数控车床主轴与驱动故障与维修设计

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1、目 录摘 要2绪论41 数控机床主轴控制系统51.1 数控机床主轴的结构51.2 数控主轴特点及其性能要求61.3 主轴调速方法71.4 数控车床主轴故障与维修72 数控车床主轴驱动控制系统92.1 主轴驱动控制系统的概述92.1.1 数控机床对主轴驱动系统的要求92.1.2 主轴的驱动方式102.2 主轴驱动系统102.2.1 直流主轴驱动系统102.2.2 交流主轴驱动系统112.3 数控车床主轴驱动控制原理122.3.1三相笼型转子感应电动机的起动122.3.2三相绕线型感应电动机的起动142.3.3感应电动机的电磁制动162.4数控车床主轴驱动故障与维修183 数控车床相关变频器参数设

2、置过程及优化203.1 变频器矢量控制阐述203.2 数控车床主轴变频的系统结构与运行模式203.2.1 主轴变频控制的基本原理203.2.2 主轴变频控制的系统构成213.3 无速度传感器的矢量控制变频器213.3.1主轴变频器的基本选型213.3.2 无速度传感器的矢量变频器223.3.3 矢量控制中的电机参数辨识223.3.4 数控车床主轴变频矢量控制的功能设置23结论24辞25参考文献2625 / 25数控车床主轴及驱动故障与维修摘要数控车床是将电子技术、测温技术、自动化技术、电子半导体技术、计算机技术及机电一体化等集与一体的自动化设备,具有高精度、高效率和高柔性的特点。自从1952年

3、第一台数控铣床在美国诞生以来,随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量技术的发展,数控机床得到迅速的发展和更新换代。在很多行业中数控车床设备处于关键的工作岗位,若出现故障后不能及时维修及排除故障,就会造成较大的经济损失。因此,对于数控系统这样原理复杂、结构精密的装置进行维修很有必要。特别是在数控车床主轴及驱动故障与维修这方面很重要。加强数控车床主轴及驱动故障与维修的力量,就可以提高数控车床的可靠性,有利于数控车床的推广和使用。此毕业设计的容包括根据故障状态进行系统分析,将故障进行分类；对数控机床主轴控制系统的机械装置进行分析,列出可能出现的原因,并拟定解决方案和实施过程；对数控机床主轴控制

4、系统的电气装置进行分析,列出可能出现的原因,并拟定解决方案和实施过程；全面了解数控维修的方法和相关变频器参数设置过程及优化,查阅与数控机相关资料,如数控机床,数控故障诊断,数控维修等。关键词 数控车床 驱动故障 维护与维修Numerical control lathe main axle and actuation breakdown and serviceAbstractCNC lathe is an electronic technology,temperature measurement technology,automation technology,electronic semico

5、nductor technology,computer technology and electromechanical integration collection and integration of automation equipment,with high precision,high efficiency and high flexible characteristic. Since 1952 first CNC milling machine was born in the United States since,as the electronic technology,comp

6、uter technology,automatic control and precision measuring technology development,nc machine tools of rapid development and renewal. In many industries in CNC lathe equipment in key jobs,if be ingasmalfunction can not timely maintenance and troubleshooting process,can cause great economic losses. So,

7、 the numerical control system so complex, the precise structure principle of equipment maintenance is necessary. Especially in CNC lathe spindle and its drive fault and maintenance of this respect is very important. Strengthen the CNC lathe spindle and its drive fault and maintenance of power,can im

8、prove the reliability of numerical control lathebe helpful for CNC lathe popularizing and use.Key wordsCNC lathedrive faultmaintenance and repair绪 论自从1952年第一台数控铣床在美国诞生以来,随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量技术的发展,数控机床得到迅速的发展和更新换代。数控技术的发展先后经历了电子管1952年、晶体管1959年、小规模集成电路1956年、大规模集成电路及小型计算机1970年和微处理或计算机1974年等五代数控系统。前三代

9、数控系统采用专用电子线路实现硬件式数控,一般成为普通数控系统,简称NC。第四代和五代系统是采用微处理器及大规模集成电路组成的软件式数控系统,称为现代数控系统,简称CNC和MNC第五代。由于现代数控系统的控制功能大部分由软件技术来实现,因而使硬件得到进一步简化,系统可靠性提高,功能更加灵活和完善。目前现代数控系统几乎完全取代了以往的普通数控系统。随着数控技术的发展,用通用微机技术开发数控系统可以得到强的力的硬件和软件支持,这些软件和硬件是开放式的,此时的通用微机除了具备本身的功能外,还具有全功能数控系统的全部功能,这是一条发展数控技术的途径。在很多行业中数控车床设备处于关键的工作岗位,若在出现故

10、障后不能及时维修及排除故障,就会造成较大的经济损失。因此,对于数控系统这样原理复杂、结构精密的装置进行维修很有必要。特别是在数控车床主轴及驱动故障与维修这方面很重要。加强数控车床主轴及驱动故障与维修的力量,就可以提高数控车床的可靠性,有利于数控车床的推广和使用。数控车床已经发展将近60年了,取得了非常大的进步。希望通过这次毕业设计使自己对数控车床有足够的认识和了解,尤其能够掌握数控车床及驱动故障与维修这方面的知识与技能。为了更具体的了解数控车床主轴及驱动鼓掌与维修,我们以华中数控星世纪车床为例进行说明。1 数控机床主轴控制系统1.1 数控机床主轴的结构在数控机床中,不论是数控车床、钻床还是铣床

