《數(shù)控原理與系統(tǒng)》第章主軸驅(qū)動(dòng)及控制

第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制概述主軸的分段無(wú)級(jí)調(diào)速及控制主軸準(zhǔn)?？刂菩〗Y(jié)習(xí)題第一頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制本章導(dǎo)讀本章主要介紹主軸驅(qū)動(dòng)裝置的特性與連接方法、主軸分段無(wú)級(jí)調(diào)速控制、主軸準(zhǔn)停控制等內(nèi)容。通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，了解數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸的要求，熟悉主軸驅(qū)動(dòng)裝置的一般連接方法，掌握主軸調(diào)速、準(zhǔn)停控制方法。第二頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制6.1

概述數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)有很大的差別。主軸的運(yùn)動(dòng)通常是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以調(diào)速和功率驅(qū)動(dòng)為主。隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)和控制提出了更高的要求。第三頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制6.1.1數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸控制的要求一般來(lái)說(shuō)，數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸系統(tǒng)有以下要求。（1）調(diào)速范圍寬。要求有較寬的調(diào)速范圍，以保證加工時(shí)選用

合理的切削用量，獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量；并希望能夠無(wú)級(jí)調(diào)速，以簡(jiǎn)化主軸箱設(shè)計(jì)。調(diào)速范圍一般要求達(dá)到1：100以上。第四頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制（2）恒功率調(diào)速范圍寬，并能提高足夠的切削功率。由于在金屬切削加工工藝中，一般在精加工時(shí)小吃刀量，高轉(zhuǎn)速；粗加工時(shí)大吃刀量，低轉(zhuǎn)速；具有恒功率的特性。這就要求主軸系統(tǒng)具有較寬的恒功率調(diào)速范圍，才能滿足負(fù)載特性的需要。但由于受主軸電機(jī)與驅(qū)動(dòng)的限制，其低速段均為恒轉(zhuǎn)矩輸出，為此可采用分段無(wú)級(jí)變速的方法，以展寬恒功率范圍。第五頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制（3）穩(wěn)定、快速。要求主軸在正、反、停等過(guò)程中可進(jìn)行自動(dòng)加減速控制，并且加減速時(shí)間短，反應(yīng)快速。準(zhǔn)停控制。為滿足加工中心自動(dòng)換刀以及某些加工工藝的需要，要求主軸具有準(zhǔn)?？刂乒δ堋ＰD(zhuǎn)軸功能。在車削中心上，要求主軸具有旋轉(zhuǎn)進(jìn)給(C軸)控制功能。第六頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制6.1.2

主軸系統(tǒng)的分類與特性1.主軸系統(tǒng)的分類根據(jù)變速方式的不同，主軸系統(tǒng)可分為有級(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。第七頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制為滿足變速的要求，早期的數(shù)控機(jī)床常采用直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由于直流電動(dòng)機(jī)存在體積大、恒功率調(diào)速范圍窄、電刷易磨損、維護(hù)比較麻煩等缺點(diǎn)，而逐漸被交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所取代。目前，絕大多數(shù)數(shù)控機(jī)床均采用鼠籠式交流異步電動(dòng)機(jī)配置矢量變頻調(diào)速器，構(gòu)成主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。第八頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制2.主軸驅(qū)動(dòng)的特性與直流電動(dòng)機(jī)相比，鼠籠式交流異步電動(dòng)機(jī)具有恒功率范圍寬，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。但是在采用一般變頻器調(diào)速時(shí)，其調(diào)速特性無(wú)法與直流電動(dòng)機(jī)相比，因此必須采用矢量變頻控制技術(shù)。第九頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制由于采用矢量變頻控制技術(shù)后，交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型極為相似，因而以直流主軸電動(dòng)機(jī)為例來(lái)分析其調(diào)速特性，

其模型結(jié)構(gòu)如圖6.1所示。根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的工作原理可得第十頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制圖6.1主軸電動(dòng)機(jī)電路模型第十一頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制從而導(dǎo)出轉(zhuǎn)距速度特性方程第十二頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制（1）在基速n0以下，采用調(diào)壓調(diào)速，即在勵(lì)磁電流

If不變，Φ為常數(shù)的情況下，用改變電樞電壓Ua的方法調(diào)速。這時(shí)輸出的最大轉(zhuǎn)矩Mmax取決于電樞電流最大值Imax，即Mmax=CMΦImax而對(duì)一臺(tái)主軸電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，最大電流為恒定，因此所能輸出最大轉(zhuǎn)矩是恒定的，而輸出功率隨轉(zhuǎn)速升高而增加，因此基速n0以下稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。第十三頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制（2）基速n0以上采用弱磁方法調(diào)速，即在保持電

