1、第五章第五章 数控机床主轴系统数控机床主轴系统数控机床主轴系统按电气控制原理分 直流驱动系统 交流驱动系统v直流驱动系统 动力源为直流伺服电动机。直流伺服电动机的优点 调速性能好、输出力矩 大、过载能力强、控制精度高、控制原理简单、易于调整等。直流伺服电动机的缺点 电刷和换向器易磨损、换向器换向时会产生电火花、结构复杂、制造困难、制造成本高。v交流驱动系统 动力源为交流伺服电动机。目前，数控机床大都采用交流伺服电动机作为主轴的动力源。5.1 主主 轴轴 系系 统统 5.1.1 主轴系统的组成主轴系统的组成 主轴系统主要由主轴、轴承、传动件、密封件和刀具自动卡紧机构等组成，如图5-1所示。图 5
2、-1 主轴系统的组成主轴在数控机床中的位置，如图5-2所示。图 5-2 主轴系统的位置n主轴的构造和形状主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法等。设计时还应考虑主轴加工工艺性和装配工艺性。主轴一般为空心阶梯轴，前端径向尺寸大，中间径向尺寸逐渐减小，尾部径向尺寸最小。n主轴的前端形式取决于机床类型和安装夹具或刀具的形式。主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在结构上，应能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。主轴端部的结构形状都已标准化，应遵照标准进行设计。n如图5-3（a）所示为车床主轴端部，卡盘靠前端的短圆锥面和凸缘端
3、面定位，用拨销传递转矩，卡盘装有固定螺栓，卡盘装于主轴端部时，螺栓从凸缘上的孔中穿过，转动快卸卡板将数个螺栓同时卡住，再拧紧螺母将卡盘固牢在主轴端部。主轴前端的莫氏锥孔，用于安装顶尖或心轴。图 5-3(a)n图5-3（b）所示为铣、镗类机床的主轴端部，铣刀或刀杆在前端7：25的锥孔内定位，并用拉杆从主轴后端拉紧，而且由前端的端面键传递转矩。图 5-3(b)n图5-3（c）所示为外圆磨床砂轮主轴的 端部，法兰盘靠前端1：5的圆锥面定位，并用螺母固定。螺母的螺纹方向必须与砂轮的旋转方向相反（左螺纹），以防止启动时因砂轮惯性而导致松脱。图 5-3(c)n图5-3（d）所示为 内圆磨床砂轮主轴端部，砂
4、轮的接杆靠莫氏锥孔定位并传递转矩，同时用锥孔底部螺孔紧固接杆。图 5-3(d)n图5-3（e）所示为 钻床与镗床主轴端部，刀杆或刀具由莫氏锥孔定位，用锥孔后端第一个扁孔传递转矩，第二个扁孔用于拆卸刀具。图 5-3(e)n图5-3（f）为组合 机床主轴端部，圆柱孔用来安装接杆，刀具则安装在接杆的莫氏锥孔内。前端圆螺母用来调整刀具的轴向位置，平键用来传递转矩。图 5-3(f)5.1.2 数控机床对主轴系统的要求数控机床对主轴系统的要求 随着数控机床的不断发展，传统的主轴系统已不能满足要求，现在数控机床对主轴系统提出了以下要求：n数控机床主传动要有宽的调速范围，以保证加工时选用合理的切削用量。n要求
5、主轴在整个范围内均能提供切削所需功率，并能尽可能在全速范围内提供主轴电动机的最大功率，恒功率范围要宽。n数控机床主轴的速度是由数控加工程序中的指令控制的，要求能在较大的转速范围内进行无级连续调速，减少中间传动环节，简化主轴的机械结构，一般要求主轴具备1(1001000)的恒转矩调速范围和1 10的恒功率调速范围。n数控机床要求主轴在正、反转动时均可进行加减速控制，即要求主轴有四象限驱动能力，并尽可能缩短加减速时间。n在车削中心上，为了使之具有螺纹车削功能，要求主轴与进给驱动实行同步控制，即主轴具有旋转进给轴（C轴）的控制功能。n加工中心上，要求主轴具有高精度的准停控制。在加工中心上自动换刀时，
