第五章 数控机床主轴控制系统
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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
数控机床的典型机械结构
• ２. 具有较高的精度与刚度, 传动平稳, 噪声低 • 数控机床加工精度的提高, 与主轴系统的精度密切相关。 为此, 应提
高传动件的制造精度与刚度。 • ３. 具有良好的抗振性和热稳定性 • 数控机床一般既要进行粗加工, 又要进行精加工。
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５. ２ 数控机床主轴系统
• 加工时由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过 程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰, 使主轴产生振 动, 影响加工精度和表面粗糙度, 严重时甚至会破坏刀具或工件, 使加 工无法进行。 主轴系统的发热可能导致所有零部件产生热变形, 降低 传动效率, 破坏零部件之间的相对位置精度和运动精度而造成加工误 差。 因此, 要求主轴组件要有较高的固有频率、较好的动平衡、保持 合适的配合间隙并进行循环润滑等。
• 数控机床的机械结构仍然继承了普通机床的构成模式, 其零部件的设 计方法也同样类似于普通机床。
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５. １ 数控机床的机械结构概述
• 但近年来, 随着进给驱动、主轴驱动和ＣＮＣ 的发展, 为适应高生产 效率的需要, 现今的数控机床有着独特的机械结构, 除机床基础件外, 主要由以下各部分组成。
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第6章 数组
• 6.1 一维数组 • 6.2 二维数组 • 6.3 字符数组 • 6.4 数组程序举例
6.1 一维数组
• 6.1.1一维数组的定义方式 • 一维数组的定义方式为: • 类型说明符数组名[常量表达式]; • 其中: • 类型说明符可以是任何一种基本数据类型或构造数据类型。 • 数组名是用户定义的数组标识符。 • 方括号中的常量表达式须为整型，其值表小数组元素的个数，也称为
来表示。 • (5)允许在同一个类型说明中说明多个数组和多个变量。
高传动件的制造精度与刚度。 • ３. 具有良好的抗振性和热稳定性 • 数控机床一般既要进行粗加工, 又要进行精加工。
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５. ２ 数控机床主轴系统
• 加工时由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过 程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰, 使主轴产生振 动, 影响加工精度和表面粗糙度, 严重时甚至会破坏刀具或工件, 使加 工无法进行。 主轴系统的发热可能导致所有零部件产生热变形, 降低 传动效率, 破坏零部件之间的相对位置精度和运动精度而造成加工误 差。 因此, 要求主轴组件要有较高的固有频率、较好的动平衡、保持 合适的配合间隙并进行循环润滑等。
• 数控机床的机械结构仍然继承了普通机床的构成模式, 其零部件的设 计方法也同样类似于普通机床。
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５. １ 数控机床的机械结构概述
• 但近年来, 随着进给驱动、主轴驱动和ＣＮＣ 的发展, 为适应高生产 效率的需要, 现今的数控机床有着独特的机械结构, 除机床基础件外, 主要由以下各部分组成。
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第6章 数组
• 6.1 一维数组 • 6.2 二维数组 • 6.3 字符数组 • 6.4 数组程序举例
6.1 一维数组
• 6.1.1一维数组的定义方式 • 一维数组的定义方式为: • 类型说明符数组名[常量表达式]; • 其中: • 类型说明符可以是任何一种基本数据类型或构造数据类型。 • 数组名是用户定义的数组标识符。 • 方括号中的常量表达式须为整型，其值表小数组元素的个数，也称为
来表示。 • (5)允许在同一个类型说明中说明多个数组和多个变量。
数控机床主轴控制系统
主轴伺服系统
数控机床的主轴驱动系统也叫主传动系统,是完成主 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。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杆或者其他 直线运动装置作往复运动，数控机床通过主轴的回转与 进给实现刀具与工件的相对切削运动。为了满足螺纹车 削，要求主轴能与进给实行同步控制 。
数控机床对主轴的要求
有较宽的调速范围 能进行无极调速 要求主轴恒功率范围宽 要求主轴在正.反转动时均可进行自动加减速 控制 主轴具有高精度的准停控制 在车削中心上具有旋转进给轴（C轴）的控制 功能
华中数控实验台主轴系统实物图
华中数控实验台连线图
MOV_0430.mp4
FANUC主轴系统实物图
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杆或者其他直线运动装置作往复运动数控机床通过主轴的回转与进给实现刀具与工件的相对切削运动
项目三
数控机床主轴控制系统 知识汇报
三组
罗忠义
宋旭
杨玉兵 田巧丽
内容
主轴系统的认识及简介 华中数控实验台 FANUC 西门子802C
变频器原理
变频器是将恒压恒频的交流电转变成变压变频的交流电的装置， 以满足交流电动机变频调速的需要。 变频器按结构分：交-直-交和交-交变频器，即间接变频变频 器和直接变压变频器。 交-交变频器输入功率因数低，谐波含量大，频谱复杂，最高 输出频率不超过电网频率的一半。 交-直-交变频器先将工频交流电整流变换成直流电，通过逆变 器将直流电变换成可控的频率和交流电压，由于有中间直流环 节，所以又称间接变压变频器。 交-直-交应用广泛，通常使用 的都是交-直-交变频器
5数控机床伺服驱动和检测
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第一节 概述
