數(shù)控原理與系統(tǒng)-第5章 主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1、第第5 5章章 數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u 5.1 概概 述述 u 5.2 主軸驅(qū)動(dòng)裝置及連接主軸驅(qū)動(dòng)裝置及連接u 5.3 主軸變速控制主軸變速控制u 5.4 主軸準(zhǔn)?？刂浦鬏S準(zhǔn)?？刂苪 5.5 主軸與進(jìn)給軸的關(guān)聯(lián)控制主軸與進(jìn)給軸的關(guān)聯(lián)控制 u 5.6 高速電主軸高速電主軸2 數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是主運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置部分。主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供的動(dòng)力通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變成主軸上安裝的刀具或工件的切削力矩和切削速度，再配合進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，就可以加工出理想的零件。它是零件加工的成型運(yùn)動(dòng)裝置之一，它的精度對(duì)零件的加工精度有較大的影響。因此，在數(shù)控機(jī)床中，主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是很重要的一部分。5.1 5.1 概

2、概 述述3動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器器DRAMDRAM模模塊塊FROM/SRAFROM/SRAM M 模塊模塊系統(tǒng)系統(tǒng)ROMROM主軸控主軸控制模塊制模塊軸控軸控制模制模塊塊PMCPMC控控制模塊制模塊系統(tǒng)主系統(tǒng)主CPUCPU顯示顯示控制控制模塊模塊軸控制模塊軸控制模塊主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在數(shù)控系統(tǒng)中的位置及連接主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在數(shù)控系統(tǒng)中的位置及連接4動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器器DRAMDRAM模模塊塊FROM/SRAFROM/SRAM M 模塊模塊系統(tǒng)系統(tǒng)ROMROM主軸控主軸控制模塊制模塊軸控軸控制模制模塊塊PMCPMC控控制模塊制模塊系統(tǒng)主系統(tǒng)主CPUCPU顯示顯示控制控制模塊模塊軸控制模塊軸控制模塊5JA40_

3、模擬量主軸的速度接口JA7A_串行主軸/主軸位置編碼器信號(hào)接口67提出問題：提出問題：1 1、主軸驅(qū)動(dòng)、主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括哪系統(tǒng)包括哪些硬件設(shè)備？些硬件設(shè)備？2 2、這些設(shè)備、這些設(shè)備是如何連接是如何連接的？的？3 3、模擬主軸、模擬主軸和伺服主軸和伺服主軸分別使用什分別使用什么驅(qū)動(dòng)放大么驅(qū)動(dòng)放大裝置？裝置？8一、數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成一、數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成 主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括主軸驅(qū)動(dòng)放大器、主軸電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主軸信號(hào)檢測(cè)裝置及主軸輔助裝置。l放大器：主軸放大器用于接收系統(tǒng)發(fā)出的主軸速度及功能控制信號(hào)，實(shí)施主軸電動(dòng)機(jī)控制信號(hào)。它可以是變頻器也可以是系統(tǒng)專用的主軸放大器。l主軸電動(dòng)機(jī)：主

4、軸電動(dòng)機(jī)是主軸驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力來源，可以使普通型電動(dòng)機(jī)、變頻專用型電動(dòng)機(jī)及系統(tǒng)專用的主軸電動(dòng)機(jī)。l傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：數(shù)控機(jī)床主軸傳動(dòng)主要有三種配置方式，即帶變速齒輪的主傳動(dòng)方式、通過帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)方式及由變速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng)方式（詳細(xì)內(nèi)容見數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)）。l主軸信號(hào)檢測(cè)裝置：主軸信號(hào)檢測(cè)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)主軸的速度和位置反饋，以及主軸功能的信號(hào)檢測(cè)（如主軸定向和剛性攻螺紋控制等），可以使主軸外置編碼器、主軸電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝傳感器及外接一轉(zhuǎn)信號(hào)配合電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝傳感器檢測(cè)裝置。l輔助裝置：輔助裝置主要包括主軸刀具鎖緊/松開控制裝置、主軸自動(dòng)換擋控制裝置、主軸冷卻和潤(rùn)滑裝置等。 9二、數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸控制的要求二、數(shù)控機(jī)床

5、對(duì)主軸控制的要求 隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的主軸驅(qū)動(dòng)已不能滿足要求。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床對(duì)主傳動(dòng)提出了更高的要求：（1）調(diào)速范圍要寬（2）主軸的旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)動(dòng)精度（3）數(shù)控機(jī)床主軸的變速（4）恒功率范圍要寬（5）具有四象限驅(qū)動(dòng)能力（6）具有高精度的準(zhǔn)?？刂啤＃?）在車削中心上，還要求具有旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸的控制功能。 10 為滿足上述要求，數(shù)控機(jī)床絕大多數(shù)均采用籠型交流電動(dòng)機(jī)配置矢量變換變頻調(diào)速的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。回顧電機(jī)課程，電機(jī)的發(fā)展歷程？115.2 5.2 主軸驅(qū)動(dòng)裝置及連接主軸驅(qū)動(dòng)裝置及連接一、主軸驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn) 主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的大功率執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其功能是接受數(shù)控系統(tǒng)(CNC)的S碼（速度指令）

