数控原理与数控机第四章.ppt

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1、数控原理与数控机课件第四章现在学习的是第1页，共63页 20 20世纪世纪8080年代后，随着年代后，随着交流调速理论、微电子技术和大功率半导体技交流调速理论、微电子技术和大功率半导体技术术的发展，交流驱动系统在数控机床的主轴驱动系统中得到了广泛的应用。现在的发展，交流驱动系统在数控机床的主轴驱动系统中得到了广泛的应用。现在新生产的数控机床的主轴驱动系统，已有新生产的数控机床的主轴驱动系统，已有8585采用了采用了交流调速系统交流调速系统。而且交流电动机而且交流电动机体积小体积小、重量轻重量轻，采用，采用全封闭罩全封闭罩壳，对灰尘和油有较壳，对灰尘和油有较好的防护。好的防护。一方面鼠笼式交流电

2、动机不像直流电动机有一方面鼠笼式交流电动机不像直流电动机有机械换向带来的麻烦机械换向带来的麻烦，以，以及在及在高速、大功率方面受到的限制高速、大功率方面受到的限制；另一方面交流另一方面交流驱动驱动的的性能性能已达到甚至超过了直流驱动系统的已达到甚至超过了直流驱动系统的水平水平，噪声还有所降低，噪声还有所降低，价格价格也也不不比直流驱动比直流驱动贵贵；现在学习的是第2页，共63页(一一)对主轴驱动拖动特性的要求对主轴驱动拖动特性的要求(G(G、S S、M M、T)T)1 1调速范围足够大调速范围足够大 以以保证加工时选用合理的切削用量保证加工时选用合理的切削用量，从而获得，从而获得最高的加工精度

3、、表面最高的加工精度、表面质量和生产率质量和生产率。特别对于具有多道工序自动换刀的数控机床。特别对于具有多道工序自动换刀的数控机床数控加工数控加工中心，为适应各种刀具、工序和材料的加工要求，对主轴的调速范围要中心，为适应各种刀具、工序和材料的加工要求，对主轴的调速范围要求更高。求更高。第一节第一节 概概 述述一、对主轴驱动的要求一、对主轴驱动的要求 数控机床的主轴变速是按指令自动进行的，要求能在数控机床的主轴变速是按指令自动进行的，要求能在较宽的转较宽的转速范围内进行无级调速速范围内进行无级调速减少中间传动环节，简化主轴箱。一般要求减少中间传动环节，简化主轴箱。一般要求1 1：(100(100

4、1000)1000)的恒转矩调速范围的恒转矩调速范围，1 1：1010的恒功率调速范围的恒功率调速范围，并能实现四象限，并能实现四象限驱动功能。驱动功能。现在学习的是第3页，共63页 主轴驱动主轴驱动变速变速主要有主要有两种形式两种形式：一是一是主轴电动机主轴电动机带轮换挡带轮换挡，目的在于降，目的在于降低主轴转速，增大传动比，以适应切削的需要；低主轴转速，增大传动比，以适应切削的需要；二是二是主轴电动机通过主轴电动机通过同步齿同步齿形带形带驱动主轴，该类主轴电动机又称驱动主轴，该类主轴电动机又称宽域电动机或强切削电动机宽域电动机或强切削电动机，具有恒，具有恒功率范围宽的特点。功率范围宽的特点

5、。现在学习的是第4页，共63页2 2、主轴输出功率大、主轴输出功率大 为满足生产率要求，要求主轴在整个为满足生产率要求，要求主轴在整个速度速度范围内均能提供切削所需范围内均能提供切削所需功率功率，能，能达到主轴电动机的最大功率，即恒功率范围要宽。由于主轴电动机及其达到主轴电动机的最大功率，即恒功率范围要宽。由于主轴电动机及其驱动的限制，驱动的限制，主轴电动机在低速段均为恒转矩输出主轴电动机在低速段均为恒转矩输出，为满足数控机床低速强力，为满足数控机床低速强力切削的需要，常采用切削的需要，常采用分段无级变速的方法分段无级变速的方法，即在，即在低速段采用机械减速装置，低速段采用机械减速装置，以提高

6、输出转矩。以提高输出转矩。(二二)对主轴驱动的控制要求对主轴驱动的控制要求 主轴的速度调节是主轴驱动最重要的控制要求。主轴变速分为主轴的速度调节是主轴驱动最重要的控制要求。主轴变速分为有级变有级变速、无级变速和分段无级变速速、无级变速和分段无级变速三种形式，其中三种形式，其中有级变速有级变速仅用于仅用于经济型数控经济型数控机床机床，大多数数控大多数数控机床均采用机床均采用无级变速或分段无级变速无级变速或分段无级变速。对主轴除对主轴除调速要求调速要求外，还有主轴外，还有主轴定向准停控制定向准停控制、主轴旋转与坐标轴进给主轴旋转与坐标轴进给的同步的同步、恒线速度切削等控制要求。恒线速度切削等控制要

