數(shù)控技術(shù)課件：數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)與控制 -

數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)與控制DriveAndControlOfCNCMachineToolSpindle

數(shù)控技術(shù)（TechnologyofNumericalControl）

數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)與控制DriveAndControlOfCNCMachineToolSpindle

6.1概述（Summary）6.2主軸驅(qū)動(dòng)與控制(SpindleDriveandControl)6.3主軸準(zhǔn)?？刂疲⊿pindleStopControl）

6.4數(shù)控機(jī)床主軸伺服系統(tǒng)實(shí)例（ServosysteminstanceofCNCmachinetool）數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)與控制DriveAndControlOfCNCMachineToolSpindle

導(dǎo)入案例：傳統(tǒng)機(jī)床主軸是通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)而工作的，電主軸的主要特點(diǎn)是將電機(jī)置于主軸內(nèi)部，通過驅(qū)動(dòng)電源直接驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)、主軸的一體化功能。電主軸是將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品。電主軸實(shí)際是指電主軸系統(tǒng)，由電主軸、驅(qū)動(dòng)控制器、編碼器、潤(rùn)滑裝置、冷卻裝置等組成。國(guó)產(chǎn)電主軸的價(jià)位從幾萬元到十幾萬元不等，電主軸技術(shù)水平的高低、性能的優(yōu)劣都直接決定和影響著數(shù)控機(jī)床整機(jī)的技術(shù)水平和性能，也制約著主機(jī)的發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的“芯片”---電主軸

1.主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功能

6.1概述主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過控制主軸電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)主軸上安裝的刀具或工件的切削力矩和切削速度，配合進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，加工出理想的零件。因此，主軸驅(qū)動(dòng)的主要功能是為各類工件的加工提供所需的切削功率。

此外，當(dāng)數(shù)控機(jī)床具有螺紋加工、恒線速加工以及準(zhǔn)停要求（比如加工中心換刀）時(shí)，對(duì)主軸也提出了相應(yīng)的位置控制要求，所以此類數(shù)控機(jī)床還具有主軸與進(jìn)給聯(lián)動(dòng)功能和準(zhǔn)停控制功能。2.數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求

（1）調(diào)速范圍寬并實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。（2）恒功率范圍寬。（3）具有四象限驅(qū)動(dòng)能力。（4）具有位置控制能力。（5）具有較高的精度與剛度、傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音低（6）良好的抗振性和熱穩(wěn)定性。6.1概述3.主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類

6.1概述

(1)直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

在20世紀(jì)70年代初至80年代中期在數(shù)控機(jī)床上占據(jù)主導(dǎo)地位，這是由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速性能，輸出力矩大，過載能力強(qiáng)，精度高，控制原理簡(jiǎn)單，易于調(diào)整。但是直流電機(jī)具有機(jī)械換向的弱點(diǎn)，電刷和換向器易磨損，需經(jīng)常維護(hù)，且換向器換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，最高速度受到限制，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難、制造成本高等缺點(diǎn)，因此應(yīng)用受到很多限制。

6.1概述

(2)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，加之交流伺服電動(dòng)機(jī)材料、結(jié)構(gòu)及控制理論有了突破性的進(jìn)展，80年代初期推出了交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，標(biāo)志著新一代驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開始，由于交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)保持了直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)越性，而且交流電動(dòng)機(jī)無需維護(hù)，便于制造，不受惡劣環(huán)境影響，所以目前直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已逐步被交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所取代。從90年代開始，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已走向數(shù)字化，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電流環(huán)、速度環(huán)的反饋控制已全部數(shù)字化，系統(tǒng)的控制模型和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償均由高速微處理器實(shí)時(shí)處理，增強(qiáng)了系統(tǒng)自診斷能力，提高了系統(tǒng)的快速性和精度。4.交流主軸電動(dòng)機(jī)目前，交流主軸驅(qū)動(dòng)中大多采用鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)。三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要有定子和轉(zhuǎn)子兩大部分，還有端蓋、軸承、接線盒等附件，如圖6.1所示。