6、及M碼（輔助功能指令），驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行切削加工。它接受來自CNC的驅(qū)動(dòng)指令，經(jīng)速度與轉(zhuǎn)矩(功率)調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)接受速度反饋實(shí)施速度閉環(huán)控制。它還通過PLC將主軸的各種現(xiàn)實(shí)工作狀態(tài)通告CNC用以完成對(duì)主軸的各項(xiàng)功能控制。121直流主軸驅(qū)動(dòng)裝置 直流主軸電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與永磁式伺服電動(dòng)機(jī)不同，要求能輸出大的功率，所以一般是他磁式。為縮小體積，改善冷卻效果，以免電動(dòng)機(jī)過熱，常采用軸向強(qiáng)迫風(fēng)冷或采用熱管冷卻技術(shù)。 直流驅(qū)動(dòng)裝置有晶閘管和脈寬調(diào)制PWM調(diào)速兩種形式。由于脈寬調(diào)制PWM調(diào)速具有很好的調(diào)速性能，因而在數(shù)控機(jī)床特別是對(duì)精度、速度要求較高的數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置上廣泛使用。而三

7、相全控晶閘管調(diào)速裝置則在大功率應(yīng)用方面具有優(yōu)勢(shì)，因而常用于直流主軸驅(qū)動(dòng)裝置。 132交流主軸驅(qū)動(dòng)裝置 主軸伺服提供加工各類工件所需的切削功率，因此，只需完成主軸調(diào)速及正反轉(zhuǎn)功能。但當(dāng)要求機(jī)床有螺紋加工、準(zhǔn)停和恒線速加工等功能時(shí)，對(duì)主軸也提出了相應(yīng)的位置控制要求。因此，要求其輸出功率大，具有恒轉(zhuǎn)矩段及恒功率段，有準(zhǔn)?？刂疲鬏S與進(jìn)給聯(lián)動(dòng)。與進(jìn)給伺服一樣，主軸伺服經(jīng)歷了從普通三相異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)到直流主軸傳動(dòng)。隨著微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進(jìn)展，現(xiàn)在又進(jìn)入了交流主軸伺服系統(tǒng)的時(shí)代。 14o 交流異步伺服系統(tǒng)o交流異步伺服通過在三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組中產(chǎn)生幅值、頻率可變的正弦電流，該正弦電流產(chǎn)

8、生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的感應(yīng)電流相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)。其中，正弦電流的幅值可分解為給定或可調(diào)的勵(lì)磁電流與等效轉(zhuǎn)子力矩電流的矢量和；正弦電流的頻率可分解為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差之和，以實(shí)現(xiàn)矢量化控制。交流異步伺服通常有模擬式、數(shù)字式兩種方式。與模擬式相比，數(shù)字式伺服加速特性近似直線，時(shí)間短，且可提高主軸定位控制時(shí)系統(tǒng)的剛性和精度，操作方便，是機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)主要的采用形式。然而交流異步伺服存在兩個(gè)主要問題：一是轉(zhuǎn)子發(fā)熱，效率較低，轉(zhuǎn)矩密度較小，體積較大；二是功率因數(shù)較低，因此，要獲得較寬的恒功率調(diào)速范圍，要求較大的逆變器容量。15o 交流同步伺服系統(tǒng)o近年來，隨著高能低價(jià)永磁

9、體的開發(fā)和性能的不斷提高，使得采用永磁同步調(diào)速電動(dòng)機(jī)的交流同步伺服系統(tǒng)的性能日益突出，為解決交流異步伺服存在的問題帶來了希望。與采用矢量控制的異步伺服相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子溫度低，軸向連接位置精度高，要求的冷卻條件不高，對(duì)機(jī)床環(huán)境的溫度影響小，容易達(dá)到極小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，特別適合強(qiáng)力切削加工。同時(shí)其轉(zhuǎn)矩密度高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好，特別適合高生產(chǎn)率運(yùn)行。較容易達(dá)到很高的調(diào)速比，允許同一機(jī)床主軸具有多種加工能力，既可以加工鋁等低硬度材料，也可以加工很硬很脆的合金，為機(jī)床進(jìn)行最優(yōu)切削創(chuàng)造了條件。 16二、數(shù)控裝置與模擬主軸連接信號(hào)原理二、數(shù)控裝置與模擬主軸連

10、接信號(hào)原理 問題的提出：數(shù)控裝置和模擬主軸間要傳遞哪些信號(hào)？ 實(shí)現(xiàn)何種功能？1. 主軸啟停（M03、M04、M05-輸出信號(hào)Y1.0、Y1.1 ）2. 主軸速度控制（S800-10V+10V）3. 主軸編碼器連接（螺紋、攻絲、轉(zhuǎn)速在系統(tǒng)上顯示-差分編碼器）17圖5-2 FANUC Oi Mate-TC數(shù)控系統(tǒng)與三菱變頻器接線圖 181.CNC到變頻器的信號(hào)（1） 主軸正轉(zhuǎn)信號(hào)、主軸反轉(zhuǎn)信號(hào)用于手動(dòng)操作（JOG狀態(tài)）和自動(dòng)狀態(tài)（自動(dòng)加工M03、M04、M05）中，實(shí)現(xiàn)主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止控制。系統(tǒng)在點(diǎn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，利用機(jī)床面板上的主軸正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)按鈕發(fā)出主軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)信號(hào)，通過系統(tǒng)PMC控制KA3、

