1、第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 4.1 伺服系统概述 1.基本概念 伺服（Servo）系统又叫随动系统，是一种能够跟随指令信号的变化而动作的自动控制装置，根据实现方法不同，可以分为机械随动（仿形）系统、液压伺服系统、电气伺服系统等，目前的数控机床均采用电气伺服系统。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 在数控机床中，CNC装置是发布命令的“大脑”，而伺服系统则是数控机床的“四肢”，是一种执行机构，它能够准确地执行来自CNC装置的运动指令。伺服系统由伺服驱动装置、伺服电动机、位置检测装置等组成。伺服驱动装置的主要功能是功率放大和速度调节，将弱信号转换为强信号，并保证系统的动
2、态性能；伺服电动机用来将电能转换为机械能，拖动机械部件移动或转动。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 数控机床的伺服系统，包括进给伺服系统和主轴伺服（驱动）系统，前者是以机械位移（位置控制）为直接控制目标的自动控制系统，用来保证加工轮廓；后者是以速度控制为主，提供切削过程中需要的转矩和功率。本章主要介绍进给伺服系统及其位置检测装置的基本原理。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 2数控机床对进给伺服系统的要求数控机床对进给伺服系统的要求是：调速范围宽，在大的速度范围内运转稳定。一般要求速比可达1:10000，最低稳定运转速度nmin0.1r/min。负载特性硬，抗扰动能力强。
3、能保证切削过程中受负载冲击时速度不变，尤其在低速时，应有足够的负载能力。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 反应速度快。一般要求，伺服响应时间为几十毫秒，伺服电机角加速度4000rad/s2，即从静止状态加速到额定转速1500r/min，所需时间不大于0.2秒。准确度高。定位精度和重复定位精度可达到0.010.001mm，甚至0.1um。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 3进给伺服系统的分类 进给伺服系统按其结构可以分为开环控制和闭环控制两大类。开环控制系统用步进电动机作为驱动元件，由于它没有位置反馈回路和速度控制回路，具有简单、经济的优点，被广泛用于中、低档数控机床及一
4、般的机床改造。闭环伺服系统是基于反馈控制原理工作的，即通过位置测量装置反馈运动部件的实际位置，再与CNC装置输出的指令位置进行比较，根据比较结果的差值来控制伺服机构工作。闭环伺服系统采用直流伺服电机或交流伺服电机作为驱动元件，根据位置测量元件的安装位置不同又分为半闭环和全闭环两种形式。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴上(一般电机生产商已装好)，用以精确控制电动机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动机构，将角度转换成工作台的直线位移。半闭环的闭环环路短，不包括传动机构等大惯性环节，因而系统容易达到较高的位置增益，不发生振荡现象。且其快速性好，
5、动态精度高，传动机构的非线性因素对系统的影响小。因此被广泛采用。但如果传动机构的误差过大或其误差不稳定，则数控系统难以补偿。如由传动机构的扭曲变形所引起的弹性间隙，因其与负载力矩有关，故无法补偿。由制造与安装所引起的重复定位误差以及由于环境温度与丝杠温度变化所引起的丝杠螺距误差也是不能补偿的。因此要进一步提高精度，只有采用全闭环控制方式。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴上(一般电机生产商已装好)，用以精确控制电动机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动机构，将角度转换成工作台的直线位移。半闭环的闭环环路短，不包括传动机构等大惯性环节，因而系统
6、容易达到较高的位置增益，不发生振荡现象。且其快速性好，动态精度高，传动机构的非线性因素对系统的影响小。因此被广泛采用。但如果传动机构的误差过大或其误差不稳定，则数控系统难以补偿。如由传动机构的扭曲变形所引起的弹性间隙，因其与负载力矩有关，故无法补偿。由制造与安装所引起的重复定位误差以及由于环境温度与丝杠温度变化所引起的丝杠螺距误差也是不能补偿的。因此要进一步提高精度，只有采用全闭环控制方式。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 全闭环方式直接从机床的移动部件上获取位置实际移动值，因此其检测精度不受机械传动精度的影响。但不能认为全闭环方式可以降低对传动机构的要求，因闭环环路包括了机械传动
7、机构，其闭环动态特性不仅与传动部件的刚性、惯性有关，还取决于阻尼、油的粘度、滑动面摩擦系数等因素。而且这些因素对动态特性的影响在不同条件下还会发生变化，这给位置闭环控制的调整和稳定带来了许多困难。这些困难使调整闭环环路时不得不降低位置增益，从而对跟随误差与轮廓加工误差产生不利影响。所以采用全闭环方式时必须增大机床刚性，改善滑动面摩擦特性，减小传动间隙，这样才有可能提高位置增益。全闭环方式被应用在精度要求较高的大型数控机床上。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 4.2 开环步进电动机驱动系统 开环伺服系统不设位置检测反馈装置，不构成运动反馈控制回路，电动机按数控装置发出的指令脉冲工作，
