数控系统主轴驱动与准停控制（共34页）.ppt

第六章第六章 主轴驱动及控制主轴驱动及控制1 12021/11/182021/11/18 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2 22021/11/182021/11/18n n 数控机床的主轴驱动系统也就是主传动系统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，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，主轴驱动系统此，在数控机床的维修和维护中，主轴驱动系统显得很重要显得很重要一、概述一、概述 主轴驱动系统也叫主传动系统，是在系统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精度对零件的加工精度有较大的影响。

3 32021/11/182021/11/18二、二、数控机床对主轴驱动系统的要数控机床对主轴驱动系统的要求求 n n 机床主轴的工作运动通常是旋转运动，数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刀具与工件的快速的相对切削运动 1 1、调速范围宽并实现无极调速、调速范围宽并实现无极调速 2 2、恒功率范围要宽、恒功率范围要宽 3 3、具有、具有4 4象限驱动能力象限驱动能力 4 4、具有位置控制能力、具有位置控制能力 5 5、具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低 6 6、良好的抗振性和热稳定性、良好的抗振性和热稳定性 4 42021/11/182021/11/18三、三、 不同类型的主轴系统的特点和不同类型的主轴系统的特点和使用范围使用范围 n n1 1、普通笼型异步电动机配齿轮变速箱、普通笼型异步电动机配齿轮变速箱 n n 这是最经济的一种方法主轴配置方式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，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。

常适合粗加工和半精加工的要求 5 52021/11/182021/11/18n n 可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有工作在约工作在约500500转转/ /分钟以上才能有比较满意的力矩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，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机最高转速的限制，主轴的转速范围受到较大的限制n n这种方案适用于需要无级调速但对低速和高速都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易型变频器较多2 2、普通笼型异步电动机配简易型变、普通笼型异步电动机配简易型变频器频器 6 62021/11/182021/11/183 3、普通笼型异步电动机配通用变频、普通笼型异步电动机配通用变频器器 n n 目前进口的通用变频器，除了具有目前进口的通用变频器，除了具有U/fU/f曲线调节，一般还具有无反馈矢量控制曲线调节，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，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配合两级齿轮变速，基本上可以满足车床低速（低速（100200100200转转/ /分钟）小加工余量的分钟）小加工余量的加工，但同样受最高电动机速度的限制。

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这是目前经济型数控机床比较常用的主轴驱动系统驱动系统7 72021/11/182021/11/184 4、专用变频电动机配通用变频器、专用变频电动机配通用变频器 n n中档数控机床主要采用这种方案，主轴传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动两挡变速甚至仅一挡即可实现转速在100100200r/min200r/min左右时车、铣的重力切削一左右时车、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，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定向换刀的功能，而且也不能达到刚性攻丝的要求丝的要求8 82021/11/182021/11/185 5、伺服主轴驱动系统、伺服主轴驱动系统 n n 伺服主轴驱动系统具有响应快、速度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是同功率变频器主轴驱动系统的2-32-3倍以倍以上。

伺服主轴驱动系统主要应用于加工中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、刚性攻丝心上，用以满足系统自动换刀、刚性攻丝、主轴、主轴C C轴进给功能等对主轴位置控制性能轴进给功能等对主轴位置控制性能要求很高的加工要求很高的加工9 92021/11/182021/11/186 6、电主轴、电主轴 n n 电主轴是主轴电动机的一种结构形式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，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，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，而且功率还不能做但是抗冲击能力较弱，而且功率还不能做得太大，一般在得太大，一般在10KW10KW以下由于结构上的以下由于结构上的优势，电主轴主要向高速方向发展，一般优势，电主轴主要向高速方向发展，一般在在10000r/min10000r/min以上10102021/11/182021/11/18四、四、常用的主轴驱动系统介绍常用的主轴驱动系统介绍 n n1 1、FANUCFANUC（法那科）公司主轴驱动系统（法那科）公司主轴驱动系统 n n目前三个系列交流主轴电动机为：目前三个系列交流主轴电动机为：n nS S系列电动机，额定输出功率范围系列电动机，额定输出功率范围1.51.537KW37KW；n nH H系列电动机，额定输出功率范围系列电动机，额定输出功率范围1.51.522KW22KW；n nP P系列电动机，额定输出功率范围系列电动机，额定输出功率范围3.73.737KW37KW。