11、KA4的通斷，向變頻器發(fā)出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)主軸的正、反轉(zhuǎn)控制，此時(shí)主軸的速度是由系統(tǒng)存儲(chǔ)的S值與機(jī)床主軸的倍率開關(guān)決定的。系統(tǒng)在自動(dòng)加工時(shí)，通過對(duì)程序輔助功能代碼M03、M04、M05的譯碼，利用系統(tǒng)的PMC實(shí)現(xiàn)繼電器KA3、KA4的通斷控制，從而達(dá)到主軸的正反轉(zhuǎn)及停止控制，此時(shí)的主軸速度是由系統(tǒng)程序中的S指令值與機(jī)床的倍率開關(guān)決定的。輸入輸出信號(hào)的分類：lCNC到變頻器的信號(hào)l變頻器到CNC的信號(hào)l變頻器到機(jī)床側(cè)的信號(hào)19（2） 系統(tǒng)故障輸入：當(dāng)數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)，通過系統(tǒng)PMC發(fā)出信號(hào)控制KA6獲電動(dòng)作，使變頻器停止輸出，實(shí)現(xiàn)主軸自動(dòng)停止控制，并發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息。（3）系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)：當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位

12、時(shí)，通過系統(tǒng)PMC控制KA7獲電動(dòng)作，進(jìn)行變頻器的復(fù)位控制。（4）主軸電動(dòng)機(jī)速度模擬量信號(hào)：用來接收系統(tǒng)發(fā)出的主軸速度信號(hào)（模擬量電壓信號(hào)），實(shí)現(xiàn)主軸電動(dòng)機(jī)的速度控制。FANUC系統(tǒng)將程序中的S指令與主軸倍率開關(guān)的乘積轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量電壓（010V），輸入到變頻器的模擬量電壓頻率給定端，從而實(shí)現(xiàn)主軸電動(dòng)機(jī)的速度控制。202. 變頻器到CNC的信號(hào)（1） 變頻器故障輸入信號(hào)當(dāng)變頻器出現(xiàn)任何故障時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)也停止工作并發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警（機(jī)床報(bào)警燈亮及發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息）。主軸故障信號(hào)是通過變頻器的故障輸出端發(fā)出，再通過PMC向系統(tǒng)發(fā)出急停信號(hào)，使系統(tǒng)停止工作。 21（2） 主軸頻率到達(dá)信號(hào)數(shù)控機(jī)床

13、自動(dòng)加工時(shí)，主軸頻率到達(dá)信號(hào)實(shí)現(xiàn)切削進(jìn)給開始條件的控制。當(dāng)系統(tǒng)的功能參數(shù)（主軸速度到達(dá)檢測(cè)）設(shè)定為有效時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行進(jìn)給切削指令前要進(jìn)行主軸速度到達(dá)信號(hào)的檢測(cè)，即系統(tǒng)通過PMC檢測(cè)來自變頻器發(fā)出的頻率到達(dá)信號(hào)，系統(tǒng)只有檢測(cè)到該信號(hào)，切削進(jìn)給才能開始，否則系統(tǒng)進(jìn)給指令一直處于待機(jī)狀態(tài)，使用SU作為信號(hào)的輸入。 22（3） 主軸零速信號(hào)數(shù)控機(jī)床有些動(dòng)作需要主軸停止才能進(jìn)行，如：當(dāng)數(shù)控車床的卡盤采用液壓控制時(shí)，主軸零速信號(hào)用來實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)與液壓卡盤的連鎖控制。只有主軸速度為零時(shí)，液壓卡盤控制才有效；主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，液壓卡盤控制無效，使用Y13作為信號(hào)輸入。3.變頻器到機(jī)床側(cè)的信號(hào)；主軸負(fù)載表的信號(hào)，變頻器

14、將實(shí)際輸出電流轉(zhuǎn)換成模擬量電壓信號(hào)（010V），通過變頻器輸出接口（5-AM）輸出到機(jī)床操作面板上的主軸負(fù)載表（模擬量或數(shù)顯表），實(shí)現(xiàn)主軸負(fù)載監(jiān)控。 2324仿真軟件演示模擬主軸連接25四、數(shù)控裝置與伺服主軸裝置的連接四、數(shù)控裝置與伺服主軸裝置的連接 問題的提出：數(shù)控裝置和數(shù)字主軸間要傳遞哪些信號(hào)？ 實(shí)現(xiàn)何種功能？26四、數(shù)控裝置與伺服主軸裝置的連接四、數(shù)控裝置與伺服主軸裝置的連接 強(qiáng)電柜 伺服 變壓器 380 /220V CN1 CN2 0M SM1 LM1 R S T G 3 2 1 PB PA +5V 6 5 4 RB RA 0V 9 8 7 02H SS 01H U V W G R0

