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1、第五章 主轴驱动及控制,第一节 概述第二节 数控装置与主轴驱动装置的信号连接第三节 主轴分段无级变速及控制第四节 主轴准停控制第五节 主轴与进给轴的关联控制,主要内容,主轴驱动的特点、工作特性曲线数控装置与主轴驱动装置的信号连接主轴分段无级变速主轴准停控制主轴与进给轴的关联控制方法,一、数控机床对主轴控制的要求,有较宽的调速范围在较宽的转速范围内进行无级调速恒功率范围要宽具有四象限驱动能力-正反转均可加减速具有高精度的准停控制在车削中心上要求具有C轴功能,发展情况,早先采用直流主轴驱动系统。但由于直流电动机机械换向，使用和维护都比较麻烦，并且其恒功率调速范围较小。随着微电子技术、交流调速理论和
2、大功率半导体技术的发展，交流驱动进入实用阶段：现多采用鼠笼式感应交流电动机+矢量变换变频调速的主轴驱动系统。,二、主轴驱动的特点与工作特性曲线,(一)主轴电动机必须具备下述功能 输出功率大；在整个调速范围内恒功率范围宽；在断续负载下电动机转速波动小；过载能力强、加速时间短；电动机温升低；振动、噪声小；电动机可靠性高、寿命长、易维护；体积小、质量轻。,(二)直流主轴驱动装置为输出较大功率，采用他磁式直流主轴电动机调速：晶闸管、脉宽调制PWMPWM调速具有很好的调速性能，在数控机床特别是对精度、速度要求较高数控机床的进给驱动装置上广泛使用三相全控晶闸管调速在大功率方面有优势，用于直流主轴驱动装置,
3、（三）交流主轴驱动装置交流主轴电动机多采用鼠笼式感应电动机 结构简单 便宜 可靠 矢量变换控制矢量变换控制是1971年德国FelixBlaschke等人提出，基本思路：通过复杂的坐标变换，把交流电动机等效成直流电动机进行控制，因而可得到同样优良的调速性能。,(四)主轴电动机特性曲线,某公司交流主轴驱动装置的特性曲线，其功率为5.57.5KW,第二节 数控装置与主轴驱动装置的信号连接,一、主轴伺服系统基本工作原理二、主轴转速的控制及信号连接三、开关量信号及控制,安川 VS-626MT主轴伺服系统内部工作原理框图典型的交直交变频电路,输出为单极性，用这两个控制正反转,准备好信号主轴驱动工作时，闭合
4、该触点,急停信号常闭触点打开电机制动停转,力矩极限限制限制主轴电机最大输出力矩,工作状态切换通常工作状态还是伺服状态,选择模拟量还是数字量控制,选择PI或P,CNC输出010V电压到NCOM,达设定转速，输出信号可作CNC主轴S指令完成的应答信号,低于设定转速，输出信号用于换挡、离合器动作时,低于设定力矩，输出信号检测主轴负载,TTL、TTH输入信号有效时，即进入力矩极限临时限制状态TLE信号输出,两路模拟量输出用于外接转速和负载表输出电压与实际转速及负载成正比,主轴转速的四种控制方法,模拟电压指定：010V 12位二进制指定：共12根信号线 2位BCD码指定：0099 3位BCD码指定：00
5、0999,第三节 主轴分段无级变速及控制,一、概述,采用无级调速主轴机构，主轴箱虽然得到大大简化，但其低速段输出转矩常常无法满足机床强力切削的要求。单纯追求无级调速，会增大主轴电动机的功率，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。,当主轴采用齿轮减速后，虽然增大了低速输出力矩，但也降低了最高主轴转速。因此，通常采用齿轮自动换挡的方式，实现主轴分段无级变速，以达到同时满足低速转矩和最高主轴转速的要求。一般来说，数控系统均提供4档变速功能的要求，而数控机床通常使用两档即可满足加工需要。,数控系统设置M41M44代码进行齿轮自动换挡的功能首先在数控系统参数区设置M41M44四档对应的最
