认知数控机床主轴驱动装置，掌握其分类及其结构特点。

数控机床的主轴驱动系统，也就是主传动系统，是数控机床的大功率执行机构，其运动通常是主轴的旋转运动，通过主轴的回转与进给轴的进给，实现刀具与工件快速的相对切削运动。它的性能直接决定了加工工件的表面质量。因此，在数控机床的维修和维护中，主轴驱动系统的维修与维护显得非常重要。

一、数控机床对主轴传动的要求

20世纪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方式已不能满足生产的需要，因此现代数控机床对主轴传动提出了以下基本要求。

1.调速范围要宽并能实现无级调速

为保证加工时选用合适的切削用量，以获得最佳的生产效率、加工精度和表面质量，特别是对具有自动换刀功能的数控加工中心，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，简化主轴结构。

目前，主轴变速主要分为有级变速、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。现代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30 min。

2.恒功率范围要宽

为了满足生产效率要求，数控机床要求主轴在整个速度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。特别是为了满足数控机床低速、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，满足最大功率输出。

3.具有四象限驱动能力

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，调速运行要平稳。目前，一般伺服主轴可以在1 s内从静止加速到6 000 r／min。

4.具有同步控制功能

为了使数控车床具有螺纹切削功能，要求主轴能与进给驱动实行同步控制。为了实现这种功能，数控车床加工螺纹时必须安装一个检测元件，常用的检测元件是光电编码器和磁栅编码器。光电编码器的工作轴安装在与数控车床主轴同步转动的位置上，可准确测量出车床主轴的转速及旋转零点的位置，并以脉冲的方式将这些信号送入数控装置中，以便进行螺纹插补运算及控制。

5.具有定向准停功能

在加工中心上，为了满足加工中心自动换刀，还要求主轴具有高精度的准停功能。主轴定向控制的实现方式有两种：一是机械准停；二是电气准停。例如，利用装在主轴上的磁性传感器或编码器作为检测元件，通过它们输出的反馈信号，使主轴准确地停在规定的位置上，如图2－1－1所示。

图2－1－1 编码器主轴定向控制连接

二、主轴系统分类及特点

全功能数控机床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统根据控制方式的不同主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电动机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮（以获得更大的转矩）带动主轴旋转。另外，根据主轴速度控制信号的不同可分为模拟量控制的主轴驱动装置和串行数字控制的主轴驱动装置两类。第一类是通用变频器控制通用电动机，第二类是专用变频器控制专用电动机。目前，大部分的经济型机床均采用变频主轴，即数控系统模拟量输出＋变频器＋感应（异步）电动机的形式，其性价比很高。伺服主轴驱动装置一般由各数控公司自行研制并生产，如西门子公司的611系列、日本发那科公司的α系列等。

1.笼型异步电动机配齿轮变速箱

图2－1－2所示为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的要求。如果加工产品比较单一，对主轴转速没有太高的要求，此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，由于电动机工作在工频下，主轴转速范围不大，不适合有色金属和需要频繁变换主轴速度的加工场合。

图2－1－2 笼型异步电动机配齿轮变速箱

2.通用笼型异步电动机配通用变频器

如图2－1－3所示，现在的通用变频器，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，再配合两级齿轮变速，基本上可以满足车床低速（100～200 r／min）小加工余量的加工，但同样受最高电动机速度的限制。这是目前经济型数控机床比较常用的主轴驱动系统。

图2－1－3 通用笼型异步电动机配通用变频器

3.专用变频电动机配通用变频器

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在低速时的重力切削。若此配置应用在加工中心上不是很理想，则可以采用其他辅助机构完成定向换刀功能，但不能达到刚性攻螺纹的要求。图2－1－4所示为专用变频电动机配通用变频器的主轴系统。

图2－1－4 专用变频电动机配通用变频器的主轴系统

4.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，但其价格较高，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，用以满足系统自动换刀、刚性攻螺纹、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。图2－1－5所示为伺服主轴驱动系统。

图2－1－5 伺服主轴驱动系统

5.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，但是电主轴的抗冲击能力较弱，而且功率还不能做得太大，一般在10 kW以下。由于结构上的优势，电主轴主要向高速方向发展，一般在10 000 r／min以上。目前，安装电主轴的机床主要用于精加工和高速加工，如高速精密加工中心。