15、S0 T0 S T G R 三相 AC 220V 三相 AC 380V K1 故障線 K6 功率 K7 轉(zhuǎn)速 反饋信號(hào) K5 風(fēng)扇線 K3 控制線 K5 動(dòng)力線 K2 交流主軸伺服單元 CN 主軸 電機(jī) 風(fēng)扇電機(jī) 主軸 編碼器 圖5-3 S系列主軸伺服系統(tǒng)的連接方法lK1為從伺服變壓器副邊輸出的AC200V三相電源電纜，應(yīng)接到主軸伺服單元的R、S、T和G端。27 強(qiáng)電柜 伺服 變壓器 380 /220V CN1 CN2 0M SM1 LM1 R S T G 3 2 1 PB PA +5V 6 5 4 RB RA 0V 9 8 7 02H SS 01H U V W G R0 S0 T0 S T

16、G R 三相 AC 220V 三相 AC 380V K1 故障線 K6 功率 K7 轉(zhuǎn)速 反饋信號(hào) K5 風(fēng)扇線 K3 控制線 K5 動(dòng)力線 K2 交流主軸伺服單元 CN 主軸 電機(jī) 風(fēng)扇電機(jī) 主軸 編碼器 圖5-3 S系列主軸伺服系統(tǒng)的連接方法lK2為從主軸伺服單元的U、V、W和G端輸出到主軸電機(jī)的動(dòng)力線，應(yīng)與接線盒蓋內(nèi)面的指示相符。 lK3為從主軸伺服單元的端子T1上的R0，S0和T0輸出到主軸風(fēng)扇電機(jī)的動(dòng)力線，應(yīng)使風(fēng)扇向外排風(fēng)。lK4為主軸電機(jī)的編碼器反饋電纜，其中PA、PB、RA和RB用作速度反饋信號(hào)，O1H和O2H為電機(jī)溫度接點(diǎn)，SS為屏蔽線。 28 強(qiáng)電柜 伺服 變壓器 380 /

17、220V CN1 CN2 0M SM1 LM1 R S T G 3 2 1 PB PA +5V 6 5 4 RB RA 0V 9 8 7 02H SS 01H U V W G R0 S0 T0 S T G R 三相 AC 220V 三相 AC 380V K1 故障線 K6 功率 K7 轉(zhuǎn)速 反饋信號(hào) K5 風(fēng)扇線 K3 控制線 K5 動(dòng)力線 K2 交流主軸伺服單元 CN 主軸 電機(jī) 風(fēng)扇電機(jī) 主軸 編碼器 圖5-3 S系列主軸伺服系統(tǒng)的連接方法lK5為從NC和PMC輸出到主軸伺服單元的控制信號(hào)電纜，接到主軸伺服單元的50芯插座CN1 29芯號(hào)信號(hào)功 能1，2SAR1，2主軸速度到達(dá)信號(hào)（輸出）

18、3，4SST1，2主軸零速信號(hào)（輸出）5TLML主軸扭矩限制信號(hào)（小扭矩）（輸入）6OTTLML，TLMH信號(hào)地線（0V）7，8MRDY1，2主軸運(yùn)行準(zhǔn)備信號(hào)（輸入）9，10TLM5，6主軸扭矩限制信號(hào)（輸出）11，12ALM1，2主軸故障（輸出）13OR主軸故障報(bào)警公共線14OS主軸速度連續(xù)修調(diào)，正反轉(zhuǎn)信號(hào)地線（0V）15，16STD1，2主軸速度檢測(cè)信號(hào)（輸出）17CTH主軸高速檔信號(hào)（輸入）18OM主軸功率/轉(zhuǎn)速表地線19，20ARST1，2主軸報(bào)警復(fù)位信號(hào)（輸入）21TLMH主軸扭矩限制信號(hào)（大扭矩）（輸入）22，23ORAR1，2主軸定向完成信號(hào)（輸出）24CTM主軸中速檔信號(hào)（輸入

19、）25，26ORCM1，2主軸定向命令信號(hào)（輸入）27，28OVR1，2主軸速度連續(xù)修調(diào)命令信號(hào)（輸入）29+15V電源30，31DA2，E主軸速度信號(hào)（模擬電壓）（輸入）45SFR主軸正轉(zhuǎn)命令（輸入）46SRV主軸反轉(zhuǎn)命令（輸入）47，48ESP1，2主軸緊急停機(jī)命令（輸入）49LM1主軸功率表信號(hào)（輸出）50SM1主軸轉(zhuǎn)速表信號(hào)（輸出）50芯插座CN1 信號(hào)含義30 PE 經(jīng)光纜到存儲(chǔ) 器板 PE 編碼器 K23 至NC184X 軸 K22M K2 R AC380V S 三相 T 編碼器 至 NCM185X 軸 K12 K23 K22 K23 K17 K22L K2 K5 K8 終端插頭

