主轴驱动及控制
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
主轴工作原理
主轴工作原理
主轴工作原理指的是机械主轴在加工过程中的运转方式和工作原理。
通常情况下，主轴由电机驱动，通过传动装置将电机的旋转转矩传递给刀具或工件，实现机械加工的目的。
主轴的工作原理可以分为以下几个步骤：
1. 电机传动：主轴通常由一台电机驱动，电机的旋转转矩通过传动装置（如齿轮、皮带等）传递给主轴。
电机的选型需要根据加工需求和主轴的负载情况来确定。
2. 主轴转速调节：主轴的转速通常需要根据不同的加工需求进行调节。
通过电机的调速装置，可以改变电机的转速，从而改变主轴的转速。
不同材料和工件形状的加工通常需要不同的转速。
3. 刀具/工件夹持：主轴上需要安装刀具或夹持工件，刀具通常用于切削或切割材料，而工件则是待加工的物体。
刀具和工件的夹持方式有很多种，例如刀柄与主轴用柔性杆夹持、工件用夹具夹紧等。
4. 旋转运动：当电机启动后，主轴开始进行旋转运动。
通过电机和传动装置的配合，主轴可以以一定的转速和转矩运转，以满足加工的需求。
总之，主轴的工作原理是由电机提供动力，通过传动装置传递给刀具或工件，从而实现加工过程中的旋转运动。
不同的加工
需求会对主轴的转速、负载等工作参数提出不同的要求，因此需要选择合适的电机和传动装置，以及适当的刀具与工件夹持方式。
数控机床主轴驱动变频控制
数控机床主轴驱动变频控制一、前言数控机床是传统机床向智能化方向发展的结果，其操作简单、精度高、效率高等特点，使得其在现代制造业中大有用处。
数控机床中的主轴驱动控制是其中的一个重要环节，其精度和可靠性对整个机床的操作效果有着至关重要的作用。
本篇文档将主要介绍数控机床主轴驱动变频控制相关知识。
二、数控机床主轴驱动变频控制的原理数控机床的主轴驱动控制系统主要是由相关电气元件组成的变频器控制系统。
变频器就是将市电通过整流、滤波、逆变后输出一定的频率、电压并控制电机转速的电子装置。
在数控机床的主轴驱动系统中，变频器通过对电机控制进行电压和频率的调整，来实现主轴的旋转，进而控制其转速和输出功率。
变频器输出的频率、电压均可调整，因此可以通过控制变频器的输出，来实现对主轴的速度调节。
电气控制系统通过实时监测机床运行状态、主轴运行状态、机床速度、主轴转速等信息，根据预先设定的运转条件，通过控制变频器输出的电压、频率实现对机床的工作状态并实现对主轴的速度调节。
三、数控机床主轴驱动变频控制的优点与传统机床的主轴驱动方式相比，数控机床主轴驱动变频控制有诸多优点，主要体现在以下几个方面：1.可调性强：通过对变频器的控制，可以实现精确的主轴转速调节，可以满足不同需求的工件加工。
2.精度高：由于采用了电气控制系统，可以实现主轴转速的精确控制，进而实现加工精度的提高。
3.效率高：数控机床主轴驱动变频控制由于能够实现电气控制，减少了机械传动过程中的机械损耗，因此其效率远高于传统机床主轴驱动方式。
4.运转平稳：变频器可以调节输出电压和频率，可以进一步实现对主轴转速的控制，从而实现机床运转的平稳。
四、数控机床主轴驱动变频控制的应用数控机床主轴驱动变频控制技术的应用相当广泛，可以应用于各种数控机床类型，包括数控车床、数控加工中心、数控铣床等。
特别是在高速、高精度、高效率的加工应用中，其优势更加明显。
五、数控机床主轴驱动变频控制的维护和保养为了确保数控机床主轴驱动变频控制系统的长期稳定运行，必须进行日常的维护和保养。
主轴驱动系统常见故障处理与维护
主轴驱动系统常见故障处理与维护1. 引言主轴驱动系统是现代机械设备中常用的一个关键系统，负责提供动力和控制主轴的旋转速度。
然而，由于长时间使用或操作不当，主轴驱动系统可能会发生各种故障。
本文将介绍主轴驱动系统常见故障的处理方法和日常维护注意事项。
2. 常见故障处理与维护2.1 主轴不转或转速异常2.1.1 故障现象主轴在工作中停止转动或转速异常，影响了设备的正常运行。
2.1.2 处理方法•检查主轴驱动系统的电源是否正常连接，确保电源供应无误。
•检查主轴驱动系统中的电机驱动模块是否损坏，如损坏需要更换。
•检查主轴驱动系统的传感器是否损坏或失效，如有需要修复或更换。
•检查主轴驱动系统的控制器是否存在程序错误，如有需要重新编程或修复。
•检查主轴驱动系统的传动部件是否存在松动或磨损，如有需要紧固或更换。
2.1.3 维护注意事项•定期检查主轴驱动系统的电源连接情况，确保连接牢固。
•注重主轴驱动系统的传感器的维护和保养，定期清洁和校准。
•定期检查主轴驱动系统的控制器的程序，如有需要修复或更新。
•定期检查主轴驱动系统的传动部件的紧固度和磨损情况，如有需要进行维护和更换。
2.2 主轴噪音过大2.2.1 故障现象主轴运行时产生过大噪音，影响了设备的正常工作。
2.2.2 处理方法•检查主轴驱动系统的轴承是否损坏或缺乏润滑，如有需要更换轴承或添加润滑剂。
•检查主轴驱动系统的传动带是否紧固正确，如有需要调整传动带的张紧度。
•检查主轴驱动系统的齿轮传动部分是否存在松动或磨损，如有需要紧固或更换。
2.2.3 维护注意事项•定期检查主轴驱动系统的轴承的润滑情况，如有需要添加润滑剂。
•定期检查主轴驱动系统的传动带的张紧度，如有需要调整传动带的紧度。
