1、第5章、数控机床主轴的控制 5.1 概述 5.2 直、交流主轴电动机及其驱动控制 5.3 主轴驱动装置的工作原理 5.4 主轴分段无级调速及控制 5.5.主轴准停控制 第5章 n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概述 第5章 5.1.1对主传动系统的要求 n1 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
2、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。 第5章 5.1.1对主传动系统的要求 n2 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。 n3 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
3、运动精度.数控机床要求有高的旋转精度 和运动精度. 第5章 5.1.1对主传动系统的要求 n 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. n5 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 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
4、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. 第5章 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
5、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. 第5章 5.1.2主轴变速方式 图5-1. 主轴 功率 转矩 特性 第5章 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
6、所示。 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 第5章 5.1.2主轴变速方式 n(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25，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。 第5章 5.1.2主轴变速方式 n（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
7、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。 第5章 5.1.2主轴变速方式 n（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）。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。 第5章 5.1.2主轴变速方式 3、液压拨叉变速机构 n在带有齿轮传动的
8、主传动系统中，齿轮的 换档主要靠液压拨叉来完成。图5-3是三位 液压拨叉的原理图。 第5章 5.1.2主轴变速方式 n通过改变不同的通油方式可以使三联齿轮块获得三个不同的 变速位置。该机构除液压缸和活塞杆外，还增加了套筒4。当 液压缸1通入压力油，而液压缸5卸压时（见图5-3a），当活塞 杆2便带动拨叉3向左移动到极限位置，此时拨叉带动三联齿 轮块移动到左端。当液压缸5通压力油，而液压缸1卸压时（ 见图5-3b），活塞2和套筒4一起向右移动，在套筒4碰到液压 缸5的端部后，活塞杆继续右移到极限位置，此时，三联齿轮 块被拨叉3移动到右端。当压力油同时进入液压缸1和5时（见 图5-3c），由于活塞
9、杆的两端直径不同，使活塞杆处在中间位 置。在设计活塞杆和套筒4的截面直径时，应使套筒4的圆环 面上的向右推力大于活塞杆2的向左的推力。液压叉换挡在主 轴停车之后才能进行，但停车时拨叉带动齿轮块移动又可能 产生“顶齿”现象，因此在这种主运动系统中通常设一台微电 动机，它在拨叉移动齿轮块的同时带动各传动齿轮低速回转 ，使移动齿轮与主动齿轮顺利啮合。 第5章 5.1.2主轴变速方式 图5-3 三位液 压拨叉 的原理 图 第5章 5.1.2主轴变速方式 4、电磁离合器变速 n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，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
