，以致反接制动电流相当于电动机全压起动时起动电流的2倍。为防止绕组过热和减小制动冲击，一般应在电动机定子电路中串入反接制动电阻，反接制动电阻的接法有对称接法与不对称接法两种。由于在反接制动过程中，由电网供给的电磁功率和拖动系统的机械功率，全都转变为电动机的热损耗，而笼型感应电动机转子内部无法串接外加电阻，这就限制了笼型感应电动机每小时反接制动的次数，以避免电动机过热烧坏。

正如前述，反接制动的关键在于改变电动机电源相序，并在转速接近于零时，迅速将三相电源切断，以免引起反向起动。为此采用速度继电器来检测电动机的转速变化，并将速度继电器调整在n>130r/min时速度继电器触点动作，而当n<100r/min时，触点复原。实施的方法是：电动机定子绕组串入不对称电阻，接入反相序三相电源，即反接制动，使电动机转速迅速下降，当电动机转速低于100r/min时，速度继电器释放，其常开触点复位，使KM2线圈断电释放（见图5-4），电动机断开三相电源，此后自然停车，转速至零。图5-4为电动机反接制动电路。图中KM1、KM2为电动机正、反转接触器，KM3为短接反接制动电阻接触器，KS为速度继电器，R为反接制动电阻。2．直流制动（d.c.cnjectionbraking）

直流制动原理是在三相感应电动机断开三相交流电源后，迅速在定子绕组上加一直流电源（如图5-5所示），产生恒定磁场，利用转子感应电流与恒定磁场的作用达到制动目的。按直流制动时间的控制方法，有时间继电器控制与速度继电器控制。按直流电源的整流电路有：适用于中小功率电动机的单相桥式整流直流制动、适用于大功率电动机的三相整流直流制动，对于10kW以下电动机，在制动要求不高的场合，为减少设备，降低成本，减小体积，还可采用无变压器的单管直流制动。直流制动比反接制动消耗的能量少，其制动电流也比反接制动时小得多，但需增加一套整流装置。一般来说，直流制动适用于容量较大的电动机和起制动频繁的场合3．双流制动

双流制动主电路如图5-6所示，其中KM1为正常运行接触器，KM2为制动接触器，使电机反相序接上电源，并串入整流二极管。由运行转入制动时，由于二极管的整流作用，其中交流成分产生反接制动转矩，其中直流成分产生直流制动转矩，故称为双流制动，亦称为混合制动。因此双流制动既避免了直流制动力量不足，又避免了反接制动不能准确停车缺点。

双流制动使电机迅速制动，进入反相低速稳定运行，其低速约为电动机同步转速的1%~2%，可在适当时间切断KM2进行准确定位。5.2.3普通主轴的调速

由三相感应电动机的转速可知，感应电动机的调速（adjnstable-speed）方法有：变极对数P、变转差率S、变频率f1三种调速。对于普通主轴，电动机的转速通常无法改变，只能通过改变齿轮变速箱的传动比来改变主轴的转速；也可以采用双速电机或多速电机，通过改变电机的极对数改变电动机的转速，从而改变主轴的转速。采用普通主轴的电路设计需要注意：(1)电动机正反转控制电路必须有互锁，使得换向时不发生短路，以保证正常工作；(2)主电路应设隔离开关、短路保护、过载保护等。对1kW以上的、连续工作的电动机必须具有过载保护。电动机过载保护器件复原后，不得使电动机重新自行起动(3)三相感应电动机反接制动可用速度继电器控制，但绝对不允许采用时限方式控制；(4)反接制动时，旋转磁场的相对速度很大，定子电流也很大，因此制动效果显著，但在制动过程中有冲击，对传动部件有损害，能量消耗较大，故用于不太经常制动的设备；(5)直流制动平稳、能量损耗小，但制动力较弱。其中电容制动迅速、制动能量损耗小，适用于系统惯性较小，要求制动频繁的场合。而双流制动适用于惯性转矩小并要求准确的定位系统。5.3数控机床变频调速主轴和伺服主轴的工作原理