该公司交流主轴驱动系统的特点为：该公司交流主轴驱动系统的特点为：采用为处采用为处理器控制技术，进行矢量计算，从而实现最佳控理器控制技术，进行矢量计算，从而实现最佳控制主回路采用晶体管主回路采用晶体管PWMPWM逆变器，使电动机逆变器，使电动机电流非常接近正弦波性电流非常接近正弦波性具有主轴定向控制、具有主轴定向控制、数字和模拟输入接口等功能数字和模拟输入接口等功能11112021/11/182021/11/182 2、SIEMENSSIEMENS（西门子）公司主轴（西门子）公司主轴驱动系统驱动系统 n nSIEMENSSIEMENS公司生产的直流主轴电动机有公司生产的直流主轴电动机有1GG51GG5、1GF51GF5、1GL51GL5和和1GH51GH5四个系列，与这四个系列电动机配套的四个系列，与这四个系列电动机配套的6RA246RA24、6RA276RA27系列驱动装置采用晶闸管控制系列驱动装置采用晶闸管控制n n1PH51PH5和和1PH61PH6两个系列的交流主轴电动机，功率范围为两个系列的交流主轴电动机，功率范围为3 3100KW100KW驱动装置为驱动装置为6SC6506SC650系列交流主轴驱动装置系列交流主轴驱动装置或或6SC611A6SC611A（SIMODRIVE 611ASIMODRIVE 611A）主轴驱动模块，主）主轴驱动模块，主回路采用晶体管回路采用晶体管SPWMSPWM变频器控制的方式，具有能量再生变频器控制的方式，具有能量再生制动功能。

另外，采用为处理器制动功能另外，采用为处理器8018680186可进行闭环转速、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转矩控制及磁场计算，从而完成矢量控制同过选件实现C C轴进给控制，在不需要轴进给控制，在不需要CNCCNC的帮助下，实现主轴的定位的帮助下，实现主轴的定位控制12122021/11/182021/11/183 3、DANFOSSDANFOSS（丹佛斯）公司系列（丹佛斯）公司系列变频器变频器 n n 目前应用于数控机床上的变频器系列目前应用于数控机床上的变频器系列常用的有：常用的有：VLT2800VLT2800，可并列式安装方式，可并列式安装方式，具有宽范围配接电机功率：，具有宽范围配接电机功率：0.37KW-0.37KW-7.5KW 200V/4007.5KW 200V/400；VLT5000VLT5000，可在整，可在整个转速范围内进行精确的滑差补偿，并在个转速范围内进行精确的滑差补偿，并在3ms3ms内完成在使用串行通讯时，内完成在使用串行通讯时，VLT VLT 50005000对每条指令的响应时间为对每条指令的响应时间为0.1ms0.1ms，可，可使用任何标准电机与使用任何标准电机与VLT 5000VLT 5000匹配。

匹配13132021/11/182021/11/184 4、HITACHIHITACHI（日立）公司系列变频（日立）公司系列变频器器 n n HITACHI HITACHI公司的主轴变频器应用于数控机公司的主轴变频器应用于数控机床上通常有：床上通常有：L100L100系列通用型变频，额定输出功系列通用型变频，额定输出功率范围为率范围为0.2KW-7.5KW0.2KW-7.5KW， V/f V/f 特性可选恒转矩特性可选恒转矩/ /降转矩，可手动降转矩，可手动/ /自动提升转矩，载波频率自动提升转矩，载波频率0.5HZ-16HZ0.5HZ-16HZ连续可调日立连续可调日立 SJ100SJ100系列变频器系列变频器，是一种矢量型变频，额定输出功率范围为，是一种矢量型变频，额定输出功率范围为0.2KW-7.5KW0.2KW-7.5KW，载波频率在，载波频率在0.5HZ-16HZ0.5HZ-16HZ内连内连续可调续可调 ，加减速过程中可分段改变加减速时间，加减速过程中可分段改变加减速时间 ，可内部，可内部/ /外部启动直流制动；日立外部启动直流制动；日立 SJ200/300SJ200/300系列变频器，额定输出功率范围为系列变频器，额定输出功率范围为0.75KW-0.75KW-132KW132KW，具有，具有2 2台电机同时无速度传感器矢量控台电机同时无速度传感器矢量控制运行且电机常数在制运行且电机常数在/ /离线自。