11、,其主轴是最关键的部件,对机床精度起着至关重要的作用。主轴的结构与其需实现的功能关,加工及装配的工艺性也是影响其形状的因素。主轴端部的结构已标准化,主轴头部的形状手册中已有规定。机床主轴的定位形式一般有两支承或三支承。以两支承的数控铣床主轴为例进行介绍。大部分机床主轴前端结构如图1-1所示,重点讨论主轴前支承部分。主轴前端支承是由3182100系列轴承和一个能承受双向力的角接触轴承构成。国外有很多数控机床主轴也采用这种结构。图1-1 机床主轴前端结构该结构对技术力量较强的厂家来说,凭经验进行合理的选配和调整,不会对精度产生太大的影响。但这种结构在设计上存在不妥之处,当前面的3182100系列轴

12、承2需要预紧时,要靠拧紧螺母6来实现。在装配前选配调整垫1时,因为主轴本身的加工等原因,很难使调整垫1正好符合3182100系列轴承的预紧力要求,因为当各件都装上后,拧紧螺母6使3182100系列轴承开始预紧,但当轴承2的外端与调整垫1端面接触时,因轴承位置已经靠死,螺母拧不动。若轴承2未达到应有的预紧力时,将会影响主轴的刚性和回转精度。在轴承精度已选好,且工件加工情况也良好时,从理论上分析前后轴承的调整对主轴精度的影响,如果2所示。前后轴承最大径向跳动位于同一平面,并在主轴轴线的同侧。表示主轴前端检验处的径向跳动,1表示前轴承的最大径向跳动,2表示后轴承的最大径向跳动,且12,a为主轴前支承

13、到检验处的距离,L为主轴前后支承之间的距离。另一种情况,如图1-2所示,前后支承的最大跳动位于同一平面,但在主轴轴线的两侧。主轴前端检验处的最大径向跳动为,且1。比较两种情况可以得出以下结论：,表明若使主轴前端检验处径向跳动最小,应使其满足图1的条件,而应避免图3所示的情况。对图1所示的前支承调整环节来说,要达到图1-2所示的情况是比较困难的。图1-2 轴承 图1-3主轴轴承轴承的间隙是影响主轴回转精度及刚度的重要因素。然而轴承在预紧过程中,若间隙过小,容易引起主轴轴承过热；若间隙过大,又会影响回转精度,所以用图1-3所示的结构对轴承进行预紧时,很难将间隙一次性调好。如调不好,还要重新拆下轴承

14、等相关的一些零件,再拿出调整垫1进行配磨。磨去多少合理,理论上无法算出,只能凭经验。这样既烦琐,又难以保证效果。如果将主轴前支承的定位方式改为图1-4所示。以螺母1进行轴向定位,垫片2起防松作用。在加工中若稍有位置偏差,也可通过垫片1使之与轴承3的端面均匀接触。由此可见,螺母1既是轴向定位基准,又可控制轴向移动量,因此调整控制比较方便。图1-4主轴前支承在过去,这种定位方式较难推广,其主要原因在于主轴上切削螺纹时,螺纹孔和螺母端面的垂直度要求很高,因此难以加工。但在目前数控机床普及的情况下,切削螺纹的工序已经比较容易。这种结构在理论上是正确的,在实践上是可行的1.2 数控主轴特点及其性能要求本

15、机床采用传统的卧式车床布局,整体设计。采用微电脑控制和伺服电机驱动的数控车床。具有操作方便、结构紧凑、外型美观、性能稳定、精度高、噪音低等特点。本机床采用高性能的HNC21T数控系统,通过发出和接收信号控制伺服电机、车床的主轴、刹车和转位刀架。独立主轴通过变频器控制变频电机转速达到无级变速,进给速度可任意设定,从而实现由微电脑控制的自动化加工。该机床可在自动、手动方式下进行操作,具有半自动对刀、刀具补偿和间隙补偿功能,配有硬件、软件限位等功能。本机床可加工外圆柱面、圆锥面、圆弧面、切槽、切断,还可加工英制直螺纹、锥螺纹等。本车床可按用户要求增加液压卡盘、液压尾架等,也可按用户要求选配其它数控系

16、统。主轴直接承受切削力,转速围比较大。所以对主轴主件的主要性能提出如下要求：1回转精度：是指主轴在无负荷的转动条件下,主轴前端工作部位的径向和轴向跳动值,回转精度的测量一般分为静态测量、动态测量、间接测量。目前我国在生产都还是运用传统的静态测量。2运动精度：是指工作状态下的旋转精度。这个精度通常与低速回转精度有较大差别,运动状态下的旋转精度取决于主轴的工作速度、轴承性能以及主轴本身的平衡性能。3刚度：是指在受外力时,主轴抵抗变形的能力。刚性不足在切削力的作用下,主轴将产生较大的弹性变形。不仅影响加工质量,还会破坏轴承的正常工作条件、加快磨损。4抗振性：是指切削加工时,主轴保持平稳运转而又不发生

17、振动的能力。 5主轴温升：主轴运转时,温升过高会引起两方面的不良结果。一是主轴及箱体受热变形直接影响加工精度；二是轴承的正常润滑条件遭到破坏,影响轴承的正常工作,甚至出现抱轴。6 耐磨性：只有具备足够的耐磨性,才能长期保持精度。因此主轴的关键部位如主轴锥孔要经良好的表面热处理。数控机床的主轴驱动是指产生主切削运动的传动,它是数控机床的重要组成部分之一。随着数控技术的不断发展,传统的主轴驱动已不能满足要求,现代数控机床对主轴驱动提出了更高的要求。数控机床主传动要有宽的调速围及尽可能实现无级变速；功率大；动态响应性要好；精度高；旋转轴联动功能；恒线速切削功能；加工中心上,要求主轴具有高精度的准停控