10、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。 n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。 第5章 5.1.2主轴变速方式 图5-4THK6380型自动换刀数控铣镗床的主传动系统图 第5章 5.1.2主轴变速方式 图5-5无集电环摩擦片式 电磁离合器 1-传动齿轮 2联结件 3 套筒 4外摩擦片 5 内摩擦片 6挡环 7滚动 轴承 8绕组 9-铁心 10衔 铁 11螺钉 第5章 5.1.2主轴变速方
11、式 n图5-5是数控铣镗床主轴箱中使用的无滑环摩擦片式电磁离合器。传动 齿轮1通过螺钉固定在联接件2的端面上，根据不同的传动结构，运动 既可从齿轮1输入，也可以从套筒3输入。连接件2的外周开有六条直槽 ，并与外摩擦片段上的六个花键齿相配，这样就把齿轮1的转动直接传 递给外摩擦片段。套筒3的内孔和外圆都有花键，而且和挡环6用螺钉 11连成一体。内摩擦片5通过内孔花键套装在套筒3上，并一起转动。 当线圈8通电时，衔铁10被吸引右移，把内摩擦片刻和外摩擦片段压紧 在挡环6上，通过摩擦力矩把齿轮1与套筒3结合在一起。无滑环电磁离 合器的线圈8和铁心9是不转动的，在铁心9的右侧均匀分布着六条键槽 ，用斜
12、键将铁心固定在变速箱的壁上。当线圈8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。这种离合器的优点在于省去了电刷，避免了磨损和接触不良 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 牌来传递转矩，所以允许不停车变速。但也带来了另外的缺点，这就 是变速时将产生大量的摩擦热，还由于线圈和铁心是静止不动的，这 就必须在旋转的套筒上装滚动轴承7，因而增加了离合器的径向尺寸。 此外，这种摩擦离合器的磁力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。 第5章 5.1.2主轴变速方式 图5-6啮合式电磁离 合器 1线
13、圈 2-衔铁 3 螺钉 4弹簧 5-定位 环 6隔离环 7-连接 螺钉 8-旋转集电环9 磁轭 第5章 5.1.2主轴变速方式 n图5-6为啮合式电磁离合器，它是在摩擦面上做了 一定齿形，来提高传递的扭力。 n线圈1通电，带有端面齿的衔铁2又通过渐开线花 键来定位环5相联，再通过螺钉7与传动件相联。 磁轭内孔的花键送给另一个轴，这样，就使与螺 钉相联的轴与另一轴同时旋转。隔离环6是防止传 动轴分离一部分磁力线，进而削弱电磁吸引力。 衔铁采用渐开线花键与定位环5相联是为了保证同 轴度。 n这种离合器必须在低于12r/min的转速下变速 第5章 5.1.2主轴变速方式 n与其他型式的电磁离合器相比
14、，啮合式电磁离合器能够传递更 大的转矩，因而相应地减小了离合器的径向和轴向尺寸，使主 轴箱的结构更为紧凑。啮合过程无滑动是它的另一个优点，这 样不但使摩擦热减少，有助于改善数控机床主轴箱的热变形， 而且还可以在有严格要求的传动比的传动链中使用。但这种离 合器带有旋转集电环8，电刷与滑环之间有摩擦，影响了变速 的可靠性，而且还应避免在很高的转速下工作。另一方面，离 合器必须在低于12r/min的转速下变速，这将给自动变速带 来不便。根据上述特点，啮合式电磁离合器较适宜于在要求温 升小和结构紧凑的数控机床上使用。 第5章 5.1.2主轴变速方式 5、内装电动机主轴变速 n图5.1-26内装电动机主
15、轴 n这种主传动是电动机直接带动主轴旋转，如图5.1-2d 所示，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。 n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。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。 第5章 5.1.2主轴变速方式 图5-7 日本研制的立式加工中心主轴组件 n如图5-7所示为日本研制的立式加工中心主轴组件 ，其内装电动机主轴
