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1、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
2、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
3、，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1100，恒功率调速范围也可达130，一般过载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
4、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
5、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
6、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47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
7、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-line starting） 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
8、瞬时高压拉弧。,2 星-三角（Y-）降压起动（star-delta starting） 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1.42.2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
9、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（stator re
10、sistance starting）、自耦变压器降压起动（acto-tronsformer starting）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（electric braking）。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
11、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（plug braking）,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
12、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n130r/min时速度继电器触点动作，而当n100r/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
13、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. cnjection braking） 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1
14、0kW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
15、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
16、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