6.1概述鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、運(yùn)行可靠、維修成本低和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。5．主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案及使用范圍6.1概述（1）普通籠型異步電動(dòng)機(jī)配齒輪變速箱這是最經(jīng)濟(jì)的一種方法主軸配置方式，但只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，由于電動(dòng)機(jī)始終工作在額定轉(zhuǎn)速下，經(jīng)齒輪減速后，在主軸低速下輸出力矩大，重切削能力強(qiáng)，非常適合粗加工和半精加工的要求。如果加工產(chǎn)品比較單一，對(duì)主軸轉(zhuǎn)速?zèng)]有太高的要求，配置在數(shù)控機(jī)床上也能起到很好的效果；它的缺點(diǎn)是噪音比較大，由于電機(jī)工作在工頻下，主軸轉(zhuǎn)速范圍不大，不適合有色金屬和需要頻繁變換主軸速度的加工場(chǎng)合。

（2）普通籠型異步電動(dòng)機(jī)配簡(jiǎn)易型變頻器

可以實(shí)現(xiàn)主軸的無級(jí)調(diào)速，主軸電動(dòng)機(jī)只有工作在約500轉(zhuǎn)/分鐘以上才能有比較滿意的力矩輸出，否則，特別是車床很容易出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)的情況，一般會(huì)采用兩擋齒輪或皮帶變速，但主軸仍然只能工作在中高速范圍，另外因?yàn)槭艿狡胀妱?dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速的限制，主軸的轉(zhuǎn)速范圍受到較大的限制。這種方案適用于需要無級(jí)調(diào)速但對(duì)低速和高速都不要求的場(chǎng)合，例如數(shù)控鉆銑床。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的簡(jiǎn)易型變頻器較多。

6.1概述

（3）普通籠型異步電動(dòng)機(jī)配通用變頻器目前進(jìn)口的通用變頻器，除了具有U/f曲線調(diào)節(jié)，一般還具有無反饋矢量控制功能，會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的低速特性有所改善，配合兩級(jí)齒輪變速，基本上可以滿足車床低速（100—200轉(zhuǎn)/分鐘）小加工余量的加工，但同樣受最高電動(dòng)機(jī)速度的限制。這是目前經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床比較常用的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

6.1概述（4）專用變頻電動(dòng)機(jī)配通用變頻器

一般采用有反饋矢量控制，低速甚至零速時(shí)都可以有較大的力矩輸出，有些還具有定向甚至分度進(jìn)給的功能，是非常有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。以先馬YPNC系列變頻電動(dòng)機(jī)為例，電壓：三相200V、220V、380V、400V可選；輸出功率：1.5-18.5KW；變頻范圍2-200Hz；最高轉(zhuǎn)速r/min；30min150%過載能力；支持V/f控制、V/f+PG（編碼器）控制、無PG矢量控制、有PG矢量控制。提供通用變頻器的廠家以國(guó)外公司為主，如：西門子、安川、富士、三菱、日立等。對(duì)于中檔數(shù)控機(jī)床而言主要采用這種方案。其主軸傳動(dòng)僅采用兩擋變速甚至僅一擋即可實(shí)現(xiàn)100—200r/min左右時(shí)車、銑的重力切削。一些有定向功能的還可以應(yīng)用于要求精鏜加工的數(shù)控鏜銑床。但若應(yīng)用在加工中心上，還不很理想，必須采用其他輔助機(jī)構(gòu)完成定向換刀的功能，而且也不能達(dá)到剛性攻絲的要求。

6.1概述

（5)伺服主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

伺服主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有響應(yīng)快、速度高、過載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)定向和進(jìn)給功能，當(dāng)然價(jià)格也是最高的，通常是同功率變頻器主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的2--3倍以上。伺服主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要應(yīng)用于加工中心上，用以滿足系統(tǒng)自動(dòng)換刀、剛性攻絲、主軸C軸進(jìn)給功能等對(duì)主軸位置控制性能要求很高的加工。6.1概述（6)電主軸電主軸是主軸電動(dòng)機(jī)的一種結(jié)構(gòu)形式，驅(qū)動(dòng)器可以是變頻器或主軸伺服，也可以不要驅(qū)動(dòng)器。電主軸由于電機(jī)和主軸合二為一，沒有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此，大大簡(jiǎn)化了主軸的結(jié)構(gòu)，并且提高了主軸的精度，但是抗沖擊能力較弱，而且功率還不能做得太大，一般在10KW以下。由于結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，電主軸主要向高速方向發(fā)展，一般在10000r/min以上。安裝電主軸的機(jī)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，在雕刻機(jī)和有色金屬以及非金屬材料加工機(jī)床上應(yīng)用較多，這些機(jī)床由于只對(duì)主軸高轉(zhuǎn)速有要求，因此，往往不用主軸驅(qū)動(dòng)器。6.1概述6．常用的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

