识读主轴控制线路

引出任务

识读并连接主轴控制回路 (图6-1)。

学习目标

·了解主轴的速度有几种控制方法;

·掌握主轴的正反转是如何控制的;

·能够根据图纸连接主轴电气控制部分;

·了解主轴驱动部分的常见故障及原因。

相关知识

一、主轴驱动系统

1． 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。它是零件加工的成形运动之一，它的精度对零件的加工精度有较大的影响。

图6-1 主轴控制回路

2． 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他直线运动装置做往复运动。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。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级调速。

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，特别是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。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，常采用分级无级变速的方法 (即在低速段采用机械减速装置)，以扩大输出转矩。

(3) 具有4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6000r/min。

(4) 具有位置控制能力。

位置控制能力即进给功能 (C轴功能) 和定向功能 (准停功能)，以满足加工中心自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。

(5) 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。为了提高传动件的制造精度与刚度，采用齿轮传动时齿轮齿面应采用高频感应加热淬火工艺以增加耐磨性。最后一级一般用斜齿轮传动，使传动平稳。采用带传动时应采用齿形带。应采用精度高的轴承及合理的支撑跨距，以提高主轴组件的刚性。在结构允许的条件下，应适当增加齿轮宽度，提高齿轮的重叠系数。变速滑移齿轮一般都用花键传动，采用内径定心。侧面定心的花键对降低噪声更为有利，因为这种定心方式传动间隙小，接触面大，但加工需要专门的刀具和花键磨床。

(6) 良好的抗振性和热稳定性。

数控机床加工时，可能由于持续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自振等原因引起冲击力和交变力，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至可能损坏刀具和主轴系统中的零件，使其无法工作。主轴系统的发热使其中的零部件产生热变形，降低传动效率，影响零部件之间的相对位置精度和运动精度，从而造成加工误差。因此，主轴组件要有较高的固有频率，较好的动平衡，且要保持合适的配合间隙，并要进行循环润滑。

3． 不同类型的主轴系统的特点和使用范围

(1) 普通笼型异步电动机配齿轮变速箱

这是最经济的一种主轴配置方式，但只能实现有级调速。由于电动机始终工作在额定转速下，经齿轮减速后，在主轴低速下输出力矩大，重切削能力强，非常适合粗加工和半精加工。如果加工产品比较单一，对主轴转速没有太高的要求，配置在数控机床上也能起到很好的效果; 它的缺点是噪声比较大，并且由于电动机工作在工频下，主轴转速范围不大，不适合有色金属加工和需要频繁变换主轴速度的场合。

(2) 普通笼型异步电动机配简易型变频器。

这种方式可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有工作在约500r/min以上才能有比较满意的力矩输出，否则，车床很容易出现堵转的情况。此方式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要求不太严格的场合，例如数控钻铣床。此方式较多采用国内生产的简易型变频器。

(3) 普通笼型异步电动机配通用变频器。

目前进口的通用变频器，除了具有U/f曲线调节功能，一般还具有无反馈矢量控制功能，会对电动机的低速特性有所改善，配合两级齿轮变速，基本上可以满足车床低速(100～200r/min) 小加工余量的加工，但同样受最高电动机速度的限制。这种方案是目前经济型数控机床比较常用的。

(4) 专用变频电动机配通用变频器。

专用变频电动机一般采用有反馈矢量控制，低速甚至零速时都可以有较大的力矩输出，有些还具有定向甚至分度进给的功能，是非常有竞争力的产品。以先马YPNC系列变频电动机为例，电压: 三相200V、220V、380V、400V可选; 输出功率: 1．5～18．5k W; 变频范围2～200Hz; 最高转速12000r/min; 30min150%过载能力; 支持V/f控制、V/f+PG (编码器) 控制、无PG矢量控制、有PG矢量控制。提供通用变频器的厂家以国外公司为主，如西门子、安川、富士、三菱、日立等。

