第6章            数控机床主轴驱动与控制

                课时1 概述

1.     主轴驱动系统的功能

   主轴驱动系统通过控制主轴电机的旋转方向和转速，从而调节主轴上安装的刀具或工件的切削速度，配合进给运动加工出理想的零件，为加工工件提供切削功率是主轴的主要功能。

2．数控机床对主轴驱动系统的要求

1).调速范围宽，并能实现无级调速

2).恒功率范围宽（加工工艺要求粗加工低速，大吃刀，精加工高速、小吃刀）

3).正反转都能均可自动加、减速控制，加速度迅速。

4).具有位置控制能力（主轴能定向和伺服轴功能）

5).具有较高的精度、刚度、传动平稳、噪声低。

3．主轴驱动系统的分类

主轴驱动系统是数控机床的大功率执行机构，其功能是接受数控系统的速度指令（S代码）和辅助功能指令代码（M代码）驱动主轴进行加工，组成包括主轴驱动装置—主轴电机—主轴—主轴编码器）等，按电源方式分为直流驱动系统和交流驱动系统。

1）直流驱动系统—采用直流电机特点：良好的调速性能、过载能力强、精度高、控制方便易于调整，但有电刷换向器，产生电火花和电磁干扰、电刷磨损、维修不方便、成本高。

2）交流驱动系统—采用三相交流异步电机的变频调速的模拟主轴驱动系统和采用三相交流永磁同步电机的全数字交流伺服驱动系统，调速性能堪比直流伺服系统，但电机无电刷和换向器，由于受到伺服驱动器的智能控制，免于维护。

4.主轴驱动系统的实现方案及使用范围

1）普通鼠笼式异步电机配齿轮变速箱

有级调速，额定转速以下，低速力矩大，重切削能力强，粗加工，简易机床或机床改造、噪声大、速度范围不大，速度调整不方便。

2）普通鼠笼式异步电机配通用变频器

具有U/F曲线调节，无反馈的矢量控制，低速性能好，配合两级齿轮变速，即可实现数控车低速（100~200r/min）小加工余量的加工，但受电机最高速度限制，高速范围较窄。

3）专用变频电机配备通用变频器

一般采用有反馈矢量控制，即使很低的速度也可以有较大的力矩输出，有定向和分度的功能，应用非常广泛。电机先马YPNC系列电压200V,380V交流三相，输出功率1.5~18.5KW，变频范围（2~200HZ）1.5倍过载能力30分钟，配备西门子、日立、安川、富士等通用变频器。

4）伺服主轴驱动系统

专用的全数字交流伺服驱动系统，功率大、反应快、速度范围宽、过载能力强，具有定向和伺服轴控制功能，价格高，一般用于加工中心，以满足自动换刀、攻丝和旋转伺服轴功能需要。

5）电主轴

电动机的转子直接作为机床主轴，主轴单元的壳体就是电动机机座，并且配合其他零部件，实现电动机与主轴的一体化，取消了电机与主轴之间的带传动或齿轮传动，实现了零传动，采用主轴高速电机。

优点：结构紧凑，质量小、惯性小、振动小、噪声低、响应快、转速高、功率大、简化机床设计、易于实现主轴定位。（高速轴承、转子动平衡、润滑、冷却、内置编码器、自动加紧放松装置、刀具安装方式、高速变频技术）

5．常用的主轴驱动系统

1）FANUC 公司的S（1.5~37KW）、H（1.5~22KW）、P（3.7~37KW），主轴伺服驱动器采用微处理器实现矢量计算，实现最优控制，主回路采用PWM逆变技术，电机电流接近正弦波，具有主轴定向和数字/模拟的输入信号接口。

2） SIEMENS公司的IGG5、IGF5、JGL5、IGH5四个系列，配套的主轴伺服驱动器6RA24、6RA27 主电路采用晶闸管控制，1PH5、1PH6 （3~100KW），主轴伺服驱动器为6SC650的6SC611A主轴驱动模块，主电路采用SPWM变频控制的方式，能量再生功能，闭环转速、转矩控制，具有C轴功能和主轴定向功能。

3）DANFOSS（单佛斯）公司变频器为VLT2800、VLT500，串行通讯，配备通用高速电机（0.37~7.5KW）反应时间为0.1ms。

4）HITACHI（日立）公司：L100 （0.2~7.5KW），v/F特性可选恒转矩/降转矩，（0.75~132KW）

5）HNC（华中数控）HSV-20S DSP技术 FPGA IPM 。