7、求。现在学习的是第5页，共63页1 1主轴定向准停控制主轴定向准停控制 为为满足满足加工中心加工中心自动换刀自动换刀(ATC)(ATC)以及某些以及某些加工工艺的需要加工工艺的需要，要求主轴具，要求主轴具有高精度的准停控制。如有高精度的准停控制。如换刀时要使机械手对准抓刀槽换刀时要使机械手对准抓刀槽，主轴就必须停在，主轴就必须停在固定的径向位置。在固定的切削循环中，有时要求刀具必须在某一径向固定的径向位置。在固定的切削循环中，有时要求刀具必须在某一径向位置才能退出，也要求主轴能准确地停在某一固定的径向位置上，这就位置才能退出，也要求主轴能准确地停在某一固定的径向位置上，这就是是主轴定向准停主轴

8、定向准停功能。功能。准停电路工作过程是准停电路工作过程是：CPUCPU接收到接收到M19M19主轴定位指令，产生主轴定向命令，主轴定位指令，产生主轴定向命令，一方面一方面经顺序控制电路启动经顺序控制电路启动“定向时间检测定向时间检测”电路，电路，另一方面另一方面切断主轴原来的速度指令，切断主轴原来的速度指令，主轴分三级降速。主轴分三级降速。当速度接近零时当速度接近零时，零速检测信号控制精确定位开始，经电路处，零速检测信号控制精确定位开始，经电路处理，产生慢速蠕动信号，理，产生慢速蠕动信号，当位置误差小于当位置误差小于0.10.10 0时时，电路发出，电路发出“到到”信号，通信号，通知知CPUC

9、PU，发出主轴，发出主轴“停停”信号，同时切断信号，同时切断“定向时间检测定向时间检测”电路，定向完电路，定向完成。若在预定时间内，主轴定向未完成，则成。若在预定时间内，主轴定向未完成，则“定向时间检测定向时间检测”电路发出电路发出“定向失败定向失败”报警信号。报警信号。现在学习的是第6页，共63页2 2主轴旋转与坐标轴进给的同步控制主轴旋转与坐标轴进给的同步控制 在在螺纹加工循环螺纹加工循环中，中，主轴转速与坐标轴的进给量主轴转速与坐标轴的进给量必须必须保持一定的关系保持一定的关系，即，即主轴每转一圈，沿工件的轴向坐标必须按节矩进给相应的脉冲量。通常主轴每转一圈，沿工件的轴向坐标必须按节矩进

10、给相应的脉冲量。通常是将光电脉冲编码器装在主轴上；作为主轴的脉冲发生器，主轴旋转时是将光电脉冲编码器装在主轴上；作为主轴的脉冲发生器，主轴旋转时发出脉冲，作为坐标轴进给的脉冲源，经发出脉冲，作为坐标轴进给的脉冲源，经CPUCPU对节矩计算后，控制坐标轴对节矩计算后，控制坐标轴位置伺服系统，使进给量与主轴转速保持同步。位置伺服系统，使进给量与主轴转速保持同步。利用利用车床和磨床进行端面切削时车床和磨床进行端面切削时，为了，为了保证保证加工加工端面的粗糙度端面的粗糙度RaRa小干小干其一值，要求工件与刀尖的接触点的其一值，要求工件与刀尖的接触点的线速度为恒值线速度为恒值。为此，随着刀具的。为此，随

11、着刀具的径向进给，切削直径的逐渐减小，不断提高主轴转速，并维持线速度径向进给，切削直径的逐渐减小，不断提高主轴转速，并维持线速度V V2nD2nD为常值。在控制系统中，为常值。在控制系统中，D D可由坐标轴的进给量算出，然后算出各时可由坐标轴的进给量算出，然后算出各时刻相应的主轴转速刻相应的主轴转速n n，控制主轴驱动系统的速度变化，保证刀具切削的线，控制主轴驱动系统的速度变化，保证刀具切削的线速度不变。速度不变。3 3恒线速切削控制恒线速切削控制现在学习的是第7页，共63页 现代数控机床，基本都要求主轴在正、反向转动时，具备自动加减速功能，现代数控机床，基本都要求主轴在正、反向转动时，具备自

12、动加减速功能，即要求即要求四象限驱动四象限驱动能力，并且加减速时间尽可能短。能力，并且加减速时间尽可能短。4加减速功能加减速功能现在学习的是第8页，共63页 电动机电动机功率要满足功率要满足加工要求，加工要求，恒功率调速范围宽恒功率调速范围宽，且在整个，且在整个调速范围调速范围内速内速度要度要稳定稳定。断续负载下电动机断续负载下电动机转速波动要小转速波动要小。加速，减速时间短加速，减速时间短。温升低，噪声小，振动小，可靠性高，寿命长，易维护，体积小，质量轻。温升低，噪声小，振动小，可靠性高，寿命长，易维护，体积小，质量轻。电动机过载能力强电动机过载能力强。二、主轴驱动装置及其工作特性二、主轴驱