16、最高转速可达20000r/min。 第5章 5.1.3高速主轴的设计 n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 。 第5章 5.1.3高速主轴的设计 速/rmin-1 量 /mmmin-
17、1 切削速度 /mmin-1 Ra/m 10000 10007850.56 20000200015700.46 30000300023560.32 40000400031420.32 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 第5章 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
18、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。 第5章 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。 /年 速/r滑方式 注 19805000 油脂 1984 7000 油气 1986 10000 油脂 15000 油气 陶瓷承（ 体） 1988 20000 注 陶瓷承（ 体） 1990 2500030000 注 全陶瓷承 第5章 5.1.3高速主轴
19、的设计 n（1）油气润滑方式 这种润滑方式不同于 油雾方式，油气润滑 是用压缩空气把小油 滴送进轴承空隙中， 油量大小可达最佳值 ，压缩空气有散热作 用，润滑油可回收， 不污染周围空气。图 5-8是油气润滑原理图 。 图5-8 油气润滑 第5章 5.1.3高速主轴的设计 n根据轴承供油量的要求， 定时器的循环时间可从 199min定时，二位二通 气阀每定时开通一次，压 缩空气进入注油器，把少 量油带入混合室，经节流 阀的压缩空气，经混合室 ，把油带进塑料管道内， 油液沿管道壁被风吹进轴 承内，此时，油成小油滴 状 图5-9 喷注润滑系统 第5章 5.1.3高速主轴的设计 n（2）喷注润滑方式
20、这是最近开始采用的新型润滑方式，其原 理如图5-9所示。它用较大流量的恒温油（每个轴承34L/min ）喷注到主轴轴承，以达到冷却润滑的目的。回油则不是自然 回流，而是用两台排油液压泵强制排油。 n（3）突入滚道式润滑方式 内径为100mm轴承以2000r/min速 度旋转时，线速度为100m/s以上，轴承周转的空气也伴随流动 ，流速可达50m/s。要使润滑油突破这层旋转气流很不容易， 采用突入滚道式润滑方式则可以可靠地将油送入轴承滚道处。 。 n（4）电动机内装式主轴 电动机转子装在主轴上，主轴就是电 动机轴，多用在小型加工中心机床上。这也是近来高速加工中 心主轴发展的一种趋势。如图5-10
21、所示为结构示意图以及冷却 油流经路线。 第5章 5.1.3高速主轴的设计 图5-10电动机内装式主轴 第5章 5.2 直、交流主轴电动机及其驱动控制 n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。 第5章 5.2.1主轴直流电动机 n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 第5章 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
22、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 ；为适应主轴调速范围宽的要求，一般主轴电动机都 能在调速比1：100的范围内实现无级调速，而且在基 本速度以上达到恒功率输出，在基本速度以下为恒转 矩输出，以适应重负荷的要求。电动机的主极和换向 极都采用矽钢片叠成，以便在负荷变化或在加速、减 速时有良好的换向性能。电动机外壳结构为密封式， 以适应恶劣的机加工车间的环境。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 . 第5章 5.2.1主轴直流电动机 图
23、5-11 直流主轴电动机结构示意图 第5章 5.2.1主轴直流电动机 2.直流主轴电动机的工作原理和特性 直流主轴电动机虽然结构上有 了很大的变化，但其工作原理和永 磁式直流电动机相似，也是建立在 电磁力定律基础上的，由励磁绕组 和磁极产生磁场，通电导体（电枢 绕组）与磁场相互作用产生电磁力 和电磁转矩，从而驱动转子作旋转 运动。 直流主轴伺服电动机的性能主 要表现在转矩速度特性曲线上， 如图5-12所示。图中1为转矩特性 曲线，2为功率特性曲线。由图可 知，在基本转速nj以下属于恒转矩 （T）调速范围，采用改变电枢电 压的方法实现调速；在基本转速nj 以上属于恒功率（P）调速范围， 采用控制
