數(shù)控原理與數(shù)控機(jī)第四章

數(shù)控原理與數(shù)控機(jī)課件第四章第1頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院20世紀(jì)80年代后，隨著交流調(diào)速理論、微電子技術(shù)和大功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在新生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，已有85％采用了交流調(diào)速系統(tǒng)。而且交流電動(dòng)機(jī)體積小、重量輕，采用全封閉罩殼，對(duì)灰塵和油有較好的防護(hù)。一方面鼠籠式交流電動(dòng)機(jī)不像直流電動(dòng)機(jī)有機(jī)械換向帶來(lái)的麻煩，以及在高速、大功率方面受到的限制；另一方面交流驅(qū)動(dòng)的性能已達(dá)到甚至超過(guò)了直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的水平，噪聲還有所降低，價(jià)格也不比直流驅(qū)動(dòng)貴；第2頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院(一)對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)拖動(dòng)特性的要求(G、S、M、T)

1．調(diào)速范圍足夠大以保證加工時(shí)選用合理的切削用量，從而獲得最高的加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率。特別對(duì)于具有多道工序自動(dòng)換刀的數(shù)控機(jī)床——數(shù)控加工中心，為適應(yīng)各種刀具、工序和材料的加工要求，對(duì)主軸的調(diào)速范圍要求更高。第一節(jié)概述一、對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)的要求數(shù)控機(jī)床的主軸變速是按指令自動(dòng)進(jìn)行的，要求能在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速減少中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化主軸箱。一般要求1：(100～1000)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍，1：10的恒功率調(diào)速范圍，并能實(shí)現(xiàn)四象限驅(qū)動(dòng)功能。第3頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院主軸驅(qū)動(dòng)變速主要有兩種形式：一是主軸電動(dòng)機(jī)帶輪換擋，目的在于降低主軸轉(zhuǎn)速，增大傳動(dòng)比，以適應(yīng)切削的需要；二是主軸電動(dòng)機(jī)通過(guò)同步齒形帶驅(qū)動(dòng)主軸，該類主軸電動(dòng)機(jī)又稱寬域電動(dòng)機(jī)或強(qiáng)切削電動(dòng)機(jī)，具有恒功率范圍寬的特點(diǎn)。第4頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院2、主軸輸出功率大

為滿足生產(chǎn)率要求，要求主軸在整個(gè)速度范圍內(nèi)均能提供切削所需功率，能達(dá)到主軸電動(dòng)機(jī)的最大功率，即恒功率范圍要寬。由于主軸電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)的限制，主軸電動(dòng)機(jī)在低速段均為恒轉(zhuǎn)矩輸出，為滿足數(shù)控機(jī)床低速?gòu)?qiáng)力切削的需要，常采用分段無(wú)級(jí)變速的方法，即在低速段采用機(jī)械減速裝置，以提高輸出轉(zhuǎn)矩。(二)對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)的控制要求主軸的速度調(diào)節(jié)是主軸驅(qū)動(dòng)最重要的控制要求。主軸變速分為有級(jí)變速、無(wú)級(jí)變速和分段無(wú)級(jí)變速三種形式，其中有級(jí)變速僅用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，大多數(shù)數(shù)控機(jī)床均采用無(wú)級(jí)變速或分段無(wú)級(jí)變速。對(duì)主軸除調(diào)速要求外，還有主軸定向準(zhǔn)?？刂?、主軸旋轉(zhuǎn)與坐標(biāo)軸進(jìn)給的同步、恒線速度切削等控制要求。第5頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院1．主軸定向準(zhǔn)?？刂茷闈M足加工中心自動(dòng)換刀(ATC)以及某些加工工藝的需要，要求主軸具有高精度的準(zhǔn)?？刂?。如換刀時(shí)要使機(jī)械手對(duì)準(zhǔn)抓刀槽，主軸就必須停在固定的徑向位置。在固定的切削循環(huán)中，有時(shí)要求刀具必須在某一徑向位置才能退出，也要求主軸能準(zhǔn)確地停在某一固定的徑向位置上，這就是主軸定向準(zhǔn)停功能。