13、动装置及其工作特性(一一)主轴驱动电动机及其工作特性主轴驱动电动机及其工作特性 为了满足数控机床对主轴驱动的要求，主轴驱动电动机应具备以下性能。为了满足数控机床对主轴驱动的要求，主轴驱动电动机应具备以下性能。现在学习的是第9页，共63页 主轴驱动电动机工作特性：主轴驱动电动机工作特性：主轴驱动电动机理想工作特性主轴驱动电动机理想工作特性现在学习的是第10页，共63页 主轴驱动主轴驱动工作特性总的要求工作特性总的要求是，在是，在低速时适应恒转矩负载调速，速度较低速时适应恒转矩负载调速，速度较高时适应恒功率负载调速高时适应恒功率负载调速。某交流主轴驱动装置的特性曲线如图。某交流主轴驱动装置的特性曲

14、线如图4242所示。所示。(二二)主轴驱动单元及其工作特性主轴驱动单元及其工作特性 1 1主轴驱动工作特性主轴驱动工作特性 现在学习的是第11页，共63页 直流驱动装置有可控硅调速和脉宽调制直流驱动装置有可控硅调速和脉宽调制PWMPWM调速两种形式。调速两种形式。脉宽调制脉宽调制PWMPWM调速调速具有很好的调速性能，对精度、速度要求较高的数控机床常用作进给驱动装置。具有很好的调速性能，对精度、速度要求较高的数控机床常用作进给驱动装置。三相全控可控硅三相全控可控硅调速驱动装置功率大，所以常用于主轴驱动装置。调速驱动装置功率大，所以常用于主轴驱动装置。2 2直流主轴驱动单元直流主轴驱动单元 以前

15、由于交流调速的性能比直流调速性能差以前由于交流调速的性能比直流调速性能差，极大地限制了其在准，极大地限制了其在准确调速领域的应用，自确调速领域的应用，自19711971年德国年德国FleixBlaschkeFleixBlaschke等人提出等人提出矢量变换控制理矢量变换控制理论论，通过复杂的坐标变换，把交流电动机模拟成直流电动机并进行控制，通过复杂的坐标变换，把交流电动机模拟成直流电动机并进行控制，交流电动机调速控制具有了同样优良的调速特性，正逐步取代直流主轴交流电动机调速控制具有了同样优良的调速特性，正逐步取代直流主轴驱动单元，驱动单元，在主轴驱动方面得到了广泛的应用在主轴驱动方面得到了广泛

16、的应用。3 3、交流主轴驱动单元、交流主轴驱动单元现在学习的是第12页，共63页 数控机床主轴要求正、反转，且切削功率尽可能大，并希望停止和改变转向迅速，故主轴直流电动机驱动装置往往采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统，其主电路如图所示，其中VTl为正组晶闸管，VT2为反组晶闸管。第二节第二节 主轴驱动的速度控制主轴驱动的速度控制 在数控机床的主轴驱动中，直流主轴电动机通常采用在数控机床的主轴驱动中，直流主轴电动机通常采用晶闸管调速晶闸管调速。1 1、主电路及其工作原理、主电路及其工作原理一、直流主轴速度控制一、直流主轴速度控制现在学习的是第13页，共63页 反并联线路能实现电动机正反向的

17、电动和回馈发电制动，三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统四象限运行示意图如图44所示。现在学习的是第14页，共63页 反并联线路能实现电动机正反向的电动和回馈发电制动，三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统四象限运行示意图如图44所示。电动机正向电动时，正组晶闸管工作在整流状态，提供正向直流电流，电动机反向电动时，则由反组晶闸管工作在整流状态，提供反向直流电流；即可控制电动机在第一、三象限的启动、升降速。现在学习的是第15页，共63页 当电动机需要从当电动机需要从正向电动正向电动状态转到状态转到反反向电动向电动状态时，状态时，速度指令由正变负速度指令由正变负，正组，正组晶闸管进入逆变状态，电枢电

18、流逐渐减小。晶闸管进入逆变状态，电枢电流逐渐减小。当电枢电流到零后，必须使正反组晶闸管当电枢电流到零后，必须使正反组晶闸管都处于封锁状态，避免控制失误造成短路，都处于封锁状态，避免控制失误造成短路，此时电动机在惯性作用下自由转动。经过此时电动机在惯性作用下自由转动。经过安全延时后，反组晶闸管进入有源逆变状安全延时后，反组晶闸管进入有源逆变状态，电动机工作在态，电动机工作在回馈发电制动回馈发电制动状态，状态，将机械能送回电网，转速迅速下降，将机械能送回电网，转速迅速下降，转速到零后，反组晶闸管进入整流状转速到零后，反组晶闸管进入整流状态，电动机反向启动。态，电动机反向启动。现在学习的是第16页，