24、励磁电流的方法实现调速 。一般来说恒转矩和恒功率速度范 围之比为1：2。 （图5-12） 直流主轴电动机特性曲线 第5章 5.2.2、直流主轴驱动控制系统 n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 第5章 5.2.2、直流主轴驱动控制系统 1调磁调速回路 n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。 n图中，励磁控制回路的电流给定、电枢电压反馈 、励磁电流反馈三组信号经比较之后输入至比例 一积分
25、调节器，调节器的输出经过电压/相位转换 器，控制晶闸管触发脉冲的相位，调节励磁绕组 的电流大小，实现电动机的恒功率弱磁调速。 第5章 5.2.2、直流主轴驱动控制系统 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，该系统具有如下特点： n(1)速度指令电压和速度反馈电压在经过“阻容滤波”之后，进入比较 器进行比较放大，从而得到速度误差信号。 n(2)为了获得满意的静态和动态的调速特性，合理地解决速度调节系 统的稳定性与精度之间的矛盾，速度调节器通常采用PI调节器。速 度误
26、差信号经过比例一积分环节（PI调节器），产生电流给定信号 ，输出到电流调节器，作为电流给定。 n(3)速度调节器输出的电流给定值与电流反馈值一起输入电流调节器 。为了加快电流环的响应速度，缩短系统起动过程，并减少低速轻 载时由于电流断续对系统稳定性的影响，提高系统的稳定性，电流 调节器通常使用比例调节器。 第5章 5.2.2、直流主轴驱动控制系统 n(4)电流调节器的输出信号经过由同步电路、移相控制电路组成的移 相触发环节，控制晶闸管整流桥的导通角，达到调速目的。 总之，具有速度外环、电流内环的双环调速系统具有良好的静 态和动态指标 ，它可最大限度地利用电动机的过载能力，使过渡过 程最短。 3
27、主回路电路 n数控机床主轴要求正、反转，且切削功率应尽可能大，并希望能迅速停 止和改变转向，其驱动装置往往采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆调 速系统，如图5-14所示。 n由图可知，主回路有12只晶闸管组成 ，它们分成V1、V2，如图5-14（b ）所示，每组按三相桥式连接形成变流桥，两组变流桥反极性并联（即 反并联），由一个交流电源供电，分别实现电动机的正转和反转的控制 （即可逆驱动），其中V1为正组晶闸管，V2为反组晶闸管。为保证在任 何时间内只允许一组桥路工作，另一组桥路阻断，采用逻辑控制电路（ 它包括方向控制、逻辑判断、及输出切换等环节）。 第5章 5.2.2、直流主轴驱动控制系统 （
28、图5-14） 可逆调速系统的主回路 第5章 5.2.3 交流主轴电动机及其调速控制 n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。 第5章 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）交流主轴伺服电动机的结构 图5-15
29、所示为西门子1PH5系统交流主轴电动机 外形，同轴连接的ROD323光电编码器用于测速和矢量 变频控制。 第5章 5.2.3 交流主轴电动机及其调速控制 n交流主轴电动机的总体结构由定子和转子组成。它的内部结构和普通交 流异步电动机相似，定子上有固定的三相绕组，转子铁心上开有许多槽 ，每个槽内装有一根导线，所有导体两端短接在端环上，如果去掉铁心 ，转子绕组的形状像一个鼠笼，所以称为笼型转子。 图5-15 交流主轴 电动机外 形图 第5章 5.2.3 交流主轴电动机及其调速控制 （2）工作原理 n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