準(zhǔn)停電路工作過(guò)程是：CPU接收到M19主軸定位指令，產(chǎn)生主軸定向命令，一方面經(jīng)順序控制電路啟動(dòng)“定向時(shí)間檢測(cè)”電路，另一方面切斷主軸原來(lái)的速度指令，主軸分三級(jí)降速。當(dāng)速度接近零時(shí)，零速檢測(cè)信號(hào)控制精確定位開(kāi)始，經(jīng)電路處理，產(chǎn)生慢速蠕動(dòng)信號(hào)，當(dāng)位置誤差小于0.10時(shí)，電路發(fā)出“到”信號(hào)，通知CPU，發(fā)出主軸“停”信號(hào)，同時(shí)切斷“定向時(shí)間檢測(cè)”電路，定向完成。若在預(yù)定時(shí)間內(nèi)，主軸定向未完成，則“定向時(shí)間檢測(cè)”電路發(fā)出“定向失敗”報(bào)警信號(hào)。第6頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院2．主軸旋轉(zhuǎn)與坐標(biāo)軸進(jìn)給的同步控制在螺紋加工循環(huán)中，主軸轉(zhuǎn)速與坐標(biāo)軸的進(jìn)給量必須保持一定的關(guān)系，即主軸每轉(zhuǎn)一圈，沿工件的軸向坐標(biāo)必須按節(jié)矩進(jìn)給相應(yīng)的脈沖量。通常是將光電脈沖編碼器裝在主軸上；作為主軸的脈沖發(fā)生器，主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出脈沖，作為坐標(biāo)軸進(jìn)給的脈沖源，經(jīng)CPU對(duì)節(jié)矩計(jì)算后，控制坐標(biāo)軸位置伺服系統(tǒng)，使進(jìn)給量與主軸轉(zhuǎn)速保持同步。利用車(chē)床和磨床進(jìn)行端面切削時(shí)，為了保證加工端面的粗糙度Ra小干其一值，要求工件與刀尖的接觸點(diǎn)的線速度為恒值。為此，隨著刀具的徑向進(jìn)給，切削直徑的逐漸減小，不斷提高主軸轉(zhuǎn)速，并維持線速度V＝2πnD為常值。在控制系統(tǒng)中，D可由坐標(biāo)軸的進(jìn)給量算出，然后算出各時(shí)刻相應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速n，控制主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的速度變化，保證刀具切削的線速度不變。3．恒線速切削控制第7頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床，基本都要求主軸在正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，具備自動(dòng)加減速功能，即要求四象限驅(qū)動(dòng)能力，并且加減速時(shí)間盡可能短。4．加減速功能第8頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院①電動(dòng)機(jī)功率要滿足加工要求，恒功率調(diào)速范圍寬，且在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)速度要穩(wěn)定。②斷續(xù)負(fù)載下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)要小。③加速，減速時(shí)間短。④溫升低，噪聲小，振動(dòng)小，可靠性高，壽命長(zhǎng)，易維護(hù)，體積小，質(zhì)量輕。

⑤電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力強(qiáng)。二、主軸驅(qū)動(dòng)裝置及其工作特性(一)主軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及其工作特性為了滿足數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)的要求，主軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)具備以下性能。第9頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院主軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作特性：主軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)理想工作特性第10頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院主軸驅(qū)動(dòng)工作特性總的要求是，在低速時(shí)適應(yīng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載調(diào)速，速度較高時(shí)適應(yīng)恒功率負(fù)載調(diào)速。某交流主軸驅(qū)動(dòng)裝置的特性曲線如圖4—2所示。(二)主軸驅(qū)動(dòng)單元及其工作特性

1．主軸驅(qū)動(dòng)工作特性第11頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院直流驅(qū)動(dòng)裝置有可控硅調(diào)速和脈寬調(diào)制PWM調(diào)速兩種形式。脈寬調(diào)制PWM調(diào)速具有很好的調(diào)速性能，對(duì)精度、速度要求較高的數(shù)控機(jī)床常用作進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置。三相全控可控硅調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置功率大，所以常用于主軸驅(qū)動(dòng)裝置。2．直流主軸驅(qū)動(dòng)單元

以前由于交流調(diào)速的性能比直流調(diào)速性能差，極大地限制了其在準(zhǔn)確調(diào)速領(lǐng)域的應(yīng)用，自1971年德國(guó)FleixBlaschke等人提出矢量變換控制理論，通過(guò)復(fù)雜的坐標(biāo)變換，把交流電動(dòng)機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)并進(jìn)行控制，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制具有了同樣優(yōu)良的調(diào)速特性，正逐步取代直流主軸驅(qū)動(dòng)單元，在主軸驅(qū)動(dòng)方面得到了廣泛的應(yīng)用。3、交流主軸驅(qū)動(dòng)單元第12頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

數(shù)控機(jī)床主軸要求正、反轉(zhuǎn)，且切削功率盡可能大，并希望停止和改變轉(zhuǎn)向迅速，故主軸直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置往往采用三相橋式反并聯(lián)邏輯無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)，其主電路如圖所示，其中VTl為正組晶閘管，VT2為反組晶閘管。

