【正文】 第五章 數(shù)控機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)與維修數(shù)控機床的主軸驅(qū)動系統(tǒng)也就是主傳動系統(tǒng)，它的性能直接決定了加工工件的表面質(zhì)量，因此，在數(shù)控機床的維修和維護(hù)中，主軸驅(qū)動系統(tǒng)顯得很重要。本章主要內(nèi)容：——介紹數(shù)控機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)組成及特點、分類等；——介紹了通用變頻器及典型系統(tǒng)變頻主軸的連接線路、相關(guān)參數(shù)等；——簡介了通用變頻主軸、伺服主軸的主要故障及處理方法，并介紹了一些維修實例。5．1 概述數(shù)控機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)是數(shù)控機床的大功率執(zhí)行機構(gòu)，其功能是接受數(shù)控系統(tǒng)(CNC)的S碼速度指令及M碼輔助功能指令，驅(qū)動主軸進(jìn)行切削加工。它包括主軸驅(qū)動裝置、主軸電動機、主軸位置檢測裝置、傳動機構(gòu)及主軸。通常主軸驅(qū)動被加工工件旋轉(zhuǎn)的是車削加工，所對應(yīng)的機床是車床類；主軸驅(qū)動切削刀具旋轉(zhuǎn)的是銑削加工，所對應(yīng)的機床是銑床類。數(shù)控機床對主軸驅(qū)動系統(tǒng)的要求 機床的主軸驅(qū)動和進(jìn)給驅(qū)動有較大的差別。機床主軸的工作運動通常是旋轉(zhuǎn)運動，不像進(jìn)給驅(qū)動需要絲杠或其它直線運動裝置作往復(fù)運動。數(shù)控機床通常通過主軸的回轉(zhuǎn)與進(jìn)給軸的進(jìn)給實現(xiàn)刀具與工件的快速的相對切削運動。在20紀(jì)6070年代，數(shù)控機床的主軸一般采用三相感應(yīng)電動機配上多級齒輪變速箱實現(xiàn)有級變速的驅(qū)動方式。隨著刀具技術(shù)、生產(chǎn)技術(shù)、加工工藝以及生產(chǎn)效率的不斷發(fā)展，上述傳統(tǒng)的主軸驅(qū)動已不能滿足生產(chǎn)的需要?，F(xiàn)代數(shù)控機床對主軸傳動提出了更高的要求：調(diào)速范圍寬并實現(xiàn)無極調(diào)速 為保證加工時選用合適的切削用量，以獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。特別對于具有自動換刀功能的數(shù)控加工中心，為適應(yīng)各種刀具、工序和各種材料的加工要求，對主軸的調(diào)速范圍要求更高，要求主軸能在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的指令自動實現(xiàn)無級調(diào)速，并減少中間傳動環(huán)節(jié)，簡化主軸箱。目前主軸驅(qū)動裝置的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍已可達(dá)1∶100，恒功率調(diào)速范圍也可達(dá)1∶30。主軸變速分為有級變速、無級變速和分段無級變速三種形式，其中有級變速僅用于經(jīng)濟型數(shù)控機床，大多數(shù)數(shù)控機床均采用無級變速或分段無級變速。在無級變速中，變頻調(diào)速主軸一般用于普及型數(shù)控機床，交流伺服主軸則用于中、高檔數(shù)控機床。恒功率范圍要寬 主軸在全速范圍內(nèi)均能提供切削所需功率，并盡可能在全速范圍內(nèi)提供主軸電動機的最大功率。由于主軸電動機與驅(qū)動裝置的限制，主軸在低速段均為恒轉(zhuǎn)矩輸出。為滿足數(shù)控機床低速、強力切削的需要，常采用分級無級變速的方法（即在低速段采用機械減速裝置），以擴大輸出轉(zhuǎn)矩。具有4象限驅(qū)動能力 要求主軸在正、反向轉(zhuǎn)動時均可進(jìn)行自動加、減速控制，并且加、減速時間要短。目前一般伺服主軸可以在1秒內(nèi)從靜止加速到6000r/min。具有位置控制能力 即進(jìn)給功能（C軸功能）和定向功能（準(zhǔn)停功能），以滿足加工中心自動換刀、剛性攻絲、螺紋切削以及車削中心的某些加工工藝的需要。具有較高的精度與剛度，傳動平穩(wěn)，噪音低。 數(shù)控機床加工精度的提高與主軸系統(tǒng)的精度密切相關(guān)。為了提高傳動件的制造精度與剛度，采用齒輪傳動時齒輪齒面應(yīng)采用高頻感應(yīng)加熱淬火工藝以增加耐磨性。最后一級一般用斜齒輪傳動，使傳動平穩(wěn)。采用帶傳動時應(yīng)采用齒型帶。應(yīng)采用精度高的軸承及合理的支撐跨距，以提高主軸的組件的剛性。在結(jié)構(gòu)允許的條件下，應(yīng)適當(dāng)增加齒輪寬度，提高齒輪的重疊系數(shù)。