1、第6章 主軸驅(qū)動及控制,6.1 概述 6.2 主軸的分段無級調(diào)速及控制 6.3 主軸準?？刂?小結(jié) 習(xí)題,本章導(dǎo)讀,本章主要介紹主軸驅(qū)動裝置的特性與連接方法、主軸分段無級調(diào)速控制、主軸準?？刂频葍?nèi)容。通過本章的學(xué)習(xí)，了解數(shù)控機床對主軸的要求，熟悉主軸驅(qū)動裝置的一般連接方法，掌握主軸調(diào)速、準?？刂品椒?。,6.1 概 述,數(shù)控機床的主軸驅(qū)動和進給驅(qū)動有很大的差別。主軸的運動通常是旋轉(zhuǎn)運動，以調(diào)速和功率驅(qū)動為主。隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，對主軸驅(qū)動和控制提出了更高的要求。,6.1.1 數(shù)控機床對主軸控制的要求 一般來說，數(shù)控機床對主軸系統(tǒng)有以下要求。 （1） 調(diào)速范圍寬。 要求有較寬的調(diào)速范圍，以保證

2、加工時選用合理的切削用量，獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量；并希望能夠無級調(diào)速，以簡化主軸箱設(shè)計。調(diào)速范圍一般要求達到1：100以上。,（2） 恒功率調(diào)速范圍寬，并能提高足夠的切削功率。 由于在金屬切削加工工藝中，一般在精加工時小吃刀量，高轉(zhuǎn)速；粗加工時大吃刀量，低轉(zhuǎn)速；具有恒功率的特性。這就要求主軸系統(tǒng)具有較寬的恒功率調(diào)速范圍，才能滿足負載特性的需要。但由于受主軸電機與驅(qū)動的限制，其低速段均為恒轉(zhuǎn)矩輸出，為此可采用分段無級變速的方法，以展寬恒功率范圍。,（3） 穩(wěn)定、快速。 要求主軸在正、反、停等過程中可進行自動加減速控制，并且加減速時間短，反應(yīng)快速。 （4） 準停控制。 為滿足加工中心

3、自動換刀以及某些加工工藝的需要，要求主軸具有準停控制功能。 （5） 旋轉(zhuǎn)軸功能。 在車削中心上，要求主軸具有旋轉(zhuǎn)進給(C軸)控制功能。,6.1.2 主軸系統(tǒng)的分類與特性 1. 主軸系統(tǒng)的分類 根據(jù)變速方式的不同，主軸系統(tǒng)可分為有級變速、 無級變速和分段無級變速三種形式。其中，有級變速僅用于經(jīng)濟型數(shù)控機床， 大多數(shù)數(shù)控機床均采用無級變速或分段無級變速。,為滿足變速的要求，早期的數(shù)控機床常采用直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)。由于直流電動機存在體積大、恒功率調(diào)速范圍窄、電刷易磨損、維護比較麻煩等缺點，而逐漸被交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)所取代。目前，絕大多數(shù)數(shù)控機床均采用鼠籠式交流異步電動機配置矢量變頻調(diào)速器，構(gòu)成主軸驅(qū)動系

4、統(tǒng)。,2. 主軸驅(qū)動的特性 與直流電動機相比，鼠籠式交流異步電動機具有恒功率范圍寬，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，可靠性高等優(yōu)點。但是在采用一般變頻器調(diào)速時，其調(diào)速特性無法與直流電動機相比， 因此必須采用矢量變頻控制技術(shù)。,由于采用矢量變頻控制技術(shù)后，交流電動機與直流電動機的數(shù)學(xué)模型極為相似，因而以直流主軸電動機為例來分析其調(diào)速特性， 其模型結(jié)構(gòu)如圖6.1所示。 根據(jù)直流電動機的工作原理可得,圖6.1 主軸電動機電路模型,從而導(dǎo)出轉(zhuǎn)距速度特性方程,（1）在基速n0以下，采用調(diào)壓調(diào)速，即在勵磁電流If不變，為常數(shù)的情況下，用改變電樞電壓Ua的方法調(diào)速。 這時輸出的最大轉(zhuǎn)矩Mmax取決于電樞電流最大