•定期检查主轴驱动系统的齿轮传动部分的紧固度和磨损情况，如有需要进行维护和更换。
2.3 主轴温度过高2.3.1 故障现象主轴在工作中温度过高，可能导致设备停机或烧坏主轴。
2.3.2 处理方法•检查主轴驱动系统的冷却装置是否正常工作，如有需要修复或更换。
主轴驱动及控制
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。
使用任何标准电机与VLT 5000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，
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
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（SIMODRIVE 611A）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。
数控机床主轴驱动的变频控制
浙江坎 门机床厂 主要生产 各类经 济型简易 数控机床 ， 由 于调速用的 电磁离合器损坏率 较高 ，了解到变频调速 系统具
有以上优 点 ， 故改用 中源变频器实现变频调速。改造后 系统构 成具体情况如下 ：
（ ）转 速 档 次 。 调 速 箱 有 ８档 转 速 （／ ｉ）７ ，２ ， ２ ｒ ｎ ：５ １０ ｍ
可 以提供 １０％的过载保护（ ０ｓ ， ５ ６ ） 能够 满足设备 的要求 。 （） ４ 使用 变频调速后 ， 以简化齿轮变速箱等原有复杂的 可 机械拖动机构 ， 自动化程度高 ， 作简单 ， 操 维修方便 。
（） ５ 变频器具有 电压（ Ｃ０—１ Ｄ ０Ｖ） 电流模 拟输入接 口， ， 可 以与数控系统的控制信号很好 的匹转速 下 ， 经反复 试验 ， 符合设 计要求 ， 完全 取 （） 制方式 由手 柄组合 的 ８ ４控 个位 置 ， 来控 制 ４ 离合 个 得 了令人 满意的结果。现该产 品在 ２０ 年 已批量生产 ， ００ 投放
收稿 日期 ：０ ９ １— ５ ２０ — ２ １ 作者简介 ： 葛胜军 （９ ７ ）男 ， １８ 一 ， 辽宁丹东人 ， 大学本科学历 ， 研究方 向为数控应用。
Ｅ ｕｐ ｎ ｎ ｆｅ ｒ ｇ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ． ２ １ ｑ ｉ ｍｅ ｔ Ｍａ ｕａ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｎｏ３， ０ ０ ｉ
数控机床主轴驱动的变频控 制
葛胜 军
（ 天津工业大学 机电学院 ， 天津 ３ ０ ６ ） ０ １０
摘 要： 介绍了采 用数控车床的主轴驱动 中， 变频控 制的 系统结构与运行模式 ， 简述 了无速度传 感器的矢量变频器的基本应用。 并
实现的基本原理 ，是通过测量和控制异步电动机定子电流矢 量， 根据磁场定 向原理 ， 分别 对异步电动机的励 磁电流和转矩 电流进行控制 ， 从而达到控制异步 电动机转矩 的 目的。 矢量控
驱动和主轴驱动的特性与功能
• 可控性好应用最新的伺服软件保证即使在 发生振动时都具有可控制性。防水性能好 全封闭壳体防水连接器和特有的整体定子 密封，结构紧凑应用最新教铁硼永磁材料， 进一步减少了伺服电机的足的空间。
• 随着控制技术和电子技术的发展，交流伺 服电机已达到直流伺服电机的控制性能， 而且与伺服电机相比，伺服电机具有结构 简单坚固耐用体积小重量轻没有机械换向 和无需多少维修等优点，越来越多地在数 控机床工业机器人等行业得到应用。
• M系列伺服电机的优点数控锥齿轮铣齿机最 大加工模数为是一种小模数的齿轮精密加 工机床。该机床要求其驱动电机必须具有 精度高响应快调整范围宽等特点。由于M系 列伺服电机具有以下优点，适用于中小型 精密机床的进给驱动。
• 行特性平稳整体形磁极的使用使得转矩波 动降到极限，再加上对电流的精确控制和 脉冲反馈控制，保证了电机运行的平滑稳 定。加减速特性出色特殊形状的电机转子 具有较小的体积和较轻的重量，却能产生 较大的输出转矩，因而具有出色的加减速 特性。
• 精度高高分辨率脉冲编码器或几的使用， 保证了电机的高精度。调速范围宽应用最 新的伺服软件减小电机高速旋转时产生的 热量，使电机可以在很宽的范围内长时间 连续运行。
电动机保护器
驱动和主轴驱动的特性与功能
• 数控机床技术水平主要依赖于进给驱动和 主轴驱动的特性与功能。驱动电机作为机 床运动的动力源，是决定机床性能的关键。 不同类型的机床对电机的性能特点有不同 的要求，在选择电机时应考虑机床类型加 工情况和电机特性进行选择。
数控机床主轴驱动与控制
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。
6.2.3主轴分段无级调速
6.2主轴驱动与控制(Spindle Drive and Control)
图6.3所示为西 门子802C数控系 统的变频调速控 制连接图。主轴 电机的正反转通 过继电器KA2和 KA3控制，转速 大小通过X7口模 拟电压值大小控 制。
6.2主轴驱动与控制(Spindle Drive and Control)