18、制。此外,有的数控机床还要求具有角度分度控制功能。为了达到上述有关要求,对主轴调速系统还需加位置控制,比较多的采用光电编码器作为主轴的转角检测。1.3 主轴调速方法数控机床的主轴调速是按照控制指令自动执行的,为了能同时满足对主传动的调速和输出扭矩的要求,数控机床常用机电结合的方法,即同时采用电动机和机械齿轮变速两种方法。其中齿轮减速以增大输出扭矩,并利用齿轮换挡来扩大调速围。1、电动机调速用于主轴驱动的调速电动机主要有直流电动机和交流电动机两大类：直流电动机主轴调速 ；交流电动机主轴调速 。2、机械齿轮变速数控机床常采用14挡齿轮变速与无级调速相结合的方式,即所谓分段无级变速。采用机械齿轮减速

19、,增大了输出扭矩,并利用齿轮换挡扩大了调速围。数控机床在加工时,主轴是按零件加工程序中主轴速度指令所指定的转速来自动运行。数控系统通过两类主轴速度指令信号来进行控制,即用模拟量或数字量信号程序中的S代码来控制主轴电动机的驱动调速电路,同时采用开关量信号程序上用M41M44代码来控制机械齿轮变速自动换挡的执行机构。自动换挡执行机构是一种电机转换装置,常用的有液压拨叉和电磁离合器。1液压拨叉换挡液压拨叉是一种用一只或几只液压缸带动齿轮移动的变速机构。最简单的二位液压缸实现双联齿轮变速。对于三联或三联以上的齿轮换挡则必须使用差动液压缸。图1-4为三位液压拨叉的原理图2电磁离合器换挡在数控机床中常使用

20、无滑环摩擦片式电磁离合器和牙嵌式电磁离合器。1.4 数控车床主轴故障与维修数控机床主轴驱动系统接受来自CNC的驱动指令,经速度与转矩功率调节输出驱动信号驱动主电动机转动,同时接受速度反馈实施速度闭环控制。它还通过PLC将主轴的各种现实工作状态通告CNC用以完成对主轴的各项功能控制。主轴驱动系统自身有许多参数设定,这些参数直接影响主轴的转动特性,其中有些不可丢失或不可改变的,例如指示电动机规格的参数等,有些是可根据运行状态加以调改的,例如工作零点设置等。通常CNC中也设有与主轴相关的机床数据,并且与主轴驱动系统的参数作用相同本论文从数控的基本控制原理出发,以现实生产中容易发生的主轴的一般故障为例

21、,分析其发生的原因和解决问题的方法。1.主轴刀具未到位的原因很多,一般有机械故障和程序故障,当发生刀未到位报警时首先要看报警信息,如CK7525报警号是27时说明是换刀时间过长刀未到位,此时先按下PRGRM把显示器转换到显示程序,工作方式转换成手轮HANDEL,转动手轮把刀移到安全位置,工作方式再换成手动方式JOG,按换刀按钮让刀架旋转一下。然后再把工作方式打到编辑上EDIT,按下复位键RESET,此时报警灯仍然亮着,需按下报警复位键M02、M30警灯灭。合理修改程序把换刀的时间变短,此时刀已经移开工件了,为了避免重复加工以车过的路段而浪费时间,一般都是直接转到发生故障的那段程序,直接从那里再

22、加工。比如当在N7段报警时就直接在N7段上加工,具体方法是在界面上输入N7按确定键CURSOR,再按循环即可。如果是因换刀时间过长而发生刀未到位报警,一般要查看定位用的光栅是否损坏和光电脉冲发生器损坏,损坏的要更换新的。 2.主轴夹紧装置不动作,这里指的一般为数控车及加工中心或是大型机床,一般都是液压没有到达规定值,发生此现象时要检查液压油泵是否在运转,泵有故障就查看连接泵的那些电路设备是否有断路的,继而就是看泵的轴承和轴是否有坏的。在泵没有问题的情况时就要查看过滤器是否被堵塞。换向筏是否被堵塞或已不能再使用,堵塞的要拆开清洗,坏损的要予以更换。如果是床长时间没有运转,也可能是因为加工用的冷却

23、液把卡爪和爪盘锈死在一起。 3.加工过程中主轴过热,发生此现象一般都是由于摩擦产生的热。首先要查看主轴的轴承是否损坏,有损坏的要予以更换；查看润滑油是否充足,要保证在规定的时间间隔添加润滑脂；热源也可能是经过传递到达主轴的,此时就要查看和主轴相连接的那些传动机构,如传动轴传动轴承和主轴驱动电机是否有了机械故障或润滑不足,解决方法同上。 4.数控机床使用无级变速有时容易造成主轴电机过热,这时应注意滑板运行时摩擦力或阻力太大,切削条件恶劣。运动夹紧与制动装置没有充分释放,齿轮传动系损坏或传感器有问题,电动机部匝间短路而引起的过热,带风扇冷却的电动机风扇坏,出现上面的情况要及时的消灭异常现象,摩擦力