20、K34 K22L K8 K5 K2 K5 K22M K8 K4 緊停接點(diǎn) 至 NCM188Y 軸 火花 抑制器 主接觸器 MCC CX4 TB1 ESP P +24V N CX1A CX1B 200R 200R 200S 200S PE CX2B 24V CX3 0V ESP TB2 JX1B L1 L2 L3 PE TB1 TB2 P P N N CX1A CX2B 200R +24V 200S 0V CX2A ESP +24V 0V JX1B ESP JX1A JY1 JY2 JA7B TB2 U V W PE TB1 TB1 P P N N CX2A CX2B +24V +24V 0V

21、0V ESP ESP JX1A JX1B JV1B JV2B TS1B TS2B JF1 JF2 TB2 K33 VL VM UL WL UM WM 伺服 電動(dòng)機(jī)Y 軸 伺服 電動(dòng)機(jī)X 軸 TB1 TB1 P P N N CX2A CX2B +24V +24V 0V 0V ESP ESP JX1V JX1A JX1B JX2B TS1B TS2B JF1 JF2 TB2 K33 VL VM UL WL UM WM 伺服 電動(dòng)機(jī)Y 軸 伺服 電動(dòng)機(jī)X 軸 主軸電動(dòng)機(jī) 風(fēng)扇電動(dòng)機(jī) AC 扼流圈 副斷路器 BR2 主斷路器 BR1 伺服變壓器 至 NCM198 第四軸 至 NCM195Z 軸 編碼器

22、 編碼器 至NC197 第四軸 PE PE 經(jīng)光纜到存儲(chǔ) 器板 至NC187Y 軸 l 主軸伺服單元和進(jìn)給伺服單元由一個(gè)電源模塊統(tǒng)一供電。由三相電源變壓器副邊輸出的線電壓為200V的電源（R，S，T）經(jīng)總電源斷路器BK1，主接觸器MCC和扼流圈L加到電源模塊上，電源模塊的輸出端（P，N）為主軸伺服放大器模塊和進(jìn)給伺服放大器模塊提供直流200V電源。31 PE 經(jīng)光纜到存儲(chǔ) 器板 PE 編碼器 K23 至NC184X 軸 K22M K2 R AC380V S 三相 T 編碼器 至 NCM185X 軸 K12 K23 K22 K23 K17 K22L K2 K5 K8 終端插頭 K34 K22L

23、K8 K5 K2 K5 K22M K8 K4 緊停接點(diǎn) 至 NCM188Y 軸 火花 抑制器 主接觸器 MCC CX4 TB1 ESP P +24V N CX1A CX1B 200R 200R 200S 200S PE CX2B 24V CX3 0V ESP TB2 JX1B L1 L2 L3 PE TB1 TB2 P P N N CX1A CX2B 200R +24V 200S 0V CX2A ESP +24V 0V JX1B ESP JX1A JY1 JY2 JA7B TB2 U V W PE TB1 TB1 P P N N CX2A CX2B +24V +24V 0V 0V ESP ES

24、P JX1A JX1B JV1B JV2B TS1B TS2B JF1 JF2 TB2 K33 VL VM UL WL UM WM 伺服 電動(dòng)機(jī)Y 軸 伺服 電動(dòng)機(jī)X 軸 TB1 TB1 P P N N CX2A CX2B +24V +24V 0V 0V ESP ESP JX1V JX1A JX1B JX2B TS1B TS2B JF1 JF2 TB2 K33 VL VM UL WL UM WM 伺服 電動(dòng)機(jī)Y 軸 伺服 電動(dòng)機(jī)X 軸 主軸電動(dòng)機(jī) 風(fēng)扇電動(dòng)機(jī) AC 扼流圈 副斷路器 BR2 主斷路器 BR1 伺服變壓器 至 NCM198 第四軸 至 NCM195Z 軸 編碼器 編碼器 至NC1

25、97 第四軸 PE PE 經(jīng)光纜到存儲(chǔ) 器板 至NC187Y 軸 l急?？刂菩盘?hào)接到電源模塊的+24V和ESP端子后，再由其相應(yīng)的輸出端接到主軸和進(jìn)給伺服放大器模塊，同時(shí)控制急停狀態(tài)。l從NC發(fā)出的主軸控制信號(hào)和返回信號(hào)經(jīng)光纜傳送到主軸伺服放大器模塊。l控制電源模塊的輸入電源的主軸接觸器MCC安裝在模塊外部。3233仿真軟件演示數(shù)字主軸連接345.3 5.3 主軸變速控制主軸變速控制主軸變速：l有級(jí)變速：配以齒輪變速的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床l無級(jí)變速：直流或交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)（常用）l分段無級(jí)變速：在交流或直流主軸伺服電動(dòng)機(jī)無級(jí)變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速（常用）35圖5-5 主軸功率轉(zhuǎn)矩特性一、無級(jí)變速