第二節(jié)主軸驅(qū)動(dòng)的速度控制在數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)中，直流主軸電動(dòng)機(jī)通常采用晶閘管調(diào)速。1、主電路及其工作原理一、直流主軸速度控制第13頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

反并聯(lián)線路能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正反向的電動(dòng)和回饋發(fā)電制動(dòng)，三相橋式反并聯(lián)邏輯無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)四象限運(yùn)行示意圖如圖4—4所示。第14頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

反并聯(lián)線路能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正反向的電動(dòng)和回饋發(fā)電制動(dòng)，三相橋式反并聯(lián)邏輯無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)四象限運(yùn)行示意圖如圖4—4所示。電動(dòng)機(jī)正向電動(dòng)時(shí)，正組晶閘管工作在整流狀態(tài)，提供正向直流電流，電動(dòng)機(jī)反向電動(dòng)時(shí)，則由反組晶閘管工作在整流狀態(tài)，提供反向直流電流；即可控制電動(dòng)機(jī)在第一、三象限的啟動(dòng)、升降速。第15頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院當(dāng)電動(dòng)機(jī)需要從正向電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)到反向電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，速度指令由正變負(fù)，正組晶閘管進(jìn)入逆變狀態(tài)，電樞電流逐漸減小。當(dāng)電樞電流到零后，必須使正反組晶閘管都處于封鎖狀態(tài)，避免控制失誤造成短路，此時(shí)電動(dòng)機(jī)在慣性作用下自由轉(zhuǎn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)安全延時(shí)后，反組晶閘管進(jìn)入有源逆變狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)工作在回饋發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，將機(jī)械能送回電網(wǎng)，轉(zhuǎn)速迅速下降，轉(zhuǎn)速到零后，反組晶閘管進(jìn)入整流狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)反向啟動(dòng)。第16頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

1）電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)只不過(guò)是控制VTl和VT2。2）電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換只看電動(dòng)機(jī)是加速還是減速；

加速：電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；減速：機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。3）加速還是減速看M與n的方向?？偨Y(jié)：第17頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院因此邏輯電路必須滿足下述條件。為了保證兩組晶閘管不同時(shí)工作，避免造成短路，可采用邏輯無(wú)環(huán)流可逆控制系統(tǒng)。它是利用邏輯電路，檢測(cè)電樞電路的電流是否到達(dá)零值，并判斷旋轉(zhuǎn)方向，提供正組或反組的允許開(kāi)通信號(hào)，使一組晶閘管在工作時(shí)，另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖被封鎖，從而切斷正、反兩組晶閘管之間可能的電流通路。④任何一組晶閘管導(dǎo)通時(shí)，要防止其輸出電壓與電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)方向一致，導(dǎo)致電流過(guò)大。③只有當(dāng)工作的那一組晶閘管完全關(guān)斷后，才能再向另一組晶閘管提供觸發(fā)脈沖，以防止出現(xiàn)大的環(huán)流。②只有當(dāng)工作的那一組晶閘管電流為零后，才能撤消其觸發(fā)脈沖，以防止當(dāng)晶閘管逆變時(shí)，電流還不到零時(shí)就撤消觸發(fā)脈沖，可能出現(xiàn)逆變顛覆現(xiàn)象，造成故障。①每個(gè)時(shí)刻只允許向一組晶閘管提供觸發(fā)脈沖。2．主電路控制要求第18頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院3.勵(lì)磁控制回路圖為FANUC直流主軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制示意圖。直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組控制回路由勵(lì)磁電流設(shè)定回路、電樞電壓反饋回路及勵(lì)磁電流反饋回路組成。第19頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院當(dāng)電樞電壓低于210V時(shí)，磁場(chǎng)控制回路中的電樞電壓反饋環(huán)節(jié)不起作用，只有勵(lì)磁電流反饋?zhàn)饔茫S持勵(lì)磁電流不變，實(shí)現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速以下的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)壓調(diào)速；當(dāng)電樞電壓高于210V后，此時(shí)勵(lì)磁電流反饋不起作用，而引入電樞反饋電壓，實(shí)現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速以上的恒功率弱磁調(diào)速。第20頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院4.每組晶閘管的控制系統(tǒng)電樞繞組的每一組晶閘管控制均采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其中內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，外環(huán)是速度環(huán)，如圖根據(jù)速度指令的模擬電壓信號(hào)與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值，經(jīng)速度調(diào)節(jié)器輸出，作為電流調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩。速度差值大時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大，系統(tǒng)加速度大，電動(dòng)機(jī)能較快達(dá)到轉(zhuǎn)速給定值；當(dāng)轉(zhuǎn)速比較接近給定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩自動(dòng)減少，又可以避免過(guò)大的超調(diào)，避免穩(wěn)定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。第21頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

