数控系统主轴驱动与准停控制40543.pptx

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1、第六章 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n n 数控机床的主轴驱动系统也就是主传动系统，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，它的性能直接决定了加工工件的表面质量，因此，在数控机床的维修和维护中，主轴驱动系统显得在数控机床的维修和维护中，主轴驱动系统显得很重要。很重要。一、概述一、概述 主轴驱动系统也叫主传动系统，是在系统主轴驱动系统也叫主传动系统，是在系

2、统中完成主运动的动力装置部分。主轴驱动系统通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。精度对零件的加工精度有较大的影响。二、数控机床对主轴驱动系统的要数控机床对主轴驱动系统的要求求 n n 机床主轴的工作运动通常是旋转运动，数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控机床通常

3、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。刀具与工件的快速的相对切削运动。1 1、调速范围宽并实现无极调速、调速范围宽并实现无极调速 2 2、恒功率范围要宽、恒功率范围要宽 3 3、具有、具有4 4象限驱动能力象限驱动能力 4 4、具有位置控制能力、具有位置控制能力 5 5、具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低。、具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低。6 6、良好的抗振性和热稳定性、良好的抗振性和热稳定性 三、不同类型的主轴系统的特点和不同类型的主轴系统的特点和使用范围使用范围 n n1、普通笼型异步电动机配齿轮变速箱 n n 这是最经济的一种方法主轴配置方式，但只能

4、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。n n 可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有工作在约工作在约500500转转/分钟以上才能有比较满意的力矩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，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

5、限最高转速的限制，主轴的转速范围受到较大的限制。制。n n这种方案适用于需要无级调速但对低速和高速都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。易型变频器较多。2、普通笼型异步电动机配简易型变频器 3、普通笼型异步电动机配通用变频器 n n 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（100200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

6、统。4、专用变频电动机配通用变频器 n n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100200r/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 n n 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

7、很高的加工。6、电主轴 n n 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。四、常用的主轴驱动系统介绍常用的主轴驱动系统介绍 n n1 1、FANUCFANUC（法那科）公司主轴驱动系统（法那科）公司主轴驱动系统（法那科）公司主轴驱动系统（法那科）公司主轴驱动系统 n n目前三个系列交流主轴电动机为：目前三个系列交流主轴电动机

8、为：n nS S系列电动机，额定输出功率范围系列电动机，额定输出功率范围1.51.537KW37KW；n nH H系列电动机，额定输出功率范围系列电动机，额定输出功率范围1.51.522KW22KW；n nP P系列电动机，额定输出功率范围系列电动机，额定输出功率范围3.73.737KW37KW。该公司交流主轴驱动系统的特点为：该公司交流主轴驱动系统的特点为：采用为处采用为处理器控制技术，进行矢量计算，从而实现最佳控理器控制技术，进行矢量计算，从而实现最佳控制。制。主回路采用晶体管主回路采用晶体管PWMPWM逆变器，使电动机逆变器，使电动机电流非常接近正弦波性。电流非常接近正弦波性。具有主轴定

9、向控制、具有主轴定向控制、数字和模拟输入接口等功能。数字和模拟输入接口等功能。2、SIEMENS（西门子）公司主轴（西门子）公司主轴驱动系统驱动系统 n nSIEMENSSIEMENS公司生产的直流主轴电动机有公司生产的直流主轴电动机有1GG51GG5、1GF51GF5、1GL51GL5和和1GH51GH5四个系列，与这四个系列电动机配套的四个系列，与这四个系列电动机配套的6RA246RA24、6RA276RA27系列驱动装置采用晶闸管控制。系列驱动装置采用晶闸管控制。n n1PH51PH5和和1PH61PH6两个系列的交流主轴电动机，功率范围为两个系列的交流主轴电动机，功率范围为3 3100

10、KW100KW。驱动装置为。驱动装置为6SC6506SC650系列交流主轴驱动装置系列交流主轴驱动装置或或6SC611A6SC611A（SIMODRIVE 611ASIMODRIVE 611A）主轴驱动模块，主）主轴驱动模块，主回路采用晶体管回路采用晶体管SPWMSPWM变频器控制的方式，具有能量再生变频器控制的方式，具有能量再生制动功能。另外，采用为处理器制动功能。另外，采用为处理器8018680186可进行闭环转速、可进行闭环转速、转矩控制及磁场计算，从而完成矢量控制。同过选件实现转矩控制及磁场计算，从而完成矢量控制。同过选件实现C C轴进给控制，在不需要轴进给控制，在不需要CNCCNC的