5、值Imax， 即 Mmax=CMImax 而對一臺主軸電動機來說，最大電流為恒定，因此所能輸出最大轉(zhuǎn)矩是恒定的，而輸出功率隨轉(zhuǎn)速升高而增加，因此基速n0以下稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。,（2） 基速n0以上采用弱磁方法調(diào)速，即在保持電樞電壓Ua不變的情況下，用改變勵磁電流If的方法來調(diào)速。 這時If減小K倍，也減小K倍，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速n增加K倍， 最大轉(zhuǎn)矩則因為磁通的減小而減小K倍，因此所能輸出的最大功率Pmax=Mmaxn不變, 這稱為恒功率調(diào)速。主軸電機的工作特性曲線如圖6.2所示。,圖6.2 主軸電機的工作特性曲線,6.1.3 CNC與主軸驅(qū)動裝置的連接 下面以日本安川（YASKAWA）VA-626MT

6、型主軸驅(qū)動裝置為例講解CNC與主軸驅(qū)動裝置的連接，圖6.3所示為其內(nèi)部原理框圖， CNC裝置與該主軸驅(qū)動裝置的連接如圖6.4所示。,1轉(zhuǎn)速給定信號的連接 YASKAWA VA-626MT型主軸驅(qū)動裝置有4種轉(zhuǎn)速給定連接方式，使用時根據(jù)所配CNC裝置的輸出信號類型通過設(shè)定面板的設(shè)定任選其中的一種方式。這4種速度給定方式為。,（1）模擬電壓給定。 CNC裝置通過其主軸模擬電壓輸出接口，輸出010V模擬電壓，接至NCOM和0V端。電壓正負控制電機轉(zhuǎn)向，電壓大小控制電動機轉(zhuǎn)速。如果數(shù)控裝置輸出的電壓為單極性0+10V，則可通過FORWARD RUN(正轉(zhuǎn))與REVERS RUN(反轉(zhuǎn))開關(guān)量指定正反轉(zhuǎn)

7、。 （2）12位二進制數(shù)給定。 數(shù)控裝置通過輸出12位二進制代碼（12根線）至主軸驅(qū)動的2CN連接器，控制主軸轉(zhuǎn)速。,（3）2位BCD碼給定。 數(shù)控裝置輸出0099的二位BCD碼(共8根信號)至主軸驅(qū)動的2CN連接器，控制主軸轉(zhuǎn)速。 （4）3位BCD碼給定。 數(shù)控裝置通過輸出000999的三位BCD碼(共12根信號)至主軸驅(qū)動的2CN連接器，控制主軸轉(zhuǎn)速。,2. 開關(guān)量信號 （1） RDY準備好信號: 欲使主軸驅(qū)動工作，可閉合RDY觸點，主軸驅(qū)動進入正常工作狀態(tài)。 （2） EMG急停信號: 當(dāng)EMG常閉觸點打開時，電動機立即制動至停轉(zhuǎn)。 （3） FOR、 REV信號: 用于指定主軸正反轉(zhuǎn)，其與

8、模擬量的極性組合見表6.1。,表6.1 FOR、 REV與模擬量的極性組合,（4）TLH、TLL轉(zhuǎn)矩極限限制。用于臨時限制主軸電動機輸出的最大轉(zhuǎn)矩，以避免機械損壞。例如主軸機械準停時，可使用該功能。最大輸出轉(zhuǎn)矩可設(shè)定為額定轉(zhuǎn)矩的5100。 （5）SSC軟啟動信號：使用該信號可使主軸切換工作處于通常的主軸驅(qū)動狀態(tài)或進入伺服狀態(tài)， 進入伺服狀態(tài)可實現(xiàn)位置閉環(huán)控制。 （6）PPI速度調(diào)節(jié)器信號：用于選擇使用PI比例積分調(diào)節(jié)器或P比例調(diào)節(jié)器。,（7） DAS速度設(shè)定方式信號：用于選擇模擬量速度控制或數(shù)字量控制(12位二進制或2位BCD碼或3位BCD碼)。 （8） ZSPD零速輸出信號：若主軸轉(zhuǎn)速低于設(shè)

9、定的值(如30 rmin)， 則ZSPD輸出， 表明電動機停轉(zhuǎn)。 （9） AGR速度到達信號：當(dāng)主軸電動機轉(zhuǎn)速實際到達所設(shè)定的轉(zhuǎn)速時， AGR信號輸出。,（10）NDET速度檢測信號：當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速低于某設(shè)定轉(zhuǎn)速時，NDET輸出。 （11）TLE轉(zhuǎn)矩極限輸出信號：當(dāng)外部轉(zhuǎn)矩極限TLL和TLH輸入信號有效時即進入轉(zhuǎn)矩極限臨時限制狀態(tài)，TLE信號輸出。 （12） ALM報警信號：當(dāng)主軸驅(qū)動報警時，報警信號ALM輸出，同時報警代碼(ALMCODE)通過AC0、ACl、AC2、AC3編碼輸出， 指示報警內(nèi)容。,（13）TDET轉(zhuǎn)矩檢測輸出信號：當(dāng)主軸輸出轉(zhuǎn)矩低于某一定值時，TDET輸出，該信號用于檢測主軸

