数控机床主轴控制_图文

5.1.3高速主轴的设计
表5-1铝合金在切削实验中切削速度和表面粗糙度的关系
转速/r﹒min-1 进给量 /mm﹒min-1
10000 20000 30000 40000
1000 2000 3000 4000
切削速度 /m﹒min-1 785 1570 2356 3142
Ra/μm
0.56 0.46 0.32 0.32
5.2.1主轴直流电动机
图5-11
直流主轴电动机结构示意图
5.2.2、直流主轴驱动控制系统
数控机床常用的直流主轴驱动系统的原理框图如图5-13所示。
（图5-13） 直流主轴驱动系统原理图
实际直流电机的电刷和换向片：
直流电机的基本结构
电机模型的各组成部件
固有机械特性
称为理想空载转速
V2 W1
n
U1
U2
W2 V1
三相绕组基波合成磁动势——旋转磁动势
交流电机三相对称绕组, 通入三相对称电流，磁动势是三相 的合成磁动势。
取U相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为 x的参考方向、U相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动 势为：
三相的合成磁动势：
可见：三相合成磁动势也是一个圆形旋转磁动势。
（4）励磁回路方程
（5）气隙磁通
。U 。
I Ia
M Ea
。 Uf 。
Φ
5.2.2、直流主轴驱动控制系统
1调磁调速回路 图5-13的上半部分为励磁控制回路，由于主轴电动
机功率通常较大，且要求恒功率调速范围尽可能大 ，因此，一般采用他励电动机，励磁绕组与电枢绕 组相互独立，并由单独的可调直流电源供电。
2、交流主轴驱动系统
5.1.2主轴变速方式
（2）通过带传动的主传动（见图5-2b） 这种传 运主要用在转速较高、变速范围不大的机床。电动 机本身的调整就能够满足要求，不用齿轮变速，可 以避免由齿轮传动时所引起的振动和噪声。 它适用于高速低转矩特性的主轴。常用的是同 步齿形带。
5.1.2主轴变速方式
（3）用两个电动机分别驱动主轴 这是上述两种 方式的混合传动，具有上述两种性能（见图5-2c） 。
缺点是电动机运转产生的热量易使主轴产生热 变形。因此，温度控制和冷却是使用内装电动机主 轴的关键问题。
5.1.3高速主轴的设计
自20世纪80年代以来，数控机床、加工中心主轴向 高速化发展。高速主轴的发展是以航空工业、家电 、汽车等工业追求机械零件的轻量化而普遍采用铝 合金零件后，提出的轻铝合金高速加工的课题而产 生的。对于钢铁等黑色金属的加工，由于刀具寿命 的限制，目前的最高主轴转速在10000r/min已经足 够充裕，而铝合金的切削性能就不同，根据日本隈 铁工所做的铝合金切削试验，速度提高，表面粗糙 Ra值降低。表5-1是铝合金在切削实验中切削速度 和表面粗糙度的关系 。
为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规 律变化，U 相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电 流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：
V2 W1
U1
U2
W2 V1
用图解法分析——不同时刻三相合成磁动势
合成磁动势的转向是从载有超前电流的相转到载有滞后电 流的相。
5.2.3 交流主轴电动机及其调速控制
定子绕组
鼠笼型异步电动机
鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图
三相异步电动机的基本工作原理
1、电生磁：三相对称绕组通
往三相对称电流产生圆形旋转 磁场。
2、磁生电：旋转磁场切割
转子导体感应电动势和电流。
3、电磁力：转子载流（有功
分量电流）体在磁场作用下受 电磁力作用，形成电磁转矩， 驱动电动机旋转，将电能转化 为机械能。
当旋转磁场的同步转速与转子转速有差异时， 转子的导体切割磁感线产生感应电流，与励磁磁场 相互作用，从而产生转矩。若异步伺服电动机的磁 极对数为p，转差率为s，定子绕组供电频率为f，则 转子的转速决定于电流的频率和电机的磁极对数:
异步电动机的供电频率发生变化时，转子的转 速也将发生变化。
5.2.3 交流主轴电动机及其调速控制
5.2.1主轴直流电动机
主轴驱动采用直流主轴电动机时在结构上与永磁式 直流进给伺服电动机不同。由于要求有较大的功率 输出，所以在结构上不做成永磁式，而与普通直流 电动机相同，其主磁极是采用铁心加励磁绕组，如 图5-11
5.2.1主轴直流电动机
1直流主轴电动机的结构
直流主轴电动机由图中可看出结构仍由转子及 定子组成，不过定子由主磁极与换向极构成，有时 还要带有补偿绕组。为了改善换向性能在电动机结 构上均有换向极；为缩小体积，改善冷却效果，避 免电动机热量传到主轴上，均采取轴向强迫通风冷 却或热管冷却；在电动机的尾部一般都同轴安装有 测速发电机作为速度反馈元件 .
5.2.3 交流主轴电动机及其调速控制
1、交流主轴伺服电动机 三相异步交流伺服电动机有笼型和线绕型之分
，笼式转子被认为是所能采用的最简单、最牢固的 机械结构，能传递很大的转矩，承受很高的转速， 得到广泛的应用。 （1）工作原理
异步交流伺服电动机的工作原理和普通交流异步电 动机基本相似。定子绕组通入三相交流电后，在电 动机气隙中产生一个励磁的旋转磁场，
5、内装电动机主轴变速 这种主传动是电动机直接带动主轴旋转，因而大大
简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴 部件的刚度，但主轴输出转矩小，电动机发热对主 轴的精度影响较大。 近年来，出现了一种新式的内装电动机主轴，即主 轴与电动机转子合为一体。
其优点是主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小 ，可提高起动、停止的响应特性，并利于控制振动 和噪声。
5.1.1对主传动系统的要求
1 调速范围 各种不同的机床的调速范围的要求不同。多用途、通 用性大的机床要求主轴的调速范围大，不但有低速 大转矩，而且还要有较高的速度，如车削加工中心 ；而对于专用数控机床就不需要较大的调速范围， 如数控齿轮加工机床、为汽车工业大批量生产而设 计的数控钻镗床；还有些数控机床，不但要求能够 加工黑色金属材料，还要加工铝合金等有色金属材 料，这就要求变速范围大，且能超高速切削。
5.1.3高速主轴的设计
3.冷却润滑技术的研究 过去，加工中心机床主轴轴承大部采用
油脂润滑方式，为了适应主轴转速向更高速化 发展的需要，新的冷却润滑方式相继开发出来 ，见表5-2。
5.2 直、交流主轴电动机及其驱动控制
机床主轴驱动和进给有很大差别，对直流主轴伺服 电动机要求有很宽的调速范围和提供大的转矩和功 率。
高速时，由一个电动机通过带传动；
低速时，由另一个电动机通过齿轮传动，齿轮 起到降速和扩大变速范围的作用。
这样就使恒功率区增大，扩大了变速范围，避 免了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的 问题。但两个电动机不能同时工作，也是一种浪费 。
5.1.2主轴变速方式
3、液压拨叉变速机构
在带有齿轮传动的主传动系统中，齿轮的换档主要 靠液压拨叉来完成。