8、对运动误差没有检测反馈和处理修正过程。其典型代表是步进电动机开环进给伺服系统，如图4.1所示。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 图4.1 步进电动机开环进给伺服系统结构图 指令脉冲数控装置环形分配器步进电动机功率放大器工作台齿轮箱步进电动机电源第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 图4.1中，数控装置发出指令脉冲通过环形分配器和功率放大器驱动步进电动机，每发出一个指令脉冲，步进电动机就转过一个角度，此角度叫做步进电动机的步距角。步进电动机通过齿轮箱、滚珠丝杠驱动工作台运动，其运动的位移量与指令脉冲数成正比，运动速度与脉冲的频率成正比。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及
9、控制 4.2.1 步进电动机 1.步进电动机的特点 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的机电执行元件。给一个电脉冲信号，步进电动机就回转一个固定的角度，称为一步，所以称为步进电动机。由于其转动角度由脉冲个数控制，不需要反馈环节，所以在经济型数控机床上得到了广泛的应用。概括起来步进电机具有如下优点：第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 （1）转子的角位移量和转速严格受脉冲的数量和频率控制，有脉冲就走，无脉冲则停，旋转方向由通电顺序决定。（2）体积小，重量轻，价格低。（3）驱动简单，工作可靠，误差不长期积累。（4）精度高，惯性小，容易调试。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及
10、控制 其主要缺点如下：（1）使用不当时，会引起“失步”或“过冲”。（2）运转时有振动和噪音。（3）额定转速较低，最高频率一般不超过18kHz。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 2.步进电动机的分类 （1）反应式步进电动机 反应式步进电机的定子和转子由硅钢片或其他软磁材料制成，定子上有励磁绕组，绕组相数一般为二、三、四、五、六相，步距角一般为0.363。反应式步进电机结构简单，价格便宜，步距角小，其缺点是励磁电流大，带惯性负载能力差，容易“失步”和“振荡”，断电后无保持转矩。其产品系列代号为BF，如：110BF02、110BF03、130BF5、150BF5、160BF5等。第第6
11、6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 2）永磁式步进电动机 永磁式步进电机的定子由软磁材料制成，定子上有励磁绕组；转子由永久磁铁制成，步距角一般为15、225、30、45等。永磁式步进电机控制功率小，省电，运行稳定，断电后有保持转矩；但是其步距角太大。其产品系列代号为BY。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 3）混合式步进电动机 混合式步进电机又叫永磁反应式步进电机，它在结构和性能上，兼有反应式步进电机和永磁式步进电机两者的特点，即具有反应式步进电机步距角小、工作频率高的特点；又具有永磁式步进电机控制功率小、运行稳定、断电后有保持转矩的特点；更适合应用于数控系统中。但是其制造工艺复杂
12、，成本较高。其产品系列代号为BH。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 第6章 主轴驱动及控制 6.1概述概述6.2主轴的分段无级调速及控制主轴的分段无级调速及控制6.3主轴准停控制主轴准停控制小结小结习题习题第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 本章导读 本章主要介绍主轴驱动装置的特性与连接方法、主轴分段无级调速控制、主轴准停控制等内容。通过本章的学习，了解数控机床对主轴的要求，熟悉主轴驱动装置的一般连接方法，掌握主轴调速、准停控制方法。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 6.1 概 述 数控机床的主轴驱动和进给驱动有很大的差别。主轴的运动通常是旋转运动，以调速和功
13、率驱动为主。随着数控技术的不断发展，对主轴驱动和控制提出了更高的要求。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 6.1.1数控机床对主轴控制的要求数控机床对主轴控制的要求 一般来说，数控机床对主轴系统有以下要求。（1）调速范围宽。要求有较宽的调速范围，以保证加工时选用合理的切削用量，获得最佳的生产率、加工精度和表面质量；并希望能够无级调速，以简化主轴箱设计。调速范围一般要求达到1：100以上。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 （2）恒功率调速范围宽，并能提高足够的切削功率。由于在金属切削加工工艺中，一般在精加工时小吃刀量，高转速；粗加工时大吃刀量，低转速；具有恒功率的特性。这就