19、共63页 1 1）电动机正反转只不过是控制）电动机正反转只不过是控制VTVTl l和和VTVT2 2。2 2）电能与机械能的转换只看电动机是加速还是减速；）电能与机械能的转换只看电动机是加速还是减速；加速：电能转化为机械能；减速：机械能转化为电能加速：电能转化为机械能；减速：机械能转化为电能。3 3）加速还是减速看）加速还是减速看M M与与n n的方向。的方向。总结：总结：现在学习的是第17页，共63页 因此逻辑电路必须满足下述条件。因此逻辑电路必须满足下述条件。为了保证两组晶闸管不同时工作，避免造成短路，可采用为了保证两组晶闸管不同时工作，避免造成短路，可采用逻辑无环流可逻辑无环流可逆控制系

20、统逆控制系统。它是利用逻辑电路，检测电枢电路的电流是否到达零值，。它是利用逻辑电路，检测电枢电路的电流是否到达零值，并判断旋转方向，提供正组或反组的允许开通信号，使一组晶闸管在工并判断旋转方向，提供正组或反组的允许开通信号，使一组晶闸管在工作时，另一组晶闸管的触发脉冲被封锁，从而切断正、反两组晶闸管之作时，另一组晶闸管的触发脉冲被封锁，从而切断正、反两组晶闸管之间可能的电流通路。间可能的电流通路。任何一组晶闸管导通时，要防止其输出电压与电动机电动势方向一致任何一组晶闸管导通时，要防止其输出电压与电动机电动势方向一致，导，导致电流过大。致电流过大。只有当工作的那一组晶闸管完全关断后，才能再向另一

21、组晶只有当工作的那一组晶闸管完全关断后，才能再向另一组晶闸管提供触发脉冲，以防止出现大的环流。闸管提供触发脉冲，以防止出现大的环流。只有当工作的那一组晶闸管电流为零后，才能撤消其触发脉只有当工作的那一组晶闸管电流为零后，才能撤消其触发脉冲冲，以防止当晶闸管逆变时，电流还不到零时就撤消触发脉冲，可，以防止当晶闸管逆变时，电流还不到零时就撤消触发脉冲，可能出现逆变颠覆现象，造成故障。能出现逆变颠覆现象，造成故障。每个时刻只允许向一组晶闸管提供触发脉冲每个时刻只允许向一组晶闸管提供触发脉冲。2 2主电路控制要求主电路控制要求现在学习的是第18页，共63页3.3.励磁控制回路励磁控制回路 图为图为FA

22、NUCFANUC直流主轴电动机驱动控制示意图。直流电动机的励磁绕组控直流主轴电动机驱动控制示意图。直流电动机的励磁绕组控制回路由制回路由励磁电流设定回路、电枢电压反馈回路及励磁电流反馈回路励磁电流设定回路、电枢电压反馈回路及励磁电流反馈回路组成。组成。现在学习的是第19页，共63页 当电枢电压当电枢电压低于低于210V210V时，磁场控制回路中的时，磁场控制回路中的电枢电压反馈环节不起作用电枢电压反馈环节不起作用，只有励磁电流反馈作用，维持励磁电流不变，实现额定转速以下的只有励磁电流反馈作用，维持励磁电流不变，实现额定转速以下的恒转矩调压恒转矩调压调速调速；当电枢电压当电枢电压高于高于210V

23、210V后，此时后，此时励磁电流反馈不起作用励磁电流反馈不起作用，而引入电枢反馈，而引入电枢反馈电压，实现额定转速以上的电压，实现额定转速以上的恒功率恒功率弱磁调速。弱磁调速。现在学习的是第20页，共63页4.4.每组晶闸管的控制系统每组晶闸管的控制系统 电枢绕组的每一组晶电枢绕组的每一组晶闸管控制均采用闸管控制均采用双闭环调双闭环调速系统速系统，其中内环是电流环，其中内环是电流环，外环是速度环，如图外环是速度环，如图 根据速度指令的模拟电压信号与实际转速的根据速度指令的模拟电压信号与实际转速的差值差值，经，经速度调节器速度调节器输输出，作为电流调节器的出，作为电流调节器的给定信号给定信号，控

24、制电动机的，控制电动机的电流电流和和转矩转矩。速度差值。速度差值大时，电动机转矩大，系统加速度大，电动机能较快达到转速给定值；大时，电动机转矩大，系统加速度大，电动机能较快达到转速给定值；当转速比较接近给定值时，电动机转矩自动减少，又可以避免过大的当转速比较接近给定值时，电动机转矩自动减少，又可以避免过大的超调，避免稳定时间过长。超调，避免稳定时间过长。现在学习的是第21页，共63页 电流环的作用电流环的作用是当系统受到外来干扰时，能迅速地作出抑制响应，是当系统受到外来干扰时，能迅速地作出抑制响应，保证系统具有最佳的加速和制动时间特性。保证系统具有最佳的加速和制动时间特性。另外，另外，双闭环调