樞電壓Ua不變的情況下，用改變勵(lì)磁電流If的方法來(lái)調(diào)速。這時(shí)If減小K倍，Φ也減小K倍，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速n增加K倍，最大轉(zhuǎn)矩則因?yàn)榇磐ě兜臏p小而減小K倍，因此所能輸出的最大功率Pmax=Mmaxn不變,這稱為恒功率調(diào)速。主軸電機(jī)的工作特性曲線如圖6.2所示。第十四頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制圖6.2

主軸電機(jī)的工作特性曲線第十五頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制6.1.3

CNC與主軸驅(qū)動(dòng)裝置的連接下面以日本安川（YASKAWA）VA-626MT型主軸驅(qū)動(dòng)裝置為例講解CNC與主軸驅(qū)動(dòng)裝置的連接，圖

6.3所示為其內(nèi)部原理框圖，CNC裝置與該主軸驅(qū)動(dòng)裝置的連接如圖6.4所示。第十六頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制1．轉(zhuǎn)速給定信號(hào)的連接YASKAWA

VA-626MT型主軸驅(qū)動(dòng)裝置有4種轉(zhuǎn)速給

定連接方式，使用時(shí)根據(jù)所配CNC裝置的輸出信號(hào)類型通過(guò)設(shè)定面板的設(shè)定任選其中的一種方式。這4種速度給定方式為。第十七頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制（1）模擬電壓給定。CNC裝置通過(guò)其主軸模擬電壓輸出接口，輸出0～±10V模擬電壓，接至NCOM和0V端。電壓正負(fù)控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，電壓大小控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。如果數(shù)控裝置輸出的電壓為單極性0～+10V，則可通過(guò)FORWARDRUN(正轉(zhuǎn))與REVERS

RUN(反轉(zhuǎn))開(kāi)關(guān)量指定正反轉(zhuǎn)。（2）12位二進(jìn)制數(shù)給定。數(shù)控裝置通過(guò)輸出12位二進(jìn)制代碼（12根線）至主軸驅(qū)動(dòng)的2CN連接器，控制主軸轉(zhuǎn)速。第十八頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制（3）2位BCD碼給定。數(shù)控裝置輸出00～99的二位BCD碼(共8根信號(hào))至主軸驅(qū)動(dòng)的2CN連接器，控制主軸轉(zhuǎn)速。（4）3位BCD碼給定。數(shù)控裝置通過(guò)輸出000～999的三位BCD碼(共12根信號(hào))至主軸驅(qū)動(dòng)的2CN連接器，控制主軸轉(zhuǎn)速。第十九頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制2.開(kāi)關(guān)量信號(hào)（1）

RDY準(zhǔn)備好信號(hào):欲使主軸驅(qū)動(dòng)工作，可閉合RDY觸點(diǎn)，主軸驅(qū)動(dòng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。EMG急停信號(hào):當(dāng)EMG常閉觸點(diǎn)打開(kāi)時(shí)，電動(dòng)機(jī)立即制動(dòng)至停轉(zhuǎn)。FOR、REV信號(hào):用于指定主軸正反轉(zhuǎn)，其與模擬量的極性組合見(jiàn)表6.1。第二十頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制表6.1

FOR、REV與模擬量的極性組合第二十一頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制（4）TLH、TLL轉(zhuǎn)矩極限限制。用于臨時(shí)限制主軸電動(dòng)機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩，以避免機(jī)械損壞。例如主軸機(jī)械準(zhǔn)停時(shí)，可使用該功能。最大輸出轉(zhuǎn)矩可設(shè)定為額定轉(zhuǎn)矩的5％～100％。（5）SSC軟啟動(dòng)信號(hào)：使用該信號(hào)可使主軸切換工作處于通常的主軸驅(qū)動(dòng)狀態(tài)或進(jìn)入伺服狀態(tài)，進(jìn)入伺服狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制。（6）PPI速度調(diào)節(jié)器信號(hào)：用于選擇使用PI比例積分調(diào)節(jié)器或P比例調(diào)節(jié)器。第二十二頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制（7）

