数控系统主轴

第六章主轴驱动及控制§6.1概述§6.2主轴的分段无级调速及控制§6.3主轴准停控制数控机床主传动系统是用来实现机床主运动的，它将主电动机的原动力变成可供主轴上刀具切削加工的切削力矩和切削速度。典型数控机床主传动系统外观如左图。§6.1概述数控机床的主轴驱动系统也就是主传动系统，它的性能直接决定了加工工件的表面质量，因此，在数控机床的维修和维护中，主轴驱动系统显得很重要。一、概述主轴驱动系统也叫主传动系统，是在系统中完成主运动的动力装置部分。主轴驱动系统通过该传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度，配合进给运动，加工出理想的零件。它是零件加工的成型运动之一，它的精度对零件的加工精度有较大的影响。二、数控机床对主轴驱动系统的要求机床主轴的工作运动通常是旋转运动，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。1、调速范围宽并实现无极调速2、恒功率范围要宽3、具有4象限驱动能力4、具有位置控制能力5、具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低。6、良好的抗振性和热稳定性三、不同类型的主轴系统的特点和使用范围1、普通笼型异步电动机配齿轮变速箱这是最经济的一种方法主轴配置方式，但只能实现有级调速，由于电动机始终工作在额定转速下，经齿轮减速后，在主轴低速下输出力矩大，重切削能力强，非常适合粗加工和半精加工的要求。可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有工作在约500转/分钟以上才能有比较满意的力矩输出，否则，特别是车床很容易出现堵转的情况，一般会采用两挡齿轮或皮带变速，但主轴仍然只能工作在中高速范围，另外因为受到普通电动机最高转速的限制，主轴的转速范围受到较大的限制。这种方案适用于需要无级调速但对低速和高速都不要求的场合，例如数控钻铣床。国内生产的简易型变频器较多。2、普通笼型异步电动机配简易型变频器3、普通笼型异步电动机配通用变频器目前进口的通用变频器，除了具有U/f曲线调节，一般还具有无反馈矢量控制功能，会对电动机的低速特性有所改善，配合两级齿轮变速，基本上可以满足车床低速（100—200转/分钟）小加工余量的加工，但同样受最高电动机速度的限制。这是目前经济型数控机床比较常用的主轴驱动系统。4、专用变频电动机配通用变频器中档数控机床主要采用这种方案，主轴传动两挡变速甚至仅一挡即可实现转速在100—200r/min左右时车、铣的重力切削。一些有定向功能的还可以应用与要求精镗加工的数控镗铣床，若应用在加工中心上，还不很理想，必须采用其他辅助机构完成定向换刀的功能，而且也不能达到刚性攻丝的要求。5、伺服主轴驱动系统伺服主轴驱动系统具有响应快、速度高、过载能力强的特点，还可以实现定向和进给功能，当然价格也是最高的，通常是同功率变频器主轴驱动系统的2--3倍以上。伺服主轴驱动系统主要应用于加工中心上，用以满足系统自动换刀、刚性攻丝、主轴C轴进给功能等对主轴位置控制性能要求很高的加工。6、电主轴电主轴是主轴电动机的一种结构形式，驱动器可以是变频器或主轴伺服，也可以不要驱动器。电主轴由于电机和主轴合二为一，没有传动机构，因此，大大简化了主轴的结构，并且提高了主轴的精度，但是抗冲击能力较弱，而且功率还不能做得太大，一般在10KW以下。由于结构上的优势，电主轴主要向高速方向发展，一般在10000r/min以上。四、常用的主轴驱动系统介绍1、FANUC（法那科）公司主轴驱动系统目前三个系列交流主轴电动机为：S系列电动机，额定输出功率范围1.5～37KW；H系列电动机，额定输出功率范围1.5～22KW；P系列电动机，额定输出功率范围3.7～37KW。该公司交流主轴驱动系统的特点为：①采用为处理器控制技术，进行矢量计算，从而实现最佳控制。②主回路采用晶体管PWM逆变器，使电动机电流非常接近正弦波性。③具有主轴定向控制、数字和模拟输入接口等功能。2、SIEMENS（西门子）公司主轴驱动系统SIEMENS公司生产的直流主轴电动机有1GG5、1GF5、1GL5和1GH5四个系列，与这四个系列电动机配套的6RA24、6RA27系列驱动装置采用晶闸管控制。1PH5和1PH6两个系列的交流主轴电动机，功率范围为3～100KW。驱动装置为6SC650系列交流主轴驱动装置或6SC611A（SIMODRIVE611A）主轴驱动模块，主回路采用晶体管SPWM变频器控制的方式，具有能量再生制动功能。另外，采用为处理器80186可进行闭环转速、转矩控制及磁场计算，从而完成矢量控制。同过选件实现C轴进给控制，在不需要CNC的帮助下，实现主轴的定位控制。