變速滑移齒輪一般都用花鍵傳動，采用內(nèi)徑定心。側(cè)面定心的花鍵對降低噪聲更為有利，因為這種定心方式傳動間隙小，接觸面大，但加工需要專門的刀具和花鍵磨床。良好的抗振性和熱穩(wěn)定性。 數(shù)控機床加工時，可能由于持續(xù)切削、加工余量不均勻、運動部件不平衡以及切削過程中的自振等原因引起沖擊力和交變力，使主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時甚至可能損壞刀具和主軸系統(tǒng)中的零件，使其無法工作。主軸系統(tǒng)的發(fā)熱使其中的零部件產(chǎn)生熱變形，降低傳動效率，影響零部件之間的相對位置精度和運動精度，從而造成加工誤差。因此，主軸組件要有較高的固有頻率，較好的動平衡，且要保持合適的配合間隙，并要進(jìn)行循環(huán)潤滑。主軸系統(tǒng)分類及特點 全功能數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)大多采用無級變速。目前，無級變速系統(tǒng)根據(jù)控制方式的不同主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機，通過帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，或通過帶傳動和主軸箱內(nèi)的減速齒輪(以獲得更大的轉(zhuǎn)矩)帶動主軸旋轉(zhuǎn)。另外根據(jù)主軸速度控制信號的不同可分為模擬量控制的主軸驅(qū)動裝置和串行數(shù)字控制的主軸驅(qū)動裝置兩類。模擬量控制的的主軸驅(qū)動裝置采用變頻器實現(xiàn)主軸電動機控制，有通用變頻器控制通用電機和專用變頻器控制專用電機兩種形式。目前大部分的經(jīng)濟型機床均采用數(shù)控系統(tǒng)模擬量輸出+變頻器+感應(yīng)（異步）電機的形式，性價比很高，這時也可以將模擬主軸稱為變頻主軸。串行主軸驅(qū)動裝置一般由各數(shù)控公司自行研制并生產(chǎn)，如西門子公司的611系列，日本發(fā)那克公司的α系列等。普通籠型異步電動機配齒輪變速箱 這是最經(jīng)濟的一種方法主軸配置方式，但只能實現(xiàn)有級調(diào)速，由于電動機始終工作在額定轉(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，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，對主軸轉(zhuǎn)速沒有太高的要求，配置在數(shù)控機床上也能起到很好的效果；它的缺點是噪音比較大，由于電機工作在工頻下，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合。普通籠型異步電動機配簡易型變頻器 可以實現(xiàn)主軸的無級調(diào)速，主軸電動機只有工作在約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，另外因為受到普通電動機最高轉(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調(diào)速但對低速和高速都不要求的場合，例如數(shù)控鉆銑床。國內(nèi)生產(chǎn)的簡易型變頻器較多。通籠型異步電動機配通用變頻器 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，會對電動機的低速特性有所改善，配合兩級齒輪變速，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，但同樣受最高電動機速度的限制。這是目前經(jīng)濟型數(shù)控機床比較常用的主軸驅(qū)動系統(tǒng)。專用變頻電動機配通用變頻器 一般采用有反饋矢量控制，低速甚至零速時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，是非常有競爭力的產(chǎn)品。以先馬YPNC系列變頻電動機為例，電壓：三相200V、220V、380V、400V可選；輸出功率：；變頻范圍2200Hz；（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外公司為主，如：西門子、安川、富士、三菱、日立等。中檔數(shù)控機床主要采用這種方案，主軸傳動兩擋變速甚至僅一擋即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速在100—200r/min左右時車、銑的重力切削。一些有定向功能的還可以應(yīng)用與要求精鏜加工的數(shù)控鏜銑床，若應(yīng)用在加工中心上，還不很理想，必須采用其他輔助機構(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。