《数控原理与系统》第6章主轴驱动及控制

第6章主轴驱动及控制第6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小结习题第6章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6章主轴驱动及控制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6章主轴驱动及控制6.1.1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6章主轴驱动及控制（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6章主轴驱动及控制（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6章主轴驱动及控制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6章主轴驱动及控制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6章主轴驱动及控制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6章主轴驱动及控制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6章主轴驱动及控制图6.1主轴电动机电路模型＋UaIfRanMEM－＋－Ia第6章主轴驱动及控制从而导出转距速度特性方程faMeaaaKIICMCRIUn第6章主轴驱动及控制（1）在基速n0以下，采用调压调速，即在励磁电流If不变，Φ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=CMΦImax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6章主轴驱动及控制（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，Φ也减小K倍，相应的转速n增加K倍，最大转矩则因为磁通Ф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。主轴电机的工作特性曲线如图6.2所示。第6章主轴驱动及控制图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6章主轴驱动及控制6.1.3CNC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6章主轴驱动及控制1．转速给定信号的连接YASKAWAVA-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的设定任选其中的一种方式。这4种速度给定方式为。第6章主轴驱动及控制（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0～±10V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FORWARDRUN(正转)与REVERSRUN(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6章主轴驱动及控制（3）2位BCD码给定。数控装置输出00～99的二位BCD码(共8根信号)至主轴驱动的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000～999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6章主轴驱动及控制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6章主轴驱动及控制表6.1FOR、REV与模拟量的极性组合第6章主轴驱动及控制（4）TLH、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5％～100％。（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6章主轴驱动及控制（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30r／min)，则ZSPD输出，表明电动机停转。（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6章主轴驱动及控制（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6章主轴驱动及控制（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6章主轴驱动及控制图6.3安川YASKAWAVS-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＋15V－15VRST2CNNoDATAHOMEMODESETALMRESET第6章主轴驱动及控制图6.4安川YASKAWAVS-626MT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速度检测输出ARG速度到达输出ZSPD零速输出ARGNDETTDETTLEORE333435363746451CN131211109876543210VD12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D12CN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200/220V电源MCCBL1L2L3RST1CN2SS4OV3NCOM32ORT18171952913281211102298217206PPIDASRSTSSCTLLTLHREVFOREMGRDYYASKAWA主轴驱动系统0V3210V4950484725272624234443422CN主轴电动机(带风扇与编码器)uvUVWE3CNuvUVWEPP123456789PG＋5V4,5,60V1,2,3PCA16*PCA17*PCB19PCB18PCC14*PCC15PCA16*PCA17PCB18*PCB19PCC14*PCC15SS20ICNAC0AC1AC2AC3COM2SM0VLM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-D1GITBIN204810245122651286432168421VV＋－＋－PPPP第6章主轴驱动及控制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的主轴电动机，直接驱动主轴，工作特性曲线如图6.5（a）所示。第6章主轴驱动及控制图中，在1500r/min～6000r/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=15N•m，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6章主轴驱动及控制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/min～6000r/min整个范围内，Pmax=3.7KW，在750r/min以下，Mmax=30N•m，完全能够满足机床低速大转距要求的。第6章主轴驱动及控制图6.53.7kW(a)全段无级调速；(b)分段无级调速n300075003.7kW30N·mM,P3.7kW15N·m6000150001∶2齿轮变速箱1∶1齿轮变速箱M,P(a)(b)n第6章主轴驱动及控制图6.67.4kW电动机工作特性曲线M,P3.7kW750n0Pmax15007.4kW30N·m6000r/minMmax第6章主轴驱动及控制（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=30N•m，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/min～3000r/min范围内用1:2齿轮减速，在高速段：1500r/min～6000r/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6章主轴驱动及控制比较上述两种方案，可以看出：采用全段无级调速，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