電流環(huán)的作用是當(dāng)系統(tǒng)受到外來(lái)干擾時(shí)，能迅速地作出抑制響應(yīng)，保證系統(tǒng)具有最佳的加速和制動(dòng)時(shí)間特性。另外，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅，也就限定了電流環(huán)中的電流。第22頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和電樞電流急劇增加，達(dá)到限定值，使電動(dòng)機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩加速，轉(zhuǎn)速直線上升。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到甚至超過(guò)了給定值時(shí)，速度反饋電壓大于速度給定電壓，速度調(diào)節(jié)器的輸出低于限幅時(shí)，電流調(diào)節(jié)器使電樞電流下降，轉(zhuǎn)矩也隨之下降，電動(dòng)機(jī)減速。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)又會(huì)加速，直到重新回到速度給定值，因此雙閉環(huán)支流調(diào)速系統(tǒng)對(duì)主軸的快速啟動(dòng)，保持穩(wěn)定運(yùn)行等起到了相當(dāng)重要的作用。第23頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院隨著交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控主軸大多采用變頻控制交流主軸電動(dòng)機(jī)。變頻器的控制方式從最初的電壓矢量控制到磁通矢量控制，已發(fā)展為直接轉(zhuǎn)矩控制；交流器件由逆變器到脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)又從正弦PWM發(fā)展到優(yōu)化PWM技術(shù)和隨機(jī)PWM技術(shù)，電流諧波畸變小，電壓利用率、效率更高，脈動(dòng)及噪聲強(qiáng)度大幅度削弱；功率器件由GTO、GTR、IGBT發(fā)展到智能模塊IPM，開(kāi)關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)電流小、控制驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、故障率降低，干擾也得到了有效控制，保護(hù)功能進(jìn)一步完善。二、交流主軸速度控制第24頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院(一)6SC650系列交流主軸驅(qū)動(dòng)裝置圖4—6為西門(mén)子6SC650系列交流主軸驅(qū)動(dòng)裝置原理圖。6SC650系列交流主軸驅(qū)動(dòng)裝置由晶體管脈寬調(diào)制變頻器、IPH系列交流主軸電動(dòng)機(jī)、編碼器組成?？蓪?shí)現(xiàn)主軸的自動(dòng)變速、主軸定位控制和主軸C軸的進(jìn)給。第25頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院其中，電網(wǎng)端逆變器采用三相全控橋式變流電路，既可工作在整流方式，向中間電路直接供電，也可工作于逆變方式，實(shí)現(xiàn)能量回饋。

控制調(diào)節(jié)器可將整流電壓從535V提高到(575V+575V*2％)，提供足夠的恒定磁通變頻電壓源；并在變頻器能量回饋工作方式時(shí)，實(shí)現(xiàn)能量回饋的控制。第26頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

負(fù)載端逆變器是由帶反并聯(lián)續(xù)流二極管的六只功率晶體管組成。通過(guò)磁場(chǎng)計(jì)算機(jī)的控制，負(fù)載端逆變器輸出三相正弦脈寬調(diào)制(SPWM)電壓，使電動(dòng)機(jī)獲得所需的轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流。在回饋制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)能量通過(guò)變流器的六只續(xù)流二極管向電容器C充電，當(dāng)電容器C上的電壓超過(guò)600V時(shí)，控制調(diào)節(jié)器和電網(wǎng)端逆變器將電容器C上的電能回饋給電網(wǎng)。六只功率晶體管有六個(gè)互相獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)級(jí)。第27頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速是通過(guò)電動(dòng)機(jī)軸上的編碼器測(cè)量的。閉環(huán)轉(zhuǎn)速、扭矩控制以及磁場(chǎng)計(jì)算，是由兩片16位處理器(80186)組成的控制電路完成的。第28頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院6SC650系列交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖4—7所示。6SC650系列交流主軸驅(qū)動(dòng)變頻器主要組件基本相同，只是功率部件的安裝方式有所區(qū)別。較小功率的6SC6502／3變頻器(輸出電流20／30A)，其功率部件是安裝在印制線路板A1上的，如圖4-7(b)所示；大功率的6SC6504—6SC6520變頻器(輸出電流40／200A）其功率部件是安裝在散熱器上的。第29頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