伺服主軸驅(qū)動系統(tǒng) 伺服主軸驅(qū)動系統(tǒng)具有響應(yīng)快、速度高、過載能力強的特點，還可以實現(xiàn)定向和進(jìn)給功能，當(dāng)然價格也是最高的，通常是同功率變頻器主軸驅(qū)動系統(tǒng)的23倍以上。伺服主軸驅(qū)動系統(tǒng)主要應(yīng)用于加工中心上，用以滿足系統(tǒng)自動換刀、剛性攻絲、主軸C軸進(jìn)給功能等對主軸位置控制性能要求很高的加工。電主軸 電主軸是主軸電動機的一種結(jié)構(gòu)形式，驅(qū)動器可以是變頻器或主軸伺服，也可以不要驅(qū)動器。電主軸由于電機和主軸合二為一，沒有傳動機構(gòu)，因此，大大簡化了主軸的結(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，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，在雕刻機和有色金屬以及非金屬材料加工機床上應(yīng)用較多，這些機床由于只對主軸高轉(zhuǎn)速有要求，因此，往往不用主軸驅(qū)動器。就電氣控制而言，機床主軸的控制是有別于機床伺服軸的。一般情況下，機床主軸的控制系統(tǒng)為速度控制系統(tǒng)，而機床伺服軸的控制系統(tǒng)為位置控制系統(tǒng)。換句話說，主軸編碼器一般情況下不是用于位置反饋的（也不是用于速度反饋的），而僅作為速度測量元件使用，從主軸編碼器上所獲取的數(shù)據(jù)，一般有兩個用途，其一是用于主軸轉(zhuǎn)速顯示；其二是用于主軸與伺服軸配合運行的場合（如螺紋切削加工，恒線速加工，G95轉(zhuǎn)進(jìn)給等）。 注：當(dāng)機床主軸驅(qū)動單元使用了帶速度反饋的驅(qū)動裝置以及標(biāo)準(zhǔn)主軸電機時，主軸可以根據(jù)需要工作在伺服狀態(tài)。此時，主軸編碼器作為位置反饋元件使用。 通用變頻主軸驅(qū)動裝置及維修隨著交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，目前數(shù)控機床的主軸驅(qū)動多采用交流主軸電動機配變頻器控制的方式。目前作為主軸驅(qū)動裝置市場上流行的變頻器有德國西門子公司、日本三肯、安川等。下面以西門子（MM420）為例，講解模擬量控制主軸運動裝置的工作原理、端部接線、功能參數(shù)的設(shè)定、相關(guān)數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定及維修技術(shù)。MM420西門子的供電電源電壓為三相交流（380V至480V）或單相交流（200V至240V），具有現(xiàn)場總線接口的選件，功率范圍：～11KW；控制：線性v/f控制特性，多點設(shè)定的v/f控制特性，F(xiàn)CC（磁通電流控制）。過程控制：內(nèi)置PI控制器。輸入：3個數(shù)字輸入，1個模擬輸入。輸出：1個模擬輸出，1個繼電器輸出。與自動化系統(tǒng)的接口：是SIMATIC　S7200,SIMATICS7300/400（TIA）或SIMOTION自動化系統(tǒng)的理想配套設(shè)備。MM420變頻器接線方框圖如下： 圖51 MM420變頻器接線方框圖1）變頻器主電路主電路的功能是將固定頻率（5060HZ）的交流電轉(zhuǎn)換成頻率連續(xù)可調(diào)（0400HZ）的三相交流電，包括交直電路、制動單元電路及直交電路。MM420變頻器主電路輸入端子有三相或單相可選，為L、N或LLL3，輸出端子為U、V、W。2）變頻器控制回路功能及端子接線 掌握變頻器控制回路接線端子功能在維修中是非常重要的，西門子變頻器的控制端子有開關(guān)量輸入控制端子（8），主要用于控制電機的正反向運行等功能；模擬量輸入端子（4），主要用于控制接受010V的模擬量信號；報警信號輸出（11）。其中多功能端子7的具體功能是分別由變頻器參數(shù)P070P070P0703等設(shè)定，以數(shù)控系統(tǒng)802C為例，根據(jù)西門子802C PLC程序的主軸控制輸出特點，其相應(yīng)的端子功能設(shè)定如下表： 變頻器控制端子功能設(shè)定參數(shù)3）變頻器輸入接線實際使用注意事項: （1）根據(jù)變頻器輸入規(guī)格選擇正確的輸入電源。（2）變頻器輸入側(cè)采用斷路器(不宜采用熔斷器)實現(xiàn)保護(hù),其斷路器的整定值應(yīng)按變頻器的額定電流選擇而不應(yīng)按電動機的額定電流來選擇。（3） 變頻器三相電源實際接線無需考慮電源的相序。（4）面板上的SDP 有兩個 LED，用于顯示變頻器當(dāng)前的運行狀態(tài)變頻器輸出接線實際使用注意事項： （1）輸出側(cè)接線須考慮輸出電源的相序。若相序錯誤，將會造成主軸電機反轉(zhuǎn)，機床不能正常加工而報警。 （2）實際接線時,決不允許把變頻器的電源線接到變頻器的輸出端。若接反了，會燒毀變頻器。