14、要求主轴系统具有较宽的恒功率调速范围，才能满足负载特性的需要。但由于受主轴电机与驱动的限制，其低速段均为恒转矩输出，为此可采用分段无级变速的方法，以展宽恒功率范围。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 （3）稳定、快速。要求主轴在正、反、停等过程中可进行自动加减速控制，并且加减速时间短，反应快速。（4）准停控制。为满足加工中心自动换刀以及某些加工工艺的需要，要求主轴具有准停控制功能。（5）旋转轴功能。在车削中心上，要求主轴具有旋转进给(C轴)控制功能。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 6.1.2 主轴系统的分类与特性 1.主轴系统的分类 根据变速方式的不同，主轴系统可分为有
15、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。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 为满足变速的要求，早期的数控机床常采用直流主轴驱动系统。由于直流电动机存在体积大、恒功率调速范围窄、电刷易磨损、维护比较麻烦等缺点，而逐渐被交流主轴驱动系统所取代。目前，绝大多数数控机床均采用鼠笼式交流异步电动机配置矢量变频调速器，构成主轴驱动系统。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 2.主轴驱动的特性 与直流电动机相比，鼠笼式交流异步电动机具有恒功率范围宽，体积小，结构简单，价格便宜，可靠性高等优点。但是在采用一般变频
16、器调速时，其调速特性无法与直流电动机相比，因此必须采用矢量变频控制技术。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 由于采用矢量变频控制技术后，交流电动机与直流电动机的数学模型极为相似，因而以直流主轴电动机为例来分析其调速特性，其模型结构如图6.1所示。根据直流电动机的工作原理可得taMneaaaKIICMCEERIU第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 图6.1 主轴电动机电路模型 UaIfRanMEMIa第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 从而导出转距速度特性方程 faMeaaaKIICMCRIUn第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 （1）在基速n0以下，采用
17、调压调速，即在励磁电流If不变，为常数的情况下，用改变电枢电压Ua的方法调速。这时输出的最大转矩Mmax取决于电枢电流最大值Imax，即 Mmax=CMImax 而对一台主轴电动机来说，最大电流为恒定，因此所能输出最大转矩是恒定的，而输出功率随转速升高而增加，因此基速n0以下称为恒转矩调速。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 （2）基速n0以上采用弱磁方法调速，即在保持电枢电压Ua不变的情况下，用改变励磁电流If的方法来调速。这时If减小K倍，也减小K倍，相应的转速n增加K倍，最大转矩则因为磁通的减小而减小K倍，因此所能输出的最大功率Pmax=Mmaxn不变,这称为恒功率调速。主轴电
18、机的工作特性曲线如图6.2所示。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 图6.2 主轴电机的工作特性曲线 功率特性曲线转矩特性曲线P,M12hO第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 6.1.3 CNC与主轴驱动装置的连接 下面以日本安川（YASKAWA）VA-626MT型主轴驱动装置为例讲解CNC与主轴驱动装置的连接，图6.3所示为其内部原理框图，CNC装置与该主轴驱动装置的连接如图6.4所示。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 1转速给定信号的连接 YASKAWA VA-626MT型主轴驱动装置有4种转速给定连接方式，使用时根据所配CNC装置的输出信号类型通过设定面板
19、的设定任选其中的一种方式。这4种速度给定方式为。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 （1）模拟电压给定。CNC装置通过其主轴模拟电压输出接口，输出010V模拟电压，接至NCOM和0V端。电压正负控制电机转向，电压大小控制电动机转速。如果数控装置输出的电压为单极性0+10V，则可通过FORWARD RUN(正转)与REVERS RUN(反转)开关量指定正反转。（2）12位二进制数给定。数控装置通过输出12位二进制代码（12根线）至主轴驱动的2CN连接器，控制主轴转速。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 （3）2位BCD码给定。数控装置输出0099的二位BCD码(共8根信号)至