(1)控制模塊(N1)主要是兩片80186及擴(kuò)展電路，完成矢量變換計(jì)算、電網(wǎng)端逆變器觸發(fā)脈沖控制以及變頻器的PWM調(diào)制。6SC650系列交流主軸驅(qū)動(dòng)變頻器主要組件介紹如下。

(2)I／O模塊(U1)主要是由U／F變換器、A／D、D／A電路組成，為N1組件處理各種I／O信號(hào)。第30頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

(4)選件(S1)選配的主軸定位電路板或C軸進(jìn)給控制電路板，通過(guò)內(nèi)裝軸端編碼器或外裝軸端編碼器，實(shí)現(xiàn)主軸的定位或C軸控制。

(3)電源模塊(G01)和中央控制模塊(G02)除供給控制電路所需的各種電源外，在G02上還輸出各種繼電器信號(hào)至數(shù)控系統(tǒng)。第31頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院(二)主軸通用變頻隨著數(shù)字控制的SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，采用通用變頻器控制的數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)裝置越來(lái)越多。所謂“通用”，一是可以和通用的籠型異步電動(dòng)機(jī)配套應(yīng)用；二是具有多種可供選擇的功能，應(yīng)用于不同性質(zhì)的負(fù)載。三菱FR—A500系列變頻器的系統(tǒng)組成及接口定義如圖4—8所示。第32頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院為了減小輸入電流的高次諧波，電源側(cè)采用了交流電抗器，直流電抗器則是用于功率因數(shù)校正，有時(shí)為了減小電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲，在變頻器和電動(dòng)機(jī)之間還可加入降噪電抗器。為防止變頻器對(duì)周?chē)刂圃O(shè)備的干擾，必要時(shí)可在電源側(cè)選用無(wú)線電干擾(RED抑制電抗器。第33頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院該變頻器的速度是通過(guò)2、6端CNC系統(tǒng)輸入的模擬速度控制信號(hào)，以及RH、RM和RL端由撥碼開(kāi)關(guān)編碼輸入的開(kāi)關(guān)量或CNC系統(tǒng)數(shù)字輸入信號(hào)來(lái)設(shè)定的，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)從最低速到最高速的三級(jí)變速控制。第34頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院變頻器的電源顯示也稱充電顯示，它除了表明是否已經(jīng)接上電源外，還顯示了直流高壓濾波電容器上的充、放電狀況。因?yàn)樵谇袛嚯娫春?，高壓濾波電容器的放電速度較慢，由于電壓較高，對(duì)人體有危險(xiǎn)。每次關(guān)機(jī)后，必須等電源顯示完全熄滅后，方可進(jìn)行調(diào)試和維修。第35頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院變頻器和主軸電動(dòng)機(jī)配用時(shí)，根據(jù)主軸加工的特性和要求，必須先進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如加減速時(shí)間等。設(shè)定的方法是通過(guò)編程器上的鍵盤(pán)和數(shù)碼管顯示，進(jìn)行參數(shù)輸入和修改。2．變頻器的參數(shù)設(shè)置

①首先按下模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，使變頻器進(jìn)入編程模式。

②按數(shù)字鍵或數(shù)字增減鍵選擇需進(jìn)行預(yù)置的功能碼。

③按讀出鍵或設(shè)定鍵，讀出該功能的原設(shè)定數(shù)據(jù)(或數(shù)據(jù)碼)。④如需修改，則通過(guò)數(shù)字鍵或數(shù)字增減鍵來(lái)修改設(shè)定數(shù)據(jù)。第36頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

⑥如預(yù)置尚未結(jié)束，則轉(zhuǎn)入第二步，進(jìn)行其他功能設(shè)定。如預(yù)置完成，則按模式選擇鍵，使變頻器進(jìn)入運(yùn)行模式，就可以啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)了。⑤按寫(xiě)入鍵或設(shè)定鍵，將修改后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入。第37頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院圖4—9為數(shù)字控制的開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖。為提高速度控制精度，有些變頻器可通過(guò)速度檢測(cè)編碼器，實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。同時(shí)，還可通過(guò)附加的定位模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸的定位控制或C軸進(jìn)給控制。第38頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院R0的作用是限制啟動(dòng)電流，啟動(dòng)后，觸點(diǎn)KA延時(shí)閉合或晶閘管VT延時(shí)導(dǎo)通(圖中虛線部分)，R0被短接，減少運(yùn)行損耗。第39頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)入發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)逆變器的續(xù)流二極管向電容充電，當(dāng)電容上電壓(通稱泵升電壓)升高到一定限值時(shí)，通過(guò)泵升限制電路使開(kāi)關(guān)器件Vb導(dǎo)通，將電動(dòng)機(jī)釋放的動(dòng)能消耗在制動(dòng)電阻Rb上。為便于散熱，制動(dòng)電阻器Rb常作為附件，單獨(dú)裝在變頻器外。定子電流和直流回路電流的檢測(cè)是為了對(duì)定子電壓進(jìn)行補(bǔ)償控制。江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院第40頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

