主轴驱动装置及维修技术

直流电动机功率特性曲线
1．主轴驱动电机的机械特性分析(2)
• 交流电动机无级调速
• 交流调速电动机是通过调频实现调速。交流电 动机一般为笼式感应电动机结构，体积小，转 动惯性小，动态响应快，且无电刷，因而最高 转速不受火花限制。
• 全封闭结构，具有空气强冷，保证高转速和较 强的超载能力，具有很宽的调速范围。
分段无级变速图例
变速齿轮传动
１．分段无级变速（2）
• 分段无级变速特点 • 在带有齿轮变速的分段无级变速系统中，主轴
3.1 数控机床主轴驱动系统概述
• 伺服系统概述 • 对主轴驱动的要求 • 主轴驱动装置和主轴部件功率特性的匹配 • 数控机床主轴传动方式、特点及应用范围
一、伺服系统概述
1. 伺服系统是数控系统主要的子系统。如 果说CNC装置是数控系统的“大脑”， 是发布“命令”的“指挥所”，那么伺 服系统则是数控系统的“四肢”，是一 种“执行机构”。它忠实地执行由CNC 装置发来的运动命令，精确控制执行部 件的运动方向，进给速度与位移量。
三、数控机床主轴
传动方式、特点及应用范围 １．分段无级变速（1）
• 数控机床在实际生产中，并不需要在ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ个变速范围内均 为恒功率。
• —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 级变速的基础上配以齿轮变速，即解决电机驱动和主轴 传动功率的匹配问题，使之成为分段无级变速。
6．具有恒线速度切削控制功能
• 利用车床和磨床进行工件端面加工时，为了 保证端面加工时粗糙度的一致性，要求刀具 切削的线速度为恒定值。
• 随着刀具的径向进给，切削直径的逐渐减小，
应不断提高主轴转速，并维持线速度Ｖ＝nπD 为常数，式中Ｖ是切削线速度，ｎ为主轴转 速，Ｄ为加工时切削直径。在控制系统中， Ｄ可由坐标轴的进给量算出，然后计算出对 应的主轴转速ｎ，以保证切削的线速度保持
不变。
视频2
三、主轴驱动装置和主轴部件 功率特性的匹配
引言
• 数控机床的主轴驱动常采用直流复励电动 机和交流变频电动机，并实现无级变速。 由于电机功率和扭矩特性一般不能满足机 床主轴的使用要求，因此需要通过一个中 间装置来协调驱动电机和机床主轴部件的 功率和扭矩特性，这个中间装置便是分级 变速箱。
• 数控机床主轴的速度是由数控加工程序中 的Ｓ指令控制的，要求能在较大的转速范 围内进行无级连续调速，减少中间传动环 节，简化主轴的机械结构，一般要求主轴 具备1∶（100～1000）的恒转矩调速范围 和1∶10的恒功率调速范围。
3．主传动要求有四象限的驱动 能力
• 数控机床要求主轴在正、反转动时均可进 行加减速控制，即要求主轴有四象限驱动 能力，并尽可能缩短加减速时间。
置控制，只能夹持工件高速旋
转。
车削中心的主轴必须同时具有
高速旋转和低速定位两个功能。
• Cf轴：早期的车削中心，采用两个电机——主轴电机高 速旋转和伺服电机低速高精度定位。一个电机是异步变 频调速电机，另一个是同步伺服电机，这种结构在 FANUC系统被称之为Cf轴。其含义是用feed（进给）轴 电机控制C
1．主轴驱动电机的机械特性分析(1)
• 直流电动机无级调速
• 直流电动机是采用调压和调磁方式来得到主轴 所需的转速。其调速范围与功率特性如图所示。
• 电机从最低转速至额定转速，是通过调节电枢 电压，保持励磁电流恒定的方法进行调节，属 于恒扭矩调速，起动力矩大，响应快，能满足 低速切削需要。
• 从额定转速至最高转速，是通过改变励磁电流， 从而改变励磁磁通，保持电枢电压恒定的方法 进行调速，属于恒功率调速。
2．按被控对象分类 （1）进给伺服系统:指一般概念的位置伺服系
统，包括速度控制环和位置控制环。
（2）主轴伺服系统:只是一个速度控制系统。 C 轴控制功能。
立铣头 双主轴双刀架
车削中心
车削中心(也称车铣中心):对Cs和Cf轴的定义 即可进行车削,同时又可进行铣削——刀具高速旋转、主
轴作为C轴夹持工件与X轴或Z轴插补。 与数控车床在结构上有两点不同: 1.主轴分度功能，全功能车削 中心主轴分度精度可达0.001° 2.刀塔具有“动力头”刀位: 普通数控车床主轴无法实现位
4．车削中心上，要求主轴具有 C轴控制功能
• 在车削中心上，为了使之具有螺纹车削功 能，要求主轴与进给驱动实行同步控制， 即主轴具有旋转进给轴（C轴）的控制功 能。
5．加工中心上要求主轴具有准 停功能
• 在加工中心上自动换刀时，主轴须停止在 一个固定不变的方位上，以保证换刀位置 的准确以及某些加工工艺的需要，即要求 主轴具有高精度的准停功能。
定位。
二、对主轴驱动的要求
1．调速范围足够大
• 数控机床主轴驱动要求有较大的调速范围， 以满足各种工况的切削，获得最合理的切 削速度，从而保证加工精度、加工表面质 量及高的生产效率。特别是对于具有自动 换刀装置的加工中心，为适应各种刀具、 各种材料的加工，对主轴的调速范围要求 更高。
2．实现无级变速
• 举例 兰州电机厂生产的额定转速为1500r/min 或2000r/min的交流调速电机，恒定功率调速 范围可达1：4或1：5。
交流调速电动机功率特性曲线
2．主轴驱动电机和主轴部件功率 特性匹配
• 数控机床主轴运动的传动，电动机和主轴的功 率特性必须相匹配。由于主轴要求的恒功率变 速 范 围 Rnp 远 大 于 电 动 机 的 恒 功 率 变 速 范 围 Rdp，所以在电动机和主轴之间要串联一个分 级变速箱，以扩大其恒功率调速范围，满足低 速大功率切削时对电动机的输出功率的要求。
轴（即主轴）定位。
• Cs轴：90年代后，FANUC公司仍采用异步电机，但是在 反馈形式和控制方式上做了改进，采用高精度位置反馈 装置，如高分辨率磁性脉冲编码器（通称Cs传感器）可 达90000脉冲/转，实现一个电机即可控制主轴高速旋转， 又可低速高精度定位。
FANUC公司将这种形式的主轴驱动方案称之为Cs轴控制， 其含义是用spindle（主轴）电机控制C轴（即主轴）