6、主轴须停在一个固定不变的方位上，以保证换刀位置的准确；为了满足某些加工工艺，也要求主轴具有高精度的准停控制。n此外，有的数控机床还要求具有角度分度控制功能。为了达到上述有关要求，对主轴调速系统还需加位置控制，比较多的采用光电编码器作为主轴的转角检测。5.2 主主 轴轴 变变 速速 为了能同时满足对主传动的调速和扭矩输出等要求，数控机床常用机电相结合的方法，即同时采用电动机调速和机械齿轮变速两种方法。其中通过电动机减速放大输出扭矩，并利用齿轮换挡来调整最高转速。5.2.1 无级变速无级变速用于主轴驱动的调速电动机直流电动机交流电动机 v直流电动机主轴调速 由于主轴电动机要求输出较大的功率，所以主
7、轴直流电动机在结构上不适用永磁式，一般是他激式。为缩小体积，改善冷却效果，以免电动机过热，常采用轴向强迫风冷或采用热管冷却技术。从电动机拖动理论知，该直流电动机的转速公式n为n=(U-RIa)/(KIf)式中，U为电枢电压，V；R为电枢电阻，；Ia为电枢电流，A；K为常数；If为励磁电流，A。从式中可知，要改变电动机转速n，可通过改变电枢电压U（降压调速），或改变励磁电流If（弱磁调速）。当采用降压调速时，从电动机转矩公式T=CeK IfIa中可得，它是属于恒转矩调速。当采用弱磁调速时，根据功率公式P=nT，并把上述n公式与T公式代入得到电动机的功率P=(U-RIa)Ce Ia，可知它是属于恒
8、功率调速。通常在数控机床中，为扩大调速范围，对直流主轴电动机的调速采用调压和调磁两种方法。其典型的直流主轴电动机特性曲线如图5-4所示。返回图 5-4 直流主轴电动机的特性曲线1功率特性曲线；2转矩特性曲线n在基本转速nj以下时属于恒转矩调速范围，用改变电枢电压来调速；在基本转速以上属于恒功率调速范围，采用控制激磁电流来实现。一般来说，恒转矩速度范围与恒功率速度范围之比为1:2。n另外，直流主轴电动机一般都有过载能力，且大都以能过载150%（即连续额定电流的1.5倍）为指标。至于过载时间，则根据生产厂的不同有较大差别，从1 min到30 min不等。返回返回 v交流电动机主轴调速 大多数交流进
9、给伺服电动机采用永磁式同步电动机，但主轴交流电动机则多采用鼠笼式感应电动机，这是因为受永磁体的限制，永磁同步电动机的容量不允许做得太大，而且其成本也很高。另外，数控机床主轴驱动系统不必像进给系统那样，需要如此高的动态性能和调速范围。鼠笼式感应电动机其结构简单、便宜、可靠，配上矢量变换控制的主轴驱动装置则完全可以满足数控机床主轴的要求。n交流主轴电动机的性能可由图5-5所示的功率速度关系曲线反应出来。返回图 5-5 交流主轴电动机特性曲线n从图中曲线可见，交流主轴电动机的特性曲线与直流电动机类似，即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，如图中所示那样，当电动机速
10、度超过某一定值之后，其功率速度曲线又往下倾斜，不能保持恒功率。对于一般主轴电动机，这个恒功率的速度范围只有1：3的速度比。另外交流主轴电动机也有一定的过载能力,一般为额定值的1.21.5倍，过载时间则从几分钟到半个小时不等。5.2.2 分段无级变速分段无级变速 数控机床在实际生产中，并不需要在整个变速范围内均为恒功率。一般要求在中、高速段为恒功率传动，在低速段为恒转矩传动。为了确保数控机床主轴低速时有较大的转矩和主轴的变速范围尽可能大，有的数控机床在交流或直流电动机无极变速的基础上配以齿轮变速，即解决电动机驱动和主轴传动功率的匹配问题，使之成为分段无极变速。数控机床在加工时，主轴是按零件加工程
11、 序中主轴速度是指令所指定的转速来自动运行。数控系统通过两类主轴速度指令信号来进行控制，即用模拟量或数字量信号（程序中的S代码）来控制主轴电动机的驱动调速电路，同时采用开关量信号（程序上用M41M44代码）来控制机械齿轮变速自动换挡的执行机构。自动换挡执行机构是一种电机转换装置，常用的有液压拨叉和电磁离合器。v液压拨叉换挡 液压拨叉是一种用一只或几只液压缸带动齿轮移动的变速机构。最简单的二位液压缸实现双联齿轮变速。对于三联或三联以上的齿轮换挡则必须使用差动液压缸。图5-6为三位液压拨叉的原理图，其具有液压缸1与5、活塞2、拨叉3和套筒4。通过电磁阀改变不同的通油方式可获得如下三个位置：n当液压