主轴驱动系统包括主轴驱动器和主轴电动机。数控机床主轴的无级调速则是由主轴驱动器完成。主轴驱动系统分为直流驱动系统和交流驱动系统，目前数控机床的主轴驱动多采用交流主轴驱动系统即交流主轴电动机配备变频器或主轴伺服驱动器控制的方式。为满足数控机床对主轴驱动的要求，主轴驱动系统必须具备下述功能：(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、减速时间短；(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、重量轻。直流主轴电动机驱动器有可控硅调速和脉宽调制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，因而在对静动态性能要求较高的数控机床进给驱动装上置曾广泛使用。而三相全控可控硅调速装置则适于大功率应用场合。交流主轴驱动系统通常采用感应电动机作为驱动电机，由变频逆变器实施控制，有速度开环或闭环控制方式。也有采用永磁同步电动机作为驱动电机，由变频逆变器实现速度环的矢量控制，具有快速的动态响应特性，但其恒功率调速范围较小。

对于进给用交流伺服电动机，电动机的结构有笼型感应电动机和永磁式电动机两种结构，而且大都采用后一种结构形式。而交流主轴电动机与伺服进给电动机不同。交流主轴电动机多采用感应电动机。这是因为受永磁体的限制，当容量做得很大时电动机成本太高，使数控机床难以使用。另外数控机床主轴驱动系统不必像进给伺服驱动系统那样，要求如此高的性能，调速范围也可以不要太大。因此，采用感应电动机进行矢量控制就完全能满足数控机床主轴的要求。虽然，可以采用普通感应电动机作为数控机床的主轴电动机，但为了得到好的主轴特性而采用变频矢量控制时，交流主轴电动机一般是专门设计的，具有自己的特点。在电动机安装上，有法兰式和底座式两种，可根据不同需要选用。5.3.1三相笼型感应电动机工作原理三相笼型感应电动机又称三相鼠笼式感应电动机，是变频主轴驱动系统常采用的主轴电动机。笼型感应电动机转子的结构比较特殊，在转子铁心上开有许多槽，每个槽内装有一根导体，所有导体两端短接在端环上。如果去掉铁心，转子绕组的形状像一个笼型，所以叫做笼型转子。图5-9为三相笼型感应电动机的原理图。三相笼型感应电动机由固定的、有三相绕组的定子和可以旋转的、有笼条的转子构成。在定子铁心内放置着空间位置上互差2π/3的三组线圈构成的三相绕组。转子铁心里安置的是自成回路的“短路绕组”。，当三相定子绕组通以对称三相电流时，会在定子与转子间的气隙中产生一个合成的旋转磁场，并以同步转速n1=60f1/p（f1，电流频率；p，电机极对数）旋转，其旋转方向由电流的相序决定，若以iA→iB→iC轮流达到其正峰值，其转向则为反时针，如图中n1所示。

感应电动机转子绕组里的电流不是从外部通入的，而是绕组本身因切割旋转磁场的磁力线而感应产生的。这是由于转子的转速n较旋转磁场的转速n1慢，转子上的导体与旋转磁场之间便存在相对运动，因而产生感应电动势e2，如图5-9所示。在感应电动势作用下，导体内产生电流，电流与电动势有一定夹角，而非垂直，其中，有功分量i2a将与磁场相互作用产生电磁力f，转子在该电磁力作用下转动起来，其转向与旋转磁场转速n1相同。在空载稳态下，转速达到n0。转速n0应小于n1，因为电动机轴上总带有机械负载，即使空载时也存在摩擦、风阻等。为了克服负载阻力，转子绕组中必须有一定大小的电流，以产生足够的电磁转矩。而转子绕组中的电流是由旋转磁场切割转子产生的，一旦n0=n1时，转子导体与旋转磁场n1不存在相对运动，转子导体将不切割磁力线，感应电动势、电流以及电磁转矩也就不会产生。这一点与同步电动机有本质差别。而转子转速比旋转磁场低多少主要由机械负载决定，负载大则需要较大的导体电流，转子导体相对旋转磁场就必须有较大的相对速度。若定义S=(n1-n)/n1为转差率，感应电机的转速可表示为：