24、大时加润滑油或适当地调松,部件有损害的要及时更换新的。 5.主轴位置超差指机床的实际进给值与指令值之差超过限定的允许值,检查CNC控制系统与驱动放大模块之间,CNC控制系统与位置检测器之间,驱动放大器与伺服电动机之间的接线是否正确、可靠,检查驱动放大器电压是否有问题。检查电动机轴与传动机械间是否配合良好,是否有松动或间隙存在,这些现象的原因和上面几段的类似,用相应的方法予以维修。 6.机床主轴定位精度不准,可能的原因有：滑轨运行时的阻力太大,位置环的增益或减速环的低频增益太低,机械传动部分有反向间隙,位置环或速度环的零点平衡调整不合理,接地与屏蔽不好或电缆布线不合理,处理方法仍然是加润滑油,合

25、理调整预紧和增益环,重新布线。7.主轴的转速达不到预定值,可能的原因有：加工工件时进刀量过大超过了机床所能承受的围；传动皮带上有油导致皮带打滑；传动皮带过松,要合理调整两轮间的距离；传动皮带达到使用期,要予以更换新皮带；传动齿轮有损坏,可能发生断齿等现象,要更换新的。 8.滚齿机有不同于其他机床特有的结构特点,在滚齿前是需要进行机床调整的,如挂轮,调角度。挂轮有两方面,一是保证工件的加工齿数其计算公式为i分=定数/工件齿数,像YKA3132A滚齿机的定数是18；二是保证工件的螺旋角其计算公式为i差=定数sinB/km ,i=传动比,B=工件螺旋角度,K=刀具头数,M=工件模数。调刀具的角度是为

26、了保证工件的螺旋角度,其计算公式为：工件角度刀具角度=所要调的刀架角度。一次实验加工DC6J190T048B中间轴时发现一齿和四齿的螺旋角严重错误,最后查出是加工一齿的轮和加工四齿的轮挂反了,导致主轴的角度严重偏离,查出原因后将两轮互换,加工顺利进行。2 数控车床主轴驱动控制系统2.1 主轴驱动控制系统的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。它是零件加工的成型运动之一,它的精度对零件的加工精度有较大的影响。数控车床主轴驱动控制系统一般分为直流主轴驱动系统和交

27、流主轴驱动系统2.1.1 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它直线运动装置作往复运动。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。在20纪60-70年代,数控机床的主轴一般采用三相感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式。随着刀具技术、生产技术、加工工艺以及生产效率的不断发展上述传统的主轴驱动已不能满足生产的需要现代数控机床对主轴传动提出了更高的要求：1调速围宽并实现无极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,特别对于具有自动换

28、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,对主轴的调速围要求更高,要求主轴能在较宽的转速围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围已可达1100恒功率调速围也可达130,一般过载1.5倍时可持续工作达到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恒功率围要宽主轴在全速围均能提供切削所需功率,并尽可能在全速围提供主轴电动机的最大功率。

29、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1秒从静止加速到6000r/min。4具有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、噪音低。 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

30、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型带。应采用精度高的轴承及合理的支撑跨距,以提高主轴的组件的刚性。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。2.1.2 主轴的驱动方式数控机床的主轴驱动及其控制方式主要有四种配置方式：带有变速齿轮的主传动；通过带传动的主传动；用两个电动机分别驱动主轴；装电动机主轴传动结构。2.2 主轴驱动系统2.2.1 直流主轴驱动系统从原理上说,直流主轴驱

31、动系统与通常的直流调速系统无本质的区别,但因为数控机床高速、高效、高精度的要求,决定了直流主轴驱动系统具有以下特点：1调速围宽。采用直流主轴驱动系统的数控机床通常只设置高、低两级速度的机械变速机构,电动机的转速由主轴驱动器控制,实现无级变速,因此,它必须具有较宽的调速围。2直流主轴电动机通常采用全封闭的结构形式,可以在有尘埃和切削液飞溅的工业环境中使用。3主轴电动机通常采用特殊的热管冷却系统,能将转子产生的热量迅速向外界发散。此外,为了使电动机发热最小,定子往往采用独特附加磁极,以减小损耗,提高效率。4直流主轴驱动器主回路一般采用晶闸管三相全波整流,以实现四象限的运行。5主轴控制性能好。为了便

32、于与数控系统的配合,主轴伺服器一般都带有D/A转换器、使能信号输入、准备好输出、速度/转矩显示输出等信号接口。6纯电气主轴定向准停控制功能。由于换刀、精密镗孔、螺纹加工等需要,数控机床的主轴应具有定向准停控制功能,而且应由电气控制系统自动实现,以进一步缩短定位时间,提高机床效率。 图2-1主轴驱动系统由图2-1可见,主轴驱动系统类似于直流进给伺服系统,它也是由速度环和电流环构成的双环速度控制系统,通过控制直流主轴电动机的电枢电压实现变速。控制系统的主回路一般采用晶闸管反并联可逆整流电路。系统的工作原理可参阅直流进给伺服系统部分,在此不再赘述。图2-1的上半部分为励磁控制回路,由于主轴电动机功率