6.1 概述
1.主轴驱动系统的功能
主轴驱动系统通过控制主轴电机的旋转方向和转速， 从而调节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。因此，主轴驱动的主 要功能是为各类工件的加工提供所需的切削功率。
此外，当数控机床具有螺纹加工、恒线速加工以及准 停要求（比如加工中心换刀）时，对主轴也提出了相应的 位置控制要求，所以此类数控机床还具有主轴与进给联动 功能和准停控制功能。
6.1 概述
（3）DANFOSS（丹佛斯）公司系列变频器 该公司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-7.5KW 200V/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，VLT 5000对每条指令的响应时间为0.1ms，可使用任何标准电机与VLT 5000匹配。
对于中档数控机床而言主要采用这种方案。其主轴传动仅采用两 挡变速甚至仅一挡即可实现100—200 r/min左右时车、铣的重力切 削。一些有定向功能的还可以应用于要求精镗加工的数控镗铣床。 但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。
机床数控系统的组成
机床数控系统的组成机床数控系统是现代机床的核心技术之一，它由多个组成部分构成，共同实现对机床的自动化控制和加工操作。
本文将从硬件和软件两个方面介绍机床数控系统的组成。
一、硬件组成1.主轴驱动系统：主轴驱动系统是机床数控系统的核心部分，它负责控制主轴的转速和运动方向。
主轴驱动系统通常由伺服电机、减速器、编码器等组成，通过对电机的控制，实现对主轴的精确控制。
2.进给驱动系统：进给驱动系统用于控制工件在加工过程中的运动轴向，包括直线进给轴和旋转进给轴。
直线进给轴通常由伺服电机、滚珠丝杠等组成，用于控制工件的直线运动；旋转进给轴通常由伺服电机、齿轮传动等组成，用于控制工件的旋转运动。
3.运动控制卡：运动控制卡是机床数控系统的核心控制器，它负责接收数控指令，并将其转换为电信号，通过与主轴驱动系统和进给驱动系统的配合，实现对机床的精确控制。
运动控制卡通常具备高速数据处理能力和多个输入输出接口，以满足机床复杂加工过程的控制需求。
4.传感器：传感器是机床数控系统的重要组成部分，用于实时监测机床的运行状态和工件加工过程中的各种参数。
常见的传感器包括位置传感器、力传感器、温度传感器等，它们通过与运动控制卡的连接，将采集到的数据反馈给数控系统，以实现对机床的自动化调节和控制。
5.人机界面：人机界面是机床数控系统与操作人员之间的交互界面，用于输入加工参数、监视加工过程和显示加工结果等。
人机界面通常由触摸屏、键盘、显示器等组成，操作人员可以通过它们与数控系统进行交互，并实时了解机床的工作状态。
二、软件组成1.数控系统软件：数控系统软件是机床数控系统的核心程序，它负责解释和执行数控指令，控制机床的运动和加工过程。
数控系统软件通常由操作系统、驱动程序、插补算法等组成，它们共同实现对机床的高精度控制和加工操作。
2.加工程序：加工程序是机床数控系统的另一重要组成部分，它是由一系列数控指令组成的程序，用于描述工件的加工路径和加工过程。
机械制造简答题
简答题第一章绪论1 、叙述数字控制（数控）、数控机床的概念。
2 、数控机床由哪些部分组成？各有什么作用？3 、什么叫点位控制、点位直线控制、轮廓控制数控机床？各有何特点？4 、什么是开环、闭环、半闭环控制数控机床？5 、数控机床的加工特点是什么？6 、数控机床适合加工具有什么特点的零件？第二章1 、举例说明通用机床、专门化机床和专用机床的主要区别是什么？2 、说出下列机床的名称和主参数（第二主参数），并说明它们各具有何种通用和结构特性。
CM6132 、 C1336 、 C2150 6 、 Z3040 16 、 T6112 、 T4163B 、 XK5040 、 B 2021A 、MGB1432 。
3 、举例说明何谓简单运动？何谓复合运动？其本质区别是什么？4 、举例说明何谓外联系传动链？何谓内联系传动链？其本质区别是什么？5 、举例说明什么叫表面成形运动、分度运动、切入运动和辅助运动？6 、使用简图分析用下列加工方法加工所需表面时的成形方法，并说明机床运动的型式、性质和数量 .（ 1 ）、用成形车刀车外圆；（ 2 ）、用普通外圆车刀车削外圆锥体；（ 3 ）、用圆柱铣刀采用周铣法铣平面；（ 4 ）、用窄砂轮磨长圆柱体；（ 5 ）、用钻头钻孔；（ 6 ）、用插齿刀插削直齿圆柱齿轮；（ 7 ）、用滚刀滚切直齿圆柱齿轮；（ 8 ）、用端铣刀铣平面；7 、在 CA6140 型卧式车床上车削下列螺纹：（ 1 ）、米制螺纹： p= 3mm ， n=2 ； p= 8mm ， n=2;(2) 、英制螺纹： a=4 牙 /in(3) 、径节制螺纹： Dp=48 齿 /in(4) 、模数制螺纹： m= 3.5mm ， n=2试写出其传动路线表达式，并说明车削这些螺纹时可采用的主轴转速范围及其理由。