25、速系统双闭环调速系统中的中的速度调节器速度调节器的输出的输出限幅限幅，也就限定了电，也就限定了电流环中的流环中的电流电流。现在学习的是第22页，共63页 在电动机在电动机启动或制动启动或制动过程中，电动机转矩和电枢过程中，电动机转矩和电枢电流急剧增加电流急剧增加，达到，达到限定值，使电动机以最大转矩加速，转速直线上升。当电动机的转速达到甚至超限定值，使电动机以最大转矩加速，转速直线上升。当电动机的转速达到甚至超过了给定值时，过了给定值时，速度反馈电压大于速度给定电压速度反馈电压大于速度给定电压，速度调节器的输出低于限幅时，速度调节器的输出低于限幅时，电流调节器使电枢电流下降电流调节器使电枢电流

26、下降，转矩也随之下降，电动机减速。当电动机的转矩小于负，转矩也随之下降，电动机减速。当电动机的转矩小于负载转矩时，电动机又会加速，直到重新回到速度给定值，因此双载转矩时，电动机又会加速，直到重新回到速度给定值，因此双闭环支流调速系闭环支流调速系统对主轴的快速启动，保持稳定运行等起到了相当重要的作用。统对主轴的快速启动，保持稳定运行等起到了相当重要的作用。现在学习的是第23页，共63页 随着交流调速技术的发展，数控主轴大多采用随着交流调速技术的发展，数控主轴大多采用变频控制交流主轴电动机变频控制交流主轴电动机。变。变频器的频器的控制方式控制方式从最初的从最初的电压矢量控制电压矢量控制到到磁通矢量

27、控制磁通矢量控制，已发展为，已发展为直接转矩控直接转矩控制制；交流器件由逆变器到脉宽调制；交流器件由逆变器到脉宽调制(PWM)(PWM)技术，脉宽调制技术，脉宽调制(PWM)(PWM)技术又从正技术又从正弦弦PWMPWM发展到优化发展到优化PWMPWM技术和随机技术和随机PWMPWM技术，电流谐波畸变小，电压利用率、技术，电流谐波畸变小，电压利用率、效率更高，脉动及噪声强度大幅度削弱；效率更高，脉动及噪声强度大幅度削弱；功率器件功率器件由由GTOGTO、GTRGTR、IGBTIGBT发展发展到智能模块到智能模块IPMIPM，开关速度快、驱动电流小、控制驱动简单、故障率降低，开关速度快、驱动电流

28、小、控制驱动简单、故障率降低，干扰也得到了有效控制，保护功能进一步完善。干扰也得到了有效控制，保护功能进一步完善。二、交流主轴速度控制二、交流主轴速度控制现在学习的是第24页，共63页(一一)6SC650)6SC650系列交流主轴驱动装置系列交流主轴驱动装置 图图4646为西门子为西门子6SC6506SC650系列交流主轴驱动装置原理图。系列交流主轴驱动装置原理图。6SC650 6SC650系列交流系列交流主轴驱动装置主轴驱动装置由由晶体管脉宽调制变频器、晶体管脉宽调制变频器、IPHIPH系列交流主系列交流主轴电动机、编码器轴电动机、编码器组成。可实现主轴的自动变速、主轴定位控制和主轴组成。可

29、实现主轴的自动变速、主轴定位控制和主轴C C轴的进给。轴的进给。现在学习的是第25页，共63页 其中，其中，电网端逆变器电网端逆变器采用三相全控桥式变流电路，既可工作在整流方式，向采用三相全控桥式变流电路，既可工作在整流方式，向中间电路直接供电，也可工作于逆变方式，实现能量回馈。中间电路直接供电，也可工作于逆变方式，实现能量回馈。控制调节器控制调节器可将整流电压从可将整流电压从535V535V提高到提高到(575V+575V*2(575V+575V*2)，提供足够，提供足够的恒定磁通变频电压源；并在变频器能量回馈工作方式时，实现能量的恒定磁通变频电压源；并在变频器能量回馈工作方式时，实现能量回

30、馈的控制。回馈的控制。现在学习的是第26页，共63页 负载端逆变器负载端逆变器是由带反并联续流二极管的六只功率晶体管组成。通过磁场计算是由带反并联续流二极管的六只功率晶体管组成。通过磁场计算机的控制，负载端逆变器输出三相正弦脉宽调制机的控制，负载端逆变器输出三相正弦脉宽调制(SPWM)(SPWM)电压，使电动机获得所需的转电压，使电动机获得所需的转矩电流和励磁电流。在矩电流和励磁电流。在回馈制动回馈制动时，电动机能量通过变流器的六只续流二极时，电动机能量通过变流器的六只续流二极管向电容器管向电容器C C充电，当电容器充电，当电容器C C上的电压超过上的电压超过600V600V时，控制调节器和电

31、网时，控制调节器和电网端逆变器将电容器端逆变器将电容器C C上的电能回馈给电网。六只功率晶体管有六个互相独上的电能回馈给电网。六只功率晶体管有六个互相独立的驱动级。立的驱动级。现在学习的是第27页，共63页 电动机的实际转速电动机的实际转速是通过电动机轴上的编码器测量的。是通过电动机轴上的编码器测量的。闭环转速、闭环转速、扭矩控制以及磁场计算扭矩控制以及磁场计算，是由两片，是由两片1616位处理器位处理器(80186)(80186)组成的控制电路完成组成的控制电路完成的。的。现在学习的是第28页，共63页 6SC650 6SC650系列交流主轴驱动系统结构组系列交流主轴驱动系统结构组成如图成如