5.1.2主轴变速方式
主轴传递的功率或转矩与转速之间的关系如图5-1. 所示.当机床处在连续运转状态下,主轴的转速在 437-3500r/min范围内,主轴传递电动机的传递功率 11kw这称为主轴的恒功率区域II(实践)在这个区域 内,主轴的最大输出转矩(245N.m)随着主轴转速的增 高而变小.主轴转速在35-437r/min范围内,主轴的转 出转矩不变称为主轴的恒转矩区域I(实践)在这个区 域内主轴所能传递功率随着主轴转速的降低而减小. 图中虚线所示为电动机超载(允许超载30min)时恒功 率区域和横转矩区域.电动机的超载功率为15KW超 载的最大输出转矩为334N.m.
5.1.3高速主轴的设计
主轴高速化首先要解决的技术问题有三方面：
1.高速电动机的控制技术是一项新技术。 2.高速轴承的开发
高速时选用陶瓷轴承的方案已在加工中心机 床上采用，其轴承的滚动体是用陶瓷材料制成，而 内、外圈仍用轴承钢制造。陶瓷材料为Si3N4，其 优点是重量轻，为轴承钢的40%；热膨胀率低，是 轴承钢的25%；弹性模量大，是轴承的1.5倍。采 用陶瓷流动体，可大大减小离心力和惯性滑移，有 利于提高主轴转速。目前的问题是陶瓷价格昂贵， 且有关寿命、可靠性试验数据尚不充分，需进一步 试验和完善。
b机惯例 T
当 表达式为：
时的机械特性为固有机械特性。
分析： n
1 随电磁转矩T增大，转速n降
低，特性为略下斜的直线；
n0
2 当T＝0时，
为
理想空载转速。
T0
T TN
小结： 1 电枢电势 2 电磁转矩 3 基本方程
（1）电压平衡方程
（2）转矩平衡方程
（3）功率平衡方程
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5.1概述
数控机床的主传动系统包括主轴电动机、传 动系统和主轴组件，与普通机床的主传动系 统相比，结构比较简单，这是因为变速功能 全部或大部分由主轴电动机的无级变速来承 担，省去了繁杂的齿轮变速结构，有些只有 二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机的 无级调速的范围。
5.1.2主轴变速方式
图5.-2 数控机床主传动的四种配置方式 a)齿轮变速 b)带传动c)两个电动机分别驱动d)内装电动机主轴传动结构
5.1.2主轴变速方式