8 、当 CA6140 型卧式车床上的主轴转速为： 450 ~ 1400r/min( 其中 500r/min 除外 ) ，为什么能够获得细进给量？在进给箱传动路线一定的情况下，细进给量与常用进给量的比值是多少？9 、为什么用丝杠和光杠分别担任车削螺纹和机动进给的传动 ? 如果只用其中一个 , 既可车削螺纹又可机动进给 , 将会有什么问题 ?10 、为什么在主轴箱中有两个换向机构 ? 能否取消其中一个 ? 溜变箱内的换向机构又有什么用处 ?11 、如果快速电动机的转动方向接 ( 电源 ) 反了 , 机床是否能正常工作 ?12 、 M3 、 M4 和 M5 的功用是什么？是否可取消其中之一？13 、为了提高传动精度，车螺纹的进给运动传动链中不应有摩擦传动件，而超越离合器是靠摩擦传动的，为什么可以用于进给运动传动链中 ?14 、各类机床中，可用来加工外圆表面、内孔、平面和沟槽的各有哪些机床？它们的适用范围由何区别？15 、将 CA6140 型卧式车床和 M 1432A 型磨床相比较，从传动和结构特点方面说明为什么万能外圆磨床的加工精度和表面质量比卧式车床的高？16 、万能外圆磨床的砂轮主轴和头架主轴能否采用齿轮传动？为什么？第三章计算机数控系统1 、机床数控系统通常由哪几部分组成？各有什么作用？2 、 CNC （ MNC ）系统的硬件主要由哪几部分构成？各部分的作用是什么？3 、常用半导体存储器如何分类？其特点各是什么？4 、 CNC 系统中， I/O 控制通道应有哪些基本功能？主要解决哪些问题？5 、 CNC 系统有哪些软件？各个软件的主要功能是什么？6 、 CNC 系统硬件的结构常有哪几种？特点是什么？7 、 CNC 系统的软件有何特点？其结构有哪些？8 、根据 CNC 系统软件的自动工作流程图说明系统的工作原理。
主轴驱动系统
交流主轴电机
项目三 主轴驱动系统
二、主轴电机工作特性
交流主轴电机的特性曲线与直流主轴电机类似： 交流主轴电机的特性曲线与直流主轴电机类似：在基速以 下为恒转矩区域1 而在基速以上为恒功率区域2 下为恒转矩区域1，而在基速以上为恒功率区域2。 恒转矩区域 恒功率区域
转矩特性曲线 功率特性曲线
h 1 2
传送带 编码器 刀具
项目三 主轴驱动系统
3. 数控系统型准停( M19 ) 数控系统型准停(
数控系统
转速给定
准停位置给定
+
K
D/A
功能切换开关
主轴驱动装置
M TG PG
-
责任编辑：…… 撰稿教师：……（以姓氏为序） 电子编辑：…… 主编：…… 制作：……
三、伺服驱动主轴
主轴转速控制（YASKAWA） 1. 主轴转速控制（YASKAWA） 模拟电压指定 12位二进制指定 12位二进制指定 2位BCD码指定 BCD码指定 3位BCD码指定 BCD码指定 2. 开关量信号控制 正反转信号 准备好信号 急停信号 报警输出信号
项目三 主轴驱动系统
3. 接线图 YASKAWA） （YASKAWA）
n0
项目三 主轴驱动系统
单元二 交流主轴驱动装置
一、交流主轴驱动装置的组成
电网端变流器 控制调节器 负载端变流器 交流主轴电动机 编码器
闭环转速与扭矩控制
磁场计算机 转速实际值
变频器
项目三 主轴驱动系统
二、通用变频器
接线( 1. 接线( R-A500 )
项目三 主轴驱动系统
2. 预置设定
项目三 主轴驱动系统
（2007版）
主编
张爱红
主轴驱动系统常见故障及处理
主轴驱动系统常见故障及处理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。
5.1 主轴驱动系统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。
5.1.1 数控机床对主轴驱动系统的要求机床的主轴驱动和进给驱动有较大的差别。
机床主轴的工作运动通常是旋转运动，不像进给驱动需要丝杠或其它直线运动装置作往复运动。
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。
在20纪60-70年代，数控机床的主轴一般采用三相感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式。
随着刀具技术、生产技术、加工工艺以及生产效率的不断发展，上述传统的主轴驱动已不能满足生产的需要。
现代数控机床对主轴传动提出了更高的要求：（1）调速范围宽并实现无极调速为保证加工时选用合适的切削用量，以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。
特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和各种材料的加工要求，对主轴的调速范围要求更高，要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无级调速，并减少中间传动环节，简化主轴箱。
目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达1∶100，恒功率调速范围也可达1∶30，一般过载1.5倍时可持续工作达到30min。
主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式，其中有级变速仅用于经济型数控机床，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。