20、主轴驱动的2CN连接器，控制主轴转速。（4）3位BCD码给定。数控装置通过输出000999的三位BCD码(共12根信号)至主轴驱动的2CN连接器，控制主轴转速。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 2.开关量信号（1）RDY准备好信号:欲使主轴驱动工作，可闭合RDY触点，主轴驱动进入正常工作状态。（2）EMG急停信号:当EMG常闭触点打开时，电动机立即制动至停转。（3）FOR、REV信号:用于指定主轴正反转，其与模拟量的极性组合见表6.1。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 表6.1 FOR、REV与模拟量的极性组合 第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 （4）TLH
21、、TLL转矩极限限制。用于临时限制主轴电动机输出的最大转矩，以避免机械损坏。例如主轴机械准停时，可使用该功能。最大输出转矩可设定为额定转矩的5100。（5）SSC软启动信号：使用该信号可使主轴切换工作处于通常的主轴驱动状态或进入伺服状态，进入伺服状态可实现位置闭环控制。（6）PPI速度调节器信号：用于选择使用PI比例积分调节器或P比例调节器。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 （7）DAS速度设定方式信号：用于选择模拟量速度控制或数字量控制(12位二进制或2位BCD码或3位BCD码)。（8）ZSPD零速输出信号：若主轴转速低于设定的值(如30 rmin)，则ZSPD输出，表明电动机停
22、转。（9）AGR速度到达信号：当主轴电动机转速实际到达所设定的转速时，AGR信号输出。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 （10）NDET速度检测信号：当主轴转速低于某设定转速时，NDET输出。（11）TLE转矩极限输出信号：当外部转矩极限TLL和TLH输入信号有效时即进入转矩极限临时限制状态，TLE信号输出。（12）ALM报警信号：当主轴驱动报警时，报警信号ALM输出，同时报警代码(ALMCODE)通过AC0、ACl、AC2、AC3编码输出，指示报警内容。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 （13）TDET转矩检测输出信号：当主轴输出转矩低于某一定值时，TDET输出，该信
23、号用于检测主轴负载情况。（14）模拟量输出信号：两路模拟量输出用于外接转速与负载表，其输出直流电压与实际转速及负载成正比。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 图6.3 安川YASKAWA VS-626MT型主轴驱动装置原理框图 控 制电 源脉 冲 放 大转 换 器 控 制基 极驱 动检 测转 速 给 定开 关 量输 入数 字给 定输 入CPU数 字转 速 给 定控 制开 关 量 输 入模 拟电 压 给 定模 拟 量 输 出报 警 代 码开 关 量 输 出编 码器 信号 处理外 接 转 速 表 与 负 载 表报 警 代 码 输 出状 态 信 号 输 出经 处 理 后 的编 码 器 输
24、出电 流 给 定电 流 控 制PWM控 制基 极 驱 动1CN2CN3CN编 码 器PGM电 动 机1CN设 定 面 板L1L2L3三 相 交 流 电 源YASKAWA 主 轴 驱 动 系 统风 扇交 流 主 轴 电 动 机uvUVWUVWTSuv 5V 15 V 15VRST2CNNoDATAHOMEMODESETALMRESET第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 图图6.4 安川安川YASKAWA VS-626MT型主轴驱动装置外部连线图型主轴驱动装置外部连线图 ORE 准 停 完 成 输 出TLE 转 矩 极 限 输 出TDET 转 矩 检 测 输 出NDET 速 度 检 测
25、输 出ARG 速 度 到 达 输 出ZSPD 零 速 输 出ARGNDETTDETTLEORE333435363746451CN131211109876543210 VD12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D12CN数 字 电 压 给 定 信 号给 定 信 号模 拟 电 压ORT 准 停 启 动PPI 速 度 调 节 器DAS 速 度 设 定 方 式报 警 复 位SSC 软 启 动TLL 力 矩 极 限TLH 力 矩 运 行REV 反 转 运 行FOR 正 转 运 行EMG 急 停RDY 准 备 好三 相 交 流200/220 V 电 源MCCBL1L2L3RST1CN2 SS4
26、OV3 NCOM32ORT18171952913281211102298217206PPIDASRSTSSCTLLTLHREVFOREMGRDYYASKAWA 主 轴 驱 动 系 统0 V3210 V4950484725272624234443422CN主 轴 电 动 机 (带 风 扇 与 编 码 器)uvUVWE3CNuvUVWEPP123456789PG 5V 4,5,60V 1,2,3PCA 16*PCA 17*PCB 19PCB 18PCC 14*PCC 15PCA 16*PCA 17PCB 18*PCB 19PCC 14*PCC 15SS 20ICNAC0AC1AC2AC3COM2S
27、M0 VLM外 接 负 载 表外 接 转 速 表报 警 代 码 输 出报 警 输 出 信 号编 码 器 输 出 信 号经 处 理 后 的8004002001008040201084213-D1GITBCP8040201084212-D1GITBIN204810245122651286432168421VVPPPP第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 6.2 主轴的分段无级调速及控制 以主轴功率3.7KW，最高转速6000r/min的数控机床为例，可有以下4种驱动调速方案。（1）全段无级调速。如果仅考虑主轴功率和最高转速的要求，可选用额定功率3.7KW、额定转速1500r/min的主轴电