11、帮助下，实现主轴的定位的帮助下，实现主轴的定位控制。控制。3、DANFOSS（丹佛斯）公司系列（丹佛斯）公司系列变频器变频器 n n 目前应用于数控机床上的变频器系列常用的有：VLT2800，可并列式安装方式，具有宽范围配接电机功率：0.37KW-7.5KW 200V/400；VLT5000，可在整个转速范围内进行精确的滑差补偿，并在3ms内完成。在使用串行通讯时，VLT 5000对每条指令的响应时间为0.1ms，可使用任何标准电机与VLT 5000匹配。4、HITACHI（日立）公司系列变频（日立）公司系列变频器器 n n HITACHI HITACHI公司的主轴变频器应用于数控机公司的主轴

12、变频器应用于数控机床上通常有：床上通常有：L100L100系列通用型变频，额定输出功系列通用型变频，额定输出功率范围为率范围为0.2KW-7.5KW0.2KW-7.5KW，V/f V/f 特性可选恒转矩特性可选恒转矩/降转矩，可手动降转矩，可手动/自动提升转矩，载波频率自动提升转矩，载波频率0.5HZ-16HZ0.5HZ-16HZ连续可调。日立连续可调。日立 SJ100 SJ100系列变频器，系列变频器，是一种矢量型变频，额定输出功率范围为是一种矢量型变频，额定输出功率范围为0.2KW-7.5KW0.2KW-7.5KW，载波频率在，载波频率在0.5HZ-16HZ0.5HZ-16HZ内连内连续可

13、调续可调 ，加减速过程中可分段改变加减速时间，加减速过程中可分段改变加减速时间 ，可内部，可内部/外部启动直流制动；日立外部启动直流制动；日立 SJ200/300 SJ200/300系列变频器，额定输出功率范围为系列变频器，额定输出功率范围为0.75KW-0.75KW-132KW132KW，具有，具有2 2台电机同时无速度传感器矢量控台电机同时无速度传感器矢量控制运行且电机常数在制运行且电机常数在/离线自整定。离线自整定。5、HNC（华中数控）公司系列主轴（华中数控）公司系列主轴驱动系统驱动系统 n n HSV-20S HSV-20S是武汉华中数控股份有限公司推是武汉华中数控股份有限公司推出的

14、全数字交流主轴驱动器。该驱动器结构紧凑、出的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。使用方便、可靠性高。n n采用的是最新专用运动控制采用的是最新专用运动控制DSPDSP、大规模现场可、大规模现场可编程逻辑阵列（编程逻辑阵列（FPGAFPGA）和智能化功率模块）和智能化功率模块（IPMIPM）等当今最新技术设计，具有）等当今最新技术设计，具有025025、050050、075075、100100多种型号规格，具有很宽的功率选择多种型号规格，具有很宽的功率选择范围。用户可根据要求选配不同型号驱动器和交范围。用户可根据要求选配不同型号驱动器和交流主轴电机，形成高可靠、高性能的交

15、流主轴驱流主轴电机，形成高可靠、高性能的交流主轴驱动系统。动系统。五、主轴驱动系统的分类主轴驱动系统的分类 n n主轴驱动器n n主轴电动机 n n分类：n n按变速方式：有级、无级、分段无级n n按电源方式：直流、交流6.2主轴的分段无级调速及控制n n一、主轴无级调速方案n n二、分段无级调速的控制n n三、齿轮变速自动换挡的操纵机构一、主轴无级调速方案n n1、全段无级调速n n特点：需要大功率的主轴电动机，使主轴电动机与驱动装置的体积、重量、成本大大增加。n n2、同功率电动机，分段无级调速n n特点：可展宽恒功率范围，经济，但需要自动换挡机构。调速方式：二、分段无级调速的控制n n

16、数控机床常采用 14挡齿轮变速与无级调速相结合的方式，即分段无级变速。采用齿轮减速虽然低速的输出转矩增大，但降低了最高主轴转速。因此通常均采用齿轮自动变速，达到同时满足低速转矩和最高主轴转速的要求。一般说来，数控系统均提供4挡变速功能的要求，而数控机床通常使用2挡即可满足要求。三、齿轮变速自动换挡的操纵机构n n主轴电动机 变速齿轮传递 主轴n n变速方法n n液压拨叉n n电磁离合器主轴换挡的控制 6.3主轴准停控制n n 当主轴停止时，控制其停于固定位置（定位于圆周上特定角度）n n又称“主轴准停”、“主轴定位”、“主轴定向”n n准停指令：M19或M06一、主轴定向的用途n n加工中心自