6、高主轴转速数控系统根据当前S指令值，判断应处的档自动输出相应的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,M41对应的主轴最高转速为1000rmin M42对应的主轴最高转速为3500rmin当S指令在01000rmin范围时，M41对应的齿轮应啮合，S指令在10013500rmin范围时，M42对应的齿轮应啮合,数控机床换挡传动形式,主轴电动机,变档齿轮传递,主轴,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为了防止变速箱换挡时出现的顶齿现象，现代数控系统均采用在换挡时，由数控系统控制主轴电动机低速转动或振动的方法来实现齿轮的顺序啮合换挡时
7、主轴电动机低速转动或振动的速度可在数控系统参数区中设定。,二、自动换挡控制,1）CNC读到有档变化的S指令时，输出相应M代码(M41、M42、M43、M44)至PLC2）50ms后CNC发出M选通信号，指示PLC可读取并执行M代码，选通信号持100ms3）PLC接收到信号后，立即使M完成信号为无效，告诉数控系统M代码正在执行4）PLC开始对M代码进行译码，并执行相应的换挡控制逻辑5）M代码输出200ms后，数控系统根据参数设置输出一定的主轴蠕动量，从而使主轴慢速转动或振动，以解决齿轮顶齿问题6）PLC完成换挡后，置M完成信号有效，并告诉数控系统换挡工作已经完成7）数控系统根据参数设置的每档主轴
8、最高转速，自动输出新模拟电压，使主轴转速为给定的S值,1液压拨叉,变速机构用一只或几只液压缸带动齿轮移动来实现变速二位液压缸实现双联齿轮变速三联或三联以上的齿轮换挡则需使用差动液压缸,下图所示为三位液压拨叉的原理图，其具有液压缸1与5、活塞2、拨叉3和套筒4，通过电磁阀改变不同的通油方式可获得三个位置,1 液压缸2 活塞3 拨叉4 套筒5 液压缸,1）1进油，5卸压时，2带动3左移至极位2）5进油，1卸压时，2和4一起移至右极位3）1，5同时进油时，由于活塞杆2两端直径不同使其向左移动 由于套筒4和活塞杆2截面不同，而使套筒4向右的推力大于活塞杆2向左的推力 因此套筒4压向液压缸的右端，而活塞
9、杆2紧靠套筒4的右面，拨叉处于中间位置。,2电磁离合器变档,电磁离合器是应用电磁效应接通/切断运行的元件便于实现自动化操作缺点:体积大，磁通易使机械零件磁化数控机床主传动中使用电磁离合器,能简化变速机构: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。,数控机床常使用的离合器 无滑环摩擦片式电磁离合器 牙嵌式电磁离合器,线圈静止（无滑环）多片摩擦式电磁离合器。磁轭1安置在滚动轴承上固定不动，内、外导磁体2、4与轴套9组成转动部分线圈通电时产生磁力吸引衔铁8压紧内、外摩擦片5、6。内摩擦片5与轴套9，外摩擦片6与外连接件7均滑动连接，实现主、从部件的接合隔磁环3
10、的作用是为了避免磁短路，形成如下图所示的封闭磁力线。,线圈,这种具有恒定工作气隙的结构，可以缩短离合器脱开的时间整个磁阻较大，在传递相同转矩条件下，所需的磁力比滑环式大，因此结构尺寸较大，成本较高因取消了刷和滑环，使其转动惯量小，适用于高速转动的轴系安装维修方便，可靠性高，使用寿命长由于线圈与摩擦片相距较远，不直接接触，因而散热条件好，温升较低适用于机床、建筑、纺织等行业,摩擦片式电磁离合器,采用摩擦片传递转矩，所以允许不停车变速缺点：速度过高时，由于滑差运动产生大量的摩擦热,牙嵌式电磁离合器,摩擦面上做成一定的齿形，优点：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