在无级变速中，变频调速主轴一般用于普及型数控机床，交流伺服主轴则用于中、高档数控机床。
（2）恒功率范围要宽主轴在全速范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速范围内提供主轴电动机的最大功率。
数控机床伺服系统的分类
数控机床伺服系统的分类数控机床伺服系统按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按控制原理和有无检测反馈环节分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统；按使用的执行元件分为电液伺服系统和电气伺服系统。
1.按用途和功能分：(1)进给驱动系统：是用于数控机床工作台坐标或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的力矩。
主要关心其力矩大小、调速范围大小、调节精度高低、动态响应的快速性。
进给驱动系统一般包括速度控制环和位置控制环。
(2)主轴驱动系统：用于控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。
主要关心其是否有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围；它只是一个速度控制系统。
2.按使用的执行元件分：(1)电液伺服系统其伺服驱动装置是电液脉冲马达和电液伺服马达。
其优点是在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳；其缺点是液压系统需要供油系统，体积大、噪声、漏油等。
（2）电气伺服系统其伺服驱动装置伺服电机（如步进电机、直流电机和交流电机等）。
其优点是操作维护方便，可靠性高。
其中，1）直流伺服系统其进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。
其优点是调速性能好；其缺点是有电刷，速度不高。
2）交流伺服系统其进给运动系统采用交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。
优点是结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作；动态响应好、转速高和容量大。
3.按控制原理分（1）开环伺服系统系统中没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。
开环伺服系统的特点：1. 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。
2. 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，机床运动精度主要取决于伺服驱动电机和机械传动机构的性能和精度。
步进电机步距误差，齿轮副、丝杠螺母副的传动误差都会反映在零件上，影响零件的精度。
主轴驱动通过主轴m代码控制主轴联锁功能的原理
主轴驱动通过主轴m代码控制主轴联锁功能的原理主轴驱动通过主轴M代码控制主轴联锁功能的原理主要基于计算机数控系统（CNC）与主轴驱动器之间的通讯和控制。
下面将简要描述这个原理：1.计算机数控系统（CNC）:CNC是现代数控机床的核心部分，它负责接收和处理来自操作员或自动编程软件的指令，然后输出这些指令到机床的各个部分，包括主轴驱动器。
2.M代码:M代码是CNC编程中的一种指令，用于控制机床的各种辅助功能，如主轴的启动、停止、换向等。
3.主轴驱动器:主轴驱动器是连接主轴电机和CNC系统的设备。
它接收CNC系统的指令，控制主轴电机的运动，从而实现主轴的旋转。
4.联锁功能:联锁功能是一种安全措施，用于防止机床在某些条件下运行，以避免潜在的危害。
例如，当刀具没有正确安装或卡盘未关闭时，机床可能不会启动。
5.控制原理:当CNC系统接收到M代码时，它会根据代码的内容向主轴驱动器发送相应的指令。
例如，当M03（启动主轴）被接收到，CNC系统将发送一个信号到主轴驱动器，使主轴电机开始旋转。
同时，为了确保主轴的正确和安全运行，CNC系统可能会通过主轴驱动器发送额外的信号或参数。
例如，当检测到主轴的异常速度或扭矩时，CNC系统可能会发送一个停止信号到主轴驱动器，使主轴电机立即停止。
此外，一些高级的主轴驱动器还具有与CNC系统之间的通讯功能，可以实时反馈主轴的状态信息，如转速、扭矩等。
这样，CNC系统可以根据这些信息调整主轴的运行状态，确保加工过程的稳定和安全。
总的来说，通过M代码控制主轴联锁功能是基于CNC系统、主轴驱动器和主轴电机之间的紧密配合和通讯实现的。
这种配合确保了机床在各种条件下的正确和安全运行。
数控原理与系统第6章主轴驱动及控制
第6章 主轴驱动及控制
为 此 ， 可 选 用 额 定 功 率 7.4KW 、 额 定 转 速
1500r/min的主轴电动机，在1/2额定电压下无
级变速驱动主轴，工作特性曲线如图6.6所示。
在 750r/min ～ 6000r/min 整 个 范 围 内 ，