6.1概述（1）FANUC（法那科）公司主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從80年代開始，該公司已使用了交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已被交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所取代。目前三個(gè)系列交流主軸電動(dòng)機(jī)為：S系列電動(dòng)機(jī)，額定輸出功率范圍1.5～37KW；H系列電動(dòng)機(jī)，額定輸出功率范圍1.5～22KW；P系列電動(dòng)機(jī)，額定輸出功率范圍3.7～37KW。該公司交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)為：①采用為處理器控制技術(shù)，進(jìn)行矢量計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)最佳控制。②主回路采用晶體管PWM逆變器，使電動(dòng)機(jī)電流非常接近正弦波性。③具有主軸定向控制、數(shù)字和模擬輸入接口等功能。6.1概述（2）SIEMENS（西門子）公司主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

SIEMENS公司生產(chǎn)的直流主軸電動(dòng)機(jī)有1GG5、1GF5、1GL5和1GH5四個(gè)系列，與這四個(gè)系列電動(dòng)機(jī)配套的6RA24、6RA27系列驅(qū)動(dòng)裝置采用晶閘管控制。80年代初期，該公司又推出了1PH5和1PH6兩個(gè)系列的交流主軸電動(dòng)機(jī)，功率范圍為3～100KW。驅(qū)動(dòng)裝置為6SC650系列交流主軸驅(qū)動(dòng)裝置或6SC611A（SIMODRIVE611A）主軸驅(qū)動(dòng)模塊，主回路采用晶體管SPWM變頻器控制的方式，具有能量再生制動(dòng)功能。另外，采用為處理器80186可進(jìn)行閉環(huán)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制及磁場(chǎng)計(jì)算，從而完成矢量控制。同過選件實(shí)現(xiàn)C軸進(jìn)給控制，在不需要CNC的幫助下，實(shí)現(xiàn)主軸的定位控制。（3）DANFOSS（丹佛斯）公司系列變頻器

該公司目前應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床上的變頻器系列常用的有：VLT2800，可并列式安裝方式，具有寬范圍配接電機(jī)功率：0.37KW-7.5KW200V/400；VLT5000，可在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行精確的滑差補(bǔ)償，并在3ms內(nèi)完成。在使用串行通訊時(shí)，VLT5000對(duì)每條指令的響應(yīng)時(shí)間為0.1ms，可使用任何標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)與VLT5000匹配。

6.1概述

（4）HITACHI（日立）公司系列變頻器

HITACHI公司的主軸變頻器應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床上通常有：L100系列通用型變頻，額定輸出功率范圍為0.2KW-7.5KW，V/f特性可選恒轉(zhuǎn)矩/降轉(zhuǎn)矩，可手動(dòng)/自動(dòng)提升轉(zhuǎn)矩，載波頻率0.5HZ-16HZ連續(xù)可調(diào)。日立SJ100系列變頻器，是一種矢量型變頻，額定輸出功率范圍為0.2KW-7.5KW，載波頻率在0.5HZ-16HZ內(nèi)連續(xù)可調(diào)，加減速過程中可分段改變加減速時(shí)間，可內(nèi)部/外部啟動(dòng)直流制動(dòng)；日立SJ200/300系列變頻器，額定輸出功率范圍為0.75KW-132KW，具有2臺(tái)電機(jī)同時(shí)無速度傳感器矢量控制運(yùn)行且電機(jī)常數(shù)在/離線自整定。6.1概述