11、减小 缺点：需在低速时(每分钟数转)变速,第四节 主轴准停控制,一、概述,当主轴停止时，控制其停于固定位置，这是自动换刀所必须的功能在自动换刀的镗铣加工中心上，切削的扭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圆周上特定角度的功能,主轴准停功能又称为主轴定位功能,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精加工的孔表面而必须先让刀，再退刀。,而要让刀，刀具必须具有准确功能,二、机械准停控制,当指令准停指令发出后，主轴减速至某一可设定的低速转动检测无触点开关信号是否有效信号有效，立即使主轴电动机停转，断开主轴传动链主轴电动机、主轴传动件依惯性继续转动同时准停
12、液压缸定位销伸出，压向定位盘当定位盘V形槽与定位销正对时，由于液压缸的压力，定位销插入V形槽中，LS2准停到信号有效，准停动作完成,V形槽轮定位盘准停结构,LS1和LS2必须逻辑互锁：LS1有效，启动主轴电动机正常运转 LS2有效时，才能进行换刀等LS1 准停释放信号LS2 准停到信号 上述准停功能可由数控系统配置的可编程控制器完成,三、电气准停控制,采用电气准停控制有如下优点：1）简化机械结构2）缩短准停时间3）寿命与可靠性大大增加4）性能价格比提高,方式一：磁传感器准停单角度准停方式,当执行M19时，CNC只需发出主轴启动命令ORT主轴驱动完成准停后会向CNC回答完成信号ORE然后数控系统
13、再进行下面的工作,安川（YASKAWA）主轴驱动+可选定位件具有磁传感器主轴准停控制功能结构如右图所示,使用磁传感器的注意事项,避免产生磁场的元件，如电磁线圈、电磁阀等与磁发体和磁传感器安装在一起为保证磁传感器能接收到磁发体的信号，两者之间应按说明书要求精确安装,维修实例主轴慢转准停不能完成,故障现象:1台采用FANUC 10T系统的数控车床，在加工过程中，主轴不能按指令要求进行正常的准停，主轴驱动器“准停”控制板上的ERROR(错误)指示灯亮，主轴一直保持慢速转动，准停不能完成。分析：1.考虑到主轴正常旋转时动作正常，故障只是进行主轴“准停”时发生，由此可初步判定主轴驱动器工作正常。2.对照
14、机床与系统维修说明书中的故诊断流程，检查了PLC梯形图中各信号的状态，发现在主轴360范围旋转时，主轴“准停”检测磁性传感器信号始终为“0”，因此初步确定故障原因与此有关。,3.检查该磁性传感器，用带磁性的螺丝刀作为“发信挡铁”进行试验，发现信号动作正常，但在实际发信挡铁靠近时，检测传感器信号始终为“0”。为此，重新调整磁性传感器的检测距离后，故障排除，恢复正常。,磁传感器准停步骤,1.主轴转动或停止时，接收到准停信号，主轴加速或减速至准停速度2.主轴到达准停速度且到准停位置时，主轴立即减速至某一爬行速度3.当磁传感器信号出现时，主轴驱动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
15、位置4.准停完成后，主轴驱动装置输出准停完成信号，再进行自动换刀或其他动作,方式二 编码器型主轴准停,安川YASKAWA主轴驱动VS-626MT配置选件板则可具有编码器主轴准停功能这种准停功能也是由主轴驱动完成的，CNC只需发出ORT命令即可，主轴驱动完成准停后回答准停完成ORE信号主轴准停角度可随意设定,可采用主轴电动机内部安装的编码器信号,亦可在主轴上直接安装另外一个编码器,注意事项,无论采用何种准停方案（特别是对磁传感器准停方式），当需在主轴上安装元件时应注意动平衡问题，因为数控机床精度很高，转速也很高，因此对动平衡要求严格一般对中速以下的主轴来说，有一点不平衡还不至于有太大的问题对于高