因为这种电动机的转子转速总要滞后于定子旋转磁场转速，所以称其为异步电动机。又因为转子导体的电流是切割定子旋转磁场时感应产生的，因此异步电动机也叫做感应电动机。

5.3.2感应电动机开环调频调速及其特性

感应电动机的转速为：n=（1-S）n1=60f1（1-S）/P从上式可以看出，变更电动机定子绕组的联接来改变电动机极对数，则电动机的转速可作有级变速，称为变极多速电动机，它们一般只有双速或三速，不能实现平滑地无级调速，只有改变供给电动机电源的频率才能获得平滑的无级调速特性。感应电动机每相的感应电动势可由下式表达：

式中：f────电源频率W────每相绕组有效匝数────每极磁通E────每相感应电动势，其值接近外施相电压U

感应电动机的每极磁通与成正比，即对于通用材料的感应电动机，过大，会使铁心饱和，导致电动机空载电流剧增，功率因数下降；过小，会使感应电动机转矩下降，输出功率减小，材料利用率低。因此在变频调速过程中，保持不变，才能实现恒转矩调速控制，即要保持为常数的控制，随着升高，必须同时升高电压值。当频率很小时，也很小，而定子的阻抗压降不能忽略，即必须适当地增大之比值，如图5-12所示，0—10范围内。当频率超过感应电动机铭牌的额定频率（例如50），由于电源电压的限制，已达到变频器输出电压的最大值再不能随而升高，感应电动机的每极磁通与成反比例下降，其转矩也随着反比例下降。感应电动机的输出功率（）则在此区域内保持不变，称为恒功率调速区域，而的区域，称为恒转矩调速区域。感应电动机工作在低频时，为了补偿定子阻抗压降，使得产生的感应电势保持恒定，提高了定子端电压，对应于不同频率的同步转速。感应电动机的机械特性，在不同频率下，都具有相同的速度降落斜率，即在同一负载转矩下，有着相同的转速降落，其转速降落百分比（），随着频率下降将越来越大，调速性能下降。

5.3.3感应电动机的矢量控制

矢量变换控制（transvectorcontrol）是1971年由德国FelixBlaschek等人提出的，是对交流电动机调速控制的理想方法。矢量控制法的应用使交流电动机变频调速后的机械特性和动态性能足以与直流电动机相媲美。直流电动机的励磁电路磁场和电枢直流是互相独立的，电磁转矩（）与磁场和电枢直流成正比，而异步电动机的励磁电流和负载电流彼此互相关联。直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间互相垂直，而异步电动机的主磁场与转子电流磁场间的夹角，与转子回路的功率因数有关。直流电动机通过独立调节主磁场和电枢磁场之一进行调速，异步电动机则不能。因此，如果在交流电动机中，也能对负载电流和励磁电流分别进行控制，并使它们的磁场在空间上垂直，则交流电动机调速性能就可以和直流电动机相比。

矢量变换控制的基本想法是等效的概念，按照不同情况下的绕组产生同样的旋转磁场这一等效原则出发的，通过坐标变换，将三相交流输出电流变为等效的、彼此独立的励磁电流If和电枢电流Ia，从而使交流电动机能像直流电动机一样，通过对等效电枢绕组电流和励磁绕组电流的反馈控制，达到控制转矩和励磁磁通的目的。最后，通过相反的变换，将等效的直流量再还原为三相交流量，控制实际的三相感应电动机。采用这种控制方法，交流电动机的数学模型与直流电动机极其相似，使交流电动机能得到与直流电动机同样的调速性能。通过矢量变换关系，可以将三相交流感应电动机等效于直流电动机，再按直流电动机极其简单的规律进行控制，从而使感应电动机具有直流电动机的控制性能，这就是感应电动机的矢量控制。