（5）HNC（華中數(shù)控）公司系列主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

HSV-20S是武漢華中數(shù)控股份有限公司推出的全數(shù)字交流主軸驅(qū)動(dòng)器，采用最新的專用運(yùn)動(dòng)控制DSP、大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列（FPGA）和智能化功率模塊（IPM）等當(dāng)今最新技術(shù)設(shè)計(jì)，具有025、050、075、100多種型號(hào)規(guī)格，具有很寬的功率選擇范圍。該驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便、可靠性高，用戶可根據(jù)要求選配不同型號(hào)驅(qū)動(dòng)器和交流主軸電機(jī)，形成高可靠、高性能的交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

6.1概述6.2.1數(shù)控裝置對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)的控制

數(shù)控裝置對(duì)主軸要完成的兩個(gè)最基本的控制任務(wù)是旋轉(zhuǎn)方向的控制和轉(zhuǎn)速大小的控制。實(shí)現(xiàn)該控制任務(wù)的方式有三種：（1）數(shù)控裝置通過主軸模擬電壓輸出接口輸出0～10V模擬電壓至主軸驅(qū)動(dòng)裝置（變頻器或伺服驅(qū)動(dòng)裝置），電壓極性控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，電壓的大小控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。（2）數(shù)控裝置通過主軸模擬電壓輸出接口輸出0～10V模擬電壓至主軸驅(qū)動(dòng)裝置控制轉(zhuǎn)速大?。o級(jí)調(diào)速），電機(jī)正反轉(zhuǎn)通過PLC的開關(guān)量信號(hào)來控制。（3）數(shù)控裝置通過輸出幾位開關(guān)量信號(hào)控制相應(yīng)的接觸器實(shí)現(xiàn)主軸的有級(jí)調(diào)速。

6.2主軸驅(qū)動(dòng)與控制(SpindleDriveandControl)

6.2.2主軸無級(jí)調(diào)速

由于直流電動(dòng)機(jī)已逐漸被淘汰，主軸驅(qū)動(dòng)常使用交流電動(dòng)機(jī)，由于受永磁體的限制，交流同步電動(dòng)機(jī)功率做得很大時(shí)，電動(dòng)機(jī)成本太高,因此目前在數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)中，均采用籠型異步電動(dòng)機(jī)。目前,交流主軸電動(dòng)機(jī)廣泛采用變頻器來進(jìn)行調(diào)速。變頻器調(diào)速具有平滑、調(diào)速范圍大、效率高、啟動(dòng)電流小、運(yùn)行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯的優(yōu)點(diǎn)。6.2主軸驅(qū)動(dòng)與控制(SpindleDriveandControl)

圖6.3所示為西門子802C數(shù)控系統(tǒng)的變頻調(diào)速控制連接圖。主軸電機(jī)的正反轉(zhuǎn)通過繼電器KA2和KA3控制，轉(zhuǎn)速大小通過X7口模擬電壓值大小控制。6.2主軸驅(qū)動(dòng)與控制(SpindleDriveandControl)

6.2.3主軸分段無級(jí)調(diào)速

6.2主軸驅(qū)動(dòng)與控制(SpindleDriveandControl)

采用電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速，使主軸齒輪箱的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，但其低速段輸出力矩常常無法滿足數(shù)控機(jī)床強(qiáng)力切削的要求。如單純片面追求無級(jí)調(diào)速，勢(shì)必要增大主軸電動(dòng)機(jī)的功率，從而使主軸電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)裝置的體積、重量及成本大大增加。因此數(shù)控機(jī)床常采用1～4擋齒輪變速與無級(jí)調(diào)速相結(jié)合的方式，即所謂的分段無級(jí)調(diào)速。當(dāng)機(jī)床需要重力切削時(shí)，可以通過M代碼進(jìn)行齒輪減速，從而可以增大輸出扭矩。主軸分段無級(jí)調(diào)速通常采用齒輪自動(dòng)變速，達(dá)到同時(shí)滿足低速轉(zhuǎn)矩和最高主軸轉(zhuǎn)速的要求。一般說來，數(shù)控系統(tǒng)均提供4擋變速功能的要求，而數(shù)控機(jī)床通常使用2擋即可滿足要求。