16、速主轴，这一不平衡量会引起主轴振动,为适应主轴高速化的需要，国外已开发出整环式磁传感器主轴准停装置由于磁发体是整环，动平衡好,方式三 数控系统准停,这种准停方式是由数控系统完成，角度指定由内部设定，因此准停角度可更方便地设置。,注意事项,1）数控系统须具有主轴闭环控制功能，并且其特性与进给伺服系统相近2）当采用电动机轴端编码器信号反馈给数控装置，这时主轴传动链精度可能对准停精度产生影响,大功率电机一般采用软启动大功率电机如果直接启动,启动电流比较大,可能出现问题(如保险系统,输电线路,电机线圈等).现在的软启动有两种做法，一种是采用专门的软启动器实现软启动；一种是采用变频器控制实现软启动软启动
17、装置是:在电机启动时,通过接触器将电机接法改为Y接,电机初步启动后通过接触器改为接.原理为:当电机Y接时,每组线圈将承受输电电压的1/1.732倍电压(即3开方的倒数),当电机时,每组线圈直接承受输电电压,这样就实现了软启动,数控系统主轴准停步骤,CNC执行M19 S*时，首先将M19送至可编程控制器经译码送出控制信号，使主轴驱动进入伺服状态同时数控系统控制主轴电动机降速并寻找零位脉冲C然后进入位置闭环控制状态，定位于指令位置，即相对零位脉冲S*的角度位置,数控系统主轴准停方式2：数控系统执行M19，无S指令，则主轴定位于相对于零位脉冲C的某一缺省位置，该位置值可通过数控系统预先设定。,数控系
18、统主轴准停举例：M03 S1000主轴以1000r/min正转M19 主轴准停于缺省位置M19 S100 主轴准停转至100度处S1000 主轴再次以1000r/min正转M19 S200 主轴准停至200度处,第五节 主轴与进给轴的关联控制,一、脉冲编码器,(一)增量式脉冲编码器所谓增量式是指脉冲发生器每次测量角位移，都是相对上一次角度位置的增量。增量式编码器一般可输出两个相位相差90的A、B信号和一个零位C信号A、B信号既可以用来计算角位移的大小，同时利用他们相位超前或滞后的相对关系还可以辨别旋转方向C信号每转发出一个，可以当作零位信号。,ZG系列和LEC系列增量式编码器产品的基本参数,(
19、二)绝对式脉冲编码器码盘的每一转角位置都刻有表示该位置的唯一代码，然后通过读取码盘之值就可直接获得主轴的角度坐标,绝对式脉冲编码器的显著特点：1）可直接读出角度坐标的绝对值，无累积误差，且数控机床开机后不必回参考点2）最高许用测量转速值较高3）断电后位置信号不会丢失4）为了提高测量精度和分辨率，必须增加码道数量，从而使码盘的结构更复杂，造价昂贵,二、主轴旋转与轴向进给的关联控制,主要面向等螺距螺纹或变螺距螺纹加工在数控车床上加工圆柱螺纹时，要求主轴的转速与刀具的轴向进给保持一定的协调关系为此，通常在主轴上安装脉冲编码器来检测主轴的转角、相位、零位等信号,通过改变主轴的旋转方向，可加工左螺纹或右
20、螺纹主轴旋转方向的判别：通过脉冲编码器发出正交的A相、B相脉冲信号相位的先后顺序判别出来的,多次循环切削同一螺纹,脉冲编码器可输出一个零位脉冲信号，对应主轴旋转的每一转，可以用于主轴绝对位置的定位多次循环切削同一螺纹，该零位信号可作为刀具的切入点，以确保螺纹节距不出现乱扣现象，即每次螺纹切削进给前，刀具必须经过零位脉冲定位后才能切削，以确保刀具在工件圆周上按同一点切入,切削螺纹时还应注意主轴转速的恒定性，以免因主轴转速的变化而引起跟踪误差的变化，从而影响了螺纹的正常加工。,三、主轴旋转与径向进给的关联控制,用于实现恒线速度切削利用数控车床或磨床进行端面切削时，为保证加工端面的平整光洁，须使该表面的粗糙度Ra小于或等于某值，也就是要求恒线速度加工。若保持切削速度V恒定不变，当切削直径D逐渐减小时，主轴转速n必须逐渐增大，但也不能超过极限值。数控装置必须设计相应的控制软件来完成主轴转速的调整,