12、缸1通入压力油而液压缸5卸压时，活塞杆2便带动拨叉3向左移至极限位置；n当液压缸5通入压力油而液压缸1卸油时，活塞杆2和套筒4一起移至右极限位置；n当左右缸同时通压力油时，由于活塞杆2两端直径不同使其向左移动，而由于套筒4和活塞杆2的截面直径不同，使套筒4向右的推力大于活塞杆2向左的推力，因此套筒4压向液压缸5的右端，而活塞杆2则紧靠套筒4的右面，拨叉处于中间位置。图 5-6 三位液压拨叉的工作原理1、5液压缸；2活塞；3拨叉；4套筒n每个齿轮是否到位，需要有到位检测元件（如感应开关）检测，检测信号能有效说明变挡是否已经结束。对采用主轴驱动无级变速的场合，可采用数控系统控制主轴电动机慢速转动或
13、振动来解决液压拨叉可能产生的顶齿问题。对于纯有级变速的恒速交流电动机驱动场合，通常需在传动链上安置一个微电动机。正常工作时，离合器脱开，齿轮换挡时，主轴M1停止工作而离合器吸合，微电动机M2工作，带动主轴慢速转动。同时，油缸移动齿轮，从而顺利啮合，如图5-7所示。图 5-7 微电动机工作齿轮变挡原理n 在带有齿轮变速的分段无级变速系统中，主轴的正、反向启动与停止、制动是由电动机实现的，主轴变速则由电动机无级变速与齿轮有级变速相配合来实现。这种配置适合于大中型机床，确保主轴低速时输出大扭矩、高速时输出恒功率特性的要求。n 液压拨叉需附加一套液压装置，将信号转换为电磁阀动作，再将压力油分至相应液压
14、缸，因而增加了复杂性。v电磁离合器换挡n在数控机床主传动中，使用电磁离合器能简化变速机构，通过安装在各传动轴上离合器的吸合与分离，形成不同的运动组合传动路线，实现主轴变速。n电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运行的元件，可便于实现自动化操作。n电磁离合器的缺点是体积大，磁通易使机械件磁化。数控机床中常用的离合器无滑环摩擦片式电磁离合器牙嵌式电磁离合器 数控机床中常用离合器的特点n摩擦片式电磁离合器采用摩擦片传递力矩，所以允许不停车变速。但如果速度过高，会由于滑差运动产生大量的摩擦热。n牙嵌式电磁离合器在摩擦面上做成一定的齿形，提高了传递扭矩，减少了离合器的径向轴尺寸，使主轴结构更加紧凑，摩擦热
15、减少。但牙嵌式电磁离合器必须在低速时（每分钟数转）变速。5.3 主轴电动机驱动 数控机床般采用直流伺服电动机或交流主轴伺服电动机直接驱动主轴实现无级变速。交流主轴电动机及交流变频驱动装置（即笼型感应交流电动机配置矢量变换变频调速系统），由于没有电刷，不产生火花，所以使用寿命长，且性能已达到直流驱动系统的水平，甚至在噪声方面还有所降低。因此，目前应用较为广泛。5.3.1 直流主轴电动机驱动直流主轴电动机驱动 v直流主轴电动机结构及特点 为了满足上述数控机床时主轴驱动的要求，主轴电动机必须具备下述性能：n功率较大。n当速度处于大调速范围时，其稳定性较好。n加速和减速时间短。在断续负载下电动机转速波
16、动小。n振动、噪声小，电动机过载能力强，且体积较小、重量轻，与机械连接容易。电动机可靠性高，寿命长，容易维修。v直流主轴电动机性能 恒转矩的速度范围是恒功率的速度范围的1/2.直流主轴电动机的过载能力较好，且大都能过载为连续额定电流的1.5倍。过载的时间因厂家不同有很大的差别。直流主轴电动机的转矩速度特性曲线如图5-4所示。n直流主轴控制系统调压调速部分是由电流环和速度环组成的双环系统。直流主轴电动机的功率较大，主回路功率元件常采用晶闸管器件。采用他激式主轴电动机时，由于励磁绕组与电枢绕组之间没有连接关系，所以需要有直流电源来供电。n磁场控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
17、馈回路三者的输出信号经比较后来控制励磁电流，电枢电压在210V以下是，电枢反馈电压低于6.2V，此时磁场控制回路中电枢电压反馈类似于开路，通过励磁电流反馈作用来保持励磁电流恒定并完成调压调速。电枢电压大于210V时电枢反馈电压高于6.2V，励磁电流反馈相当于开路，引入电枢反馈电压形成负反馈，随着电枢电压的提高，调节器即对磁场电流进行弱磁升速，同时让转速提高。如图5-8所示为FANUC直流他激式主轴电动机控制框图。图 5-8 FANUC直流他激式主轴电动机控制框图5.3.2 交流主轴电动机驱动交流主轴电动机驱动 交流主轴电动机的结构及特点 交流主轴电动机的性能 v交流主轴电动机的结构及特点 交流