但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格 也高。进入80年代后，由于交流电机调速技术的突破，交流伺服 驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服电机，转 子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单， 适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展， 其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流伺服电机已 在数控机床中得到广泛应用。 直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演 变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的 一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置。在机床进给系统中， 采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是取消了从电 动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩 短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机驱动方式无法 达到的性能指标和优点。由于直线电动机在机床中的应用目前还 处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。随着各相关配套技术 的发展和直线电动机制造工艺的完善，相信用直线电动机作进给 驱动的机床会得到广泛应用。
选择：①伺服系统要求的分辨率； ②考虑机械传动系统的参数。
分辨率（分辨角）α
设增量式码盘的规格为 n 线/转：
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二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
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二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
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二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
2
第一节 概述
数控机床闭环进给系统的一般结构如图所示，这是一个双闭环系统，内环 为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速 度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系 统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC装置 中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。由速度 检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机 轴上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数控装置 来完成。伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位 置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，它是先把位置控制指令转换成相 应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，才实现实际位移的。
CNC主轴驱动及控制.pdf
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四．有级调速、无级调速、分段无级调速
1.有级调速是仅提供有限级别的速度，无级 调速是在速度范围可以任意指定速度。 2.控制主轴的信号电压种类： CNC→主轴 a、0±10V的模拟电压； b、单向性：0—10V、提供方向控制； c、12位BCD； d、全数字。
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三．主轴驱动装置的原理：
1.直流驱动
工作状态
(1).额定转速以下、恒磁，调电枢 电压，此时恒转矩。 (2).超过额定转速、电枢电压恒定、 弱磁工作，恒功率。
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上一页Biblioteka 下一页2交流主轴驱动
控制方案:
方案1：适用于中、高档数控机床，电机为变频电 机，具有转子位置检测及测速。可相应开发出c轴功能 方案2：采用变频器可控制普通异步电机，这种方 案也可实现无级调速。
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五.主轴准停功能
1.定义：主轴准停是指能主轴按指令要求准确停在指定 位置,也称作主轴定向。 2.作用：换刀和镗孔时定向、确定反向退刀方向。
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3.准停的实现
1）.机械准停
早期的机床 使用过，现在很 少使用。 缺点是：高 速时动平衡不 好，调试不方便。
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3.分段无级调速 a、当低速时为恒转矩，当需要低速强力切削时需要提 高其转矩。措施是通过换挡，降低主轴速度，增大转 矩。 b、一般变挡为两到三级。
数控机床的主传动系统
03 控制应用
高速加工、精密定位
主轴驱动系统的设计与选择
设计原则
高可靠性 良好的动态响应 经济性考虑
选择因素
机床类型 加工要求 成本预算
常见类型
交流伺服驱动系统 直流传动系统 混合驱动系统
● 03
第3章 数控机床的进给传动 系统
进给传动系统的组成与作 用
进给传动系统主要包括进给驱动装置、进给传动 机构和进给系统的控制与调节三个部分。进给驱 动装置负责提供动力，进给传动机构负责传递动 力并实现所需的运动轨迹，进给系统的控制与调 节负责对整个系统的运行进行精确控制。
主传动系统是数控机床的核心部件之一，它主要 由主轴装置、传动装置、主轴驱动系统等组成， 负责传递动力并确保机床加工的精度和速度。
主轴的类型与特性
电主轴
高速、高精度
复合主轴
结合电主轴与机 械主轴特点
机械主轴
结构简单、成本 低
主轴定向控制
01 控制意义
保证加工精度
02 控制方法
光电编码器、霍尔效应
部分控制信号依赖于反馈信号
电气控制系统的故障诊断与维 护
故障诊断方法包括观察法、信号分析法、模拟法 等；故障诊断的步骤包括故障现象的观察、故障 原因的分析、故障诊断的结果等；电气控制系统 的维护措施包括定期检查、及时维修、更换故障 部件等。
● 06
第6章 总结
数控机床主传动系统的重要性和 影响因素
夹具系统的性能评价
夹具的刚度 与稳定性
夹具的刚度与稳 定性直接影响到
加工精度
夹具的重复 定位精度
夹具的重复定位 精度直接影响到
加工效率
夹具的装夹 误差
夹具的装夹误差 会导致工件加工
误差
高速加工、精密定位
主轴驱动系统的设计与选择
设计原则
高可靠性 良好的动态响应 经济性考虑
选择因素
机床类型 加工要求 成本预算
常见类型
交流伺服驱动系统 直流传动系统 混合驱动系统
● 03
第3章 数控机床的进给传动 系统
进给传动系统的组成与作 用
进给传动系统主要包括进给驱动装置、进给传动 机构和进给系统的控制与调节三个部分。进给驱 动装置负责提供动力，进给传动机构负责传递动 力并实现所需的运动轨迹，进给系统的控制与调 节负责对整个系统的运行进行精确控制。
主传动系统是数控机床的核心部件之一，它主要 由主轴装置、传动装置、主轴驱动系统等组成， 负责传递动力并确保机床加工的精度和速度。