30、中产生一个励磁的旋转磁场，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。由此可以看出，在异步伺 服电动机中，只要转子转速小于同步转速，转子 就会受到电磁转矩的作用而转动。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。 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。 第5章 5.2.3 交流主轴电动机及其调速控制 （3）三相交流主轴伺服电动机的特性 n和直流主轴电动机一样，交流主 轴电动机也是由功率速度关系 曲线来反映它的性能，其特性曲 线可见图5-16所示。从图中曲线 可见，交
31、流主轴电动机的特性曲 线与直流主轴电动机类似：在基 本速度以下为恒转矩区域，而在 基本速度以上为恒功率区域。但 有些电动机，如图中所示那样， 当电动机速度超过某一定值之后 ，其功率速度曲线又往下倾斜 ，不能保持恒功率。对于一般主 轴电动机，这个恒功率的速度范 围只有1：3的速度比。另外，交 流主轴电动机也有一定的过载能 力，一般为额定值的1.21.5倍, 过载时间则从几分钟到半个小时 不等。 （图5-16） 交流主轴电动机的特性曲线图 第5章 5.2.3 交流主轴电动机及其调速控制 2、交流主轴驱动系统 交流主轴驱动系统的原理如图5-17所示。其工作过程如下： 图5-17 交流主轴驱动系统的原
32、理框图 第5章 5.2.3 交流主轴电动机及其调速控制 n由CNC来的转速给定指令1在比较器中与测速反馈信号2比较 后产生转速误差信号，这一转速误差经比例积分调节器3放大 后，作为转矩给定指令电压输出。 n转矩给定指令经绝对值回路4将转矩给定指令电压转化为单极 性信号。然后经函数发生器6、V/F转换器7，转换为转矩给定 脉冲信号。 n转矩给定脉冲信号在微处理器8中与四倍频回路17输出的速度 反馈脉冲进行运算。同时，预先存储在微处理器ROM中的信 息给出幅值和相位信号，分别送到DA振幅器10和DA强励磁9 。 nDA振幅器用于产生与转矩指令相对应的电动机定子电流的幅 值，而DA励磁强化回路用于控
33、制增加定子电流的幅值。两者 输出经乘法器11处理后，形成定子电流的幅值给定。 第5章 5.2.3 交流主轴电动机及其调速控制 n另一方面，从微处理器输出的U、V相位信号sin和sin（- 1200）分别送到U相和V相的电流指令回路12，并在电流指令 回路中与幅值给定相乘后产生U相和V相的电流给定指令。 n电流给定指令与电流反馈信号比较之后的误差，经放大送到 PWM控制回路14，变成固定频率的脉宽调制信号，其中，W 相信号由IU、IV两信号合成产生。 n上述脉宽调制信号经PWM转换器15，最终控制电动机的三相 电流。 n作为检测器件的脉冲编码器产生每转固定的脉冲。这一脉冲经 四倍频回路17进行倍
34、频后，经F/V转换器19转换为电压信号， 提供速度反馈电压。 n由于低速时，F/V转换器的线性度较差，速度反馈信号一般还 需要在微分电路18和同步整流电路20中作相应的处理。 第5章 5.3 主轴驱动装置的工作原理 5.3.1主轴驱动装置的特点 n为满足数控机床对主轴驱动的要求，主轴 电动机必须具备下述功能：（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 、噪声小；（7）电动机可靠性高、寿命长 、易维护；（8）体积小、重量轻。 第5章 5.3.1主轴驱动装置的特点 1
35、、直流主轴驱动装置 n直流主轴电动机的结构与永磁式直流伺服电动机 不同，主轴电动机要输出较大的功率，所以一般 采取他激式。为缩小体积，改善冷却效果，以免 电动机过热，常采用轴向强迫风冷或热管冷却技 术。 n直流驱动装置有可控硅和脉宽调制PWM调速两种 形式。由于脉宽调制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 给驱动装置上广泛使用。而三相全控可控硅调速 装置则适于大功率应用场合，因而常用于直流主 轴驱动装置。 第5章 5.3.1主轴驱动装置的特点 2、交流主轴驱动装置 n由于直流电动机有机械换向的弱点，其应用受以很多限制。换向 器表面线速度及换向电流、电压均受到限