32、图4747所示。所示。6SC650 6SC650系列交流主轴驱动系列交流主轴驱动变频器主要组件基本相同，只变频器主要组件基本相同，只是功率部件的安装方式有所区是功率部件的安装方式有所区别。别。较小功率较小功率的的6SC65026SC65023 3变频器变频器(输出电流输出电流202030A)30A)，其功率部件，其功率部件是安装在是安装在印制线路板印制线路板A1A1上的，上的，如图如图4-7(b)4-7(b)所示；所示；大功率大功率的的6SC65046SC65206SC65046SC6520变频器变频器(输出电输出电流流4040200A200A）其功率部件是安装）其功率部件是安装在在散热器散热

33、器上的。上的。现在学习的是第29页，共63页 (1)(1)控制模块控制模块(N1)(N1)主要是两片主要是两片8018680186及扩展电路，完成矢量变换计算、及扩展电路，完成矢量变换计算、电网端逆变器触发脉冲控制以及变频器的电网端逆变器触发脉冲控制以及变频器的PWMPWM调制。调制。6SC650 6SC650系列交流主轴驱动变频器系列交流主轴驱动变频器主要组件主要组件介绍如下。介绍如下。(2)I(2)IO O模模块块(U1)(U1)主主要要是是由由U UF F变变换换器器、A AD D、D DA A电电路路组组成成，为为N1N1组组件件处理各种处理各种I IO O信号。信号。现在学习的是第3

34、0页，共63页 (4)选件(S1)选配的主轴定位电路板或C轴进给控制电路板，通过内装轴端编码器或外装轴端编码器，实现主轴的定位或C轴控制。(3)(3)电源模块电源模块(G01)(G01)和中央控制模块和中央控制模块(G02)(G02)除供给控制电路所需的除供给控制电路所需的各种电源外，在各种电源外，在G02G02上还输出各种继电器信号至数控系统。上还输出各种继电器信号至数控系统。现在学习的是第31页，共63页(二二)主轴通用变频主轴通用变频 随着数字控制的随着数字控制的SPWMSPWM变频变频调速系统的发展，采用通用变频器控制的数控调速系统的发展，采用通用变频器控制的数控机床主轴驱动装置越来越

35、多。所谓机床主轴驱动装置越来越多。所谓“通用通用”，一是一是可以和通用的笼型异步可以和通用的笼型异步电动机配套应用；电动机配套应用；二是二是具有多种可供选择的功能，应用于不同性质的负具有多种可供选择的功能，应用于不同性质的负载。载。三菱三菱FRA500FRA500系列变频器的系统组成及接口定义如图系列变频器的系统组成及接口定义如图4848所示。所示。现在学习的是第32页，共63页为了为了减小输入电流的高次谐波减小输入电流的高次谐波，电，电源侧源侧采用了交流电抗器采用了交流电抗器，直流电抗器直流电抗器则是用于则是用于功率因数校正功率因数校正，有时为了减，有时为了减小电动机的振动和噪声，在变频器和

36、小电动机的振动和噪声，在变频器和电动机之间还可加入降噪电抗器。为电动机之间还可加入降噪电抗器。为防止变频器对周围控制设备的干扰，防止变频器对周围控制设备的干扰，必要时可在电源侧选用无线电干扰必要时可在电源侧选用无线电干扰(RED(RED抑制电抗器。抑制电抗器。现在学习的是第33页，共63页该变频器的速该变频器的速度是通过度是通过2 2、6 6端端CNCCNC系统输入的模系统输入的模拟速度控制信号拟速度控制信号，以及以及RHRH、RMRM和和RLRL端由拨码开端由拨码开关编码输入的关编码输入的开关量或开关量或CNCCNC系系统数字输入信统数字输入信号来设定的号来设定的，可实现电动机从可实现电动机

37、从最低速到最高速最低速到最高速的三级变速控制。的三级变速控制。现在学习的是第34页，共63页 变频器的变频器的电源显示电源显示也称也称充电显示充电显示，它除了表明，它除了表明是否已经接上电源是否已经接上电源外，还外，还显示了显示了直流高压滤波电容器上的充、放电状况直流高压滤波电容器上的充、放电状况。因为在切断电源后，高压滤。因为在切断电源后，高压滤波电容器的放电速度较慢，由于电压较高，对人体有危险。每次关机后，波电容器的放电速度较慢，由于电压较高，对人体有危险。每次关机后，必须等电源显示完全熄灭后，方可进行调试和维修。必须等电源显示完全熄灭后，方可进行调试和维修。现在学习的是第35页，共63页