26、36二、分段無級(jí)變速l帶有變速齒輪的主傳動(dòng)l通過帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)l用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸l內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸變速37數(shù)控系統(tǒng)齒輪自動(dòng)換擋功能： M41M44首先需要在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)區(qū)設(shè)置M41M44四擋對(duì)應(yīng)的最高主軸轉(zhuǎn)速，數(shù)控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前S指令值，判斷應(yīng)處的擋，并自動(dòng)輸出相應(yīng)的M41M44指令給可編程控制器（PLC）、控制更換相應(yīng)的齒輪擋，數(shù)控裝置輸出相應(yīng)的模擬電壓。 三、自動(dòng)換擋控制 圖5-6主軸分段無極變速結(jié)構(gòu)示意圖38l 當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)讀到有擋的變化S指令時(shí)，則輸出相應(yīng)的M代碼（M41、M42、M43、M44)。輸出信號(hào)送至PMC。l 50ms后，CNC發(fā)出M選通信號(hào)Mstrobe，指示可編程控

27、制器可以讀取并執(zhí)行M代碼，選通信號(hào)持續(xù)l00ms。延遲50ms讀取，是為了讓M代碼穩(wěn)定，保證讀取的數(shù)據(jù)正確。l 可編程控制器接收到M strobe信號(hào)后，立即使M完成信號(hào)為無效，告訴數(shù)控系統(tǒng)M代碼正在執(zhí)行。圖5-7自動(dòng)換擋時(shí)序圖39l 4）PMC開始對(duì)M代碼進(jìn)行譯碼，并執(zhí)行相應(yīng)的換擋控制邏輯。l 5）M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)，以解決齒輪頂齒問題。l 6）可編程控制器完成換擋后，置M信號(hào)有效，并告訴數(shù)控系統(tǒng)換擋工作已經(jīng)完成。l 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)輸出新的模擬電壓，使主軸轉(zhuǎn)速為給定的S值。 圖5-7自動(dòng)

28、換擋時(shí)序圖40一、概述一、概述軸準(zhǔn)停功能又稱主軸定位功能(Spindle Specified Position Stop)，即當(dāng)主軸停止時(shí)，控制其停于固定的位置，這是自動(dòng)換刀所必須的功能。在自動(dòng)換刀的數(shù)控鏜銑加工中心上，切削轉(zhuǎn)矩通常是通過刀桿的端面鍵來傳遞的。這就要求主軸具有準(zhǔn)確定位于圓周上特定角度的功能，見圖5-8。當(dāng)加工階梯孔或精鏜孔后退刀時(shí)，為防止刀具與小階梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面，必須先讓刀，后再退刀，而要讓刀，刀具必須具有準(zhǔn)確功能，如 圖5-9所示。 5.4 5.4 主軸準(zhǔn)?？刂浦鬏S準(zhǔn)?？刂?1o 機(jī)械準(zhǔn)停一般要求主軸具有無級(jí)調(diào)速的功能，接受到數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出準(zhǔn)停指令（如M19）后

29、，控制主軸電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸以可以設(shè)定的準(zhǔn)停速度（一般為小于100r/min的低速，如60r/min）和方向旋轉(zhuǎn)。o 1）接收到無觸點(diǎn)開關(guān)有效信號(hào)后，停止主軸，主軸電動(dòng)機(jī)與主軸傳動(dòng)件依慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)控制定位銷伸出壓向主軸定位盤。o 2）接收到定位銷到位信號(hào)后，通知系統(tǒng)準(zhǔn)停指令完成。 二、機(jī)械準(zhǔn)停二、機(jī)械準(zhǔn)停主軸準(zhǔn)?？煞譃闄C(jī)械準(zhǔn)停與電氣準(zhǔn)停，它們的控制過程是一樣的，如圖5-10所示。 42 根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的具體特點(diǎn)，為防止定位銷提前頂死主軸而使準(zhǔn)停失敗，定位銷伸出的同時(shí)也可以不停止主軸，而是待定位銷到位后立即停止主軸。若接收到取消主軸準(zhǔn)停的指令（如M20）則控制定位銷退回，檢測(cè)到定位銷退回到位的回

30、答信號(hào)后，表示主軸準(zhǔn)停取消的指令完成。采用機(jī)械準(zhǔn)停的方式，主軸準(zhǔn)停定位銷的伸出和退回必須分別有到位檢測(cè)信號(hào)，并且必須和主軸的運(yùn)行有互鎖關(guān)系，即： 1）主軸以非準(zhǔn)停速度旋轉(zhuǎn)時(shí)不得伸出定位銷； 2）若定位銷退回到位信號(hào)無效則禁止主軸旋轉(zhuǎn)； 3）若定位銷伸出到位信號(hào)無效則禁止換刀動(dòng)作繼續(xù)進(jìn)行。43 圖5-11為典型的端面螺旋凸輪準(zhǔn)停裝置。在主軸1上固定有一個(gè)定位滾子2，主軸上空套有一個(gè)雙向端面凸輪3，該凸輪和液壓缸5中活塞桿4相連接，當(dāng)活塞帶動(dòng)凸輪3向下移動(dòng)時(shí)(不轉(zhuǎn)動(dòng))，通過撥動(dòng)定位滾子2并帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)定位銷落入端面凸輪的V形槽內(nèi)，便完成了主軸準(zhǔn)停。因?yàn)槭请p向端面凸輪，所以能從兩個(gè)方向撥動(dòng)主軸轉(zhuǎn)