三、常用主轴驱动系统

1.FANUC（法那科）公司主轴驱动系统

从20世纪80年代开始，该公司已使用交流主轴驱动系统，直流驱动系统已被交流驱动系统所取代。目前三个系列交流主轴电动机为：S系列电动机，其额定输出功率范围为1.5～37 kW；H系列电动机，其额定输出功率范围为1.5～22 kW；P系列电动机，其额定输出功率范围为3.7～37 kW。

该公司交流主轴驱动系统的特点为：

（1）采用处理器控制技术，进行矢量计算，从而实现最佳控制。

（2）主回路采用晶体管PWM逆变器，使电动机电流非常接近正弦波性。

（3）具有主轴定向控制、数字和模拟输入接口等功能。

2.SIEMENS（西门子）公司主轴驱动系统(www.daowen.com)

SIEMENS公司生产的直流主轴电动机有1GG5、1GF5、1GL5和1GH5四个系列，与这四个系列电动机配套的6RA24、6RA27系列驱动装置采用晶闸管控制。20世纪80年代初期，该公司又推出了1PH5和1PH6两个系列的交流主轴电动机，功率范围为3～100 kW。驱动装置为6SC650系列交流主轴驱动装置或6SC611A（SIMODRIVE 611A）主轴驱动模块，其主回路采用晶体管SPWM变频器控制的方式，具有能量再生制动功能。另外，采用处理器80186可进行闭环转速、转矩控制及磁场计算，从而完成矢量控制。通过选件实现C轴进给控制，在不需要CNC的帮助下，实现主轴的定位控制。

3.DANFOSS（丹佛斯）公司系列变频器

该公司目前应用于数控机床上的变频器系列常用的有：VLT2800，可采用并列式安装方式，具有宽范围配接电动机功率：0.37～7.5 kW 200 V／400 V；VLT5000，可在整个转速范围内进行精确的滑差补偿，并在3 ms内完成。在使用串行通信时，VLT5000对每条指令的响应时间为0.1 ms，可使用任何标准电动机与VLT5000匹配。

4.HITACHI（日立）公司系列变频器

HITACHI公司的主轴变频器应用于数控机床上的通常有：L100系列通用型变频，其额定输出功率范围为0.2～7.5 kW，V／f特性可选恒转矩／降转矩，可手动／自动提升转矩，载波频率为0.5～16 Hz连续可调。日立SJ100系列变频器，是一种矢量型变频，额定输出功率范围为0.2～7.5 kW，载波频率在0.5～16 Hz内连续可调，加减速过程中可分段改变加减速时间，可内部／外部启动直流制动；日立SJ200／300系列变频器，额定输出功率范围为0.75～132 kW，有两台电动机同时无速度传感器矢量控制运行且电动机常数在线或离线自整定。

5.HNC（华中数控）公司系列主轴驱动系统

HSV－20S是武汉华中数控股份有限公司推出的全数字交流主轴驱动器。该驱动器结构紧凑，使用方便，可靠性高。采用的是最新专用运动控制DSP、大规模现场可编程逻辑阵列（FPGA）和智能化功率模块（IPM）等当今最新技术设计，具有025、050、075、100多种型号规格，以及很宽的功率选择范围。用户可根据要求选配不同型号驱动器和交流主轴电动机，形成高可靠、高性能的交流主轴驱动系统。