10、負載情況。 （14）模擬量輸出信號：兩路模擬量輸出用于外接轉(zhuǎn)速與負載表， 其輸出直流電壓與實際轉(zhuǎn)速及負載成正比。,圖6.3 安川YASKAWA VS-626MT型主軸驅(qū)動裝置原理框圖,圖6.4 安川YASKAWA VS-626MT型主軸驅(qū)動裝置外部連線圖,6.2 主軸的分段無級調(diào)速及控制,以主軸功率3.7KW，最高轉(zhuǎn)速6000r/min的數(shù)控機床為例，可有以下4種驅(qū)動調(diào)速方案。 （1）全段無級調(diào)速。如果僅考慮主軸功率和最高轉(zhuǎn)速的要求，可選用額定功率3.7KW、額定轉(zhuǎn)速1500r/min的主軸電動機，直接驅(qū)動主軸，工作特性曲線如圖6.5（a）所示。,圖中，在1500r/min6000r/min調(diào)

11、速范圍內(nèi)，最大輸出功率Pmax=3.7KW；在1500r/min以下，輸出轉(zhuǎn)距Mmax=15Nm，Pmax隨著轉(zhuǎn)速的降低而下降。在750r/min時，Pmax只能達到1.85KW。這顯然是無法滿足機床低速大轉(zhuǎn)距要求的。,為此，可選用額定功率7.4KW、額定轉(zhuǎn)速1500r/min的主軸電動機，在1/2額定電壓下無級變速驅(qū)動主軸，工作特性曲線如圖6.6所示。在750r/min6000r/min整個范圍內(nèi)，Pmax=3.7KW，在750r/min以下，Mmax=30Nm，完全能夠滿足機床低速大轉(zhuǎn)距要求的。,圖6.5 3.7 kW電動機工作特性曲線 (a) 全段無級調(diào)速； (b) 分段無級調(diào)速,圖6.

12、6 7.4 kW電動機工作特性曲線,（2）同功率電機，分段無級調(diào)速。 選用與主軸要求同功率的3.7KW、額定轉(zhuǎn)速1500r/min的主軸電動機。如果采用1:2齒輪減速驅(qū)動主軸，工作特性曲線如圖6.5（b）所示。雖然低速時輸出轉(zhuǎn)距增大，Mmax=30Nm，滿足了低速大轉(zhuǎn)距要求，但降低了最高主軸轉(zhuǎn)速。為此，可采用分兩段無級變速驅(qū)動主軸，在低速段：750r/min3000r/min范圍內(nèi)用1:2齒輪減速，在高速段：1500r/min6000r/min范圍內(nèi)直接驅(qū)動，并由CNC系統(tǒng)控制齒輪機構(gòu)自動換檔，則可同時滿足低速轉(zhuǎn)矩和最高主軸轉(zhuǎn)速的要求。,比較上述兩種方案，可以看出：采用全段無級調(diào)速，主軸箱可以

13、大大簡化，但必需選用大功率的主軸電動機，從而使主軸電動機與驅(qū)動裝置的體積、重量及成本大大增加。采用分段無級調(diào)速，既不增大電機的功率，又能展寬恒功率范圍，比較經(jīng)濟，但需要自動換檔機構(gòu)。應(yīng)用中可根據(jù)實際情況而定。,2. 分段無級調(diào)速的控制 多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)均能夠提供四擋變速功能，而數(shù)控機床通常使用兩擋即可滿足要求。圖6.7所示為主軸分段無級調(diào)速的控制結(jié)構(gòu)。,圖6.7 主軸分段無級變速結(jié)構(gòu)示意圖,數(shù)控系統(tǒng)具有使用M41M44代碼進行齒輪自動變速的功能。首先需要在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)區(qū)設(shè)置M41M44四檔對應(yīng)的最高主軸轉(zhuǎn)速，這樣數(shù)控系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)前S指令值，判斷應(yīng)處的檔，并自動輸出相應(yīng)的M41M44指令給可編程控制