數(shù)控機(jī)床在加工時(shí)，主軸是按零件加工程序中主軸速度指令所指定的轉(zhuǎn)速來自動(dòng)運(yùn)行。數(shù)控系統(tǒng)通過兩類主軸速度指令信號(hào)來進(jìn)行控制，即用模擬量信號(hào)或數(shù)字量信號(hào)（程序中的S代碼）來控制主軸電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)調(diào)速電路，同時(shí)采用開關(guān)量信號(hào)（程序中用M41～M44代碼）來控制機(jī)械齒輪變速自動(dòng)換擋的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖6.4所示。6.2主軸驅(qū)動(dòng)與控制(SpindleDriveandControl)

2.自動(dòng)換擋的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋的實(shí)現(xiàn)是由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前S指令值的大小判斷齒輪變速的檔位，并通過M41～M44自動(dòng)控制換擋機(jī)構(gòu)切換到相應(yīng)的齒輪擋，從而改變主軸的輸出扭矩。常用的自動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)有液壓拔叉和電磁離合器兩種方法。6.2主軸驅(qū)動(dòng)與控制(SpindleDriveandControl)

（1）液壓拔叉換擋液壓拔叉是一種用液壓缸帶動(dòng)齒輪移動(dòng)的變速機(jī)構(gòu)。圖6.5為三位液壓拔叉的原理圖。（2）電磁離合器換擋電磁離合器換擋是利用電磁效應(yīng)接通或切斷運(yùn)行的元件，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋。在數(shù)控機(jī)床中常使用無滑環(huán)摩擦片式電磁離合器和牙嵌式電磁離合器換擋機(jī)構(gòu)。

6.2主軸驅(qū)動(dòng)與控制(SpindleDriveandControl)

主軸準(zhǔn)停功能又稱主軸定位功能，當(dāng)主軸停止時(shí)，能控制其停于固定位置（定位于圓周上特定角度）。主軸準(zhǔn)停的目的主要有兩個(gè)：

6.3主軸準(zhǔn)?？刂疲⊿pindleStopControl）

（1）自動(dòng)換刀在數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床以及鏜銑為主的加工中心上，切削轉(zhuǎn)矩通常是通過主軸上的端面鍵和刀柄上的鍵槽來傳遞的，因此每一次自動(dòng)換刀時(shí)，都必須使刀柄上的鍵槽對(duì)準(zhǔn)主軸的端面鍵，因而要求主軸每次停在一個(gè)固定的準(zhǔn)確的位置上。圖6.6為數(shù)控加工中心用刀柄實(shí)物圖。換刀準(zhǔn)停指令一般采用M06。

（2）鏜孔退刀在精鏜孔退刀時(shí)，為了避免刀尖劃傷已加工表面，采用主軸準(zhǔn)?？刂?，使刀尖停在一個(gè)固定的位置，以便主軸偏移一定尺寸后，使刀尖離開工件表面進(jìn)行退刀。圖6.7(a)為鏜孔退刀示意圖。同理，在通過前壁小孔鏜內(nèi)壁大孔時(shí)，同樣也需要采用主軸準(zhǔn)?？刂?，使刀尖停在一個(gè)固定的位置，以便主軸偏移一定尺寸后，使刀尖通過前壁小孔進(jìn)入箱體內(nèi)對(duì)大孔進(jìn)行鏜削，通過小孔鏜大孔如圖6.7(b)所示。鏜孔退刀時(shí)控制主軸準(zhǔn)停的指令一般采用M19。6.3主軸準(zhǔn)?？刂疲⊿pindleStopControl）