DAS速度設(shè)定方式信號(hào)：用于選擇模擬量速度控制或數(shù)字量控制(12位二進(jìn)制或2位BCD碼或3位BCD碼)。ZSPD零速輸出信號(hào)：若主軸轉(zhuǎn)速低于設(shè)定的值

(如30

r／min)，則ZSPD輸出，表明電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。AGR速度到達(dá)信號(hào)：當(dāng)主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)際到達(dá)所設(shè)定的轉(zhuǎn)速時(shí)，AGR信號(hào)輸出。第二十三頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制NDET速度檢測(cè)信號(hào)：當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速低于某設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，NDET輸出。TLE轉(zhuǎn)矩極限輸出信號(hào)：當(dāng)外部轉(zhuǎn)矩極限TLL和TLH輸入信號(hào)有效時(shí)即進(jìn)入轉(zhuǎn)矩極限臨時(shí)限制狀態(tài)，

TLE信號(hào)輸出。ALM報(bào)警信號(hào)：當(dāng)主軸驅(qū)動(dòng)報(bào)警時(shí)，報(bào)警信號(hào)ALM輸出，同時(shí)報(bào)警代碼(ALMCODE)通過(guò)AC0、ACl、AC2、AC3編碼輸出，指示報(bào)警內(nèi)容。第二十四頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制（13）TDET轉(zhuǎn)矩檢測(cè)輸出信號(hào)：當(dāng)主軸輸出轉(zhuǎn)矩低于某一定值時(shí)，TDET輸出，該信號(hào)用于檢測(cè)主軸負(fù)載情況。（14）模擬量輸出信號(hào)：兩路模擬量輸出用于外接轉(zhuǎn)速

與負(fù)載表，其輸出直流電壓與實(shí)際轉(zhuǎn)速及負(fù)載成正比。第二十五頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制圖6.3

安川YASKAWA

VS-626MT型主軸驅(qū)動(dòng)裝置原理框圖第二十六頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制圖6.4

安川YASKAWA

VS-626MT型主軸驅(qū)動(dòng)裝置外部連線圖第二十七頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制6.2

主軸的分段無(wú)級(jí)調(diào)速及控制以主軸功率3.7KW，最高轉(zhuǎn)速6000r/min的數(shù)控機(jī)床為例，可有以下4種驅(qū)動(dòng)調(diào)速方案。（1）全段無(wú)級(jí)調(diào)速。如果僅考慮主軸功率和最高轉(zhuǎn)速的要求，可選用額定功率3.7KW、額定轉(zhuǎn)速

1500r/min的主軸電動(dòng)機(jī)，直接驅(qū)動(dòng)主軸，工作特性曲線如圖6.5（a）所示。第二十八頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制圖中，在1500r/min～6000r/min調(diào)速范圍內(nèi)，最大輸出功率Pmax=3.7KW；在1500r/min以下，輸出轉(zhuǎn)距Mmax=15N?m，Pmax隨著轉(zhuǎn)速的降低而下降。在750r/min時(shí)，Pmax只能達(dá)到1.85KW。這顯然是無(wú)法滿足機(jī)床低速大轉(zhuǎn)距要求的。第二十九頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制為此，可選用額定功率7.4KW、額定轉(zhuǎn)速

1500r/min的主軸電動(dòng)機(jī)，在1/2額定電壓下無(wú)級(jí)變速

驅(qū)動(dòng)主軸，工作特性曲線如圖6.6所示。在750r/min～6000r/min整個(gè)范圍內(nèi)，Pmax=3.7KW，在750r/min以下，Mmax=30N?m，完全能夠滿足機(jī)床低速大轉(zhuǎn)距要求的。第三十頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制圖6.5

3.7

kW電動(dòng)機(jī)工作特性曲線(a)全段無(wú)級(jí)調(diào)速；(b)分段無(wú)級(jí)調(diào)速第三十一頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制圖6.6

7.4

kW電動(dòng)機(jī)工作特性曲線第三十二頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制（2）同功率電機(jī)，分段無(wú)級(jí)調(diào)速。選用與主軸要求同功率的3.7KW、額定轉(zhuǎn)速