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，若应用在加工中心上，还不是很理想，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。

(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。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。

电主轴是主轴电动机的一种结构形式，驱动器可以是变频器或主轴伺服，也可以不要驱动器。电主轴由于将电动机和主轴合二为一，没有传动机构，因此，大大简化了主轴的结构，并且提高了主轴的精度，但是抗冲击能力较弱，而且功率还不能做得太大，一般在10k W以下。由于结构上的优势，电主轴主要向高速方向发展，转速一般在10000r/min以上。

安装电主轴的机床主要用于精加工和高速加工，例如高速精密加工中心。另外，在雕刻机和有色金属以及非金属材料加工机床上应用较多，这些机床由于只对主轴高转速有要求，因此，往往不使用主轴驱动器。

二、主轴伺服系统的故障形式及诊断方法

当主轴伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式: 一是在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息; 二是在主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示主轴驱动装置的故障; 三是主轴工作不正常，但无任何报警信息。主轴伺服系统常见故障如下。

(1) 外界干扰。

由于受到电磁干扰，屏蔽和接地措施不良的影响，主轴转速指令信号或反馈信号受到干扰，使主轴驱动出现随机和无规律性的波动。判别有无干扰的方法是: 当主轴转速指令为零时，主轴仍往复转动，调整零速平衡和漂移补偿也不能消除故障。

(2) 过载。

切削用量过大，或频繁地正、反转变速等均可引起过载报警。具体表现为主轴电动机过热、主轴驱动装置显示过电流报警等。

三、变频调速主轴驱动系统

1． 变频器的作用

变频器是把工频电源 (50Hz或60Hz) 变换成各种频率的交流电源，以实现电动机变速运行的设备，变频器中的控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。

2． 交流电动机的调速控制

根据电机学可知，交流异步电动机的转速表达式为:

式中: f1——定子电源频率(Hz);

p——磁极对数;

s——转差率。

由上述公式可知，异步电机的调速方法可以有变转差率、变极对数及变频三种。靠改变转差率对异步电动机进行调速时，低速时转差率大，转差损耗功率也大，效率低; 变极调速只能产生两种或三种转速，不可能做成无级调速，应用范围较窄; 变频调速从高速到低速都可以保持有限的转差率，故它具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。

3． 带速度反馈的主轴变频器与电动机及控制器的连接图

带速度反馈的主轴变频器与电动机及控制器的连接如图6-2所示。

图6-2 带速度反馈的主轴变频器与电动机及控制器的连接图

实施

1． 连接主轴控制线路

(1) 变频器上的接口L1、L2、L3接经由QF1出来的U、V、W，即动力电源线由此口接入;

(2) 变频器上的接口T1、T2、T3接主轴电机 (注意，必须经过端子排转接)，线号是U1、V1、W1;

(3) 由数控系统背面的XS9口出来的DAS+和DAS0接变频器的O和L口，DAS+和DAS0之间是一个0～+10V的电压信号，系统会根据输入的S指令数值的不同从而输出一个0～+10V的电压信号，即电压不同，最终由变频器给到主轴电机电源的频率不同，从而控制主轴电机转速不同;

2． 掌握主轴正反转控制过程

变频器上的1口接通时，控制主轴电机正转，2口接通时，控制主轴电机反转。由图6-2可知，当KA1常开接通时，控制主轴电机正转。而KA1常开接通的条件是KA1的线圈得电，由继电器板内部接线可知，KA1的线圈一端接24V1，一端接Y0．0，即当PLC输出Y0．0有信号输出时，KA1的线圈得电，其常开闭合，控制主轴电机正转。反转的控制过程同理，即由PLC输出Y0．1控制。

AL0和AL1之间是变频器内部的一个常开触点，当变频器外接电源正常，内部硬件正常的情况下，AL0和AL1之间的常开触点会自动吸合，从而给PLC一个X2．2的信号，相当于告诉系统变频器正常，可以控制主轴电机工作。