3、DANFOSS（丹佛斯）公司系列变频器目前应用于数控机床上的变频器系列常用的有：VLT2800，可并列式安装方式，具有宽范围配接电机功率：0.37KW-7.5KW200V/400；VLT5000，可在整个转速范围内进行精确的滑差补偿，并在3ms内完成。在使用串行通讯时，VLT5000对每条指令的响应时间为0.1ms，可使用任何标准电机与VLT5000匹配。4、HITACHI（日立）公司系列变频器HITACHI公司的主轴变频器应用于数控机床上通常有：L100系列通用型变频，额定输出功率范围为0.2KW-7.5KW，V/f特性可选恒转矩/降转矩，可手动/自动提升转矩，载波频率0.5HZ-16HZ连续可调。日立SJ100系列变频器，是一种矢量型变频，额定输出功率范围为0.2KW-7.5KW，载波频率在0.5HZ-16HZ内连续可调，加减速过程中可分段改变加减速时间，可内部/外部启动直流制动；日立SJ200/300系列变频器，额定输出功率范围为0.75KW-132KW，具有2台电机同时无速度传感器矢量控制运行且电机常数在/离线自整定。5、HNC（华中数控）公司系列主轴驱动系统HSV-20S是武汉华中数控股份有限公司推出的全数字交流主轴驱动器。该驱动器结构紧凑、使用方便、可靠性高。采用的是最新专用运动控制DSP、大规模现场可编程逻辑阵列（FPGA）和智能化功率模块（IPM）等当今最新技术设计，具有025、050、075、100多种型号规格，具有很宽的功率选择范围。用户可根据要求选配不同型号驱动器和交流主轴电机，形成高可靠、高性能的交流主轴驱动系统。五、主轴驱动系统的分类主轴驱动器主轴电动机分类：按变速方式：有级、无级、分段无级按电源方式：直流、交流§6.2主轴的分段无级调速及控制一、主轴无级调速方案二、分段无级调速的控制三、齿轮变速自动换挡的操纵机构一、主轴无级调速方案1、全段无级调速特点：需要大功率的主轴电动机，使主轴电动机与驱动装置的体积、重量、成本大大增加。2、同功率电动机，分段无级调速特点：可展宽恒功率范围，经济，但需要自动换挡机构。调速方式：二、分段无级调速的控制数控机床常采用1~4挡齿轮变速与无级调速相结合的方式，即分段无级变速。采用齿轮减速虽然低速的输出转矩增大，但降低了最高主轴转速。因此通常均采用齿轮自动变速，达到同时满足低速转矩和最高主轴转速的要求。一般说来，数控系统均提供4挡变速功能的要求，而数控机床通常使用2挡即可满足要求。三、齿轮变速自动换挡的操纵机构主轴电动机变速齿轮传递主轴变速方法液压拨叉电磁离合器主轴换挡的控制§6.3主轴准停控制当主轴停止时，控制其停于固定位置（定位于圆周上特定角度）又称“主轴准停”、“主轴定位”、“主轴定向”准停指令：M19或M06一、主轴定向的用途加工中心自动换刀精镗后退刀背镗车床上工件定位1、加工中心自动换刀(Autotoolchanging)在加工中心中，当主轴停转进行刀具交换时，主轴需停在一个固定不变的位置上，从而保证主轴端面上的键也在一个固定的位置，这样，换刀机械手在交换刀具时，能保证刀柄上的键槽对正主轴端面上的定位键。2、精镗孔后退刀(Fineboring)在精镗孔退刀时，为了避免刀尖划伤已加工表面，采用主轴准停控制，使刀尖停在一个固定位置（X轴或Y轴上），以便主轴偏移一定尺寸后，使刀尖离开工件表面进行退刀。3、背镗（Counterboring）通过小孔镗大孔，主轴准停控制，使刀尖停在一个固定位置（X轴或Y轴上），以便主轴偏移一定尺寸后，使刀尖能通过前壁小孔进入箱体内对大孔进行镗削。4、车床上工件定位用于工件定位，进行自动装载和卸载二、主轴定向控制的实现方式（Methods）机械准停（Mechanicalorientation）电气准停（Electricalorientation）1、V型槽定位盘—滚轮准停装置（Mechanicalorientation）M19→主轴减速→无触点开关发信→主电机停转，惯性空转→活塞在电磁阀作用下，将滚轮推入V型槽，同时行程开关发出应答信号，准停结束，可以进行换刀等动作。2、磁性传感器或编码器准停（Electronicorientation）利用装在主轴上的磁性传感器或编码器作为检测元件，通过它们输出的反馈信号，使主轴准确地停在规定的位置上。举例FANUC系统中编码器主轴定向控制连接图电气准停特点1)不需要机械部件---只需简单地连接编码器或磁性传感器，即可实现主轴定向控制。2)定向时间缩短---电气准停主轴在高速时直接定向，不必采用齿轮减速，定向时间大为缩短。3)高可靠性---由于定向控制采用电子部件，没有机械易损件，不受外部冲击的影响，因此，主轴定向控制的可靠性高。4)定向控制的精度和刚性高---完全能满足自动换刀的要求。5）强电控制电路简化---强电控制顺序由主轴定向命令、完成信号、主轴高/低速信号组成。