33、通常较大,且要求恒功率调速围尽可能大,因此,一般采用他励电动机,励磁绕组与电枢绕组相互独立,并由单独的可调直流电源供电。图中,磁控制回路的电流给定、电枢电压反馈、励磁电流反馈三组信号经比较之后输入至比例一积分调节器,调节器的输出经过电压/相位转换器,控制晶闸管触发脉冲的相位,调节励磁绕组的电流大小,实现电动机的恒功率弱磁调速。主轴定向准停控制的作用是将主轴准确停在某一固定的角度上,以进行换刀等动作。主轴定向准停的位置检测,可以利用装在主轴上的位置编码器或磁性传感器进行,通过位置闭环,使主轴准确定位在规定的位置上。图2-2为主轴定向准停控制示意图,当采用位置编码器作为位置检测器件时,为了控制主轴

34、位置,主轴与编码器之间必须是11传动或将编码器直接安装在主轴轴端。当采用磁性传感器作为位置检测器件时,磁性器件应直接安装在主轴上,而磁性传感头则应固定在主轴箱体上。图2-2主轴定向准停控制采用编码器的方式与使用磁性传感器的方式相比,具有定位点在0360围灵活可调,定位精度高,定位速度快等优点,而且还可以作为主轴同步进给的位置检测器件,因此其使用较广。2.2.2 交流主轴驱动系统与直流伺服驱动一样,交流主轴驱动系统也有模拟和数字式两种型式,交流主轴驱动系统与直流主轴驱动系统相比,具有如下特点：1由于驱动系统必须采用微处理器和现代控制理论进行控制,因此其运行平稳、振动和噪声小。 2驱动系统一般都具

35、有再生制动功能,在制动时,既可将电动机能量反馈回电网,起到节能的效果,又可以加快起制动速度。3特别是对于全数字式主轴驱动系统,驱动器可直接使用CNC的数字量输出信号进行控制,不要经过D/A转换,转速控制精度得到了提高。4与数字式交流伺服驱动一样,在数字式主轴驱动系统中,还可采用参数设定方法对系统进行静态调整与动态优化,系统设定灵活、调整准确。5由于交流主轴电动机无换向器,主轴电动机通常不需要进行维修。6主轴电动机转速的提高不受换向器的限制,最高转速通常比直流主轴电动机更高,可达到数万转。交流主轴驱动系统的原理如图2-3所示。其工作过程如下：由CNC来的转速给定指令1在比较器中与测速反馈信号2比

36、较后产生转速误差信号,这一转速误差经比例积分调节器3放大后,作为转矩给定指令电压输出。转矩给定指令经绝对值回路4将转矩给定指令电压转化为单极性信号。然后经函数发生器6、V/F转换器7,转换为转矩给定脉冲信号。转矩给定脉冲信号在微处理器8中与四倍频回路17输出的速度反馈脉冲进行运算。同时,预先存储在微处理器ROM中的信息给出幅值和相位信号,分别送到DA振幅器10和DA强励磁9。DA振幅器用于产生与转矩指令相对应的电动机定子电流的幅值,而DA励磁强化回路用于控制增加定子电流的幅值。两者输出经乘法器11处理后,形成定子电流的幅值给定。另一方面,从微处理器输出的U、V相位信号sin和sin分别送到U相

37、和V相的电流指令回路12,并在电流指令回路中与幅值给定相乘后产生U相和V相的电流给定指令。电流给定指令与电流反馈信号比较之后的误差,经放大送到PWM控制回路14,变成固定频率的脉宽调制信号,其中,W相信号由Iu、Iv人两信号合成产生。上述脉宽调制信号经PWM转换器15,最终控制电动机的三相电流。作为检测器件的脉冲编码器产生每转固定的脉冲。这一脉冲经四倍频回路17进行倍频后,经F/V转换器19转换为电压信号,提供速度反馈电压。由于低速时,F/V转换器的线性度较差,速度反馈信号一般还需要在微分电路18和同步整流电路20中作相应的处理。交流主轴驱动中采用的主轴定向准停控制方式与直流驱动系统相同。2.

38、3 数控车床主轴驱动控制原理2.3.1三相笼型转子感应电动机的起动1.直接启动直接起动是最简单的起动方法。起动时用刀开关、电磁起动器或接触器将电动机定子绕组直接接到电源上,其接线图如图2-3所示。取熔体的额定电流为电动机额定电流的2.53.5倍。一般对于小型笼型异步电动机如果电源容量足够大时,应尽量采用直接起动方法。对于某一电网,多大容量的电动机才允许直接起动,可按经验公式确定。图2-3感应电动机直接启动 电动机的起动电流倍数KI需符合上式中电网允许的起动电流倍数,才允许直接起动。一般10kW以下的电动机都可以直接起动。随电网容量的加大,允许直接起动的电动机容量也变大。需要注意的是,对于频繁起

39、动的电动机不允许直接起动,否则应采取降压起动。2.降压起动 降压起动是指电动机在起动时降低加在定子绕组上的电压,起动结束时加额定电压运行的起动方式。图2-4电阻降压起动降压起动虽然能降低电动机起动电流,但由于电动机的转矩与电压的平方成正比,因此降压起动时电动机的转矩也减小较多,故此法一般适用于电动机空载或轻载起动。降压起动的方法有以下几种。1定子串接电抗器或电阻的降压起动 方法：起动时,电抗器或电阻接入定子电路；起动后,切除电抗器或电阻,进入正常运行,如图2-4所示。三相异步电动机定子边串入电抗器或电阻器起动时定子绕组实际所加电压降低,从而减小起动电流。但定子绕组串电阻起动时,能耗较大,实际应