5.3.4感应电动机的直接转矩控制

感应电动机直接转矩控制方式以转矩比较调节环和定子磁链比较调节环为核心。两个调节环的输入量为指令值和电动机模型输出的实际值，其中电动机模型的输入量为定子的电压及电流。利用两个调节环的输出量：电动机转矩和定子磁链，以及电动机模型输出的定子磁链相位，直接对逆变器桥臂的通断状态进行控制。感应电动机的直接转矩控制，避免了空间矢量变换和解耦运算，也没有用转子参数进行计算，消除了对转子参数的依赖性，简化了控制系统。并由比较器直接控制逆变器六只功率开关器件开关状态，藉以控制施加在电动机三相定子绕组上的电压及与之相关的定子磁链的大小和旋转角频率，从而控制了转差角频率的大小，达到了直接控制电动机转矩的目的。这种控制方式，可以将转矩的阶跃响应限制在一拍之内，且无超调，因而可以获得比矢量变换控制更高的动态性能，控制精度也得到了很大的提高。5.3.5交流主轴驱动装置的特性

交流主轴驱动装置包括交流变频主轴驱动装置和交流伺服主轴驱动装置，在特性上它们有共同点，但又有各自的特点。1．交流变频主轴驱动装置的特性交流主轴感应式电动机与选用的主轴变频驱动器配合，其特性由下表及图5-26所示。在基本速度以下为恒转矩区域，而在基本速度以上为恒功率区域。但有些电动机，当电动机速度超过某一定值之后，其功率速度曲线又会向下倾斜，不能保持恒动率。交流主轴电动机一般有1.5倍以上的过载能力，过载时间从几分钟到半个小时不等。2．交流伺服主轴装置的特性这种交流伺服主轴系统除了满足机床设计的切削功率及加减速功率，在额定转速以下具有恒转矩特性和额定转速以上的恒功率特性，还应具有伺服驱动的高动态响应和高精度调节特性，实现闭环的速度、位置控制，进行主轴的精确定向，刚性的螺纹加工，作为C轴的轮廓控制。因此交流伺服主轴应具有下列主要特性。

(1)足够大的转矩过载能力，通常应达到150~300%；(2)具有高分辨率的位置、速度、电流检测能力，例如10000脉冲/转位置分辨率和12bits电流检测精度；(3)采用更快的微处理器（例如DSP），采样周期在速度环中降至100s以下；(4)主轴电动机的转矩响应减至5ms以内，减小负载扰动的动态降速和恢复时间；其PWM的开关频率应在8~10KHz以上；(5)主轴电动机驱动器具有四象限运行功能，使主轴能够频繁起、制动。在动态制动下，通常采用再生能量反馈制动方式，保证足够的制动功率，将系统功率反馈到电源系统。作为交流伺服主轴系统的电动机，可采用感应式电动机，其控制方式应具有位置、速度反馈的矢量控制或直接转矩控制；也可采用永磁式同步电动机，应具有磁场可弱磁的矢量控制方式。5．4主轴驱动装置的接口和选型

5.4.1主轴驱动装置的接口主轴驱动装置的接口与进给驱动装置有许多类似，读者可参阅第四章。进给驱动装置具备的接口，在主轴驱动装置上一般都可以找到，只是不同厂家不同档次的主轴驱动装置所包含的接口类型不同，例如，主轴伺服装置的接口类型比变频器的接口要丰富；具备矢量控制功能的变频器又比简易型变频器接口丰富。不同的是：进给驱动装置主要工作在位置控制模式下，而主轴驱动装置主要工作在速度控制模式下；同一台数控机床上主轴输出功率比进给轴输出功率要大得多。因此，在接口上主轴驱动装置又具有自身的特点。图5-27是主轴装置（变频器）最基本的接口图，如图所示采用三相交流380V电源供电；速度指令由3、4脚输入（图中通过电位器从单元内部获得，在数控机床上一般由数控装置或PLC的模拟量输出接口输入），指令电压范围是直流0~10V；主轴电动机的启动/停止以及旋转方向由外部开关S1、S2控制，当S1闭合时电动机正转，当S2闭合时电动机反转，若S1、S2同时都断开或闭合则电动机停止。也可以定义为S1控制电动机的启动和停止，S2控制电动机的旋转方向。变频器根据输入的速度指令和运行状态指令输出相应频率和幅值的交流电源，控制电动机旋转。图5-27也适用于无反馈的矢量控制的变频器的接口图。采用有反馈矢量控制的变频器以及主轴伺服驱动器接口图基本相同，图5-29是有反馈矢量控制的变频器的典型接口图。