無(wú)級(jí)調(diào)速主軸機(jī)構(gòu)，雖然能大大簡(jiǎn)化主軸箱，但低速段輸出轉(zhuǎn)矩不能滿足切削轉(zhuǎn)矩要求。如單純追求無(wú)級(jí)調(diào)速，勢(shì)必要增大主軸電動(dòng)機(jī)功率，主軸電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)裝置的體積、重量及成本大大增加，也降低了運(yùn)行效率。因此數(shù)控機(jī)床常采用1～4檔齒輪變速與電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速相結(jié)合，即分段無(wú)級(jí)變速控制。圖4-10為采用與不采用齒輪減速時(shí)的主軸輸出特性。三、主軸分段無(wú)級(jí)變速及控制1．概述第41頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院采用齒輪減速雖然可以增加低速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩，但降低了最高主軸轉(zhuǎn)速。因此常采用齒輪自動(dòng)變擋，達(dá)到既滿足低速轉(zhuǎn)矩，又滿足最高主軸轉(zhuǎn)速的要求。數(shù)控系統(tǒng)一般均提供了4擋變速功能，而數(shù)控機(jī)床通常使用兩擋即可滿足要求。第42頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院2)CNC同時(shí)輸出相應(yīng)的模擬電壓或數(shù)字信號(hào)設(shè)定對(duì)應(yīng)的速度。其控制結(jié)構(gòu)如圖4—11所示。在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)區(qū)設(shè)置M41～M44四擋對(duì)應(yīng)的最高主軸轉(zhuǎn)速，數(shù)控系統(tǒng)即可使用M41～M44指令，控制齒輪自動(dòng)變擋。具體自動(dòng)變擋過(guò)程:1)CNC根據(jù)當(dāng)前的S指令值，自動(dòng)判斷應(yīng)處的擋，輸出相應(yīng)的M41～M44指令給(PLC)，控制變換相應(yīng)的齒輪位置第43頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院如M41對(duì)應(yīng)的主軸最高轉(zhuǎn)速為1000r／min，M42對(duì)應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速為3500r／min，主軸電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速為3500r／min，當(dāng)S指令在0～1000r／min范圍時(shí)，M41控制對(duì)應(yīng)的齒輪嚙合；當(dāng)S指令在1001～3500r／min范圍時(shí)，M42控制對(duì)應(yīng)的齒輪嚙合。此例中M42對(duì)應(yīng)的齒輪傳動(dòng)比為1：1，而M41對(duì)應(yīng)的齒輪傳動(dòng)比為1：3.5，此時(shí)主軸輸出的最大轉(zhuǎn)矩為主軸電動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩的3.5倍。為解決變速時(shí)的頂齒問(wèn)題，在變速時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)控制主軸電動(dòng)機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)齒輪的順利嚙合。變速時(shí)主軸電動(dòng)機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)的速度可在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)區(qū)中設(shè)定。不同機(jī)床主軸變速的方式不同，可由PLC來(lái)具體實(shí)現(xiàn)。目前常采用液壓撥叉或電磁離合器來(lái)帶動(dòng)不同齒輪的嚙合。第44頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)變速動(dòng)作的控制時(shí)序如圖4—12所示。2．自動(dòng)變速控制

①當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)讀到變化的S指令時(shí)，立即輸出相應(yīng)的M代碼(M41、M42、M43、M44)，送至PLC。是輸出BCD碼還是二進(jìn)制碼，由數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)確定。第45頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

②50ms后，CNC發(fā)出M選通信號(hào),持續(xù)lOOms控制PLC讀取并執(zhí)行M代碼。之所以50ms后發(fā)出選通信號(hào)，為了讓M代碼穩(wěn)定，保證PLC讀取的數(shù)據(jù)正確。③PLC接收到M選通信號(hào)后，立即使M完成信號(hào)為低電平，告訴數(shù)控系統(tǒng)M代碼正在執(zhí)行。在M完成信號(hào)為低電平期間，M信號(hào)無(wú)效。第46頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