40、用不多。 2 星形三角形降压起动 方法：起动时定子绕组接成Y形,运行时定子绕组则接成形,其接线图如图2-4所示。对于运行时定子绕组为Y形的笼型异步电动机则不能用Y起动方法。Y起动时,定子绕组承受的电压只有做三角形联结时的1/3,起动电流为直接起动时的起动电流1/3,而起动转矩也未直接起动时的1/3。Y起动方法简单,价格便宜,因此在轻载起动条件下,应优先采用。我用Y起动方法的电动机额定电压都是380V,绕组是接法。 3自耦补偿起动方法：自耦变压器也称起动补偿器。起动时电源接自耦变压器原边,副边接电动机。起动结束后电源直接加到电动机上。三相笼型异步电动机采用自耦变压器降压起动的接线如图2-4所示。

41、设自耦变压器的电压比,则起动时,电动机所承受的电压为,起动电流为全压起动时的,启动转矩为全压起动时的。与定子串电阻降压起动不同的是,定子串电阻降压起动时,电动机的起动电流就是电网电流；而自耦变压器降压起动时,电动机的起动电流与电网电流的关系则是自耦变压器一、二次电流的关系。因一次电流,因此这是电网电流为电动机起动电流的,图2-5自耦补偿起动原理图可见,采用自耦变压器降压起动,起动电流和起动转矩都降K2倍。自耦变压器一般有23组抽头,其电压可以分别为原边电压U1的80%、65%或80%、60%、40%。该种方法对定子绕组采用Y形或形接法的电动机都可以使用,缺点是设备体积大,投资较大。2.3.2三

42、相绕线型感应电动机的起动1.转子串联电阻起动1起动方法起动时,在转子电路串接起动电阻器,借以提高起动转矩,同时因转子电阻增大也限制了起动电流；起动结束,切除转子所串电阻。为了在整个起动过程中得到比较大的起动转矩,需分几级切除起动电阻。起动接线图和特性曲线如图2-6所示。图2-6绕线式异步电动机起动接线图和特性曲线2 起动过程 先将3个接触器均断开转子串全电阻起动,随着转速的升高依次逼和KM1、KM2、KM3最后将起动电阻全切除,电机转速上升到稳定运行点,完成启动过程。 上述起动过程中,转子三相绕组所接电阻平衡,另外三级平衡切除,故称为三级起动。在整个起动过程中产生的转矩都是比较大的,适合于容量

43、较大的设备,重载起动的情况,广泛用于桥式起重机、卷扬机、龙门吊车等重载设备；对于一些容量较小的设备,转子三相绕组所接电阻也可以不平衡,同样,在切除时,也要进行非平衡切换。转子串电阻起动的缺点是所需起动设备较多,起动时有一部分能量消耗在起动电阻上,起动级数也较少。还需要注意,转子三相绕组所接电阻并非越大越好,转子三相绕组所接电阻要适当。 2.转子串频敏变阻器起动 图2-7 绕线转子异步电动频敏变阻器的结构特点：它是一个三相铁心线圈,其铁心不用硅钢片而用厚钢板迭成。铁心中产生涡流损耗和一部分磁滞损耗,铁心损耗相当一个等值电阻,其线圈又是一个电抗,故电阻和电抗都随频率变化而变化,故称频敏变阻器,它与

44、绕线转子异步电动机的转子绕组接,如图2-7所示。其工作原理如下： 起动时,s=1,f2=f1=50Hz,此时频敏变阻器的铁心损耗大,等效电阻大,既限制了起动电流,增大起动转矩,又提高了转子回路的功率因数。 随着转速n升高,s下降,f2减小,铁心损耗和等效电阻也随之减小,相当于逐渐切除转子电路所串的电阻。3串频敏变阻器起动 起动结束时,n=nN,f2=sN,f1 Hz,此时频敏变阻器基本不起作用,可以闭合接触器触点KM,予以切除。 频敏变阻器起动结构简单,运行可靠,但与转子串电阻起动相比,在同样起动电流下,起动转矩要小些。2.3.3感应电动机的电磁制动1、三相异步电动机的反转 从三相异步电动机的

45、工作原理可知,电动机的旋转方向取决于定子旋转磁场的旋转方向。因此只要改变旋转磁场的旋转方向,就能使三相异步电动机反转。图2-8是利用控制开关SA来实现电动机正、反转的原理线路图。 当SA向上合闸时,L1接U相,L2接V相,L3接W相,电动机正转。 当SA向下合闸时,L1接U相,L2接V相,L3接W相,即将电动机任意两相绕组与电源接线互调,则旋转磁场反向,电动机跟着反转2、三相异步电动机的制动 电动机除了上述电动状态外,在下述情况运行时,则属于电动机的制动状态。在负载转矩为位能转矩的机械设备中,使设备保持一定的运行速度；在机械设备需要减速或停止时,电动机能实现减速和停止的情况下,电动机的运行属于

46、制动状态。三相异步电动机的制动方法有下列两类：机械制动和电气制动。机械制动是利用机械装置使电动机从电源切断后能迅速停转。它的结构有好几种形式,应用较普遍的是电磁抱闸,它主要用于起重机械上吊重物时,使重物迅速而又准确地停留在某一位置上。 电气制动是使异步电动机所产生的电磁转矩和电动机的旋转方向相反。电气制动通常可分为能耗制动、反接制动和回馈制动 等3类。 图2-8 异步电动机正、反转原理线路图3、能耗制动 方法：将运行着的异步电动机的定子绕组从三相交流电源上断开后,立即接到直流电源上,如图2-8所示,用断开QS,闭合SA2来实现。 图2-9感应电动机能耗制动原理图当定子绕组通入直流电源时,在电动