(1)带有变速齿轮的主传动（见图5-2a） 这是大
中型数控机床较常采用的配置方式，通过少数几对
齿轮传动，扩大变速范围。
由于电动机在额定转速以上的恒功率调速范围 为2～5，当需扩大这个调速范围时常用变速齿轮的 办法来扩大调整范围，滑移齿轮的移位大都采用液 压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。
5.1.2主轴变速方式
1.无级变速

数控机床一般采用直流或交流主轴伺服电
动机实现主轴无级变速.

交流主轴电动机及交流变频驱动装置(笼型
感应交流电动机配置矢量变换变频调速系统)由
于没有电刷,不产生火花,所以使用寿命长,且性
能已达到直流驱动系统水平,甚至在噪声方面还
有所降低,因此目前应用较为广泛.
4、电磁离合器变速
电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件 ，由于它便于实现自动操作，因而它已成为自动装 置中常用的操纵元件。电磁离合器用于数控机床的 主传动时，能简化变速机构，通过若干个安装在各 传动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变 齿轮的传动路线，实现主轴的变速。
5.1.2主轴变速方式
2调压调速回路 图5-13中的下部分为调压调速回路，类似于直流进给
伺服系统，它也是由速度环和电流环构成的双闭环速 度控制系统，通过控制直流主轴电动机的电枢电压实 现变速。
5.2.3 交流主轴电动机及其调速控制
交流主轴电动机是一种具有笼式转子的三相感应电 动机，它具有转子结构简单、坚固、价格便宜、过 载能力强、使用维护方便等特点。随着电子技术的 发展，特别是计算机控制技术的发展，交流主轴电 动机的调速性能得到了极大改善，正越来越多地被 数控机床应用。
5.1.1对主传动系统的要求
4 主轴的静刚度和抗振性 由于数控机床精度较高, 主轴的转速又很高,因此对主轴的静刚度和抗振性要 求较高.主轴的轴径尺寸,轴承类型及配置方式,轴承 预紧量大小,主轴组件的质量分布是否均匀及主轴组 件的静刚度和抗振性都会产生影响.
5 主轴组件的耐磨性 主轴组件必须有足够的耐磨性, 使之能够长期保持良好的精度.凡机械摩擦的部件, 如轴承,锥孔等都应有足够高的硬度,轴承处还应有 良好的润滑.
5.1.2主轴变速方式
图5-1. 主轴 功率 转矩 特性
5.1.2主轴变速方式
2、分段无级变速
数控机床在实际生产中，并不需要在整个变 速范围内均为恒功率。一般要求在中、高速段为恒 功率传动，在低速段为恒转矩传动。
为了确保数控机床主轴低速时有较大的转矩和 主轴的变速范围尽可能大，有的数控机床在交流或 直流电动机无极变速的基本上配以齿轮变速，使之 成为分段无级变速，如图5.-2a、b所示。
5.1.1对主传动系统的要求
2 热变形 电动机、主轴及传动件都是热源。低温升 、小的热变形是对主传动系统的要求的重要指标。
3 主轴的旋转精度和运动精度 主轴的旋转精度是指 装配后，在无载荷、低速转动条件下测量主轴前端 和距离前端300mm处的径向圆跳动和端面圆跳动值 。主轴在工作速度旋转时测量上述的两项精度称为 运动精度.数控机床要求有高的旋转精度和运动精度 .