Pmax=3.7KW ， 在 750r/min 以 下 ，
频器调速时，其调速特性无法与直流电动机相
比， 因此必须采用矢量变频控制技术。
第6章 主轴驱动及控制
由于采用矢量变频控制技术后，交流
电动机与直流电动机的数学模型极为相似，
因而以直流主轴电动机为例来分析其调速特
性， 其模型结构如图6.1所示。
根据直流电动机的工作原理可得
Ua Ia Ra E
E Cen M C M Ia KIt
第6章 主轴驱动及控制
P, M
转矩特性曲线 功率特性曲线
O1
2
h
图6.2 主轴电机的工作特性曲线
第6章 主轴驱动及控制
6.1.3 CNC与主轴驱动装置的连接 下面以日本安川（YASKAWA）VA-626MT
型主轴驱动装置为例讲解CNC与主轴驱动装置 的连接，图6.3所示为其内部原理框图， CNC装 置与该主轴驱动装置的连接如图6.4所示。
第6章 主轴驱动及控制
本章导读
本章主要介绍主轴驱动装置的特性与连接
方法、主轴分段无级调速控制、主轴准停控制
等内容。通过本章的学习，了解数控机床对主
轴的要求，熟悉主轴驱动装置的一般连接方法，
掌握主轴调速、准停控制方法。
第6章 主轴驱动及控制
6.1 概 述
数控机床的主轴驱动和进给驱动有很大的
差别。主轴的运动通常是旋转运动，以调速和
数控机床主轴驱动变频控制
数控机床主轴驱动变频控制数控机床是以计算机技术和数控技术为基础的高精度机床，其主轴是重要的动力部件，主轴的驱动直接影响到加工效率和加工质量。
传统机床主轴驱动通常采用电动机和机械传动，但无法满足数控机床高速、高精度、轻快、稳定的要求。
因此，数控机床主轴驱动采用变频控制技术，已成为现代数控机床的发展趋势之一。
1. 变频控制技术简介变频控制是指通过改变电源频率来控制电机转速的技术，可以有效提高电机运行效率、降低能耗、延长机器寿命、减少机器噪音和振动等。
变频调速系统由电源、整流器、滤波器、逆变器、电机等组成，通过对逆变器输出频率、电压、电流等参数的调节，实现对电机的精确控制，从而达到理想的速度和负载要求。
2. 数控机床主轴驱动变频控制系统设计数控机床主轴驱动变频控制系统包括功率部分和控制部分。
功率部分主要由电机、电容器、混波器、逆变器、滤波器组成；控制部分主要由控制器、编码器、触摸屏、通信模块、接口电路等组成。
(1) 电机选择首先要确定数控机床主轴使用的电机类型和功率。
大多数数控机床采用交流永磁同步电机或交流无刷电机作为主轴电机，其优点是具有稳定、高效、精度高和可控性强等特点。
在选择电机时，应该根据机床的加工工艺、精度和产量等需求来确定电机型号和功率。
(2) 逆变器设计逆变器是数控机床主轴变频控制系统的核心部件，其主要功能是将直流电源变成交流电源，并根据控制信号输出不同的频率、电压、电流等，以控制电机转速和负载。
在设计时应该确定逆变器的大小、频率、输出电压、电流、控制方式等参数，以充分满足机床的技术要求。
(3) 控制器选择控制器是数控机床主轴变频控制系统的重要部件。
它接受编码器等输入信号，根据控制程序计算要输出的电机控制信号，并将其传递给逆变器，以实现精确的转速和负载控制。
在选择控制器时，应该根据机床的加工需求和控制要求，选择性能稳定可靠、精度高的控制器。
(4) 触摸屏设计触摸屏是数控机床主轴变频控制系统的操作界面，其主要功能是提供人机交互的接口，方便操作员进行参数设置、调整和监测。
车床主轴的工作原理
车床主轴的工作原理
车床主轴是车床的主要工作部件之一，负责带动工件在车床上进行旋转加工。
工作原理如下：
1. 主轴传动原理：车床主轴采用电机驱动，通过传动装置（如皮带、齿轮等）将电机的动力传递给主轴，使之旋转。
传动装置的选择根据主轴的工作要求和车床的设计而定。
2. 主轴支承原理：为了确保主轴能够平稳旋转并承受加工时的轴向和径向力，主轴通常由轴承支承。
轴承通常分为前后两组，分别承受轴向和径向力，以保证主轴旋转平稳、精度稳定。
3. 主轴速度控制原理：主轴的转速可以通过控制电机的转速来实现。
车床上通常配备有变频器或步进电机控制系统，通过调整电机的频率或步进电机的脉冲信号来实现主轴转速的调节。
通过电子控制系统，可以实现主轴转速的精确控制。
4. 刀具夹持原理：主轴上通常配备有刀架或刀塔，用于夹持刀具进行加工。
刀具可以是刀片、钻头、铣刀等。
夹持方式有多种，如机械卡盘、弹簧夹紧装置等，用于保证刀具与主轴的牢固连接，以实现高速、高负荷的加工。
5. 主轴冷却原理：主轴在高速运转时，会产生较多的热量，需要进行散热和冷却。
车床主轴通常配备有冷却系统，通过内部循环冷却润滑液或外部喷水冷却等方式，降低主轴的温度，保持加工的稳定性和精度。
总之，车床主轴通过电机驱动，通过传动装置带动主轴旋转。
轴承支承保证主轴平稳旋转并承受加工力。
转速可通过电机控制实现。
刀具由主轴夹持，进行加工。
同时，主轴还需要进行冷却，以保证加工的稳定性。
第11章 主轴驱动及控制
模拟电压
给定信号
BCP 3-D1GIT 2-D1GIT
BIN
1
1
2
2
4
4
8
8
10
1
16
20
2
32
40
4
64
80
8
128
100
10
265
200
20
512
400
40
1024
800
80
2048
数字电压给定信号
ZSPD 零 速 输 出