主軸準(zhǔn)停的控制方式包括機(jī)械準(zhǔn)停和電氣準(zhǔn)停兩種類型。6.3主軸準(zhǔn)?？刂疲⊿pindleStopControl）6.3.1機(jī)械準(zhǔn)停控制1．機(jī)械準(zhǔn)?？刂聘攀鰴C(jī)械方式采用機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)或光電盤方式進(jìn)行粗定位，然后有一個(gè)液動(dòng)或氣動(dòng)的定位銷插入主軸上的銷孔或銷槽實(shí)現(xiàn)精確定位，完成換刀后定位銷退出，主軸才開始旋轉(zhuǎn)。機(jī)械準(zhǔn)停裝置比較準(zhǔn)確可靠，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在早期數(shù)控機(jī)床上使用較多。。6.3主軸準(zhǔn)?？刂疲⊿pindleStopControl）2．機(jī)械準(zhǔn)停裝置的工作原理圖6.8所示為一種帶V型槽的機(jī)械準(zhǔn)停裝置，主要由無觸點(diǎn)開關(guān)1、感應(yīng)塊2、帶V型槽的定位盤3、定向滾輪4、定位置塞5、定位液壓缸6等組成。準(zhǔn)停裝置裝在主軸尾部，當(dāng)它停下后，主軸即被停住。帶V型槽的機(jī)械準(zhǔn)停裝置的工作過程：CNC發(fā)出停車M19指令→主軸以低速旋轉(zhuǎn)（約20r/min）→延時(shí)繼電器延時(shí)一段時(shí)間（約4--6s）→接通無觸點(diǎn)1的開關(guān)電源→感應(yīng)塊2觸發(fā)無觸點(diǎn)開關(guān)后→主電機(jī)停轉(zhuǎn)并斷開主傳動(dòng)鏈→主軸因慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)→無觸點(diǎn)開關(guān)信號(hào)同時(shí)發(fā)信號(hào)給液壓缸6→液壓缸6的右腔進(jìn)油→定向活塞5左移→定向滾輪4在定位盤上滾動(dòng)→定向滾輪4頂入定位盤3的V型槽→行程開關(guān)LS2發(fā)出信號(hào)，主軸準(zhǔn)停完成。當(dāng)定位活塞5向右移到位時(shí)，壓下行程開關(guān)LSl時(shí)，行程開關(guān)LSl發(fā)出定向滾輪4退出V型槽的信號(hào)，此時(shí)主軸可啟動(dòng)工作。

6.3.2電氣準(zhǔn)停控制

現(xiàn)代數(shù)控銑床一般都采用電氣式主軸準(zhǔn)停裝置，只要數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令信號(hào)主軸就可以準(zhǔn)確地定向。

6.3主軸準(zhǔn)?？刂疲⊿pindleStopControl）1．電氣準(zhǔn)?？刂频膬?yōu)點(diǎn)（1）簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)；（2）準(zhǔn)停時(shí)間縮短；（3）可靠性增加；（4）性價(jià)比高等。

2．主軸電氣準(zhǔn)?？刂品诸愲姎鉁?zhǔn)停實(shí)現(xiàn)的方法較多，常見的有磁傳感器準(zhǔn)停、編碼器準(zhǔn)停和數(shù)控系統(tǒng)準(zhǔn)停。其中磁傳感器準(zhǔn)停裝置應(yīng)用最為普遍。

6.3主軸準(zhǔn)?？刂疲⊿pindleStopControl）（1）磁傳感器型主軸準(zhǔn)停裝置（2）編碼器型主軸準(zhǔn)停裝置6.3主軸準(zhǔn)?？刂疲⊿pindleStopControl）

(3）數(shù)控系統(tǒng)控制主軸準(zhǔn)停裝置

6.3主軸準(zhǔn)?？刂疲⊿pindleStopControl）小知識(shí)：主軸準(zhǔn)停有時(shí)不準(zhǔn)的解決方法。當(dāng)主軸準(zhǔn)停出現(xiàn)不準(zhǔn)的現(xiàn)象時(shí)，可反復(fù)執(zhí)行定位指令M19進(jìn)行定位，查看是否頻繁的出現(xiàn)準(zhǔn)停不準(zhǔn)的現(xiàn)象：（1）如果每次都不準(zhǔn)，但每次準(zhǔn)停的位置相同，就通過調(diào)整參數(shù)進(jìn)行修正，伺服主軸在系統(tǒng)參數(shù)上調(diào)整，變頻主軸在變頻器上調(diào)整。（2）如果偶爾出現(xiàn)不準(zhǔn)，且偏差不大，檢查電機(jī)定位系統(tǒng)，如果有外部定位開關(guān)的，先檢查定位開關(guān)的靈敏性，如果沒有檢查伺服與電機(jī)編碼器線。（3）如果頻繁出現(xiàn)，且定位偏差每次不一樣，時(shí)大時(shí)小，通常是應(yīng)用內(nèi)部定位的，檢查電機(jī)與主軸的連接，是否出現(xiàn)松動(dòng)不同步的情況。6.3主軸準(zhǔn)?？刂疲⊿pindleStopControl）在加工回轉(zhuǎn)類零件時(shí)，有時(shí)候還要保證主軸旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)按照一定的關(guān)系進(jìn)行，如螺紋和端面的加工。