主轴的类型与特性
电主轴
高速、高精度
复合主轴
结合电主轴与机 械主轴特点
机械主轴
结构简单、成本 低
主轴定向控制
01 控制意义
保证加工精度
02 控制方法
光电编码器、霍尔效应
部分控制信号依赖于反馈信号
电气控制系统的故障诊断与维 护
故障诊断方法包括观察法、信号分析法、模拟法 等；故障诊断的步骤包括故障现象的观察、故障 原因的分析、故障诊断的结果等；电气控制系统 的维护措施包括定期检查、及时维修、更换故障 部件等。
● 06
第6章 总结
数控机床主传动系统的重要性和 影响因素
夹具系统的性能评价
夹具的刚度 与稳定性
夹具的刚度与稳 定性直接影响到
加工精度
夹具的重复 定位精度
夹具的重复定位 精度直接影响到
加工效率
夹具的装夹 误差
夹具的装夹误差 会导致工件加工
误差
数控机床主轴控制系统及故障诊断
• 2.三相异步电动机配变频器 • 三相异步电动机配变频器的配置方式通常采用带传动，经过带传动的
减速来提高主轴的输出转矩，系统的调速是通过加工指令S代码、控 制数控系统轴模拟量的输出作为变频器的速度控制指令，来实现主轴 速度的变化。
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5.1概述
• 主轴电动机速度是由变频实现调速，所以输出力矩在中高速时才比较 满意，这种配置方式主要应用于需要无级调速但对低、高速要求都不 太高的普通型经济数控机床上。
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5.1概述
• 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30，过载1. 5倍时仍可持续工作达30 min。
• 2.恒功率范围要宽 • 要求主轴在调速范围内均能提供所需的切削功率，并尽可能在调速范
围内提供主轴电动机的最大功率。由于主轴电动机与驱动装置的限制， 主轴在低速段均为恒转矩输出。为满足数控机床低速、强力切削的需 要，常采用分段无级变速的方法(即常在低速段采用机械减速装置)， 以扩大输出转矩。 • 3.具有四象限驱动能力 • 要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减 速时间要短。目前一般伺服主轴可以在1s内从静止加速到6 000 r/min。
• 5.1.1数控机床对主传动系统的要求
• 1.调速范围宽 • 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、工序和材料的加工要求，对主轴的调速范围提出了更高的要 求，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。
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5.1概述
• 这种配置方式不仅满足了低速大切削力的要求，而且也扩大了速度的 调整范围，实现了主轴调速范围要宽的特性要求。这种配置主要应用 于普及型数控机床上。
减速来提高主轴的输出转矩，系统的调速是通过加工指令S代码、控 制数控系统轴模拟量的输出作为变频器的速度控制指令，来实现主轴 速度的变化。
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5.1概述
• 主轴电动机速度是由变频实现调速，所以输出力矩在中高速时才比较 满意，这种配置方式主要应用于需要无级调速但对低、高速要求都不 太高的普通型经济数控机床上。
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5.1概述
• 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30，过载1. 5倍时仍可持续工作达30 min。
• 2.恒功率范围要宽 • 要求主轴在调速范围内均能提供所需的切削功率，并尽可能在调速范
围内提供主轴电动机的最大功率。由于主轴电动机与驱动装置的限制， 主轴在低速段均为恒转矩输出。为满足数控机床低速、强力切削的需 要，常采用分段无级变速的方法(即常在低速段采用机械减速装置)， 以扩大输出转矩。 • 3.具有四象限驱动能力 • 要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减 速时间要短。目前一般伺服主轴可以在1s内从静止加速到6 000 r/min。
• 5.1.1数控机床对主传动系统的要求
• 1.调速范围宽 • 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、工序和材料的加工要求，对主轴的调速范围提出了更高的要 求，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。
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5.1概述
• 这种配置方式不仅满足了低速大切削力的要求，而且也扩大了速度的 调整范围，实现了主轴调速范围要宽的特性要求。这种配置主要应用 于普及型数控机床上。
数控机床主轴控制系统PPT课件
波是等效的。如果对正弦波的负半周也做同样处理，即可得到 相应的2N个脉冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波，如 图所示。
a)正弦波的正半波 b)等效的SPWM波形 与正弦波等效的SPWM波形
②产生SPWM波形的原理 SPWM波形可用计算机产生，即对给定的正弦波用计 算机算出相应脉冲的宽度，通过控制电路输出相应波 形，还可用专门集成电路产生，如产生三相SPWM波 形的专用集成电路芯片有HEF4752、SLE4520等；也 可用模拟电路产生，其方法是以正弦波为调制波，对 等腰三角
2.星--三角降压启动 特点：1)启动电流为全压启动电流的1/3； 2)适用于三角型运行、空载或轻载启动。(图5.3)
3.其它降压启动方式 1)定子绕组串电阻电(频敏电阻)降压启动； 2)定子绕组串电抗器； 3)自耦变压器降压启动。
5.2.2三相笼型感应电动机的制动
1.反接制动 特点：1)制动力矩大； 2)冲击电流和机械冲击力大； 3)工作时应与速度继电器配合使用。图5.4
波为载波的信号进行“调制”，原理如图所示。
采用模拟电路产生SPWM方法，就是用一个正弦 波发生器产生可以调频调幅的正弦波信号(调制波)， 用三角波发生器生成幅值恒定的三角波信号(载波)， 将它们在电压比较器中进行比较，输出SPWM调制电 压脉冲，图所示是调制SPWM脉冲的原理图。
SPWM调制脉冲原理图
1.感应式主轴电动机
特点 ：由变频器实施控制，可实现开环 或闭环控制。
2.永磁式伺服电动机
特点：由变频逆变器实现速度环的矢量 控制，动态响应好，但其输出恒功率范围 小。
为获得更好的主轴特性，采用矢量控制 技术的同时，现有数控机床专用感应式电 动机。
Байду номын сангаас
a)正弦波的正半波 b)等效的SPWM波形 与正弦波等效的SPWM波形
②产生SPWM波形的原理 SPWM波形可用计算机产生，即对给定的正弦波用计 算机算出相应脉冲的宽度，通过控制电路输出相应波 形，还可用专门集成电路产生，如产生三相SPWM波 形的专用集成电路芯片有HEF4752、SLE4520等；也 可用模拟电路产生，其方法是以正弦波为调制波，对 等腰三角