31、動(dòng)以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停。這種雙向端面凸輪準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)，動(dòng)作迅速可靠，但是凸輪制造較復(fù)雜。機(jī)械準(zhǔn)停還有其他實(shí)現(xiàn)方式，如端面螺旋凸輪準(zhǔn)停等，但基本原理是一樣的。 44 目前中高檔數(shù)控系統(tǒng)均采用電氣準(zhǔn)?？刂疲捎秒姎鉁?zhǔn)?？刂朴腥缦聝?yōu)點(diǎn)： (1)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 與機(jī)械準(zhǔn)停相比，電氣準(zhǔn)停只需在主軸旋轉(zhuǎn)部件和固定部件上安裝傳感器即可。 (2)準(zhǔn)停迅速 準(zhǔn)停時(shí)間包括在換刀時(shí)間內(nèi)，而換刀時(shí)間是加工中心的一項(xiàng)重要指標(biāo)。采用電氣準(zhǔn)停，即使主軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)完成，大大縮短了準(zhǔn)停時(shí)間。 三、電氣準(zhǔn)?？刂迫㈦姎鉁?zhǔn)?？刂?45 (3)可靠性高 由于無需復(fù)雜的機(jī)械、開關(guān)、液壓缸等裝置，也沒有機(jī)械準(zhǔn)停所形成的機(jī)械沖擊、磨損，因而準(zhǔn)?？刂频膲?/p>

32、命與可靠性大大增加。 (4)控制簡(jiǎn)單 通常只需要主軸準(zhǔn)停指令信號(hào)、準(zhǔn)停完成回答信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)?？刂?。 (5)性能價(jià)格比提高 由于簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)和強(qiáng)電控制邏輯，這部分的成本大大降低。但電氣準(zhǔn)停常作為選擇功能，定購電氣準(zhǔn)停附件需要另外的費(fèi)用。但從總體來看，性能價(jià)格比提高。 46o 目前電氣準(zhǔn)停通常有磁傳感器準(zhǔn)停、編碼器準(zhǔn)停和數(shù)控系統(tǒng)準(zhǔn)停三種。o 1磁傳感器主軸準(zhǔn)停o 磁傳感器主軸準(zhǔn)?？刂朴蓴?shù)控系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)器共同完成，與機(jī)械準(zhǔn)停的控制過程有些類似。在主軸上安裝了一個(gè)磁性體，使之與主軸一起旋轉(zhuǎn)，在聚磁性體外12mm外固定一個(gè)磁性傳感器。磁性傳感器信號(hào)經(jīng)放大器與主軸控制單元連接，當(dāng)主軸需要定位準(zhǔn)停

33、時(shí)即進(jìn)行控制，其步驟如下：47 1）轉(zhuǎn)動(dòng)或停止時(shí)，數(shù)控裝置發(fā)出準(zhǔn)停指令后，立即控制主軸加速或減速至某一準(zhǔn)停速度（一般很慢）。 2）主軸到達(dá)定向速度并且檢測(cè)到準(zhǔn)停位置信號(hào)時(shí)（即磁發(fā)體與磁傳感器對(duì)準(zhǔn)），立即控制主軸停止，并向主軸驅(qū)動(dòng)器發(fā)出位控工作模式指令，主軸驅(qū)動(dòng)器控制主軸電動(dòng)機(jī)在位控模式下靜止鎖死。 3）若取消主軸準(zhǔn)停狀態(tài)，只需撤銷主軸驅(qū)動(dòng)器的位控工作模式指令，恢復(fù)到速度工作模式即可。這種準(zhǔn)停方式參考位置和準(zhǔn)停位置都是由磁性傳感器決定，受磁性傳感器的精度及磁性體回轉(zhuǎn)半徑影響，準(zhǔn)停精度不是很高。 48 安川YASKAWA主軸驅(qū)動(dòng)VS-626MT使用不同的選件可具有三種主軸電氣準(zhǔn)停方式，即磁傳感器型

34、、編碼器型以及由數(shù)控系統(tǒng)控制完成的主軸準(zhǔn)停。YASKAWA主軸驅(qū)動(dòng)加上可選定位件(Orientation Card)后，可具有磁傳感器主軸準(zhǔn)停控制功能。磁傳感器主軸準(zhǔn)?？刂朴芍鬏S驅(qū)動(dòng)自身完成。當(dāng)執(zhí)行M19時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)只需發(fā)出準(zhǔn)停起動(dòng)命令ORT，主軸驅(qū)動(dòng)完成準(zhǔn)停后會(huì)向數(shù)控系統(tǒng)回答完成信號(hào)ORE，然后數(shù)控，系統(tǒng)再進(jìn)行下面的工作。其基本結(jié)構(gòu)如圖5-12所示，基本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格如表5-2所示。 49 由于采用了磁傳感器，故應(yīng)避免將產(chǎn)生磁場(chǎng)的元件如電磁線圈、電磁閥等與磁發(fā)體和磁傳感器安裝在一起，另外磁發(fā)體(通常安裝在主軸旋轉(zhuǎn)部件上)與磁傳感器(固定不動(dòng))的安裝是有嚴(yán)格要求的，應(yīng)按說明書要求的精度安裝。 采用磁