14、器(PLC)控制更換相應(yīng)的齒輪檔，數(shù)控裝置輸出相應(yīng)的模擬電壓。例如M41對應(yīng)的主軸最高轉(zhuǎn)速為1000rmin，M42對應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速為3500rmin，主軸電動機最高轉(zhuǎn)速為3500rmin。,當(dāng)S指令在01000rmin范圍時,M41對應(yīng)的齒輪應(yīng)嚙合,S指令在10013500r/min范圍時，M42對應(yīng)的齒輪應(yīng)嚙合。不同機床主軸變速所用的方式不同，控制的具體實現(xiàn)可由可編程控制器來完成。目前常采用液壓撥叉或電磁離合器來帶動不同齒輪的嚙合。顯然，該例中M42對應(yīng)的齒輪傳動比為1：1，而M41對應(yīng)的傳動比為1：3.5，此時主軸輸出的最大轉(zhuǎn)矩為主軸電動機最大輸出力矩的3.5倍。,對變速時出現(xiàn)的頂齒現(xiàn)象，

15、現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)均采用在變速時，由數(shù)控系統(tǒng)控制主軸電動機低速擺動的方法來實現(xiàn)齒輪的順序嚙合。而變速時主軸電動機低速擺動的速度可在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)區(qū)中設(shè)定。,3. 齒輪變速自動換擋的操縱機構(gòu) 1) 液壓撥叉 液壓撥叉是一種用一只或幾只液壓缸帶動齒輪移動的變速操縱機構(gòu)。 最簡單的二位液壓缸實現(xiàn)雙聯(lián)齒輪變速， 對于三聯(lián)或三聯(lián)以上的齒輪變速則需使用差動液壓缸。 圖6.8所示為三位液壓撥叉的原理圖， 通過電磁閥改變不同的通油方式可獲得三個位置。,圖6.8 三位液壓撥叉的工作原理,（1）當(dāng)液壓缸1通人液壓油而液壓缸5卸壓時，活塞桿2帶動撥叉3向左移至極限位置。 （2）當(dāng)液壓缸5通入液壓油而液壓缸1卸壓時，活塞桿2

16、和套筒4一起移至右極限位置,（3）當(dāng)左右缸同時通入壓力油時，由于活塞桿2兩端直徑不同便其向左移動，而由于套筒4和活塞桿2截面直徑不同，而使套筒4向右的推力大于活塞2兩端直徑不同便其向左移動，而由于套筒4和活塞桿2截面直徑不同，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壓向液壓缸的右端，而活塞桿2緊靠套筒4的右面，撥叉處于中間位置。,要注意的是，每個齒輪的到位需要有到位檢測元件(如接近開關(guān))檢測，該信號有效說明變檔已經(jīng)結(jié)束。對主軸驅(qū)動無級變速的場合，可采用數(shù)控系統(tǒng)控制主軸電動機慢速擺動來解決液壓撥叉可能產(chǎn)生的頂齒問題。,對于單純分檔有級變速的恒速交流電動機驅(qū)動場合，通常在傳動鏈上安置

17、一個微型電機或液壓馬達來解決頂齒問題。正常工作時，離合器脫開；齒輪變速時，主軸電機斷電，離合器吸合，微電機工作，帶動主軸慢速轉(zhuǎn)動，同時，油缸移動齒輪，從而順利嚙合。液壓撥叉需要附加一套液壓裝置，將電信號轉(zhuǎn)換為電磁閥動作，再將壓力油分至相應(yīng)的液壓缸,因而增加了復(fù)雜性。,2） 電磁離合器變速 電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運行的元件。 它便于實現(xiàn)自動化操作， 但缺點是體積大， 磁通易使機械零件磁化。在數(shù)控機床主傳動中，使用電磁離合器能夠簡化變速機構(gòu)，通過安裝在各傳動軸上離合器的吸合與分離形成不同的運動組合傳動路線，實現(xiàn)主軸變速。,在數(shù)控機床中常使用無滑環(huán)摩擦片式電磁離合器和牙嵌式電磁離合器。由

18、于摩擦片式電磁離合器采用摩擦片傳遞轉(zhuǎn)矩，所以允許不停機變速。但如果速度過高,會由于滑差運動產(chǎn)生大量的摩擦熱。牙嵌式電磁離臺器由于在摩擦面上加工成一定的齒形，提高了傳遞轉(zhuǎn)矩，減小離合器的徑向軸向尺寸，使主軸結(jié)構(gòu)更加緊湊，摩擦熱減小。但牙嵌式電磁離合器必須在低速時變速。,6.3 主軸準?？刂?主軸準停又叫主軸定位，即當(dāng)主軸停止時，控制其停于固定位置。主軸準停是加工中心自動換刀所必需的功能。在自動換刀的鏜銑加工中心上，切削的轉(zhuǎn)矩通常是通過刀桿的端面鍵來傳遞的，這就要求主軸具有準確定位于圓周上特定角度的功能，如圖6.9所示。,當(dāng)加工階梯孔或精鏜孔后退刀時，為防止刀具與小階梯孔碰撞或拉毛已加工好的內(nèi)孔表