2.星--三角降压启动 特点：1)启动电流为全压启动电流的1/3； 2)适用于三角型运行、空载或轻载启动。(图5.3)
3.其它降压启动方式 1)定子绕组串电阻电(频敏电阻)降压启动； 2)定子绕组串电抗器； 3)自耦变压器降压启动。
5.2.2三相笼型感应电动机的制动
1.反接制动 特点：1)制动力矩大； 2)冲击电流和机械冲击力大； 3)工作时应与速度继电器配合使用。图5.4
波为载波的信号进行“调制”，原理如图所示。
采用模拟电路产生SPWM方法，就是用一个正弦 波发生器产生可以调频调幅的正弦波信号(调制波)， 用三角波发生器生成幅值恒定的三角波信号(载波)， 将它们在电压比较器中进行比较，输出SPWM调制电 压脉冲，图所示是调制SPWM脉冲的原理图。
SPWM调制脉冲原理图
1.感应式主轴电动机
特点 ：由变频器实施控制，可实现开环 或闭环控制。
2.永磁式伺服电动机
特点：由变频逆变器实现速度环的矢量 控制，动态响应好，但其输出恒功率范围 小。
为获得更好的主轴特性，采用矢量控制 技术的同时，现有数控机床专用感应式电 动机。
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5.第五章 数控机床电气控制线路
图5.1 数控机床电气组成结构框图
1
第一节 数控车床电气控制线路
数控车床的机械部分比同规格的普通车床更为紧凑简洁。 主轴传动为一级传动,去掉了普通机床主轴变速齿轮箱， 采用了变频器实现主轴无级调速。进给移动装置采用滚 珠丝杠，传动效率高、精度高、摩擦力小。
2
1.1 数控车床的主要工作情况
一般经济型数控车床的进给均采用步进电动机，进给电 动机的运动由NC装置实现信号控制。 数控车床的刀架能自动转位。换刀电动机有步进、直流 和异步电动机之分，这些电动刀架的旋转、定位均由NC 数控装置发出信号，控制其动作。而其他的冷却、液压 等电气控制跟普通机床差不多。 现以经济型CK0630型数控车床为例，说明普通数控车床
20
图 5.11 数控系统控制步进驱动接线图原理图
21
4、数控系统对电动刀架的控制:
(1)、直流型电动机电动刀架
数控系统控制电动刀架,主要控制刀架电动机的正反转, 所反应的刀号数送给数控系统.从数控系统输入信号接 口来看，低电平有效。由于电动机电流不是太大，故 选用数控系统能驱动的功率继电器。
数控系统控制电动刀架电动机的接线原理图如图5.12 所 示 。 P3 口 的 O6(P3.6) 和 O7 （ P3.7) 控 制 KA3 、 KA4继电器,由于输出低电平有效,故中间继电器另一端 接+24V。三个微动开关信号SQ1～ SQ3分别接P3口 的I1（P3.21)、I2（P3.22）、I3（P3.23），信号低 电平有效。图5.12中，用 KA3、KA4的触点控制直流 电动机正反转，而直流电源 DC27V的产生通过变压器 和整流桥等电路产生。
31
图5.19 CLK脉冲与DIR信号波形
图5.20 数控系统与步进驱动的接口图
1
第一节 数控车床电气控制线路
数控车床的机械部分比同规格的普通车床更为紧凑简洁。 主轴传动为一级传动,去掉了普通机床主轴变速齿轮箱， 采用了变频器实现主轴无级调速。进给移动装置采用滚 珠丝杠，传动效率高、精度高、摩擦力小。
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1.1 数控车床的主要工作情况
一般经济型数控车床的进给均采用步进电动机，进给电 动机的运动由NC装置实现信号控制。 数控车床的刀架能自动转位。换刀电动机有步进、直流 和异步电动机之分，这些电动刀架的旋转、定位均由NC 数控装置发出信号，控制其动作。而其他的冷却、液压 等电气控制跟普通机床差不多。 现以经济型CK0630型数控车床为例，说明普通数控车床
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图 5.11 数控系统控制步进驱动接线图原理图
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4、数控系统对电动刀架的控制:
(1)、直流型电动机电动刀架
数控系统控制电动刀架,主要控制刀架电动机的正反转, 所反应的刀号数送给数控系统.从数控系统输入信号接 口来看，低电平有效。由于电动机电流不是太大，故 选用数控系统能驱动的功率继电器。
数控系统控制电动刀架电动机的接线原理图如图5.12 所 示 。 P3 口 的 O6(P3.6) 和 O7 （ P3.7) 控 制 KA3 、 KA4继电器,由于输出低电平有效,故中间继电器另一端 接+24V。三个微动开关信号SQ1～ SQ3分别接P3口 的I1（P3.21)、I2（P3.22）、I3（P3.23），信号低 电平有效。图5.12中，用 KA3、KA4的触点控制直流 电动机正反转，而直流电源 DC27V的产生通过变压器 和整流桥等电路产生。
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图5.19 CLK脉冲与DIR信号波形
图5.20 数控系统与步进驱动的接口图
数控原理与系统-主轴控制系统
五、主轴控制系统
模拟变频主轴控制
FANUC系统使用模拟主轴注意事项：
主轴正反转控制 通过PMC的输出点控制变频器的正反转输入端子
来实现。 主轴速度到达检测
在模拟主轴控制时，若无主轴速度到达信号，注 意3708#0（SAR）信号需为1。 主轴速度检测
位置编码器的脉冲数在参数（No.3720）中进行设 定。若主轴电机与编码器有齿轮比，在参数（ No.3721，No.3722）中设定。
把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或 频率可变的交流电的装置称作“变频器” 。
五、主轴控制系统
变频器原理框图
现代通用变频器大都 是采用二极管整流器 和由全控开关器件 IGBT或功率模块IPM 组成的PWM逆变器， 构成交-直-交电压源型 变压变频器。
五、主轴控制系统
变频器分类 按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能
五、主轴控制系统
数控机床的性能依赖于进给和主轴伺服系统的性能： 输出功率要求大。为了满足生产率的要求，通常主 轴传动电动机应有2.5～250kW 的功率范围，要求电 动机过载能力强。 调速范围要宽，一般要求能在1∶（100～1 000）范 围内的恒转矩调速，1∶10的恒功率调速。 位置精度要高，伺服主轴系统的定位精度一般要求 达到1m，甚至0.1m。 电机性能好，速度响应要快，噪声小，振动小，可 靠性高，寿命长，易维护，体积小，质量轻等。 低速时大转矩输出。 接控制 用在简易机床上，采用手动机械换档或电磁离
合器换档变速。加工过程中不能变速。 普通变频器控制
用在无主轴定向控制要求的机床上。 伺服主轴控制
用在中高档数控机床上，控制性能好，精度高 ，转速快。
五、主轴控制系统
FANUC系统主轴控制 三种接口控制转速：串行接口； 模拟接口； 12位二进制数字接口。
5数控机床主轴的控制
2. 热变形 电动机、主轴及传动件都是热源。低温升、小 低温升、 低温升 的热变形是对主传动系统的要求的重要指标。 的热变形 3. 主轴的旋转精度和运动精度 主轴的旋转精度 旋转精度是指装配后，在无载荷、低速 旋转精度 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 运动精度.数控机床要求有高的旋转精度和运动 运动精度 精度.