28、动机，直接驱动主轴，工作特性曲线如图6.5（a）所示。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 图中，在1500r/min6000r/min调速范围内，最大输出功率Pmax=3.7KW；在1500r/min以下，输出转距Mmax=15Nm，Pmax随着转速的降低而下降。在750r/min时，Pmax只能达到1.85KW。这显然是无法满足机床低速大转距要求的。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 为此，可选用额定功率7.4KW、额定转速1500r/min的主轴电动机，在1/2额定电压下无级变速驱动主轴，工作特性曲线如图6.6所示。在750r/min6000r/min整个范围内，P m
29、 a x=3.7 K W，在 7 5 0 r/m i n 以 下，Mmax=30Nm，完全能够满足机床低速大转距要求的。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 图6.5 3.7 kW电动机工作特性曲线 (a)全段无级调速；(b)分段无级调速 n300075003.7 kW30NmM,P3.7 kW15Nm60001500012齿轮变速箱11齿轮变速箱M,P(a)(b)n第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 图6.6 7.4 kW电动机工作特性曲线 M,P3.7 kW750n0Pmax15007.4 kW30Nm6000 r/minMmax第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控
30、制 （2）同功率电机，分段无级调速。选用与主轴要求同功率的3.7KW、额定转速1500r/min的主轴电动机。如果采用1:2齿轮减速驱动主轴，工作特性曲线如图6.5（b）所示。虽然低速时输出转距增大，Mmax=30Nm，满足了低速大转距要求，但降低了最高主轴转速。为此，可采用分两段无级变速驱动主轴，在低速段：750r/min3000r/min范围内用1:2齿轮减速，在高速段：1500r/min6000r/min范围内直接驱动，并由CNC系统控制齿轮机构自动换档，则可同时满足低速转矩和最高主轴转速的要求。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 比较上述两种方案，可以看出：采用全段无级调速，
31、主轴箱可以大大简化，但必需选用大功率的主轴电动机，从而使主轴电动机与驱动装置的体积、重量及成本大大增加。采用分段无级调速，既不增大电机的功率，又能展宽恒功率范围，比较经济，但需要自动换档机构。应用中可根据实际情况而定。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 2.分段无级调速的控制 多数数控系统均能够提供四挡变速功能，而数控机床通常使用两挡即可满足要求。图6.7所示为主轴分段无级调速的控制结构。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 图6.7 主轴分段无级变速结构示意图 主轴驱动装置PLCCNCM齿轮变速箱主轴M41M42010V第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 数控系统
32、具有使用M41M44代码进行齿轮自动变速的功能。首先需要在数控系统参数区设置M41M44四档对应的最高主轴转速，这样数控系统会根据当前S指令值，判断应处的档，并自动输出相应的M41M44指令给可编程控制器(PLC)控制更换相应的齿轮档，数控装置输出相应的模拟电压。例如M41对应的主轴最高转速为1000rmin，M42对应的主轴转速为3500rmin，主轴电动机最高转速为3500rmin。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 当S指令在01000rmin范围时,M41对应的齿轮应啮合,S指令在10013500r/min范围时，M42对应的齿轮应啮合。不同机床主轴变速所用的方式不同，控制的
33、具体实现可由可编程控制器来完成。目前常采用液压拨叉或电磁离合器来带动不同齿轮的啮合。显然，该例中M42对应的齿轮传动比为1：1，而M41对应的传动比为1：3.5，此时主轴输出的最大转矩为主轴电动机最大输出力矩的3.5倍。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 对变速时出现的顶齿现象，现代数控系统均采用在变速时，由数控系统控制主轴电动机低速摆动的方法来实现齿轮的顺序啮合。而变速时主轴电动机低速摆动的速度可在数控系统参数区中设定。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 3.齿轮变速自动换挡的操纵机构1)液压拨叉 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操纵机构。最简单的二位液