47、机中将产生一个恒定磁场。转子因机械惯性继续旋转时,转子导体切割恒定磁场,在转子绕组中产生感应电动势和电流,转子电流和恒定磁场作用产生电磁转矩,根据右手定则可以判电磁转矩的方向与转子转动的方向相反,为制动转矩。在制动转矩作用下,转子转速迅速下降,当n=0时,T=0,制动过程结束。这种方法是将转子的动能转变为电能,消耗在转子回路的电阻上,所以称能耗制动。如图2-9所示,电动机正向运行时工作在固有机械特性曲线1的a点上。定子绕组改接直流电源后,因电磁转矩与转速反向,因而能耗制动时机械特性位于第二象限,如曲线2。电动机运行点也移至b点,并从b点顺曲线2减速到O点。 对于采用能耗制动的异步电动机,既要求

48、有较大的制动转矩,又要求定、转子回路中电流不能太大使绕组过热。根据经验,能耗制动时对于笼型异步电动机取直流励磁电流为I0,对于绕线转子异步电动机取I0,制动所串电阻r= 倒拉反接制动 图2-12电源反接制动机械特性方法：当绕线转子异步电动机拖动位能性负载时,在其转子回路串入很大的电阻。其机械特性如图5.15所示。 当异步电动机提升重物时,其工作点为曲线1上的a点。如果在转子回路串入很大的电阻,机械特性变为斜率很大的曲线2,因机械惯性,工作点由a点移到b点,因此时电磁转矩小于负载转矩,转速下降。当电动机减速至n=0时,电磁转矩仍小于负载转矩,在位能负载的作用下,使电动机反转,直至电磁转矩等于负载

49、转矩,电动机才稳定运行于c点。因这是由于重物倒拉引起的,所以称为倒拉反接制动, 与电源反接制动一样,s都大于1绕线转子异步电动机倒拉反接制动状态,常用于起重机低速下放重物。2.4数控车床主轴驱动故障与维修为了保证驱动器的安全、可靠运行,直流主轴伺服系统在出现故障和异常等情况时,设置了较多的保护功能,这些保护功能与直流主轴驱动器的故障检测与维修密切相关。机床厂当驱动器出现故障时,可以根据保护功能的情况,分析故障原因。接地保护在伺服单元的输出线路以及主轴电动机部等出现对地短路时,可以通过快速熔断器瞬间切断电源,对驱动器进行保护。过载保护当驱动器、电动机负载超过额定值时,安装在电动机部的热开关或主回

50、路的热继电器将动作,对电动机进行过载保护。速度偏差过大报警当主轴电动机的速度由于某种原因,偏离了指令速度且达到定的误差后,将产生警报,并进行保护。瞬时过电流报警当驱动器中由于部短路、输出短路等原因产生异常的大电流时,驱动器将发出报警并进行保护。速度检测回路断线或短路报警当测速发电机出现信号断线或短路时,驱动器将产生报警并进行保护。速度超过报警当检测出的主轴电动机转速超过额定值的I15%时,驱动器将发出报警并进行保护。励磁监控如果主轴电动机励磁电流过低或无励磁电流,为防止飞车,驱动器将发出报警并进行保护。短路保护当主回路发生短路时,驱动器可以通过相应的快速熔断器进行短路保护。相序报警当三相输入电

51、源相序不正确或缺相状态时,驱动器将发出报警。安装注意事项华中数控直流主轴伺服系统对安装有较高的要求,机床厂这些要保证驱动器正常工作的前提条件,在维修时必须引起注意。安装驱动器的电柜必须密封。机床厂为了防止电柜温度过高,电柜设计时应将温升控制在15以下。机床厂电柜的外部空气引入口,应设置过滤器,并防止从排气口侵入尘埃或烟雾；电缆出人口、柜门等部分应进行密封,冷却电扇不要直接吹向驱动器,以免粉尘附着。维修过程中,必须保证以上部分完好,确保机床长期可靠工作。电动机维修完成后,进行重新安装时,要遵循下列原则：电动机安装面要平,且有足够的剐性。电刷应定期维修及更换,安装位置应尽可能使其检修容易。电动机冷

52、却进风口的进风要充分,安装位置要尽可能使冷却部分的检修容易。电动机应安装在灰尘少、湿度不高的场所,环境温度应在400C以下。电动机应安装在切削液和油不能直接溅到的位置上。使用检查在对主轴驱动系统进行维修前,应进行如下驱动系统工作前的检查：检查伺服单元和电动机的信号线、动力线等的连接是否正确、牢固,绝缘是否良好驱动器、电柜和电动机是否可靠接地。电动机电刷的安装是否牢靠,电动机安装螺栓是否完全拧紧。在维修完成、动作正常后,还应对主轴驱动系统进行工作时的检查：检查速度指令与电动机转速是否一致,负载指示是否正常。电动机是否有异常声音和异常振动。轴承温度是否急剧上升等不正常现象。电刷上是否有显著的火花炭

53、生痕迹。对于工作正常的主轴驱动系统,应进行如下日常维护：电柜的空气过滤器每月应清扫一次。电柜及驱动器的冷却风扇应定期检查。建议操作人员每天都应注意主轴电动机的旋转速度、异常振动、异常声音、通风状态、轴承温度、外表温度和异常臭味。建议使用单位维护人员,每月应对电刷、换向器进行检查。建议使用单位维护人员,每半年应对测速发电机、轴承、热管冷却部分、绝缘电阻进行检测。3 数控车床相关变频器参数设置过程及优化数控车床是机电一体化的典型产品,是集机床、计算机、电机及其拖动、自动控制、检测等技术为一身的自动化设备。其中主轴运动是数控车床的一个重要容,以完成切削任务,其动力约占整台车床的动力的70%80%。基