6.4主軸旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給軸的關(guān)聯(lián)控制（AssociationControlBetweenSpindlerotationandFeedshaft）6.4.1主軸旋轉(zhuǎn)與軸向進(jìn)給的關(guān)聯(lián)控制在數(shù)控機(jī)床上加工螺紋時(shí)，為保證切削螺紋的螺距，需要保證以下條件：（1）為保證螺紋不出現(xiàn)亂扣現(xiàn)象，應(yīng)保證加工同一螺紋的切入點(diǎn)相同。（2）在加工等螺距螺紋時(shí)，應(yīng)保證帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)的主軸每轉(zhuǎn)1周，進(jìn)給軸進(jìn)給的位移量為螺距。（3）在加工有規(guī)律的遞增或遞減的變螺距螺紋時(shí)，應(yīng)使帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)的主軸轉(zhuǎn)數(shù)與進(jìn)給軸的進(jìn)給量按照一定的規(guī)律遞減或遞增。

6.4.2主軸旋轉(zhuǎn)與徑向進(jìn)給的關(guān)聯(lián)控制在利用數(shù)控車床或數(shù)控磨床加工端面時(shí)，為了保證加工端面的平整光潔，就必須使該表面的表面粗糙度Ra小于或等于某值。由機(jī)械加工工藝知識(shí)可知，要使表面粗糙度為某值，需保證工件與切削刃接觸點(diǎn)處的切削速度為一恒定值，即要實(shí)現(xiàn)恒線速度加工。由于在加工端面時(shí)，刀具要不斷地做徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而使刀具的切削直徑逐漸減小。由切削速度與主軸轉(zhuǎn)速n的關(guān)系可知，若保持切削速度恒定不變，當(dāng)切削直徑d逐漸減小時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速n必須逐漸增大。因此，數(shù)控裝置必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制軟件來完成主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)整。

6.4主軸旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給軸的關(guān)聯(lián)控制（AssociationControlBetweenSpindlerotationandFeedshaft）6.4主軸旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給軸的關(guān)聯(lián)控制（AssociationControlBetweenSpindlerotationandFeedshaft）數(shù)控主軸伺服系統(tǒng)品牌較多，這里以國(guó)產(chǎn)華中數(shù)控HNC-210為例說明。

6.5數(shù)控機(jī)床主軸伺服系統(tǒng)實(shí)例（ServosysteminstanceofCNCmachinetool）6.4.1數(shù)控裝置與主軸伺服系統(tǒng)的控制連接形式

HNC-210數(shù)控裝置可連接各種主軸驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)、定向，調(diào)速等控制，還可以外接主軸編碼器，實(shí)現(xiàn)螺紋車削和銑床上的剛性攻絲功能。HNC-210數(shù)控裝置的主軸控制接口包括兩組：

主軸控制接口0：XS9；主軸控制接口1：XS90、XS91；如圖6.12所示。6.5數(shù)控機(jī)床主軸伺服系統(tǒng)實(shí)例（ServosysteminstanceofCNCmachinetool）6.5數(shù)控機(jī)床主軸伺服系統(tǒng)實(shí)例（ServosysteminstanceofCNCmachinetool）1．主軸啟停主軸啟?？刂朴蒔LC承擔(dān)，一般定義接通有效，這樣當(dāng)Y1.0接通時(shí)可控制主軸裝置正轉(zhuǎn)，Y1.1接通時(shí)，主軸裝置反轉(zhuǎn)，二者都不接通時(shí)，主軸裝置停止旋轉(zhuǎn)。在使用某些主軸變頻器或主軸伺服單元時(shí)也用Y1.0、Y1.1作為主軸單元的使能信號(hào)。與主軸啟停有關(guān)的信號(hào)如表6.1所示。