1500r/min的主軸電動(dòng)機(jī)。如果采用1:2齒輪減速驅(qū)動(dòng)主軸，工作特性曲線如圖6.5（b）所示。雖然低速時(shí)輸出轉(zhuǎn)距增大，Mmax=30N?m，滿足了低速大轉(zhuǎn)距要求，但降低了最高主軸轉(zhuǎn)速。為此，可采用分兩段無(wú)級(jí)變速驅(qū)動(dòng)主軸，在低速段：750r/min～3000r/min范圍內(nèi)用1:2齒輪減速，在高速段：1500r/min～6000r/min范圍內(nèi)直接驅(qū)動(dòng)，并由CNC系統(tǒng)控制齒輪機(jī)構(gòu)自動(dòng)換檔，則可同時(shí)滿足低速轉(zhuǎn)矩和最高主軸轉(zhuǎn)速的要求。第三十三頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制比較上述兩種方案，可以看出：采用全段無(wú)級(jí)調(diào)速，主軸箱可以大大簡(jiǎn)化，但必需選用大功率的主軸電動(dòng)機(jī)，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。采用分段無(wú)級(jí)調(diào)速，既不增大電機(jī)的功率，又能展寬恒功率范圍，比較經(jīng)濟(jì)，但需要自動(dòng)換檔機(jī)構(gòu)。應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際情況而定。第三十四頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制2.分段無(wú)級(jí)調(diào)速的控制多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)均能夠提供四擋變速功能，而數(shù)控機(jī)床通常使用兩擋即可滿足要求。圖6.7所示為主軸分段無(wú)級(jí)調(diào)速的控制結(jié)構(gòu)。第三十五頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制圖6.7主軸分段無(wú)級(jí)變速結(jié)構(gòu)示意圖第三十六頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制數(shù)控系統(tǒng)具有使用M41～M44代碼進(jìn)行齒輪自動(dòng)

變速的功能。首先需要在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)區(qū)設(shè)置M41～M44四檔對(duì)應(yīng)的最高主軸轉(zhuǎn)速，這樣數(shù)控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前S指令值，判斷應(yīng)處的檔，并自動(dòng)輸出相應(yīng)的M41～M44指令給可編程控制器(PLC)控制更換相應(yīng)的

齒輪檔，數(shù)控裝置輸出相應(yīng)的模擬電壓。例如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。第三十七頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制當(dāng)S指令在0～1000r／min范圍時(shí),M41對(duì)應(yīng)的齒輪應(yīng)嚙合,S指令在1001～3500r/min范圍時(shí)，M42對(duì)應(yīng)的齒輪應(yīng)嚙合。不同機(jī)床主軸變速所用的方式不同，控制的具體實(shí)現(xiàn)可由可編程控制器來(lái)完成。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。顯然，該例中M42對(duì)應(yīng)的齒輪傳動(dòng)比為1：1，而M41對(duì)應(yīng)的傳動(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)最大輸出力矩的3.5倍。第三十八頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制對(duì)變速時(shí)出現(xiàn)的頂齒現(xiàn)象，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)均采用在變速時(shí)，由數(shù)控系統(tǒng)控制主軸電動(dòng)機(jī)低速擺動(dòng)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)齒輪的順序嚙合。而變速時(shí)主軸電動(dòng)機(jī)低速擺動(dòng)的速度可在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)區(qū)中設(shè)定。第三十九頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制3.齒輪變速自動(dòng)換擋的操縱機(jī)構(gòu)1)液壓撥叉液壓撥叉是一種用一只或幾只液壓缸帶動(dòng)齒輪移動(dòng)的變速操縱機(jī)構(gòu)。最簡(jiǎn)單的二位液壓缸實(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。圖6.8所示為三位液壓撥叉的原理圖，通過(guò)電磁閥改變不同的通油方式可獲得三個(gè)位置。第四十頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制圖6.8