相对于进给驱动装置主轴驱动装置的接口具有如下特点：（1）输入电源一般采用交流电源供电，输入电源的范围包括三相交流460V、400V、380V、230V、200V，单相230V、220V、100V等，或在较大的范围内可调。为了实现大功率输出，主轴驱动装置通常采用不低于230V的三相交流电源，而进给驱动装置多采用不高于200V的三相交流电源；变频器通常电源电压范围比较宽，如230V—400V，进给驱动装置电源电压一般要求是固定的。(2)电动机运行指令因为进给电动机主要用于位置控制，因此进给驱动装置一般都具备和采用脉冲信号作为指令输入，控制电动机的旋转速度和方向，不提供单独的开关量接口控制电动机的旋转方向。

电动机的旋转速度和方向，不提供单独的开关量接口控制电动机的旋转方向。而主轴电动机主要用于速度控制，因此主轴驱动装置一般都具备和采用0~10V模拟电压作为速度指令，由开关量控制旋转方向，而不提供脉冲指令输入接口。很多主轴驱动装置也接收-10~+10V模拟电压以及-20mA~+20mA作为速度指令，其中信号幅值控制转速，信号极性控制旋转方向。另外，为了方便简单应用的场合，主轴驱动器一般都支持多位开关量编码(DigitalSpeedCommand)的指令形式实现有级调速。例如，3位开关量则可以设定7（=7）种不同的速度，具体的速度值可以由参数在电动机允许转速范围内预先任意设定，而进给驱动装置则一般不提供这种功能。当然根据生产厂家和型号的不同，主轴驱动装置也可以支持脉冲指令、总线、RS232、RS422、RS485甚至网络等控制接口；

（3）驱动装置及电动机运行状态控制主轴驱动装置都提供控制电动机正/反转的开关量接口，进给驱动装置一般不提供，采用脉冲信号作为指令的进给驱动装置，只有当脉冲指令类型为‘脉冲+方向’时，可以把方向信号理解为改变电动机方向的控制接口。而且主轴驱动装置的方向控制接口是和速度模拟指令接口一起出现的，多是DC24V开关量接口；进给驱动装置的‘方向’控制接口多是和‘脉冲’信号一起出现的，多是DC5V数字信号；主轴一般都提供单极性模拟电压信号，进给驱动装置提供的模拟控制接口多是双极性的。对于一些主轴伺服单元，虽然具备位置控制功能，当其主要还是工作在速度控制模式下，位置控制模式是一种特殊的工作状态，因此，会提供位置控制模式切换控制接口，方便使用者需要时方便的切换主轴工作模式，以完成定向，分度等特殊的工艺或控制要求，而进给驱动装置则通常始终工作在位置控制模式下。（4）反馈接口由于主轴对位置控制的精度并不非常高，因此对与位置控制精度密切相关的反馈装置要求也不高，主轴电动机或主轴多数采用1000线的编码器，而进给驱动电机则至少采用2000线的编码器，有些进给电动机编码器可多达10万线。另外为了控制的方便许多进给驱动器都有绝对式编码器接口，功能更强的进给驱动器还有第二编码器接口以通过驱动器直接实现全闭环控制。而主轴驱动装置一般不具备绝对式编码器接口和第二编码器接口。进给驱动装置和主轴驱动装置有相互融合的趋势，即主轴驱动装置的位置控制功能和精度开始接近进给驱动装置，另一方面进给驱动装置动态特性，高速特性开始接近主轴驱动装置。目前已经有一些这样的产品进入市场，以国产华中数控HSV-20S/D系列伺服驱动为例：电源采用三相交流380V，同时支持脉冲指令接口、模拟量指令接口、RS232指令接口；即支持普通三相笼型异步电动机、专用变频电动机，也支持永磁同步伺服进给电动机和主轴伺服电动机。可以组成主轴驱动系统，也可以组成进给驱动系统；支持双编码器接口，可应用于全闭环进给驱动系统。由此从硬件上已很难定义它是进给驱动装置还是主轴驱动装置。