图5-3三位液压拨叉的原理图 三位液压拨叉的原理图
4、电磁离合器变速 、 电磁离合器是应用电磁效应 电磁效应接通或切断运动的元件， 电磁效应 由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选 用，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。 如图5-4所示为THK6380型自动换刀数控铣镗床的 主传动系统图，该机床采用双速电机和六个电磁离合器 完成18级变速。 级变速。 级变速
当线圈 断电 线圈8断电 线圈 断电时，外摩擦片4的弹性爪使衔铁10迅 速恢复到原来位置，内、外摩擦片互相分离，运动 被切断。 这种离合器的优点 优点在于省去了电刷，避免了磨 优点 损和接触不良带来的故障，因此比较适合于高速运 转的主运动系统。由于采用摩擦片来传递转矩，所 以允许不停车变速。 但也带来了另外的缺点 缺点，这就是变速时将产生 缺点 大量的摩擦热 摩擦热，还由于线圈和铁心是静止不动的， 摩擦热 这就必须在旋转的套筒上装滚动轴承7，因而增加了 径向尺寸。此外，这种摩擦离合器的磁力 离合器的径向尺寸 径向尺寸 线通过钢质的摩擦片，在线圈断电之后会有剩磁， 所以增加了离合器的分离时间 分离时间。 分离时间
(5)数控车床的主轴系统
电动机配通用变频器
• 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 100—200r/min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 定向换刀的功能，而且也不能达到刚性攻 丝的要求。
3.主传动系统的传动方式
数控机床的调速是按照控制指令自动执 行的，因此变速机构必须适应自动操作的 要求。在主传动系统中，目前多采用交流 主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系 统。为扩大调速范围，适应低速大转矩的 要求，也经常应用齿轮有级调速和电动机 无级调速相结合的调速方式。
（1）带有变速齿轮的主传动 大、中型数控机床采用这种变速方式。如图 （a）所示，通过少数几对齿轮降速，扩大输出 转矩，一满足主轴低速时对输出转矩特性的要 求。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，使之成为分段无级变速。 滑移齿轮的移位大都采用液压缸加拨叉，或者 直接由液压缸带动齿轮来实现。
• 可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有 工作在约500转/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， 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机 最高转速的限制，主轴的转速范围受到较大的限 制。 • 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 易型变频器较多。
带传动时，总是优先选用圆弧齿同步带。 梯形齿同步带，一般仅在转速不高的或小功率的动力 传动中使用。
齿形带的结构 齿形带的结构由强力层和带体两部分组成
齿形带的安装
与普通带传动相比，同步齿形带传动的特点是： ①钢丝绳制成的强力层受载后变形极小，齿形带的周节基本 不变,带与带轮间无相对滑动,传动比恒定、准确； ②齿形带薄且轻，可用于速度较高的场合，传动时线速度可 达40米/秒，传动比可达10，传动效率可达98%； ③结构紧凑，耐磨性好； ④由于预拉力小，承载能力也较小； ⑤制造和安装精度要求甚高，要求有严格的中心距，故成本 较高。同步齿形带传动主要用于要求传动比准确的场合， 如计算机中的外部设备、电影放映机、录像机和纺织机械 等。
• 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 100—200r/min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 定向换刀的功能，而且也不能达到刚性攻 丝的要求。
3.主传动系统的传动方式
数控机床的调速是按照控制指令自动执 行的，因此变速机构必须适应自动操作的 要求。在主传动系统中，目前多采用交流 主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系 统。为扩大调速范围，适应低速大转矩的 要求，也经常应用齿轮有级调速和电动机 无级调速相结合的调速方式。
（1）带有变速齿轮的主传动 大、中型数控机床采用这种变速方式。如图 （a）所示，通过少数几对齿轮降速，扩大输出 转矩，一满足主轴低速时对输出转矩特性的要 求。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，使之成为分段无级变速。 滑移齿轮的移位大都采用液压缸加拨叉，或者 直接由液压缸带动齿轮来实现。
• 可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有 工作在约500转/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， 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机 最高转速的限制，主轴的转速范围受到较大的限 制。 • 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 易型变频器较多。
带传动时，总是优先选用圆弧齿同步带。 梯形齿同步带，一般仅在转速不高的或小功率的动力 传动中使用。
齿形带的结构 齿形带的结构由强力层和带体两部分组成
齿形带的安装