17、动换刀n n精镗后退刀n n背镗n n车床上工件定位 1、加工中心自动换刀(Auto tool(Auto tool changing)changing)n n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的位置上，从而保证主轴端面上的键也在一个固定的位置，这样，变的位置上，从而保证主轴端面上的键也在一个固定的位置，这样，换刀机械手在交换刀具时，能保证刀柄上的键槽对正主轴端面上的定换刀机械手在交换刀具时，能保证刀柄上的键槽对正主轴端面上的定位键。位键。2、精镗孔后退刀(Fine boring)n n在精镗孔退刀时，为了避

18、免刀尖划伤已加工表面，采用主轴准停控制，在精镗孔退刀时，为了避免刀尖划伤已加工表面，采用主轴准停控制，使刀尖停在一个固定位置（使刀尖停在一个固定位置（X X轴或轴或Y Y轴上），以便主轴偏移一定尺寸后，轴上），以便主轴偏移一定尺寸后，使刀尖离开工件表面进行退刀。使刀尖离开工件表面进行退刀。3、背镗（Counterboring）n n通过小孔镗大孔，主轴准停控制，使刀尖停在一个固定位置（通过小孔镗大孔，主轴准停控制，使刀尖停在一个固定位置（X X轴或轴或Y Y轴上），以便主轴偏移一定尺寸后，使刀尖能通过前壁小孔进入箱轴上），以便主轴偏移一定尺寸后，使刀尖能通过前壁小孔进入箱体内对大孔进行镗削。体

19、内对大孔进行镗削。4、车床上工件定位 n n用于工件定位，进行自动装载和卸载二、主轴定向控制的实现方式（Methods）n n机械准停（Mechanical orientation）n n电气准停（Electrical orientation）1、V型槽定位盘滚轮准停装置（Mechanical orientation Mechanical orientation）n nM19M19 主轴减速主轴减速无触无触点开关发信点开关发信主电机停转，主电机停转，惯性空转惯性空转活塞在电磁阀活塞在电磁阀作用下，将滚轮推入作用下，将滚轮推入V V型型槽，同时行程开关发出应槽，同时行程开关发出应答信号，准停结束

20、，可以答信号，准停结束，可以进行换刀等动作。进行换刀等动作。2、磁性传感器或编码器准停（Electronic orientation）n n利用装在主轴上的磁性传感器或编码器作为检测元件，通利用装在主轴上的磁性传感器或编码器作为检测元件，通过它们输出的反馈信号，使主轴准确地停在规定的位置上。过它们输出的反馈信号，使主轴准确地停在规定的位置上。举例n nFANUCFANUC系统中编码器主轴定向控制连接图系统中编码器主轴定向控制连接图电气准停特点1)1)不需要机械部件不需要机械部件不需要机械部件不需要机械部件-只需简单地连接编码器或磁性传感器，只需简单地连接编码器或磁性传感器，即可实现主轴定向控制

21、。即可实现主轴定向控制。2)2)定向时间缩短定向时间缩短定向时间缩短定向时间缩短-电气准停主轴在高速时直接定向，不必采电气准停主轴在高速时直接定向，不必采用齿轮减速，定向时间大为缩短。用齿轮减速，定向时间大为缩短。3)3)高可靠性高可靠性高可靠性高可靠性-由于定向控制采用电子部件，没有机械易损件，由于定向控制采用电子部件，没有机械易损件，不受外部冲击的影响，因此，主轴不受外部冲击的影响，因此，主轴 定向控制的可靠性高。定向控制的可靠性高。4)4)定向控制的精度和刚性高定向控制的精度和刚性高定向控制的精度和刚性高定向控制的精度和刚性高-完全能满足自动换刀的要求。完全能满足自动换刀的要求。5 5）强电控制电路简化强电控制电路简化强电控制电路简化强电控制电路简化-强电控制顺序由主轴定向命令、完强电控制顺序由主轴定向命令、完成信号、主轴高成信号、主轴高/低速信号组成低速信号组成 。谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH