第7章-數(shù)控主軸系統(tǒng)與控制

1第七章機(jī)床主軸系統(tǒng)與控制7.1概述7.2直流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制7.3交流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制7.4高速主軸的動(dòng)平衡控制27.1概述7.2直流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制7.3交流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制7.4高速主軸的動(dòng)平衡控制

數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)不同于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，主軸的工作運(yùn)動(dòng)通常為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。主軸驅(qū)動(dòng)的主要要求：輸出功率大2.2~250kw，結(jié)構(gòu)上不能采用永磁式寬的調(diào)速范圍1：100~1000恒轉(zhuǎn)矩，1：10恒功率調(diào)速主軸既能正轉(zhuǎn)、又能反轉(zhuǎn)，且能快速制動(dòng)特殊要求

如：加工螺紋，要求主軸驅(qū)動(dòng)與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)行同步控制；為了保證端面加工的光潔度，要求主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有恒線速切削控制；在加工中心上，由于自動(dòng)換刀的需要，要求主抽驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高精度的停位控制；有的數(shù)控機(jī)床還要求主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有角度控制功能等。一、

主軸驅(qū)動(dòng)的概念7.1概述二、

機(jī)床主軸的分類7.1概述1.按結(jié)構(gòu)分類機(jī)械主軸機(jī)械主軸電主軸7.1概述機(jī)械主軸結(jié)構(gòu)高速電主軸7.1概述電主軸結(jié)構(gòu)卡盤夾緊裝置加緊軸電機(jī)球軸承動(dòng)平衡點(diǎn)主軸裝置錐形盤彈簧液壓力7.1概述電主軸，主軸單元刀柄安裝7.1概述2.按驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型分：

直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

早期的數(shù)控機(jī)床多采用直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

自20世紀(jì)70年代末80年代初，在數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)中開始采用交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床多采用交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。7.1概述107.1概述7.2直流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制7.3交流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制7.4高速主軸的動(dòng)平衡控制1.直流主軸電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與一般直流電動(dòng)機(jī)一樣，只是為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而做得細(xì)長一些。它的勵(lì)磁繞組和電樞分別由兩個(gè)獨(dú)立電源供電。2.特性曲線

額定速度以下：恒轉(zhuǎn)矩范圍，用改變轉(zhuǎn)子繞組電壓調(diào)速。額定速度以上：恒功率范圍，用控制定子激磁來調(diào)速。7.2直流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制定子磁動(dòng)勢：由勵(lì)磁電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子反應(yīng)磁動(dòng)勢：由轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩：

由于被控制量電動(dòng)機(jī)磁通f

和電樞電流Ia，互相獨(dú)立，其電磁轉(zhuǎn)矩與磁通和電樞電流分別成正比關(guān)系?？梢苑奖愕胤謩e進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此直流伺服電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能。

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：用改變轉(zhuǎn)子繞組電壓調(diào)速。恒功率調(diào)速：用控制定子激磁來調(diào)速。7.2直流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制直流主軸電動(dòng)機(jī)雙域調(diào)速系統(tǒng)框圖控制磁勢大小控制轉(zhuǎn)子電壓大小7.2直流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制147.1概述7.2直流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制7.3交流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制7.4高速主軸的動(dòng)平衡控制1.交流主軸電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

交流主軸電機(jī)多采用交流異步電機(jī)，很少采用永磁同步電機(jī)。

主要因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)的容量做得不夠大，且電機(jī)成本較高。另外主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不象進(jìn)給系統(tǒng)那樣要求很高的性能，調(diào)速范圍也不要太大。因此，采用異步電機(jī)完全可以滿足數(shù)控機(jī)床主軸的要求，籠型異步電機(jī)多用在主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。7.3交流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制與普通三相異步電動(dòng)機(jī)同。據(jù)電機(jī)學(xué)知，交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：（r/min）式中f1—定子電源頻率（Hz）；

p—磁極對數(shù)；

s—轉(zhuǎn)差率。

由此可以知，有變轉(zhuǎn)差率、變極對數(shù)及變頻三種調(diào)速方式。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速時(shí)，低速轉(zhuǎn)差率大，轉(zhuǎn)差損耗功率也大，效率低。變極調(diào)速只能產(chǎn)生二種或三種轉(zhuǎn)速，不能做成無級調(diào)速，應(yīng)用范圍較窄。變頻調(diào)速是從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，故它具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能，可以認(rèn)為是一種理想的調(diào)速方法。

2.交流主軸電動(dòng)機(jī)的工作原理7.3交流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制3.功率—速度特性曲線7.3交流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制改變頻率f1，可平滑調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速。但只改變頻率是不夠的，由電機(jī)學(xué)知：

式中E1—感應(yīng)電勢；

Kr1—基波繞組系數(shù)；

N1—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

Φm—每極氣隙磁通量。當(dāng)略去定子阻抗壓降時(shí)，定子相電壓U1為式中KE—電勢系數(shù)，KE＝4.44Kr1

N1。由上式可見，定子電壓不變時(shí)，隨f1的上升，氣隙磁通Φm將減小。又從轉(zhuǎn)矩公式式中CT—轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

I2—折算到定子上的轉(zhuǎn)子電流；

cosφ

2—轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)。

f減小導(dǎo)致電機(jī)允許輸出轉(zhuǎn)矩Te下降，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過最大轉(zhuǎn)矩，電機(jī)就帶不動(dòng)了，即所謂堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。當(dāng)電壓U1不變，減小f1時(shí)，f上升會(huì)造成磁路飽合，激磁電流會(huì)上升，鐵芯過熱，功率因數(shù)下降，電機(jī)帶負(fù)載能力降低。故在調(diào)頻調(diào)速中，要求在變頻的同時(shí)改變定子電壓U1，以維持f接近不變，由U1，f1不同的相互關(guān)系,而得出不同的變頻調(diào)速方式、不同的調(diào)速機(jī)械特性。

7.3交流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制

由轉(zhuǎn)子電流與主磁通作用而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩公式可知，T與φ、I2成正比。要保持T不變，即要求U1/f1為常數(shù)，可以近似地維持φ恒定。此時(shí)的機(jī)械特性曲線族如圖所示。

(1)

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速

7.3交流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制為了在低速時(shí)保持最大轉(zhuǎn)矩Tm不變，就必須采取E1/f1=常數(shù)的協(xié)調(diào)控制，顯然，這是一種理想的保持磁通恒定的控制方法。恒Tm調(diào)速的機(jī)械特性如圖所示。

(2)

恒最大轉(zhuǎn)矩（Tm）調(diào)速7.3交流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制恒功率調(diào)速，是在額定頻率以上進(jìn)行調(diào)速。因電機(jī)繞組是按額定電壓等級設(shè)計(jì)的，不可能超過額定電壓，因此定子電壓不可能與頻率成正比地提高。若頻率上升，額定電壓不變，那么氣隙磁通φm將隨著f1的升高而降低，轉(zhuǎn)矩也減小，特性變軟。如圖所示，得到近似恒功率的調(diào)速特性。（3）恒功率調(diào)速

7.3交流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制

在伺服系統(tǒng)中，直流伺服電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，其根本原因是被控制量只有電機(jī)磁場f

和電樞電流Ia，且這兩個(gè)量是獨(dú)立的。其電磁轉(zhuǎn)矩與磁通和電樞電流分別成正比關(guān)系。

交流主軸電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與磁通和轉(zhuǎn)子電流不是獨(dú)立的，磁通是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生，勵(lì)磁電流是定子電流和轉(zhuǎn)子電流的合成電流。

如果能夠模擬直流電機(jī)，求出交流電機(jī)與之對應(yīng)的磁場與電樞電流，分別而獨(dú)立地加以控制，就會(huì)使交流電機(jī)具有與直流電機(jī)近似的優(yōu)良特性。(4)交流主軸電動(dòng)機(jī)的矢量變換7.3交流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制將交流電動(dòng)機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)，用對直流電動(dòng)機(jī)的控制方法來控制交流電動(dòng)機(jī)。其方法是以交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向，把定子電流分解成與轉(zhuǎn)子磁場力向相平行的磁化電流分量Id和相垂直的轉(zhuǎn)矩電流分量Iq，分別對應(yīng)直流電動(dòng)機(jī)中的勵(lì)磁電流If和電樞電流Ia。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，分別對磁化電流分量、和轉(zhuǎn)矩電流分量進(jìn)行控制，以達(dá)到對實(shí)際的交流電動(dòng)機(jī)速度控制的目的。7.3交流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制矢量變換控制原理框圖7.3交流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制257.1概述7.2直流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制7.3交流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度控制7.4高速主軸的動(dòng)平衡控制7.4高速主軸的動(dòng)平衡控制轉(zhuǎn)子的不平衡是由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻，旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的慣性離心力的分布相對于轉(zhuǎn)軸不對稱而無法完全消除造成的。離心力可以表示為：——偏心質(zhì)量/kg；——矢徑/m；——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度/rad/s。在平衡技術(shù)中，用來表示轉(zhuǎn)子的不平衡量，并以符號U表示。U為一矢量，其方向與半徑矢量相同。如果用系統(tǒng)的質(zhì)量M去除轉(zhuǎn)子的不平衡量U，即得到轉(zhuǎn)子的單位質(zhì)量的不平衡量，叫做轉(zhuǎn)子不平衡率，表示的是轉(zhuǎn)子的不平衡程度。一、主軸不平衡的基本概念7.4高速主軸的動(dòng)平衡控制機(jī)床主軸不平衡的主要因素主軸設(shè)計(jì)存在不對稱；主軸材質(zhì)分布不均勻；主軸加工和裝配的過程中存在誤差；刀具結(jié)構(gòu)或者磨損產(chǎn)生不平衡。動(dòng)平衡去重點(diǎn)7.4高速主軸的動(dòng)平衡控制2.主軸不平衡量的種類1)靜不平衡主軸的不平衡量僅在重心G處偏離軸線方向的狀態(tài)。用一個(gè)通過主軸重心G的矢量Us

表示。7.4高速主軸的動(dòng)平衡控制2)力偶不平衡是主軸不平衡量的連線與軸線在重心G相交的狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)軸的不平衡量圍繞重心形成一個(gè)力偶。力偶不平衡用一對大小相同、方向相反的矢量Um表示。7.4高速主軸的動(dòng)平衡控制3)動(dòng)不平衡是主軸不平衡量連線與軸線既不平行也不相交的狀態(tài)?？梢缘刃椴辉谕粋€(gè)平面的一個(gè)靜不平衡量Us

和一個(gè)力偶不平衡量Um。4)準(zhǔn)靜不平衡是動(dòng)不平衡的一種特例，是主軸不平衡量連線與軸線在重心G以外的某一點(diǎn)相交的不平衡狀態(tài)?？傻刃橥粋€(gè)平面內(nèi)的一個(gè)靜不平衡量和一個(gè)力偶不平衡量。7.4高速主軸的動(dòng)平衡控制轉(zhuǎn)子經(jīng)過動(dòng)平衡校正后剩下的不平衡量稱為剩余不平衡量。剩余不平衡量的許可值叫許用不平衡量Uper。3.主軸動(dòng)平衡標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子的不平衡程度可以用許用不平衡度eper表示。其中，M為主軸轉(zhuǎn)子質(zhì)量。