19、面，必須先讓刀再退刀，這種情況下也必須具有準確定位功能， 如圖6.10所示。在零件程序中，執(zhí)行準停功能的指令為M19。 按主軸準停控制的實現(xiàn)方式，可分為機械準停和電氣準停。,圖6.9 主軸準停換刀示意圖,圖6.10 主軸準停鏜背孔示意圖,1. 機械準?？刂?機械準?？刂埔话悴捎眯尾圯喍ㄎ槐P準停結(jié)構(gòu)，如圖6.11所示。帶有形槽的定位盤與主軸端面保持一定的關(guān)系，以確定定位位置。當(dāng)CNC執(zhí)行準停控制指令M19時，首先使主軸減速至某一預(yù)先設(shè)定的低速轉(zhuǎn)動，然后當(dāng)接近開關(guān)信號有效后，立即使主軸電動機停轉(zhuǎn)并斷開主軸傳動鏈，此時主軸電動機與主軸傳動件依慣性繼續(xù)空轉(zhuǎn)，同時準停油缸定位銷伸出并壓向定位盤。當(dāng)定位盤

20、形槽與定位銷正對時，由于油缸的壓力，定位銷插入形槽中，LS2準停到信號有效，表明準停動作完成。這里L(fēng)S1為準停釋放信號，LS2為準停釋放信號。,采用這種準停方式，必須有定的邏輯互鎖，即當(dāng)LS2有效時，才能進行換刀等動作。而只有當(dāng)LS1有效時，才能啟動主軸電動機正常運轉(zhuǎn)。上述控制邏輯通常由數(shù)控系統(tǒng)所配的可編程控制器完成,圖6.11 機械準停原理示意圖,2.電氣準?？刂?多數(shù)中高檔數(shù)控系統(tǒng)均采用電氣準?？刂?，電氣準停通常有以下3種方式： （1）磁傳感器準停 磁傳感器主軸準?？刂朴芍鬏S驅(qū)動自身完成，控制結(jié)構(gòu)如圖6.12所示。當(dāng)CNC系統(tǒng)執(zhí)行M19指令時，向主軸驅(qū)動發(fā)出主軸準停啟動命令ORT。主軸驅(qū)動

21、響應(yīng)ORT命令，立即使主軸減速至預(yù)先設(shè)定的準停速度。,圖6.12 磁傳感器準?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)成,當(dāng)磁發(fā)體與磁傳感器對準時，主軸立即減速至某一爬行速度。當(dāng)磁發(fā)體與磁傳感器再次對準時，主軸驅(qū)動立即進入磁傳感器作為反饋元件的位置閉環(huán)控制，目標位置為準停位置。準停完成后，主軸驅(qū)動裝置輸出準停完成ORE信號給CNC裝置，從而可進行自動換刀或其它動作。時序如圖6.13所示。,圖6.13 磁傳感器準停時序圖,2） 編碼器型主軸準停 這種準停功能也是由主軸驅(qū)動完成的，控制結(jié)構(gòu)如圖6.14所示。CNC只需發(fā)出ORT命令，主軸驅(qū)動完成準停后回答準停完成信號ORE。其控制步驟與傳感器類似，所不同的是準停角度可由編碼(12位)設(shè)定， 更加靈活方便。,圖6.14 編碼器型主軸準停結(jié)構(gòu),3） 數(shù)控系統(tǒng)準停 這種準停控制方式是由數(shù)控系統(tǒng)完成的，其原理與進給位置控制的原理非常相似，如圖6.15所示。,圖6.15 數(shù)控系統(tǒng)控制主軸準停結(jié)構(gòu),為實現(xiàn)這種準?？刂?，要求： 數(shù)控系統(tǒng)必須具有主軸閉環(huán)控制功能。 具有較高的主軸傳動精度。通常用電動機軸端編碼器信號反饋給數(shù)控裝置，構(gòu)成位置閉環(huán)，這就要求主軸傳動鏈要有較高的精度。, 主軸驅(qū)動具有伺服狀態(tài)。通常為避免沖擊，主軸驅(qū)動都采用軟啟動方式