与普通带传动相比，同步齿形带传动的特点是： ①钢丝绳制成的强力层受载后变形极小，齿形带的周节基本 不变,带与带轮间无相对滑动,传动比恒定、准确； ②齿形带薄且轻，可用于速度较高的场合，传动时线速度可 达40米/秒，传动比可达10，传动效率可达98%； ③结构紧凑，耐磨性好； ④由于预拉力小，承载能力也较小； ⑤制造和安装精度要求甚高，要求有严格的中心距，故成本 较高。同步齿形带传动主要用于要求传动比准确的场合， 如计算机中的外部设备、电影放映机、录像机和纺织机械 等。
数控机床主轴控制系统
直流主轴驱动系统
直流主轴电动机驱动器有可控硅调速和脉宽 调制（PWM）调速两种形式。由于PWM调速具 有很好的调速性能，因而在对静动态性能要求较 高的数控机床进给驱动装上置曾广泛使用。而三 相全控可控硅调速装置则适于大功率应用场合。
直流电动机因机械换向，换向器表面线速度、 换向电流、电压均受到限制，限制了其转速和功 率的提高，并且它的恒功率调速范围也较小。同 时换向也增加了电动机制造的难度、成本，并使 调速控制系统变得复杂。另外换向器必须定时停 机检查和维修，使用和维护都比较麻烦
交流主轴驱动系统通常采用感应电动机作为驱动电 机，由变频逆变器实施控制，有速度开环或闭环控制方 式。也有采用永磁同步电动机作为驱动电机，由变频逆 变器实现速度环的矢量控制，具有快速的动态响应特性， 但其恒功率调速范围较小。
交流主轴驱动系统
对于进给用交流伺服电动机，电动机的结构有笼型 感应电动机和永磁式电动机两种结构，而且大都采用后 一种结构形式。而交流主轴电动机与伺服进给电动机不 同。交流主轴电动机多采用感应电动机。这是因为受永 磁体的限制，当容量做得很大时电动机成本太高，使数 控机床难以使用。另外数控机床主轴驱动系统不必像进 给伺服驱动系统那样，要求如此高的性能，调速范围也 可以不要太大。因此，感应电动机采用矢量控制就完全 能满足数控机床主轴的要求。
交流主轴驱动系统
20世纪80年代后，因微电子技术、交流调速理论、 现代控制理论等有了很大发展，同时新型大功率半导体 器件如大功率晶体管GTR、绝缘栅双极晶体管IGBT以 及IPM智能模块，不断成熟并应用于交流驱动直 流驱动系统。而且交流电动机体积小、重量轻，采用全 封闭罩壳，防灰尘和防污染性能好，因此，现代数控机 床90%都采用交流主轴驱动系统。
三相笼型感应电动机的制动
第五章 数控机床主轴控制系统
5.2 普通主轴的控制
三相笼型感应电动机具有结构简单、价格便宜、 坚固耐用、维修方便等优点。因此三相笼型感应电动 机+齿轮变速箱的主轴变速系统方案广泛应用于传统的 机床，在旧机床的数控化改造和一些简易型数控机床 上也有较多的采用，这种主轴变速系统方案简称普通 主轴，三相笼型感应电动机也简称为普通主轴电动机。 普通主轴的控制通过对三相笼型感应电动机的控制实 现，包括起动、换向、停止制动和调速等。
电路工作说明：起动时KM1通电吸合并自保， KM1主触点闭合接入三相交流电源，电动机联结成Y 形；接近额定转速时KM1断开，KM2吸合，其主触点 将电动机定子联结成∆形，其辅助触点断开；KM1线圈 重新通电吸合，于是电动机在D联结下正常运转。 由于电动机主电路采用KM2常闭辅助触点来短接电 动机三相绕组末端，因容量有限，故该控制电路仅用 于13kW以下电动机的起动控制。对于13kW以上电动 机，则采用另一个接触器代替KM2常闭辅助点来短接 电动机三相绕组实现Y-∆的转换，由于KM2接在∆内， 因而它们的额定电流为接在∆外时的1/。 。 另外还有定子绕组串接电阻的降压起动（stator resistance starting）、自耦变压器降压起动（actotronsformer starting）和延边三角形降压起动等方法， 一般用较少，此处不再赘述。
正如前述，反接制动的关键在于改变电动机电源 相序，并在转速接近于零时，迅速将三相电源切断， 以免引起反向起动。为此采用速度继电器来检测电动 机的转速变化，并将速度继电器调整在n>130r/min时速 度继电器触点动作，而当n<100r/min时，触点复原。实 施的方法是：电动机定子绕组串入不对称电阻，接入 反相序三相电源，即反接制动，使电动机转速迅速下 降，当电动机转速低于100r/min时，速度继电器释放， 其常开触点复位，使KM2线圈断电释放（见图5-4）， 电动机断开三相电源，此后自然停车，转速至零。 图5-4为电动机反接制动电路。图中KM1、KM2为 电动机正、反转接触器，KM3为短接反接制动电阻接 触器，KS为速度继电器，R为反接制动电阻。
第五章 数控机床主轴控制系统12
在电动机安装上，有法兰式和底座式两种。
数控机床主轴控制系统
5.3.1三相笼型感应电动机工作原理
电动机的转子转速总要 滞后于定子旋转磁场转速， 所以称其为异步电动机。又 因为转子导体的电流是切割 定子旋转磁场时感应产生的， 因此异步电动机也叫做感应 电动机。
数控机床主轴控制系统
5.3.2 感应电动机开环调频调速及其特性
数控机床主轴控制系统
5.2.1三相笼型感应电动机启动
1．直接启动 空气开关QF3手动控制，有短路保 护和过载保护功能； 交流接触器KM3、KM4控制电动机 两个旋转方向的直接启动； 三相RC灭弧器RC2用于消除由电 动机启动／停止或切换的瞬时高压拉 弧
数控机床主轴控制系统
5.2.1三相笼型感应电动机启动
数控机床主轴控制系统
5.3数控机床变频调速主轴和伺服主轴工作原理
特点：交流电动机体积小、重量轻，采用全封闭罩壳，防 灰尘和防污染性能好。
交流主轴驱动系统通常采用感应电动机作为驱动电动机， 由变频逆变器实施控制，有速度开环或闭环控制方式。也有采 用永磁同步电动机作为驱动电动机，由变频逆变器实现速度环 的矢量控制，这种方式具有快速的动态响应特性，但其恒功率 调速范围较小。
主轴驱动装置一般采用交流电源供电,通常不低于230 v 的三相交流电源，而进给驱动装置多采用不高于200 V的三相 交流电源。变频器通常电源电压范围比较宽，如交流230 V～ 400 V，进给驱动装置电源电压一般要求是固定的。
数控机床主轴控制系统
5.4 主轴驱动装置的接口和选型
5．4．1 主轴驱动装置的接口
进给功能(C轴功能)和定向功能(准停功能)
数控机床主轴控制系统
5.2 普通主轴的控制
现代数控机床对主轴传动的要求:
数控机床主轴控制系统
5.3.1三相笼型感应电动机工作原理
电动机的转子转速总要 滞后于定子旋转磁场转速， 所以称其为异步电动机。又 因为转子导体的电流是切割 定子旋转磁场时感应产生的， 因此异步电动机也叫做感应 电动机。