5.4.2主轴驱动装置的选型主轴驱动装置的选型与进给驱动装置等其他设备一样需要遵循经济实用、稳定可靠和易于操作维护的原则，以整机设计对主轴系统的要求和不同类型的主轴系统的特点为依据。1．不同类型的主轴系统的特点和适用范围(1)普通笼型异步电动机配齿轮变速箱最经济的一种方法，但只能实现有级调速，由于电动机始终工作在额定转速下，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的要求。如果加工产品比较单一，对主轴转速没有太高的要求，配置在数控机床上也能起到很好的效果；它的缺点是噪音比较大，由于电机工作在工频下，主轴转速范围不大，不适合有色金属和需要频繁变换主轴速度的加工场合。

(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V/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。

(4)专用变频电动机配通用变频器一般采用有反馈矢量控制，低速甚至零速时都可以有较大的力矩输出，有些还具有定向甚至分度进给的功能，是非常有竞争力的产品。以先马YPNC系列变频电动机为例，电压：三相200V、220V、380V、400V可选；输出功率：1.5-18.5KW；变频范围2-200Hz；（最高转速r/min）；30min150%过载能力；支持V/f控制、V/f+PG（编码器）控制、无PG矢量控制、有PG矢量控制。提供通用变频器的厂家以国外公司为主，如：西门子、安川、富士、三菱、日立等。 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。

(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。

安装电主轴的机床主要用于精加工和高速加工，例如高速精密加工中心。另外，在雕刻机和有色金属以及非金属材料加工机床上应用较多，这些机床由于只对主轴高转速有要求，因此，往往不用主轴驱动器。

2.功率选择输出功率是主轴电机负载能力的指标。如图5.31，主轴电机的额定功率是指在恒功率区（转速n1到n2）内运行的输出功率，低于额定转速n1时是达不到额定功率的，转速越低，输出功率就越小。满足主轴低速时的功率要求，一般采用齿轮箱或皮带变速，此时机械结构较为复杂，成本也相应增加。在主轴与主轴电机直接连接的数控机床中，有两种方法来提高主轴低速时的功率要求，其一是选择额定速度低的主轴电机或额定功率高一档的主轴电机。其二是采用特种的绕组切换式主轴电机，从而提高了主轴电机的低速特性。另外，国外主轴驱动器的额定电压一般是三相交流400V，而我国工业电网是三相交流380V，这会影响驱动器最大输出功率，而且电动机的过载能力一般要高于驱动器，因此，为了保证电动机的输出功率，在选型时一般选择驱动器的功率比电动机要大一挡，例如，选择5.5KW的驱动器配4KW的电动机。具体实施时应咨询生产厂家的意见。

功率P/KW转速n/r·min-1间断操作连续操作P2P1n1n215006000图5.31主轴电机的功率特性

其它，例如惯量匹配、电源电压等问题可参照第四章的相关内容。在选择具体的型号时还要考虑本单位的使用习惯和设备的用途。尽量用同一厂家的或符合本单位使用习惯的产品，有利于设备的维护和维修。选择著名厂家的产品一般可以保证产品的稳定可靠，但价格也会高一些。5.5数控机床的主轴系统

5.5.1数控机床的主传动系统及主轴换挡机床主传动系统有时也称主轴系统。数控机床主传动系统是指主轴电动机至主轴的运动传动系