YASKAWA 主 轴 驱 动 系 统 主 轴 电 动 机 (带 风 扇 与 编 码 器 )
设定面板
CPU
No
DATA
HOME MODE ALM
SET RESET
基极驱动
PWM控 制 电流控制
编码 器 信 3CN 号处
理 2CN
电流给定
1CN 开关量输出
报警代码 模拟量输出
TS
PG 编码器
经处理后的 编码器输出
状态信号输出 报警代码输出 外接转速表与负载表
图11.3 安川YASKAWA VS-626MT型主轴驱动装置原理框图
E Cen M C M Ia KIt
第11章 主轴驱动及控制
从而导出转距速度特性方程
n Ua Ia Ra
Ce M CMIa KI f
第11章 主轴驱动及控制
（1）在基速n0以下，采用调压调速，即在励磁电 流If不变，Φ为常数的情况下，用改变电枢电压Ua的方 法调速。这时输出的最大转矩Mmax取决于电枢电流最 大值Imax， 即
第11章 主轴驱动及控制
11.1.2 主轴系统的分类与特性 1. 主轴系统的分类 根据变速方式的不同，主轴系统可分为有级变速、
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
MP ,
1∶1齿轮变速箱 15N· m 3.7 kW 3.7 kW
1∶2齿轮变速箱
0
1500
6000
n
0 750
3000
n
(a)
(b)
图11.5 3.7 kW电动机工作特性曲线 (a) 全段无级调速； (b) 分段无级调速
第11章 主轴驱动及控制
MP , 30N· m
M max Pmax
7.4 kW
电动机 M
＋5V ＋15 V－15V
脉冲放大 u v 控制 电源
基极 驱动
TS 检测 基极驱动
转换器控制
PWM控制 编码 器信 3CN 号处 理 2CN
PG 编码器
模拟 电压给定
1CN
转速给定
电流控制
经处理后的 编码器输出 控制 开关量输入 2CN 数字 转速给定 数字 给定 输入 开关量 输入 设定面板 电流给定 CPU 1CN 开关量输出 状态信号输出
主轴 齿轮 变速箱
图11.7 主轴分段无级变速结构示意图
第11章 主轴驱动及控制
3. 齿轮变速自动换挡的操纵机构
1) 液压拨叉 液压拨叉是一种用一只或几只液压缸带动齿轮移 动的变速操纵机构。 最简单的二位液压缸实现双联齿 轮变速， 对于三联或三联以上的齿轮变速则需使用差
动液压缸。 图11.8所示为三位液压拨叉的原理图， 通
（4） TLH、 TLL转矩极限限制信号： 用于临时限 制主轴电动机输出的最大转矩， 以避免机械损坏。 （5） SSC软启动信号： 使用该信号可使主轴切换 工作处于通常的主轴驱动状态或进入伺服状态， 进入 伺服状态可实现位置闭环控制。
（6） PPI速度调节器信号： 用于选择使用PI比例积
分调节器或P比例调节器。 （7） DAS速度设定方式信号： 用于选择模拟量速 度控制或数字量控制(12位二进制或2位BCD码或3位 BCD码)。
第11章 主轴驱动及控制
y x
D2 D1
图11.10 主轴准停镗背孔示意图
第11章 主轴驱动及控制
1. 机械准停控制 机械准停控制一般采用Ｖ形槽轮定位盘准停结构， 如图11.11所示。
第11章 主轴驱动及控制
无触点开关 接近体 定位盘 LS2 LS1 定位液压缸
主轴中心
图11.11 机械准停原理示意图
3.7 kW
0
750 1500
6000 r/min
n
图11.6 7.4 kW电动机工作特性曲线
第11章 主轴驱动及控制
2. 分段无级调速的控制 多数数控系统均能够提供四挡变速功能， 而数控
机床通常使用两挡即可满足要求。 图11.7所示为主轴
分段无级调速的控制结构。
第11章 主轴驱动及控制
主轴驱动装置 M 0～± 10V M41 CNC PLC M42
调速。 这时If减小K倍， Φ也减小K倍， 相应的转速n
增加K倍， 最大转矩则因为磁通Ф的减小而减小K倍， 因此所能输出的最大功率Pmax=Mmaxn不变, 这称为恒功 率调速。 主轴电机的工作特性曲线如图11.2所示。
第11章 主轴驱动及控制
P, M 转矩特性曲线 功率特性曲线
O
1
2
h
图11.2 主轴电机的工作特性曲线
图11.4 安川YASKAWA VS-626MT型主轴驱动装置外部连线图
第11章 主轴驱动及控制
1. 转速给定信号的连接 （1） 模拟电压给定。
（2） 12位二进制数给定。
（3） 2位BCD码给定。 （4） 3位BCD码给定。
第11章 主轴驱动及控制
2. 开关量信号 （1） RDY准备好信号: 欲使主轴驱动工作， 可闭合
第11章 主轴驱动及控制
（1）在基速n0以下， 采用调压调速， 即在励磁电 流If不变， Φ为常数的情况下， 用改变电枢电压Ua的
方法调速。 这时输出的最大转矩Mmax取决于电枢电流
最大值Imax， 即 Mmax=CMΦImax
第11章 主轴驱动及控制
（2） 基速n0以上采用弱磁方法调速， 即在保持电 枢电压Ua不变的情况下， 用改变励磁电流If的方法来
第11章 主轴驱动及控制来自第11章 主轴驱动及控制
11.1 概述 11.2 主轴的分段无级调速及控制 11.3 主轴准停控制 习题
第11章 主轴驱动及控制
11.1 概 述