54、本控制是主轴的正、反转和停止,可自动换档和无级调速。数控车床主轴驱动中变频控制的系统结构与运行模式一般采用无速度传感器的矢量变频器。3.1 变频器矢量控制阐述70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量,根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制,从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 和产生转矩的电流分量 分别加以控制,并同时控制两分量间的幅值和相位,即控制定子电流矢量,所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控

55、制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制,因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在siemens,AB,GE,Fuji等国际化大公司变频器上。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速围上与直流电动机相匹配,而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数,有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数,有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适

56、应功能,带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识,并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数,从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。3.2 数控车床主轴变频的系统结构与运行模式3.2.1 主轴变频控制的基本原理由异步电机理论可知,主轴电机的转速公式为：n=。其中P电动机的极对数,s转差率,f供电电源的频率,n电动机的转速。从上式可看出,电机转速与频率近似成正比,改变频率即可以平滑地调节电机转速,而对于变频器而言,其频率的调节围是很宽的,可在0400Hz之间任意调节,因此主轴电机转速即可以在较宽的围调节。当然,转速提高后,还应考虑到对其轴承及绕

57、组的影响,防止电机过分磨损及过热,一般可以通过设定最高频率来进行限定。图3-1变频器在数控上的应用图3-1所示为变频器在数控车床的应用,其中变频器与数控装置的联系通常包括：数控装置到变频器的正反转信号；数控装置到变频器的速度或频率信号；变频器到数控装置的故障等状态信号。因此所有关于对变频器的操作和反馈均可在数控面板进行编程和显示。3.2.2主轴变频控制的系统构成不使用变频器进行变速传动的数控车床一般用时间控制器确认电机转速到达指令速度开始进刀,而使用变频器后,机床可按指令信号进刀,这样一来就提高了效率。如果被加工件如图3-2所示所示形状,则由图2-2中看出,对应于工件的AB段,主轴速度维持在1

58、000rpm,对应于BC段,电机拖动主轴成恒线速度移动,但转速却是联系变化的,从而实现高精度切削。图3-2 主轴变频器系统构成示意在本系统中,速度信号的传递是通过数控装置到变频器的模拟给定通道,通过变频器部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置,数控装置就可以方便而自由地控制主轴的速度。该特性曲线必须涵盖电压/电流信号、正/反作用、单/双极性的不同配置,以满足数控车床快速正反转、自由调速、变速切削的要求。3.3 无速度传感器的矢量控制变频器3.3.1主轴变频器的基本选型目前较为简单的一类变频器是V/F控制,它就是一种电压发生模式装置,对调频过程中的电压进行给定变化模式调节,常见的有线性

59、V/F控制和平方V/F控制。标量控制的弱点在于低频转矩不够、速度稳定性不好,因此在车床主轴变频使用过程中被逐步淘汰,而矢量控制的变频器正逐步进行推广。所谓矢量控制,最通俗的讲,为使鼠笼式异步机像直流电机那样具有优秀的运行性能及很高的控制性能,通过控制变频器输出电流的大小、频率及其相位,用以维持电机部的磁通为设定值,产生所需要的转矩。矢量控制相对于标量控制而言,其优点有:控制特性非常优良,可以直流电机的电枢电流加励磁电流调节相媲美；能适应要求高速响应的场合；调速围大；可进行转矩控制。当然相对于标量控制而言,矢量控制的结构复杂、计算烦琐,而且必须存贮和频繁地使用电动机的参数。矢量控制分无速度传感器

60、和有速度传感器两种方式,区别在于后者具有更高的速度控制精度,而前者为千分之五,但是在数控车床中无速度传感器的矢量变频器的控制性能已经符合控制要求,所以这里推荐并介绍无速度传感器的矢量变频器。3.3.2 无速度传感器的矢量变频器无速度传感器的矢量变频器目前包括西门子、艾默生、东芝、日立、LG、森兰等厂家都有成熟的产品推出,总结各自产品的特点,它们都具有以下特点：电机参数自动辩识和手动输入相结合；过载能力强,如50%额定输出电流2min、180%额定输出电流10s;低频高输出转矩,如150%额定转矩/1HZ；各种保护齐全。无速度传感器的矢量控制变频器不仅改善了转矩控制的特性,而且改善了针对各种负载

61、变化产生的不特定环境下的速度可控性。图3-3所示,为某品牌无速度传感器变频器产品在低频和正常频段时的转矩测试数据。从图中可知,其在低速围时同样可以产生强大的转矩。在实验中,我们同样将2Hz的矢量变频控制和V/F控制变频进行比较发现,前者具有更强的输出力矩,切削力几乎与正常频段相同。图3-3无传感器矢量变频器的转矩特性3.3.3 矢量控制中的电机参数辨识由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流,因此在其部的算法量涉及到电机参数。从图3-4的异步电动机的T型等效电路表示中可以看出,电机除了常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外,还有R1、X11、R2、X21、Xm和I0。参数辨识中分电机静止辨识和旋转辨识2种,其中在静止辨识中,变频器能自动测量并计算顶子和转子电阻以及相对于