数控机床主轴控制系统
5.3.2 感应电动机开环调频调速及其特性
数控机床主轴控制系统
5.2.1三相笼型感应电动机启动
1．直接启动 空气开关QF3手动控制，有短路保 护和过载保护功能； 交流接触器KM3、KM4控制电动机 两个旋转方向的直接启动； 三相RC灭弧器RC2用于消除由电 动机启动／停止或切换的瞬时高压拉 弧
数控机床主轴控制系统
5.2.1三相笼型感应电动机启动
数控机床主轴控制系统
5.3数控机床变频调速主轴和伺服主轴工作原理
特点：交流电动机体积小、重量轻，采用全封闭罩壳，防 灰尘和防污染性能好。
交流主轴驱动系统通常采用感应电动机作为驱动电动机， 由变频逆变器实施控制，有速度开环或闭环控制方式。也有采 用永磁同步电动机作为驱动电动机，由变频逆变器实现速度环 的矢量控制，这种方式具有快速的动态响应特性，但其恒功率 调速范围较小。
主轴驱动装置一般采用交流电源供电,通常不低于230 v 的三相交流电源，而进给驱动装置多采用不高于200 V的三相 交流电源。变频器通常电源电压范围比较宽，如交流230 V～ 400 V，进给驱动装置电源电压一般要求是固定的。
数控机床主轴控制系统
5.4 主轴驱动装置的接口和选型
5．4．1 主轴驱动装置的接口
进给功能(C轴功能)和定向功能(准停功能)
数控机床主轴控制系统
5.2 普通主轴的控制
现代数控机床对主轴传动的要求:
项目五 数控机床主轴控制系统
数控机床电气控制与系统维护
数控机床电气控制与系统维护
项目一 数控机床的认知
项目二 数控机床电气控制基础知识
项目三 数控装置及其接口 项目四 数控机床伺服驱动系统安装与调试 项目五 数控机床主轴控制系统 项目六 数控机床的PLC控制与应用
项目七 数控机床的故障诊断与维修
项目八 数控机床的维护与保养
项目五
任务一
数控机床主轴控制系统的认知
三、主轴系统的分类
1．直流主轴驱动 从原理上说，直流主轴驱动系统与通常的直流调速系统并没有本质的区别，但因为 数控机床高速、高效和高精度的要求，决定了直流主轴驱动系统具有以下特点： （1）调速范围宽。 采用直流主轴驱动系统的数控机床通常只设置高、低两级速度的机械变速机构，电 动机的转速由主轴驱动器控制，实现无级变速，因此，它必须具有较宽的调速范围。 （2）直流主轴电动机通常采用全封闭的结构形式，可以在有尘埃和切削液飞溅的 工业环境中使用。 （3）主轴电动机通常采用特殊的热管冷却系统，能将转子产生的热量迅速向外界 发散。 （4）直流主轴驱动器主回路一般采用晶闸管三相全波整流，以实现四象限的运行。 （5）主轴控制性能好。主轴伺服器一般都带有D/A转换器、“使能”信号输入、 “准备好”输出、速度/转矩显示输出等信号接口。 （6）纯电气主轴定向准停控制功能。
知识链接
任务一
数控机床主轴控制系统的认知
四、交流主轴的速度控制
随着交流调速技术的发展，目前数控机床的主轴驱动多采用交流主轴电动机 配变频器控制的方式。变频器的控制方式从最初的电压空间矢量控制(磁通 轨迹法)到矢量控制(磁场定向控制)，发展至今为直接转矩控制，从而能方便 地实现无速度传感器化；脉宽调制(PWM)技术从正弦PWM发展至优化PWM 技术和随机PWM技术，以实现电流谐波畸变小、电压利用率最高、效率最 优、转矩脉冲最小及噪声强度大幅度削弱的目标；功率器件由GTO、GTR、 IGBT发展到智能模块IPM，使开关速度快、驱动电流小、控制驱动简单、故 障率降低、干扰得到有效控制及保护功能进一步完善。
数控机床电气控制与系统维护
项目一 数控机床的认知
项目二 数控机床电气控制基础知识
项目三 数控装置及其接口 项目四 数控机床伺服驱动系统安装与调试 项目五 数控机床主轴控制系统 项目六 数控机床的PLC控制与应用
项目七 数控机床的故障诊断与维修
项目八 数控机床的维护与保养
项目五
任务一
数控机床主轴控制系统的认知
三、主轴系统的分类
1．直流主轴驱动 从原理上说，直流主轴驱动系统与通常的直流调速系统并没有本质的区别，但因为 数控机床高速、高效和高精度的要求，决定了直流主轴驱动系统具有以下特点： （1）调速范围宽。 采用直流主轴驱动系统的数控机床通常只设置高、低两级速度的机械变速机构，电 动机的转速由主轴驱动器控制，实现无级变速，因此，它必须具有较宽的调速范围。 （2）直流主轴电动机通常采用全封闭的结构形式，可以在有尘埃和切削液飞溅的 工业环境中使用。 （3）主轴电动机通常采用特殊的热管冷却系统，能将转子产生的热量迅速向外界 发散。 （4）直流主轴驱动器主回路一般采用晶闸管三相全波整流，以实现四象限的运行。 （5）主轴控制性能好。主轴伺服器一般都带有D/A转换器、“使能”信号输入、 “准备好”输出、速度/转矩显示输出等信号接口。 （6）纯电气主轴定向准停控制功能。
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任务一
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四、交流主轴的速度控制
随着交流调速技术的发展，目前数控机床的主轴驱动多采用交流主轴电动机 配变频器控制的方式。变频器的控制方式从最初的电压空间矢量控制(磁通 轨迹法)到矢量控制(磁场定向控制)，发展至今为直接转矩控制，从而能方便 地实现无速度传感器化；脉宽调制(PWM)技术从正弦PWM发展至优化PWM 技术和随机PWM技术，以实现电流谐波畸变小、电压利用率最高、效率最 优、转矩脉冲最小及噪声强度大幅度削弱的目标；功率器件由GTO、GTR、 IGBT发展到智能模块IPM，使开关速度快、驱动电流小、控制驱动简单、故 障率降低、干扰得到有效控制及保护功能进一步完善。
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数控机床主轴控制系统
5.2 普通主轴的控制
现代数控机床对主轴传动的要求: 普通主轴：三相笼型感应电动机+齿轮变速箱的主轴 变速系统 普通主轴电动机：三相笼型感应电动机 普通主轴的控制通过对三相笼型感应电动机的控制来 实现，包括启动、换向、停止、制动和调速等。