11.1.1 数控机床对主轴系统的要求 （1）调速范围宽。 （2）恒功率调速范围宽， 并能提高足够的切削功率。 （3） 稳定、 快速。 （4） 准停控制。 （5） 旋转轴功能。
第11章 主轴驱动及控制
11.1.2 主轴系统的分类与特性 1. 主轴系统的分类
根据变速方式的不同， 主轴系统可分为有级变速、
无级变速和分段无级变速三种形式。 其中， 有级变速 仅用于经济型数控机床， 大多数数控机床均采用无级
变速或分段无级变速。
第11章 主轴驱动及控制
2. 主轴驱动的特性 与直流电动机相比， 鼠笼式交流异步电动机具有
负载情况。
（14） 模拟量输出信号： 两路模拟量输出用于外接 转速与负载表， 其输出直流电压与实际转速及负载成 正比。
第11章 主轴驱动及控制
11.2 主轴的分段无级调速及控制
1. 主轴无级调速驱动方案 （1） 全段无级调速。 （2） 同功率电动机， 分段无级调速。
第11章 主轴驱动及控制
MP , 30N· m
3 NCOM 4 OV 2 SS 2CN 1 D1 2 D2 3 D3 4 D4 5 D5 6 D6 7 D7 8 D8 9 D9 10D10 11D11 12D12 130 V 1CN 45 46 33 ARG 34NDET 35TDET 36TLE 37ORE
2CN PCA 16 *PCA 17 P PCB 18 *PCB 19 P PCC 14 *PCC 15 P SS 20 ICN 42 43 44
恒功率范围宽， 体积小， 结构简单， 价格便宜， 可
靠性高等优点。 但是在采用一般变频器调速时， 其调 速特性无法与直流电动机相比， 因此必须采用矢量变
频控制技术。
第11章 主轴驱动及控制
＋
Ia If Ra ＋
U a
E
M
－ M
n
－
图11.1 主轴电动机电路模型
第11章 主轴驱动及控制
由于采用矢量变频控制技术后， 交流电动机与直
（11） TLE转矩极限输出信号： 当外部转矩极限 TLL和TLH输入信号有效时， 即进入转矩极限临时限 制状态， TLE信号输出。
第11章 主轴驱动及控制
（12） ALM报警信号： 当主轴驱动报警时， 报警 信号ALM输出， 同时报警代码(ALMCODE)通过AC0、 ACl、 AC2、 AC3编码输出， 指示报警内容。 （13） TDET转矩检测输出信号： 当主轴输出转矩 低于某一定值时， TDET输出， 该信号用于检测主轴
第11章 主轴驱动及控制
（8） ZSPD零速输出信号： 若主轴转速低于设定 的值(如30 r／min)， 则ZSPD输出， 表明电动机停转。 （9） AGR速度到达信号： 当主轴电动机转速实际 到达所设定的转速时， AGR信号输出。 （10） NDET速度检测信号： 当主轴转速低于某设
定转速时， NDET输出。
第11章 主轴驱动及控制
2. 电气准停控制 1） 磁传感器准停
磁传感器主轴准停控制由主轴驱动自身完成， 其
系统构成如图11.12所示。磁传感器准停的时序如图 11.13所示。
第11章 主轴驱动及控制
CNC装置
易使机械零件磁化。 在数控机床主传动中， 使用电磁 离合器能够简化变速机构， 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。
第11章 主轴驱动及控制
11.3 主轴准停控制
主轴准停又叫主轴定位， 即当主轴停止时， 控制其 停于固定位置。 主轴准停是加工中心自动换刀所必需的 功能。 在自动换刀的镗铣加工中心上， 切削的转矩通常 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， 如图11.9所示。
第11章 主轴驱动及控制
11.1.3 CNC与主轴驱动装置的连接 下面以日本安川（YASKAWA） VA-626MT型主 轴驱动装置为例讲解CNC与主轴驱动装置的连接， 图 11.3所示为其内部原理框图， CNC装置与该主轴驱动 装置的连接如图11.4所示。
第11章 主轴驱动及控制
YASKAWA 主轴驱动系统 u v L1 三相交流电源 L2 L3 R S T U V W U V W 交流主轴电动机 风扇
No DAT A
HOME MODE AL M SE T RE T SE
报警代码 模拟量输出
报警代码输出 外接转速表与负载表
图11.3 安川YASKAWA VS-626MT型主轴驱动装置原理框图
第11章 主轴驱动及控制
MCCB L1 三相交流 L 200/220 V 电源 2 L3 R S T 1CN 6 20 RDY 7 21 EMG 8 FOR 9 REV 22 10 TLH 11 TLL 12 SSC 28 13 RST 29 5 DAS 19 17 PPI 18 32 ORT YASKAWA 主轴驱动系统 u v U V W 3CN E ＋5V 4, 5, 6 0V 1, 2, 3 PCA 16 *PCA 17 PCB 18 *PCB 19 PCC 14 *PCC 15 主轴电动机 (带风扇与编码器) u v U V W E 1 2 3 P 4 5 P 6 PG 7 P 8 9
经处理后的 编码器输出信号
报警输出信号
23 AC0 24 AC1 AC2 26 27 AC3 25 COM2 47 SM 0 V 48 LM 50 49 0V 1 2 0 V3