三位液壓撥叉的工作原理第四十一頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制（1）當(dāng)液壓缸1通人液壓油而液壓缸5卸壓時(shí)，活塞桿2帶動(dòng)撥叉3向左移至極限位置。（2）當(dāng)液壓缸5通入液壓油而液壓缸1卸壓時(shí)，活塞桿2和套筒4一起移至右極限位置第四十二頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制（3）當(dāng)左右缸同時(shí)通入壓力油時(shí)，由于活塞桿2兩端直徑不同便其向左移動(dòng)，而由于套筒4和活塞桿2截面直徑不同，而使套筒4向右的推力大于活塞2兩端直徑不同便其向左移動(dòng)，而由于套筒4和活塞桿2截面直徑不同，而使套筒4向右的推力大于活塞扦2向左的推力，因此套筒4壓向液壓缸的右端，而活塞桿2緊靠套筒4的右面，撥叉處于中間位置。第四十三頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制要注意的是，每個(gè)齒輪的到位需要有到位檢測(cè)元件(如接近開(kāi)關(guān))檢測(cè)，該信號(hào)有效說(shuō)明變檔已經(jīng)結(jié)束。對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)無(wú)級(jí)變速的場(chǎng)合，可采用數(shù)控系統(tǒng)控制主軸電動(dòng)機(jī)慢速擺動(dòng)來(lái)解決液壓撥叉可能產(chǎn)生的頂齒問(wèn)題。第四十四頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制對(duì)于單純分檔有級(jí)變速的恒速交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合，通常在傳動(dòng)鏈上安置一個(gè)微型電機(jī)或液壓馬達(dá)來(lái)解決頂齒問(wèn)題。正常工作時(shí)，離合器脫開(kāi)；齒輪變速時(shí)，主軸電機(jī)斷電，離合器吸合，微電機(jī)工作，帶動(dòng)主軸慢速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，油缸移動(dòng)齒輪，從而順利嚙合。液壓撥叉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,因而增加了復(fù)雜性。第四十五頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制2）電磁離合器變速電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運(yùn)行的元件。它便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，但缺點(diǎn)是體積大，磁通易使機(jī)械零件磁化。在數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)中，使用電磁離合器能夠簡(jiǎn)化變速機(jī)構(gòu)，通過(guò)安裝在各傳動(dòng)軸上離合器的吸合與分離形成不同的運(yùn)動(dòng)組合傳動(dòng)路線，實(shí)現(xiàn)主軸變速。第四十六頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制在數(shù)控機(jī)床中常使用無(wú)滑環(huán)摩擦片式電磁離合

器和牙嵌式電磁離合器。由于摩擦片式電磁離合器

采用摩擦片傳遞轉(zhuǎn)矩，所以允許不停機(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。牙嵌式電磁離臺(tái)器由于在摩擦面上加工成一定的齒形，提高了傳遞轉(zhuǎn)矩，減小離合器的徑向軸向尺寸，使

主軸結(jié)構(gòu)更加緊湊，摩擦熱減小。但牙嵌式電磁離

合器必須在低速時(shí)變速。第四十七頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制6.3主軸準(zhǔn)?？刂浦鬏S準(zhǔn)停又叫主軸定位，即當(dāng)主軸停止時(shí)，控制其停于固定位置。主軸準(zhǔn)停是加工中心自動(dòng)換刀所必需的功能。在自動(dòng)換刀的鏜銑加工中心上，切削的轉(zhuǎn)矩通常是通過(guò)刀桿的端面鍵來(lái)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，如圖6.9所示。第四十八頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制當(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加工好的內(nèi)孔表面，必須先讓刀再退刀，這種情況下也必須具有準(zhǔn)確定位功能，如圖6.10所示。在零件程序中，執(zhí)行準(zhǔn)停功能的指令為M19。按主軸準(zhǔn)停控制的實(shí)現(xiàn)方式，可分為機(jī)械準(zhǔn)停和電氣準(zhǔn)停。第四十九頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制圖6.9主軸準(zhǔn)停換刀示意圖第五十頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制圖6.10

主軸準(zhǔn)停鏜背孔示意圖第五十一頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制1.機(jī)械準(zhǔn)?？刂茩C(jī)械準(zhǔn)停控制一般采用Ｖ形槽輪定位盤準(zhǔn)停結(jié)構(gòu)，如圖6.11所示。帶有Ｖ形槽的定位盤與主軸端面保持一定的關(guān)系，以確定定位位置。當(dāng)CNC執(zhí)行準(zhǔn)?？刂浦噶頜19時(shí)，首先使主軸減速至某一預(yù)先設(shè)定的低速轉(zhuǎn)動(dòng)，然后當(dāng)接近開(kāi)關(guān)信號(hào)有效后，立即使主軸電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)并斷開(kāi)主軸傳動(dòng)鏈，此時(shí)主軸電動(dòng)機(jī)與主軸傳動(dòng)件依慣性繼續(xù)空轉(zhuǎn)，同時(shí)準(zhǔn)停油缸定位銷伸出并壓向定位盤。當(dāng)定位盤Ｖ形槽與定位銷正對(duì)時(shí)，由于油缸的壓力，定位銷插入Ｖ形槽中，LS2準(zhǔn)停到信號(hào)有效，表明準(zhǔn)停動(dòng)作完成。這里L(fēng)S1為準(zhǔn)停釋放信號(hào)，LS2為準(zhǔn)停釋放信號(hào)。第五十二頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制采用這種準(zhǔn)停方式，必須有—定的邏輯互鎖，即當(dāng)LS2有效時(shí)，才能進(jìn)行換刀等動(dòng)作。而只有當(dāng)LS1有效時(shí)，才能啟動(dòng)主軸電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。上述控制邏輯通常由數(shù)控系統(tǒng)所配的可編程控制器完成第五十三頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制圖6.11