36、制，增加了电动机制造 的难度、成本以及调速控制系统的复杂性，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。换向器必须定期停机 检查和维修，使用和维护都比较麻烦。进入20世纪80年代后，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、大功率晶体管GTR、绝缘栅双极晶体管 IGBT不断成熟，为交流驱动进入实用阶段创造了必要的条件。现 在绝大多数数控机床均采用鼠笼式交流电动机配置矢量变换控制 变频调速主轴系统。这是因为一方面鼠笼式交流电动机克服了直 流电动机机械换向的弱点以及在高速、大功率方面受到的限制， 另一方面配置矢量变换控制的变频交流驱动的性能已
37、达到直流驱 动的水平。另外，交流电动机体积小、重量轻，采用全封闭罩壳 ，防灰尘和油污性能较好，因而交流电动机彻底取代直流电动机 已是必然趋势。 第5章 5.3.2 交流主轴电动机 n目前交流主轴驱动中均 采用鼠笼式感应电动机 。鼠笼式感应电动机由 固定的、有三相绕组的 定子和可以旋转的、有 笼条的转子构成。定子 的三相对称绕组通入三 相交流后，有电动机气 隙中产生旋转磁场，这 一点与同步电动机相同 。鼠笼式感应电动机转 子的结构比较特殊，在 转子铁心上开有许多槽 ，每个槽内装有一根导 体，所有导体两端短接 在端环上。如果去掉铁 心，转子绕组的形状像 一个笼型，所以叫做笼 型转子，其结构如图5-
38、 17所示。 图 517 笼形转子的机构 第5章 5.3.2 交流主轴电动机 n图5-18所示为一个简 单的实验装置，磁 极N，S表示定子旋 转磁场，把一个能 够自由转动的笼型 转子放在可用手柄 转动的两极永久磁 铁中间，转动手柄 使永久磁铁旋转， 笼型转子也将跟着 转动，且转子的转 速总比磁铁慢。当 磁极改变旋转方向 时，笼型转子也跟 着改变方向。 图 518鼠笼型感应电动机的工作原理 第5章 5.3.2 交流主轴电动机 n图5-19所示为笼型转子产生电磁转矩的原理。永久磁铁沿顺时 针方向以ns旋转，其磁力线也顺时针切割转子笼条，而相对于 磁场，转子笼条逆时针切割磁力线，转子中产生感应电动势
39、。 根据右手定则，N极下导体的感应电动势方向从纸面出来，而 S极下导体的感应电动势方向垂直进入纸面。由于笼型转子的 导体均通过短路环连接起来，因此在感应电动势的作用下，转 子导体中有电流流过，电流方向与感应电动势方向相同。再根 据通电导体在磁场中的受力原理，转子导体要与磁场相互作用 产生电磁力，电磁力作用于转子，产生电磁转矩。根据左手定 则，转乱方向与磁铁转动方向一致，转子便在电磁转矩的作用 下转动起来。 第5章 5.3.2 交流主轴电动机 n因为电动机轴上总带有机械负载，即使空载时也存在摩擦、风 阻等。为了克服负载阻力，转子绕组中必须有一定大小的电流 ，以产生足够的电磁转矩。而转子绕组中的电
40、流是由旋转磁场 切割转子产生的，要产生一定的电流，转子转速必须低于磁场 转速。因为如果两者转速相同，则不存在相对运动，转子导体 将不切割磁力线，感应电动势、电流以及电磁转矩也就不会产 生。这一点与同步电动机有本质差别。而转子转速比旋转磁场 低多少主要由机械负载决定，负载大则需要较大的导体电流， 转子导体相对旋转磁场就必须有较大的相对速度。 n因为这种电动机的转子总要滞后于定子旋转磁声场，所以称其 为异步电动机。又因为电动机转子中本来没有电流，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。鼠笼式感应电动机具有结构简单，价格便宜 、运行可靠、维护方便等许多优点。
41、 第5章 5.3.2 交流主轴电动机 笼型转子电磁转矩的产生 第5章 5.3.3交流主轴驱动装置 n过去交流调速的性能无法与直流调速相比，因而大大限制了它 在数控机床中的作用。矢量交换控制（transvector control）是 1971年由德国Felix Blaschke等人提出的，是对交流电动机调速 控制的理想方法。矢量控制法是应用使交流电动机变频调速后 的机械特性和动态性能足以与直流电动机相媲美。 n直流电动机的励磁电路磁场和电枢电流Ia是互相独立的，电磁 转矩（M=CMIa）与磁场和电枢电流Ia成正比，而异步电动 机的励磁电流和负载电流彼此互相关联。 n直流电动机的主磁场和电枢磁场
42、在空间互相垂直，而异步电动 机的主磁场与转子电流磁场间的夹角，与转子回路的功率因数 有关。 n直流电动机通过独立调节主磁场和电枢磁场之一进行调速，异 步电动机则不能。因此，如果在交流电动机中，也能对负载电 流和励磁电流分别进行控制，并使它们的磁场在空间上垂直， 则交流电动机的调速性能就可以和直流电动机相比。 第5章 5.3.3交流主轴驱动装置 1、三相（、）/二相（，）等效变换 n等效变换的准则是，使变换前后有同样的旋转磁动势，即必须产生 同样的旋转磁场。这种变换是将三相交流电动机变为等效的二相交 流电动机。图5-19a，为三相交流电动机中彼此相隔120空间角度 的3个定子绕组，分别通以时间相