参照图2－1－6，指出主轴的配置形式及特点。

图2－1－6 主轴系统的类型

图2－1－6 主轴系统的类型（续）

根据任务完成过程中的表现，填写表2－1－1。

表2－1－1 任务评价

主轴准停控制

主轴准停功能又称为主轴定位功能（spindle specified position stop），即当主轴停止时能控制其停于固定位置。它是自动换刀所必需的功能。

主轴准停可分为机械准停和电气准停。

一、机械准停控制

图2－1－7所示为典型的V形槽轮定位盘准停结构。带有V形槽的定位盘与主轴端面保持一定的位置关系，以确定定位位置。当指令为准停控制M19时，首先使主轴减速至可以设定的低速转动；当检测到无触点开关有效信号时，则立即使主轴电动机停转，主轴电动机会与主轴传动件依惯性继续空转，同时定位盘准停液压缸定位销伸出，并压向定位盘；当定位盘V形槽与定位销正对时，由于液压缸的压力，定位销插入V形槽中，LS2准停到位信号有效，表明准停动作完成。这里LS1为准停释放信号。采用这种准停方式，必须有一定的逻辑互锁，即当LS2有效时，才能进行换刀等动作。而只有当LS1有效时，才能启动主轴电动机正常运转。上述准停功能通常由数控系统的可编程控制器完成。

图2－1－7 V形槽轮定位盘准停结构

机械准停还有其他方式，如端面螺旋凸轮准停等，但它们的基本原理是一样的。

二、电气准停控制

目前国内外中高档数控系统均采用电气准停控制。采用电气准停控制有以下优点：

（1）简化机械结构。与机械准停相比，电气准停只需在旋转部件和固定部件上安装传感器即可，机械结构比较简单。

（2）缩短准停时间。准停时间包括在换刀时间内，而换刀时间是加工中心的重要指标。采用电气准停，主轴即使高速转动，也能快速定位于准停位置，这大大节省了准停时间。

（3）可靠性增加。由于无须复杂的机械、开关、液压缸等装置，也没有机械准停所形成的机械冲击，因而准停控制的寿命与可靠性大大增加。

（4）性能价格比提高。由于简化了机械结构和强电控制逻辑，成本大大降低。但电气准停常作为选择功能，订购电气准停附件需另加费用。但从总体来看，性能价格比大大提高。

目前电气准停通常有磁传感器准停、编码器型准停和数控系统准停三种。

1.磁传感器准停

图2－1－8所示为磁传感器准停控制系统的结构。采用磁传感器时，磁发体直接安装在主轴上，并随主轴一起旋转，而磁传感器则固定在主轴箱体上（距磁发体1～2 mm），磁传感器与主轴驱动控制单元连接。当主轴需要准停时，数控系统便发出准停开关信号，主轴立即加速或减速至某一准停速度（可在主轴驱动装置中设定）。主轴到达准停速度及准停位置时（即磁发体与磁传感器对准），主轴立即减速至某一爬行速度（可在主轴驱动装置中设定），然后当磁传感器信号出现时，主轴驱动立即进入磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制，直至磁发体的判别基准孔转到对准磁传感器上的基准槽时，主轴便停在规定的位置上，且主轴驱动装置输出准停完成信号给数控系统，从而进行其他动作。

图2－1－8 磁传感器准停控制系统的结构

采用磁传感器主轴准停控制时，为了减少干扰，应避免它们与其他产生磁场的元件，如电磁线圈、电磁阀等安装在一起，具体的安装要求可参照有关说明书。另外，要注意磁准停的角度无法随意指定，要想调整准停角度，只有调整磁发体与磁传感器的相对位置。

2.编码器型准停

图2－1－9所示为编码器型主轴准停控制系统结构。该控制系统中的编码器可采用主轴电动机内部安装的编码器，也可采用在主轴上直接安装的另一个编码器。采用编码器主轴定向时，主轴驱动控制单元可自动转换，使其处于速度控制或位置控制状态，其工作过程与磁传感器控制系统相似，但准停角度可由外部开关量设置，在0°～360°任意定向。

图2－1－9 编码器型主轴准停控制系统结构

3.数控系统准停

采用数控系统准停控制方式时，要求主轴驱动控制单元具有闭环控制功能。此时，一般将电动机轴端编码器信号反馈给数控系统，这样主轴传动链精度可能对准停精度产生影响。

图2－1－10所示为数控系统主轴准停结构，其控制原理与进给位置控制原理相似。采用数控系统控制主轴准停的角度由数控系统内部设定，因此准停角度可以更方便地设定。当数控系统执行M19指令时，首先将M19送至PLC，PLC经译码送出控制信号，使主轴驱动进入伺服态，同时数控系统控制主轴电动机降速，并寻找零位脉冲PC，然后进入位置闭环控制状态。

图2－1－10 数控系统主轴准停结构