⑤M代碼輸出200ms后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)設(shè)置輸出一定的主軸蠕動(dòng)量，從而使主軸慢速轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)，以解決齒輪頂齒問(wèn)題。

④PLC開(kāi)始對(duì)M代碼進(jìn)行譯碼，并執(zhí)行相應(yīng)的變速控制邏輯。

⑥PLC完成變擋后，M完成信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，告訴數(shù)控系統(tǒng)變速工作已經(jīng)完成，M信號(hào)有效。

⑦數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)設(shè)置的每擋主軸最高轉(zhuǎn)速,自動(dòng)輸出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的速度指令值，使主軸為給定的S值。第47頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院主軸電動(dòng)機(jī)速度的恒功率區(qū)與恒轉(zhuǎn)矩區(qū)之比是重要的性能指標(biāo)，有些主軸驅(qū)動(dòng)采用變速電動(dòng)機(jī)，不需要齒輪也可提升低速轉(zhuǎn)矩，增大主軸恒功率調(diào)速范圍。

3．液壓撥叉變速機(jī)構(gòu)液壓撥叉是用一只或幾只液壓缸帶動(dòng)齒輪移動(dòng)的變速機(jī)構(gòu)。最簡(jiǎn)單的二位液壓缸可以實(shí)現(xiàn)雙聯(lián)齒輪變速，對(duì)于三聯(lián)或三聯(lián)以上的齒輪變速則需使用差動(dòng)液壓缸。第48頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院圖4-13為三位液壓撥叉的原理圖，由液壓缸1與液壓缸5、活塞桿2、撥叉3和套筒4組成。通過(guò)電磁閥改變通油方式，撥叉可獲得三個(gè)位置的調(diào)節(jié)。①當(dāng)液壓缸1通入液壓油而液壓缸5卸壓時(shí)，活塞桿2便帶動(dòng)撥叉和齒輪向左移至極限位置；第49頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

③當(dāng)左右缸同時(shí)通入壓力油時(shí)，由于兩端直徑不同，活塞桿2向左移動(dòng)，而套筒4截面直徑大于活塞桿2右端截面直徑，套筒4向右的推力大于活塞桿2向左的推力，因此活塞桿2緊靠套筒4的右面，被套筒4壓向右端，撥叉和齒輪處于中間平衡位置。②當(dāng)液壓缸5通人液壓油而液壓缸1卸壓時(shí)，套筒4和活塞桿2受到向右的壓力，帶動(dòng)撥叉和齒輪一起移至右極限位置。每個(gè)齒輪應(yīng)有到位檢測(cè)元件(如感應(yīng)開(kāi)關(guān))檢測(cè)，發(fā)出齒輪到位信號(hào)，說(shuō)明變擋已經(jīng)結(jié)束。第50頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院對(duì)于主軸無(wú)級(jí)變速，可采用數(shù)控系統(tǒng)控制主軸電動(dòng)機(jī)慢速轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)，來(lái)解決液壓撥叉可能產(chǎn)生的頂齒問(wèn)題。采用液壓撥叉變速，需要附加一套液壓裝置，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁閥動(dòng)作，再將壓力油分至相應(yīng)的液壓缸，增加了控制的復(fù)雜程度。對(duì)于恒速交流電動(dòng)機(jī)的純有級(jí)變速，通常在傳動(dòng)鏈上安置一個(gè)微型電動(dòng)機(jī)。正常工作時(shí)，微型電動(dòng)機(jī)工作離合器脫開(kāi)；齒輪變速時(shí)，主軸電動(dòng)機(jī)M1停止工作，微型電動(dòng)機(jī)工作離合器吸合，微型電動(dòng)機(jī)M2工作時(shí)，帶動(dòng)主軸慢速轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，液壓撥叉移動(dòng)齒輪，保證齒輪順利嚙合，其結(jié)構(gòu)如圖4—14所示。第51頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電磁離合器可以控制其線圈的接通切斷，來(lái)控制傳動(dòng)的進(jìn)行和脫開(kāi)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。在數(shù)控機(jī)床中常使用摩擦片式電磁離合器和牙嵌式電磁離合器。