43、差120电角度的三相平衡交流电流 u，v和w，于是在定子上产生了以同步角速度o旋转的磁场 矢量。如果在空间相差90的两相绕组，（图5-19b）时间相差90 的电流，则可产生与三相，绕组的旋转磁场完全 一致的空间旋转磁场。由图5-20可知其磁通势为： n矢量变换控制的基本思路就是用等效概念，通过复杂的坐标交换，将 三相交流输入电流变为等效的、彼此独立的励磁电流f和电枢是流a ，从而使交流电动机能像直流电动机一样，通过对等效电枢绕组电流和 励磁绕组电流的反馈控制，达到控制转矩和励磁磁通的目的。最后，通 过相反的变换，将等效的直流量再还原为三相交流量，控制实际的三相 感应电动机。采用这种控制方法，交
44、流电动机的数学模型与直流电动机 极其相似，使交流电动机能得到与直流电动机同样的调速性能。 第5章 5.3.3交流主轴驱动装置 5-19 三相和二相等效变换 对应的电流为 第5章 5.3.3交流主轴驱动装置 5-20 三相和二相磁动势变换 第5章 5.3.3交流主轴驱动装置 2、矢量旋转变换（V/R） 将三相电动机转化为二相电动机后，还需要将二相交流电动 机变换为等效的直流电动机，如图5-21。在直流电动机中，如果电 枢反应得到完全补偿，励磁磁通势与电枢磁通势正交。在图5-21， 设d为励磁绕组，通过励磁电流d，为电枢绕组，通过电枢电流 q，产生的等效合成磁通势为，以同步角速度o旋转，这样就可
45、看成直流电动机。将二相交流电动机转化为直流电动机的变换，实 质上就是矢量与标量的转换，是静止直角坐标系与旋转直角坐标系 间的转换，转化条件是保证合成磁通势不变。图5-21b，、的 合成矢量为l，将l在合成磁通势的水平方向及垂直方向投影， 可得d,q。转换公式为 d =cos+sin q = -sin+cos 而直角坐标系与极坐标系的变换（K/P）公式为 第5章 5.3.3交流主轴驱动装置 5-21二相交流机和直流机的等效 第5章 5.3.3交流主轴驱动装置 n矢量变换控制的原理如图5-22示，图中带“*”号的标记表示 控制值，不带”*”号标记的量表示实际测量值。该原理图类 似于直流电动机的双环
46、调速系统，ST为速度调节器，它输 出相当于直流电动机电枢电流的q* 信号，T为磁通调 节器，输出d* 信号。这2个信号经坐标变换器k/p合成为 定子电流幅值给定信号 和相角给定信号，控制变频器逆变 器各相的导通。而实际检测的三相电流经3/2相变换器和矢 量旋转变换器V/R后得到等效电流 ，再经坐标变换器得到 定子电流幅值的反馈信号转差速度与实际转速 相加后，可 得到同步速度。为了控制气隙磁通，理论上讲可以在电动 机轴上安装磁通传感器直接检测气隙磁通，但这种方法不 易实现，且在检测信号中干扰信号较大，因此一般都使用 间接磁通控制。 第5章 5.3.3交流主轴驱动装置 5-22矢量 控制原理 第5
47、章 5.3.4 交流主轴驱动特性曲线 n 典型的交流主轴驱动的 工作特性曲线如图5-23 示.由于矢量变换控制的 交流驱动具有与直流驱 动相似的数学模型，下 面以直流驱动的数学模 型进行分析。由工作特 性曲线可见，基速n0以 左属于恒转矩调速，通 过改变电枢电压的方法 实现，其调速基本公式 为 n= =Kif n最大转矩的计算公式为 Mmax=CmImax 5-23流主 的工作特性曲 第5章 5.3.4 交流主轴驱动特性曲线 n基数n0以左的励磁电流If不变，通过改变电枢电压调 速，其输出的最大转矩Mmax取决于电枢电流的最大值 Imax。主轴电动机的最大电流是恒定的，因此所能输出 的最大转矩也是恒定的，因此基速n0以右采用弱磁升速 的方法调速，即采用调节励磁电流If的方法。它输出的 最大功率为Pmax=Mmaxn n在弱磁升速中，If减小K倍，相应的转数即增加K倍，电 动机所输出最大转矩则因为磁通的减小而减小K倍，因 此所能输出的最大功率不变，因此称为恒功率调速。 n图5-24 为某交流主轴驱动装置的特性曲线，其功率为5.5 5.7kW。通常主轴驱动装置的过载能力较强，可以 30min内过载30%左右运行。 第5章 5.3.4 交流主轴驱动特性曲线 5-24主 的特性曲 (a)速功率曲 （b）速矩曲 第5章 5.4 主轴分段无级调速及控制 5.4.