18、主轴电动机的工作原理是感应电动机原理，数控机床主轴驱动系统不必像伺服驱动系统那样要求高性能和大的调速范围。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。n从结构上讲交流伺服电动机的结构有笼型感应电动机和永磁式同步电动机两种结构，常见的永磁式同步电动机的结构最为普通。笼型感应电动机在总体上由三相绕组的定子和有笼条的转子两两构成，也可采用普通感应电动机作为数控机床的主轴电动机，通常交流主轴电动机是专门设计的，为提高功率、减小体积，采用定子铁芯在空气中直接冷却的办法，没有机壳。而且在定子铁芯上加工有轴向孔以利通风等。n交流主轴电动机的外形是多边形，其结 构和普通感应电动机的比较如图5-9
19、所示。图 5-9 交流主轴电动机和普通感应电动机的比较n交流主轴电动机的转子结构与一般笼型感应电动机相同，多为带斜槽的铸铝结构。在这类电动机的尾部安装检测用脉冲发生器或脉冲编码器。在电动机安装上，一般有法兰式和底脚式两种，可根据不同需要选用。返回v交流主轴电动机的性能 交流主轴电动机与直流主轴电动机类似，其特性曲线在基本速度以下为恒转矩区域，在基本速度以上为恒功率区域。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，功率减小如图5-5所示。5.4 主轴的定向控制与准停控制功能主轴的定向控制与准停控制功能 5.4.1 主轴电气定向控制主轴电气定向控制 主轴电气定向控制，实际上是在主轴速度
20、控制基础上加一个位置控制环。为能进行主轴位置检测，需要采用磁性传感器或位置光电编码器等检测元件。电气定向控制一般应用于中、高档数控机床，特别是加工中心。采用电气定向控制有如下优点：n简化机械结构。电气定向不需要定向的机械部件，它只需要在旋转部件和固定部件上安装传感器（如光电编码器、磁性传感器等），即可实现主轴定向，机械结构比较简单。n定向迅速。定向时间包括在换刀时间内，而换刀时间是加工中心的重要指标。采用电气定向，可以在主轴高速旋转时完成，大大缩短了定向时间。n可靠性高。由于控制主轴定向的全是电子部件而无须复杂的机械、开关、液压缸等装置，也没有机械定向所形成的机械冲击、磨损，因而定向控制装置的
21、寿命与可靠性大大增加。n控制简单。通常只需要主轴定向指令信号、定向完成应答信号即可实现主轴定向控制。n性能价格比提高。由于简化了机械结构和强电控制逻辑，成本大大降低。但数控系统生产厂家常把电气准停作为选择功能，订购电气准停附件需另加费用。但从整体来看，性能价格比大大提高。5.4.2 主轴电气准停控制主轴电气准停控制 加工中心的主轴部件上设有准停装置，其作用是使主轴每次都准确地停在固定不变的周向位置上，以保证自动换刀时主轴上的端面键能对准刀柄上的键槽，同时使每次装刀时刀柄与主轴的相对位置不变，提高刀具的重复安装精度，从而可提高孔加工时孔径的一致性。另外，一些特殊工艺要求，如在通过前壁小孔镗内壁的
22、同轴大孔，或进行反倒角等加工时，也要求主轴实现准停，使刀尖停在一个固定的方位上，以便主轴偏移一定尺寸后，使大刀刃能通过前壁小孔进入箱体内对大孔进行镗削。目前，主轴准停装置很多，主要分为机械式和电气式两种。JCS-018加工中心采用电气准停装置，其原理如图5-12所示。图 5-12 JCS-018加工中心准停装置1多楔带轮；2磁传感器；3永久磁铁；4垫片；5主轴 在带动主轴旋转的多楔带轮1的端面上装有一个厚垫片4，垫片上装有一个体积很小的永久磁铁3，在主轴箱箱体的对应于主轴准停的位置上，装有磁传感器2。当机床需要停车换刀时，数控装置发出主轴停转的指令，主轴电动机立即降速，在主轴以最低转速慢转几圈、永久磁铁3对准磁传感器2时，磁传感器发出准停信号，该信号经放大后，由定向电路控制主轴电动机停在规定的周向位置上。