34、压缸实现双联齿轮变速，对于三联或三联以上的齿轮变速则需使用差动液压缸。图6.8所示为三位液压拨叉的原理图，通过电磁阀改变不同的通油方式可获得三个位置。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 图6.8 三位液压拨叉的工作原理 123451液压缸；2活塞；3拨叉；4套筒；5液压缸第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 （1）当液压缸1通人液压油而液压缸5卸压时，活塞杆2带动拨叉3向左移至极限位置。（2）当液压缸5通入液压油而液压缸1卸压时，活塞杆2和套筒4一起移至右极限位置第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 （3）当左右缸同时通入压力油时，由于活塞杆2两端直径不同便其向左移动
35、，而由于套筒4和活塞杆2截面直径不同，而使套筒4向右的推力大于活塞2两端直径不同便其向左移动，而由于套筒4和活塞杆2截面直径不同，而使套筒4向右的推力大于活塞扦2向左的推力，因此套筒4压向液压缸的右端，而活塞杆2紧靠套筒4的右面，拨叉处于中间位置。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 要注意的是，每个齿轮的到位需要有到位检测元件(如接近开关)检测，该信号有效说明变档已经结束。对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摆动来解决液压拨叉可能产生的顶齿问题。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 对于单纯分档有级变速的恒速交流电动机驱动场合，通常在传动链上安置一个微型
36、电机或液压马达来解决顶齿问题。正常工作时，离合器脱开；齿轮变速时，主轴电机断电，离合器吸合，微电机工作，带动主轴慢速转动，同时，油缸移动齿轮，从而顺利啮合。液压拨叉需要附加一套液压装置，将电信号转换为电磁阀动作，再将压力油分至相应的液压缸,因而增加了复杂性。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 2）电磁离合器变速 电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运行的元件。它便于实现自动化操作，但缺点是体积大，磁通易使机械零件磁化。在数控机床主传动中，使用电磁离合器能够简化变速机构，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。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动
37、及控制 在数控机床中常使用无滑环摩擦片式电磁离合器和牙嵌式电磁离合器。由于摩擦片式电磁离合器采用摩擦片传递转矩，所以允许不停机变速。但如果速度过高,会由于滑差运动产生大量的摩擦热。牙嵌式电磁离台器由于在摩擦面上加工成一定的齿形，提高了传递转矩，减小离合器的径向轴向尺寸，使主轴结构更加紧凑，摩擦热减小。但牙嵌式电磁离合器必须在低速时变速。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 6.3 主轴准停控制 主轴准停又叫主轴定位，即当主轴停止时，控制其停于固定位置。主轴准停是加工中心自动换刀所必需的功能。在自动换刀的镗铣加工中心上，切削的转矩通常是通过刀杆的端面键来传递的，这就要求主轴具有准确定位于
38、圆周上特定角度的功能，如图6.9所示。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时，为防止刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已加工好的内孔表面，必须先让刀再退刀，这种情况下也必须具有准确定位功能，如图6.10所示。在零件程序中，执行准停功能的指令为M19。按主轴准停控制的实现方式，可分为机械准停和电气准停。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 图6.9 主轴准停换刀示意图 刀具刀具柄键槽键主轴锥孔第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 图6.10 主轴准停镗背孔示意图 D2D1yx第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 1.机械准停控制 机械准停控制一般
39、采用形槽轮定位盘准停结构，如图6.11所示。带有形槽的定位盘与主轴端面保持一定的关系，以确定定位位置。当CNC执行准停控制指令M19时，首先使主轴减速至某一预先设定的低速转动，然后当接近开关信号有效后，立即使主轴电动机停转并断开主轴传动链，此时主轴电动机与主轴传动件依惯性继续空转，同时准停油缸定位销伸出并压向定位盘。当定位盘形槽与定位销正对时，由于油缸的压力，定位销插入形槽中，LS2准停到信号有效，表明准停动作完成。这里LS1为准停释放信号，LS2为准停释放信号。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 采用这种准停方式，必须有定的逻辑互锁，即当LS2有效时，才能进行换刀等动作。而只有当L