38、 变频器和主轴电动机配用时，根据主轴加工的特性和要求，必须先进行参数变频器和主轴电动机配用时，根据主轴加工的特性和要求，必须先进行参数设置，如加减速时间等。设定的方法是通过编程器上的键盘和数码管显示，进行设置，如加减速时间等。设定的方法是通过编程器上的键盘和数码管显示，进行参数输入和修改。参数输入和修改。2 2变频器的参数设置变频器的参数设置 首先按下模式转换开关，使变频器进入编首先按下模式转换开关，使变频器进入编程模式。程模式。按数字键或数字增减键选择需进行预置按数字键或数字增减键选择需进行预置的功能码。的功能码。按读出键或设定键，读出该功能的原设定按读出键或设定键，读出该功能的原设定数据数

39、据(或数据码或数据码)。如需修改，则通过数字键或数字增减如需修改，则通过数字键或数字增减键来修改设定数据。键来修改设定数据。现在学习的是第36页，共63页 如预置尚未结束，则转入第如预置尚未结束，则转入第二步，进行其他功能设定。如预置二步，进行其他功能设定。如预置完成，则按模式选择键，使变频器完成，则按模式选择键，使变频器进入运行模式，就可以启动电动机进入运行模式，就可以启动电动机了。了。按写入键或设定键，将修按写入键或设定键，将修改后的数据写入。改后的数据写入。现在学习的是第37页，共63页 图图4949为为数字控制的开环变频调速系统数字控制的开环变频调速系统框图。为提高速度控制精度，框图。

40、为提高速度控制精度，有些变频器可通过速度检测编码器，实现速度的闭环控制。同时，还可通有些变频器可通过速度检测编码器，实现速度的闭环控制。同时，还可通过附加的定位模块来实现主轴的定位控制或过附加的定位模块来实现主轴的定位控制或C C轴进给控制。轴进给控制。现在学习的是第38页，共63页R R0 0的作用是的作用是限制启动限制启动电流电流，启动后，触点，启动后，触点KAKA延时闭合或晶闸管延时闭合或晶闸管VTVT延时导通延时导通(图中虚线图中虚线部分部分)，R R0 0被短接，减被短接，减少运行损耗。少运行损耗。现在学习的是第39页，共63页异步电动机进入发电制动状异步电动机进入发电制动状态时，通

41、过逆变器的续流二态时，通过逆变器的续流二极管向电容充电，当电容上极管向电容充电，当电容上电压电压(通称泵升电压通称泵升电压)升高到升高到一定限值时，通过泵升限制一定限值时，通过泵升限制电路使开关器件电路使开关器件VbVb导通，将导通，将电动机释放的动能消耗在制电动机释放的动能消耗在制动电阻动电阻RbRb上。为便于散热，上。为便于散热，制动电阻器制动电阻器RbRb常作为附件，常作为附件，单独装在变频器外单独装在变频器外。定。定子电流和直流回路电流子电流和直流回路电流的检测是为了对定子电的检测是为了对定子电压进行补偿控制。压进行补偿控制。现在学习的是第40页，共63页 无级调速主轴无级调速主轴机构

42、，虽然能大大机构，虽然能大大简化主轴箱简化主轴箱，但，但低速段输出转矩不能低速段输出转矩不能满足满足切削转矩切削转矩要求要求。如单纯追求无级调速，势必要增大主轴电动机功率，。如单纯追求无级调速，势必要增大主轴电动机功率，主轴电动机与驱动装置的体积、重量及成本大大增加，也降低了运行效主轴电动机与驱动装置的体积、重量及成本大大增加，也降低了运行效率。因此数控机床常采用率。因此数控机床常采用1 14 4档齿轮变速与电动机无级调速相结合，即档齿轮变速与电动机无级调速相结合，即分段无级变速控制分段无级变速控制。图。图4-104-10为采用与不采用齿轮减速时的主轴输出特性。为采用与不采用齿轮减速时的主轴输

43、出特性。三、主轴分段无级变速及控制三、主轴分段无级变速及控制1 1概述概述现在学习的是第41页，共63页 采用采用齿轮减速齿轮减速虽然可以虽然可以增加低速时的输出转矩增加低速时的输出转矩，但，但降低了最高主轴转速降低了最高主轴转速。因此常采用因此常采用齿轮自动变挡齿轮自动变挡，达到既满足低速转矩，又满足最高主轴转速的要求。，达到既满足低速转矩，又满足最高主轴转速的要求。数控系统一般均提供了数控系统一般均提供了4 4挡挡变速功能，而变速功能，而数控机床数控机床通常使用通常使用两挡两挡即可满足要即可满足要求。求。现在学习的是第42页，共63页 2)CNC 2)CNC同时输出相应的同时输出相应的模拟

44、电压模拟电压或数字信号设定对应的速度或数字信号设定对应的速度。其控制。其控制结构如图结构如图411411所示。所示。在数控系统参数区设置在数控系统参数区设置M41M41M44M44四挡对应的最高主轴转速，数控系统即四挡对应的最高主轴转速，数控系统即可使用可使用M41M41M44M44指令，控制齿轮指令，控制齿轮自动变挡自动变挡。具体自动变挡过程具体自动变挡过程:1)CNC 1)CNC根据当前的根据当前的S S指令指令值值，自动，自动判断应处的挡判断应处的挡，输输出相应的出相应的M41M41M44M44指令给指令给 (PLC)(PLC)，控制变换相应的齿控制变换相应的齿轮位置轮位置现在学习的是第