数控机床主轴控制系统
.1三相笼型感应电动机启动
启动方式：直接启动与降压启动 容量小于1l kW的笼型电动机采用直接启动。当电动机 容量较大时，则采用降压启动。有时为了减小或限制启动时 对机械设备的冲击，即使是容量较小的电动机，也要求采用 降压启动。 直接启动:直接将电源加载到电动机
降压启动：先通过降压电路使电动机以较小的启动电流
和电压旋转起来。当电动机接近额定转速时再将电动机定子 绕组电压恢复到额定电压，电动机进入正常运行。
5.2.2三相笼型感应电动机的制动
制动方法：机械制动与电气制动 机械制动：利用外加的机械作用力使电动机转子迅速 停止。
电气制动：使电动机工作在制动状态，即使电动机电
磁转矩方向与电动机旋转方向相反，起制动作用。 电制动方法有反接制动、直流制动、电容制动及双流 制动。
数控机床主轴控制系统
5.2.2三相笼型感应电动机的制动
数控机床主轴控制系统
5.2.1三相笼型感应电动机启动
1．直接启动 空气开关QF3手动控制，有短路保 护和过载保护功能； 交流接触器KM3、KM4控制电动机 两个旋转方向的直接启动； 三相RC灭弧器RC2用于消除由电
动机启动／停止或切换的瞬时高压拉
弧
数控机床主轴控制系统
5.2.1三相笼型感应电动机启动
主讲
龚
航
张家界航院机械系
目录
绪 论 数控机床电气控制基本知识 数控系统基本知识
数控机床进给驱动系统
数控机床主轴控制系统 数控机床PLC控制
数控机床主轴控制系统
5.1 概述
现代数控机床对主轴传动的要求:
1．调速范围宽 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，其中有级变速用于经济型数控机床，大多数数控机床采 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 3．具有四象限驱动能力 要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制， 并且加、减速时间要短。 4．具有位置控制能力 进给功能(C轴功能)和定向功能(准停功能)
数控机床主轴控制系统
5.3数控机床变频调速主轴和伺服主轴工作原理
特点：交流电动机体积小、重量轻，采用全封闭罩壳，防 灰尘和防污染性能好。 交流主轴驱动系统通常采用感应电动机作为驱动电动机，
由变频逆变器实施控制，有速度开环或闭环控制方式。也有采
用永磁同步电动机作为驱动电动机，由变频逆变器实现速度环 的矢量控制，这种方式具有快速的动态响应特性，但其恒功率
调速范围较小。
在电动机安装上，有法兰式和底座式两种。
数控机床主轴控制系统
5.3.1三相笼型感应电动机工作原理
电动机的转子转速总要 滞后于定子旋转磁场转速， 所以称其为异步电动机。又 因为转子导体的电流是切割 定子旋转磁场时感应产生的， 因此异步电动机也叫做感应 电动机。
1．反接制动(plug braking) 指电源反接制动，即改变电动机电 源相序，在电动机定子绕组中产生的
旋转磁场与转子旋转方向相反，产生
制动，使电动机的转速迅速下降。
数控机床主轴控制系统
5.2.2三相笼型感应电动机的制动
数控机床主轴控制系统
5.2.2三相笼型感应电动机的制动
2．直流制动 在三相感应电动机断开三相交流 电源后，迅速在定子绕组上加一直流
5.2.3 普通主轴的调速
由感应电动机转速
n 60 f1 (1 s) / p1
可知，电
动机转速与定子绕组的极对数、转差率及电源频率有关。因 此，三相异步电动机调速方法有变极对数、变转差率和变频
调速三种。
普通主轴，常通过改变齿轮变速箱的传动比来改变主轴 的转速；也可以采用双速电动机或多速电动机，通过改变电 动机的极对数改变电动机的转速，从而改变主轴的转速。
数控机床主轴控制系统
5.3数控机床变频调速主轴和伺服主轴工作原理
主轴驱动系统组成：主轴驱动器和主轴电动机。 分类：直流驱动系统和交流驱动系统。 功能： (1)输出功率大； (2)在整个调速范围内速度稳定，且恒功率范围宽； (3)在断续负载下电动机转速波动小。过载能力强； (4)加、减速时间短； (5)电动机温升低； (6)振动小、噪声低； (7)电动机可靠性高、寿命长、易维护； (8)体积小、重量轻。
2．星三角形(Y－△)降压启动 原理：启动时，定子绕组先接成Y连接, 正常运行采用△连接。 启动电流则下降到全压启动时的1／3。 启动转矩只有全压启动时的1／3。 其他方法：定子绕组串接电阻的降压
启动、自耦变压器降压启动和延边三角形
降压启动
数控机床主轴控制系统
5.2.1三相笼型感应电动机启动
数控机床主轴控制系统
电源，产生恒定磁场，利用转子感应
电流与恒定磁场的作用达到制动目的。
数控机床主轴控制系统
5.2.2三相笼型感应电动机的制动
2．直流制动 方式：时间继电器控制与速度继电器 控制。 特点：直流制动比反接制动消耗的能 量少，其制动电流也比反接制动时小得多， 但需增加一套整流装置。直流制动适用于 容量较大的电动机和启、制动频繁的场合。
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5.2.3 普通主轴的调速
采用普通主轴的电路设计时需要注意以下几点。 (1)电动机正反转控制电路必须有互锁。 (2)主电路应设隔离开关、短路保护、过载保护等。 (3)三相感应电动机反接制动可用速度继电器控制，但绝 对不允许采用时限方式控制。 (4)反接制动用于不太经常制动的设备。 (5)直流制动平稳、能量损耗小，但制动力较弱。其中电 容制动迅速、制动能量损耗小，适用于系统惯性较小、要求制 动频繁的场合。而双流制动适用于惯性转矩小并要求准确的定 位系统
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5.2.2三相笼型感应电动机的制动
3．双流制动 由运行转入制动时，由于二极管的整 流作用，其中交流成分产生反接制动转矩，
其中直流成分产生直流制动转矩，故称为
双流制动，亦称为混合制动。因此双流制 动既避免了直流制动力量不足，又避免了 反接制动不能准确停车的缺点。
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