2．主軸速度控制

主軸工作在速度方式時(shí)，HNC-210通過XS91主軸接口中的模擬量輸出可控制主軸轉(zhuǎn)速，其中AOUT1的輸出范圍為-10V～+10V用于雙極性速度指令輸入的主軸驅(qū)動(dòng)單元或變頻器，這時(shí)采用使能信號(hào)控制主軸的啟、停。電壓正負(fù)控制轉(zhuǎn)向，電壓大小控制轉(zhuǎn)速大小。AOUT2的輸出范圍為0～+10V，用于單極性速度指令輸入的主軸驅(qū)動(dòng)單元或變頻器，這時(shí)采用主軸正轉(zhuǎn)、主軸反轉(zhuǎn)信號(hào)開關(guān)量控制主軸的正、反轉(zhuǎn)。模擬電壓的值由用戶PLC程序送到Y(jié)[12]、Y[13]確定，Y[12]、Y[13]組成的16位數(shù)字量與模擬電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表表6.2所示。

6.5數(shù)控機(jī)床主軸伺服系統(tǒng)實(shí)例（ServosysteminstanceofCNCmachinetool）3．主軸定向控制實(shí)現(xiàn)主軸定向控制的方案一般有:（1）采用帶主軸定向功能的主軸驅(qū)動(dòng)單元:由PLC發(fā)生主軸定向命令即Y1.3接通，主軸單元完成定向后送回主軸定向完成信號(hào)X3.3。表6.3為與主軸定向有關(guān)的輸入/輸出開關(guān)量信號(hào)。6.5數(shù)控機(jī)床主軸伺服系統(tǒng)實(shí)例（ServosysteminstanceofCNCmachinetool）6.5數(shù)控機(jī)床主軸伺服系統(tǒng)實(shí)例（ServosysteminstanceofCNCmachinetool）（2）采用伺服主軸,即主軸工作在位控方式下:主軸作為一個(gè)伺服軸控制，可在需要時(shí)由用戶PLC程序控制定向到任意角度。（3）采用機(jī)械方式實(shí)現(xiàn):根據(jù)所采用的具體方式，用戶可自行定義有關(guān)的PLC輸入/輸出點(diǎn)，并編制相應(yīng)PLC程序控制外部電磁閥、液壓閥驅(qū)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定向。三種主軸定向控制的方案及控制方式如表6.4所示。4．主軸換檔控制

主軸自動(dòng)換檔通過PLC控制完成。使用主軸變頻器或主軸伺服時(shí)，需要在用戶PLC程序中根據(jù)不同的檔位確定主軸速度指令（模擬電壓）的值。車床通常為手動(dòng)換檔，如果安裝了主軸編碼器，則需要在用戶PLC程序中根據(jù)主軸編碼器反饋的主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速自動(dòng)判斷主軸目前的檔位，以調(diào)整主軸速度指令（模擬電壓）的值。主軸自動(dòng)換檔的過程根據(jù)實(shí)際確定，請(qǐng)參考PLC編程手冊(cè)。

6.5數(shù)控機(jī)床主軸伺服系統(tǒng)實(shí)例（ServosysteminstanceofCNCmachinetool）5．主軸編碼器連接

通過主軸接口XS9或XS90可外接主軸編碼器，用于螺紋加工、攻絲等，本數(shù)控裝置可接入兩種輸出類型的編碼器，差分TTL方波或單極性TTL方波。一般建議使用差分編碼器，從而確保長(zhǎng)的傳輸距離的可靠性及提高抗干擾能力。

6.5數(shù)控機(jī)床主軸伺服系統(tǒng)實(shí)例（ServosysteminstanceofCNCmachinetool）

6.5.2數(shù)控裝置與主軸伺服系統(tǒng)的控制連接實(shí)例

1．主軸連接實(shí)例—普通三相異步電機(jī)

當(dāng)用無調(diào)速裝置的交流異步電機(jī)作為主軸電機(jī)時(shí)，只需利用數(shù)控裝置輸出開關(guān)量控制中間繼電器和接觸器，即可控制主軸電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止。如圖6.13所示。圖中，KA3、KM3控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、KA4、KM4控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。