45、43页，共63页 如如M41M41对应的主轴最高转速为对应的主轴最高转速为1000r1000rminmin，M42M42对应的主轴转速为对应的主轴转速为3500r3500rminmin，主轴电动机主轴电动机最高转速为最高转速为3500r3500rminmin，当，当S S指令在指令在0 01000r1000rminmin范围时，范围时，M41M41控制对应的齿轮啮合；当控制对应的齿轮啮合；当S S指令在指令在100110013500r3500rminmin范围时，范围时，M42M42控制对应的控制对应的齿轮啮合。此例中齿轮啮合。此例中M42M42对应的齿轮传动比为对应的齿轮传动比为1 1：1

46、1，而，而M41M41对应的齿轮传动比对应的齿轮传动比为为1 1：3.53.5，此时主轴输出的，此时主轴输出的最大转矩最大转矩为主轴电动机最大输出转矩的为主轴电动机最大输出转矩的3.53.5倍倍。为解决变速时的为解决变速时的顶齿顶齿问题，在变速时，数控系统控制主轴电动机问题，在变速时，数控系统控制主轴电动机低速转低速转动或振动动或振动，来实现齿轮的顺利啮合。变速时主轴电动机低速转动或振动的速度可在，来实现齿轮的顺利啮合。变速时主轴电动机低速转动或振动的速度可在数控数控系统参数区中设定系统参数区中设定。不同机床主轴变速的方式不同，不同机床主轴变速的方式不同，可由可由PLCPLC来具体实现。目前常

47、采用来具体实现。目前常采用液液压拨叉或电磁离合器压拨叉或电磁离合器来带动不同齿轮的来带动不同齿轮的啮合。啮合。现在学习的是第44页，共63页 自动变速动作的控制时序如图自动变速动作的控制时序如图412412所示。所示。2 2自动变速控制自动变速控制 当数控系统读到当数控系统读到变化的变化的S S指令指令时，时，立即输出相应的立即输出相应的M M代码代码(M41(M41、M42M42、M43M43、M44)M44)，送至，送至PLCPLC。是输出。是输出BCDBCD码还是二进制码，由数控系统的参数确定。码还是二进制码，由数控系统的参数确定。现在学习的是第45页，共63页 50ms50ms后，后，

48、CNCCNC发出发出M M选通信号选通信号,持续持续lOOmslOOms控制控制PLCPLC读取并执行读取并执行M M代码代码。之所以之所以50ms50ms后发出选通信号，为了让后发出选通信号，为了让M M代码稳定，保证代码稳定，保证PLCPLC读取的数据正读取的数据正确。确。PLCPLC接收到接收到M M选通信号后，立即使选通信号后，立即使M M完成信号为低电平完成信号为低电平，告诉数控，告诉数控系统系统M M代码正在执行代码正在执行。在。在M M完成信号为低电平期间，完成信号为低电平期间，M M信号无效。信号无效。现在学习的是第46页，共63页 MM代码输出代码输出200ms200ms后，

49、数控系统根据参数设置输出一定的主轴后，数控系统根据参数设置输出一定的主轴蠕动量蠕动量，从而使主轴慢速转动或振动，以从而使主轴慢速转动或振动，以解决齿轮顶齿解决齿轮顶齿问题。问题。PLCPLC开始对开始对M M代码进行译码代码进行译码，并执行相应的，并执行相应的变速控制逻辑变速控制逻辑。PLCPLC完成变挡后，完成变挡后，M M完成信号变为高电平完成信号变为高电平，告诉数控系统变速工作已经完，告诉数控系统变速工作已经完成，成，M M信号有效。信号有效。数控系统根据参数设置的每挡主轴最高转速数控系统根据参数设置的每挡主轴最高转速,自动输出电动机对应的自动输出电动机对应的速度指令值速度指令值，使主轴

50、为给定的，使主轴为给定的S S值。值。现在学习的是第47页，共63页 主轴电动机速度的主轴电动机速度的恒功率区与恒转矩区恒功率区与恒转矩区之比是重要的性能指标，有之比是重要的性能指标，有些主轴驱动采用变速电动机，不需要齿轮也可提升低速转矩，增大主轴些主轴驱动采用变速电动机，不需要齿轮也可提升低速转矩，增大主轴恒功率调速范围。恒功率调速范围。3 3液压拨叉变速机构液压拨叉变速机构 液压拨叉是用液压拨叉是用一只或一只或几只液压缸带动齿轮移动几只液压缸带动齿轮移动的变速机构的变速机构。最简单的二。最简单的二位液压缸可以实现双联齿位液压缸可以实现双联齿轮变速，对于三联或三联轮变速，对于三联或三联以上的