40、S1有效时，才能启动主轴电动机正常运转。上述控制逻辑通常由数控系统所配的可编程控制器完成 第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 图6.11 机械准停原理示意图 主轴中心定位盘接近体无触点开关定位液压缸LS1LS2第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 2.电气准停控制 多数中高档数控系统均采用电气准停控制，电气准停通常有以下3种方式：（1）磁传感器准停 磁传感器主轴准停控制由主轴驱动自身完成，控制结构如图6.12所示。当CNC系统执行M19指令时，向主轴驱动发出主轴准停启动命令ORT。主轴驱动响应ORT命令，立即使主轴减速至预先设定的准停速度。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱
41、动及控制 图6.12 磁传感器准停控制系统构成 变速齿轮或带传动主轴电动机刀具磁发体磁传感器准停板伺服驱动速度反馈准停完成准停启动CNC装置第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 当磁发体与磁传感器对准时，主轴立即减速至某一爬行速度。当磁发体与磁传感器再次对准时，主轴驱动立即进入磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制，目标位置为准停位置。准停完成后，主轴驱动装置输出准停完成ORE信号给CNC装置，从而可进行自动换刀或其它动作。时序如图6.13所示。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 图6.13 磁传感器准停时序图 磁传感器输出O速度完成信号ORE准停信号ORT运行信号准停速度爬行速
42、度自动换刀t命令速度实际速度第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 2）编码器型主轴准停 这种准停功能也是由主轴驱动完成的，控制结构如图6.14所示。CNC只需发出ORT命令，主轴驱动完成准停后回答准停完成信号ORE。其控制步骤与传感器类似，所不同的是准停角度可由编码(12位)设定，更加灵活方便。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 图6.14 编码器型主轴准停结构 主轴电动机主轴编码器准停板变速齿轮或带传动刀具传动带速度反馈准停位置信号准停完成准停启动伺服驱动CNC装置第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 3）数控系统准停 这种准停控制方式是由数控系统完成的，其原理与进
43、给位置控制的原理非常相似，如图6.15所示。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 图6.15 数控系统控制主轴准停结构 K主轴驱动装置D/A数控系统准停位置给定转速给定功能切换开关位置传感器测速机PCTGM第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 为实现这种准停控制，要求：数控系统必须具有主轴闭环控制功能。具有较高的主轴传动精度。通常用电动机轴端编码器信号反馈给数控装置，构成位置闭环，这就要求主轴传动链要有较高的精度。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 主轴驱动具有伺服状态。通常为避免冲击，主轴驱动都采用软启动方式。但这对主轴位置闭环控制会产生不良影响。位置增益过低，则准
44、停精度和刚度不能满足要求；过高则会产生严重的定位振荡现象。因此必须使主轴进入伺服状态，使其特性与进给系统伺服系统相近，才可进行位置控制。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 采用数控系统控制主轴准停时，准停角度由数控系统内部设定，因此更加方便灵活。可在M19指令后用S值制定准停角度。执行M19，无S指令时，主轴定位于相对于零位脉冲C预定位置，该预定位置可在CNC系统参数中设定。如执行M19 S时，主轴定位于S值指定位置，也就是相对零位脉冲S 的角度位置。例如：M03 S1000主轴以1000rmin正转M19 主轴准停于缺省位置M19 S100主轴准停转至100处S1000 主轴再次以
45、1000rmin正转M19 S200 主轴准停至200处 无论采用何种准停方案，当需要在主轴上安装元件时，都应注意动平衡问题，避免安装不当而引起主轴振动。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 小 结 数控机床对主轴的一般要求是：宽的调速范围和恒功率范围，运行平稳，升降速时间短。有些数控机床还要求主轴具有准停功能、旋转轴功能。主轴的调速分为：分档变速、无级变速和分段无级变速三种形式，分档和分段变速可通过改变齿轮的啮合比来实现，常见的变速操纵机构有液压拨叉和电磁离合器两种形式。主轴准停又叫主轴定位，即当主轴停止时，控制其停于固定位置。主轴准停用于加工中心的自动换刀和镗阶梯孔。主轴准停有机械准停和电气准停两种控制方式。第第6 6章章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制 习 题 6.1 数控机床对主轴驱动系统有哪些要求？6.2 主轴驱动系统有哪几种调速方式？6.3 简述主轴分段无级调速的优越性。6.4 常用的齿轮变速自动换挡操纵机构有哪几种？各有何特点？6.5 什么叫主轴准停？有哪几种主轴准停控制方式？