4.電磁離合器變速機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)是體積大，易使機(jī)械零件磁化。在數(shù)控機(jī)床主軸傳動(dòng)中，使用電磁離合器能夠簡(jiǎn)化變速機(jī)構(gòu)，通過(guò)各傳動(dòng)軸離合器的吸合與分離，形成不同的運(yùn)動(dòng)組合傳動(dòng)線路，實(shí)現(xiàn)主軸變速。牙嵌式電磁離合器由于在摩擦面上加工成一定的齒形，提高了傳遞轉(zhuǎn)矩，減少離合器的徑向和軸向尺寸，使主軸結(jié)構(gòu)更為緊湊，摩擦熱減小，但牙嵌式電磁離合器必須在低速時(shí)變速。摩擦片式電磁離合器采用摩擦片傳遞轉(zhuǎn)矩，允許不停機(jī)變速，但如果速度過(guò)高，會(huì)由于滑差運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生大量的摩擦熱。第52頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院第三節(jié)主軸部件數(shù)控機(jī)床主軸部件對(duì)機(jī)床加工影響最直接也最大，回轉(zhuǎn)精度影響工件的加工精度，自動(dòng)變速、準(zhǔn)停和換刀等不但是影響機(jī)床的自動(dòng)化程度，也和功率大小與回轉(zhuǎn)速度等一樣會(huì)影響加工效率。因此，要求主軸部件與機(jī)床工作性能相適應(yīng)，具有高的回轉(zhuǎn)精度、剛度、抗振性、耐磨性，但只有低的溫升。在結(jié)構(gòu)上，必須解決好刀具的裝夾、軸承的配置和主軸的潤(rùn)滑密封等問(wèn)題。(一)刀具的裝夾在具有自動(dòng)換刀功能的機(jī)床中，刀具的刀桿采用7:24的大錐度錐柄，既利于定心，松刀也比較方便。夾緊狀態(tài)時(shí)，蝶形彈簧通過(guò)拉桿及夾頭，拉住刀柄的尾部，使刀具錐柄和主軸錐孔緊密配合，夾緊力可達(dá)10000N以上。第53頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控機(jī)床的規(guī)格不同、要求的精度不同，主軸采用的軸承也不同。一般中、小規(guī)格的數(shù)控機(jī)床的主軸部件多采用成組高精度滾動(dòng)軸承；重型數(shù)控機(jī)床采用液體靜壓軸承；高精度數(shù)控機(jī)床采用氣體靜壓軸承；轉(zhuǎn)速達(dá)20000r／min的主軸采用磁力軸承或氮化硅材料的陶瓷滾珠軸承。(二)主軸軸承的配置松刀時(shí)，通過(guò)液壓缸活塞推動(dòng)拉桿，壓縮蝶形彈簧，使夾頭張開(kāi)，夾頭與刀柄上的拉釘脫離，即可拔出刀具，進(jìn)行新、舊刀具的交換。在活塞推動(dòng)拉桿松開(kāi)刀柄的過(guò)程中，壓縮空氣吹出，將錐孔清理干凈，防止主軸錐孔中掉人切屑和灰塵而把主軸錐孔表面和刀桿的錐柄劃傷，同時(shí)保證刀具的正確位置。第54頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院為了保證主軸有良好的潤(rùn)滑，減少摩擦發(fā)熱，同時(shí)又能把主軸組件的熱量帶走，通常采用循環(huán)式潤(rùn)滑系統(tǒng)，用液壓泵強(qiáng)力供油潤(rùn)滑，使用油溫控制器控制油箱油液溫度。(三)主軸的潤(rùn)滑近似于油霧潤(rùn)滑方式，但油霧潤(rùn)滑方式是連續(xù)供給油霧，而油氣潤(rùn)滑則是定時(shí)定量地把油霧送進(jìn)軸承空隙中，這樣既實(shí)現(xiàn)了油霧潤(rùn)滑，又避免了油霧太多而污染周?chē)諝狻?．油氣潤(rùn)滑方式

高檔的數(shù)控機(jī)床主軸軸承采用了高級(jí)油脂封放方式潤(rùn)滑，每加一次油脂可以使用7～10年，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了成本且維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單；但須防止?jié)櫥秃陀椭旌?，通常采用迷宮式密封方式。為了適應(yīng)主軸更高速化發(fā)展的需要，不單要減少軸承溫升，還要減少軸承內(nèi)外圈的溫差，以保證主軸熱變形小。第55頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

噴注潤(rùn)滑方式是用較大流量的恒溫油噴注到主軸軸承，以達(dá)到潤(rùn)滑、冷卻的目的。這里較大流量噴注的油必須靠排油泵強(qiáng)制排油，而不是自然回流。同時(shí)，還要采用專用的大容量高精度恒溫油箱，油溫變動(dòng)控制在土0.5℃。在密封件中，被密封的介質(zhì)往往是以穿漏、滲透或擴(kuò)散的形式，越界泄漏到密封連接處的彼側(cè)。2．噴注潤(rùn)滑方式

(四)主軸的密封造成泄漏的基本