機(jī)械準(zhǔn)停原理示意圖第五十四頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制2.電氣準(zhǔn)停控制多數(shù)中高檔數(shù)控系統(tǒng)均采用電氣準(zhǔn)?？刂?，電氣準(zhǔn)停通常有以下3種方式：（1）磁傳感器準(zhǔn)停磁傳感器主軸準(zhǔn)停控制由主軸驅(qū)動(dòng)自身完成，控制結(jié)構(gòu)如圖6.12所示。當(dāng)CNC系統(tǒng)執(zhí)行M19指令

時(shí)，向主軸驅(qū)動(dòng)發(fā)出主軸準(zhǔn)停啟動(dòng)命令ORT。主軸驅(qū)動(dòng)響應(yīng)ORT命令，立即使主軸減速至預(yù)先設(shè)定的準(zhǔn)停速度。第五十五頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制圖6.12

磁傳感器準(zhǔn)?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)成第五十六頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制當(dāng)磁發(fā)體與磁傳感器對(duì)準(zhǔn)時(shí)，主軸立即減速至某

一爬行速度。當(dāng)磁發(fā)體與磁傳感器再次對(duì)準(zhǔn)時(shí)，主軸

驅(qū)動(dòng)立即進(jìn)入磁傳感器作為反饋元件的位置閉環(huán)控制，目標(biāo)位置為準(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信號(hào)給CNC裝置，從而可進(jìn)行自動(dòng)換刀或其它動(dòng)作。時(shí)序如圖6.13所示。第五十七頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制圖6.13

磁傳感器準(zhǔn)停時(shí)序圖第五十八頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制2）編碼器型主軸準(zhǔn)停這種準(zhǔn)停功能也是由主軸驅(qū)動(dòng)完成的，控制結(jié)構(gòu)如圖6.14所示。CNC只需發(fā)出ORT命令，主軸驅(qū)動(dòng)完成準(zhǔn)停后回答準(zhǔn)停完成信號(hào)ORE。其控制步驟與傳感器類似，所不同的是準(zhǔn)停角度可由編碼

(12位)設(shè)定，更加靈活方便。第五十九頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制圖6.14編碼器型主軸準(zhǔn)停結(jié)構(gòu)第六十頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制3）數(shù)控系統(tǒng)準(zhǔn)停這種準(zhǔn)?？刂品绞绞怯蓴?shù)控系統(tǒng)完成的，其原理與進(jìn)給位置控制的原理非常相似，如圖6.15所示。第六十一頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制圖6.15

數(shù)控系統(tǒng)控制主軸準(zhǔn)停結(jié)構(gòu)第六十二頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制為實(shí)現(xiàn)這種準(zhǔn)?？刂疲螅孩贁?shù)控系統(tǒng)必須具有主軸閉環(huán)控制功能。②具有較高的主軸傳動(dòng)精度。通常用電動(dòng)機(jī)軸端編碼器信號(hào)反饋給數(shù)控裝置，構(gòu)成位置閉環(huán)，這就要求主軸傳動(dòng)鏈要有較高的精度。第六十三頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制③主軸驅(qū)動(dòng)具有伺服狀態(tài)。通常為避免沖擊，主軸驅(qū)動(dòng)都采用軟啟動(dòng)方式。但這對(duì)主軸位置閉環(huán)控制會(huì)產(chǎn)生不良影響。位置增益過(guò)低，則準(zhǔn)停精度和剛度不能滿足要求；過(guò)高則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的定位振蕩現(xiàn)象。因此必須使主軸進(jìn)入伺服狀態(tài)，使其特性與進(jìn)給系統(tǒng)伺服系統(tǒng)相近，才可進(jìn)行位置控制。第六十四頁(yè)，共六十八頁(yè)。第6章主軸驅(qū)動(dòng)及控制采用數(shù)控系統(tǒng)控制主軸準(zhǔn)停時(shí)，準(zhǔn)停角度由數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定