35、傳感器準(zhǔn)停時(shí)，接受到數(shù)控系統(tǒng)發(fā)來的準(zhǔn)停開關(guān)量信號(hào)ORT，主軸立即加速或減速至某一準(zhǔn)停速度(可在主軸驅(qū)動(dòng)裝置中設(shè)定)。50 主軸到達(dá)準(zhǔn)停速度且準(zhǔn)停位置到達(dá)時(shí)(即磁發(fā)體與磁傳感器對(duì)準(zhǔn))，主軸即減速至某一爬行速度(可在主軸驅(qū)動(dòng)裝置中設(shè)定)。然后當(dāng)磁傳感器信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，主軸驅(qū)動(dòng)立即進(jìn)入磁傳感器作為反饋元件的閉環(huán)控制，目標(biāo)位置即為準(zhǔn)停位置。準(zhǔn)停完成后，主軸驅(qū)動(dòng)裝置輸出準(zhǔn)停完成ORE停號(hào)給數(shù)控系統(tǒng)，從而可進(jìn)行自動(dòng)換刀(ATC)或其他動(dòng)作。磁發(fā)體與磁傳感器在主軸上位置示意如圖5-13所示，準(zhǔn)?？刂茣r(shí)序如圖5-14所示。51 編碼器主軸準(zhǔn)停功能由主軸驅(qū)動(dòng)器完成，數(shù)控系統(tǒng)只需發(fā)出準(zhǔn)停指令信號(hào)然后監(jiān)測(cè)主軸驅(qū)動(dòng)器返回

36、的準(zhǔn)停完成信號(hào)即可。在準(zhǔn)停參考位置的獲取上可以分為磁性傳感器式和編碼器Z脈沖式兩種。準(zhǔn)停中主軸驅(qū)動(dòng)器的工作過程如下： 1）接收到準(zhǔn)停指令后，控制主軸電動(dòng)機(jī)以準(zhǔn)停速度和準(zhǔn)停旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)。 2）監(jiān)測(cè)到準(zhǔn)停參考位置信號(hào)后，控制主軸電動(dòng)機(jī)相對(duì)準(zhǔn)停參考位置轉(zhuǎn)過一個(gè)角度（該角度可以在主軸驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)定和修改）后靜止鎖死。編碼器準(zhǔn)停與磁傳感器的相對(duì)位置。這種準(zhǔn)停方式可以在主軸驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部隨意修改調(diào)整。 2 2編碼器型主軸準(zhǔn)停編碼器型主軸準(zhǔn)停 52 主軸準(zhǔn)停參考位置由磁性傳感器獲得時(shí)，可以采用主軸電動(dòng)機(jī)內(nèi)部安裝的編碼器信號(hào)（來自于主軸驅(qū)動(dòng)裝置），也可以在主軸上直接安裝其他編碼器，用于控制主軸轉(zhuǎn)過的相對(duì)角度；若采

37、用編碼器Z脈沖來獲得主軸準(zhǔn)停參考位置，則必須安裝與主軸同步旋轉(zhuǎn)的編碼器。 另外需要說明的是，無論采用何種準(zhǔn)停方式（特別是磁傳感器定位方式），當(dāng)需要在主軸上安裝元件時(shí)應(yīng)注意平衡問題。因?yàn)閿?shù)控機(jī)床的主軸精度、轉(zhuǎn)速都很高，因此對(duì)動(dòng)平衡要求很嚴(yán)格。一般中速以下的主軸的不平衡影響不是很大，但高速主軸的不平衡會(huì)引起主軸振動(dòng)。為適應(yīng)主軸高速化的需要，國(guó)外已開發(fā)出整環(huán)式磁傳感器主軸準(zhǔn)停裝置，由于磁性體采用整環(huán)形式，動(dòng)平衡較好。 53 安川YASKAWA主軸驅(qū)動(dòng)VS-626MT配置選件板則可具有編碼器主軸準(zhǔn)停功能。這種準(zhǔn)?？刂埔彩峭耆芍鬏S驅(qū)動(dòng)完成的，CNC只需發(fā)出準(zhǔn)停命令ORT即可，主軸驅(qū)動(dòng)完成準(zhǔn)停后回答準(zhǔn)停完成ORE信號(hào)。基本規(guī)格如表5-3 位置檢測(cè)方式使用編碼器A，B，C信號(hào)準(zhǔn)停位置基本準(zhǔn)停位置為編碼器零位C脈沖到達(dá)處，準(zhǔn)停位置偏移可在主軸驅(qū)動(dòng)內(nèi)部或外部指定重復(fù)準(zhǔn)停精度小于0.20誤差修正力矩額定力矩/0.10誤差選件板JPAC-C236編碼器型號(hào)PC-1024ZLH表表5-3 YASKAWA5-3 YASKAWA編碼器準(zhǔn)停規(guī)格編碼器準(zhǔn)停規(guī)格 54 圖5-15為編碼器主軸準(zhǔn)停控制結(jié)構(gòu)圖?？刹捎弥鬏S電動(dòng)機(jī)內(nèi)置安裝的編碼器信號(hào)(來自主軸驅(qū)動(dòng)裝置)