【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 同一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上主軸輸出功率比進(jìn)給軸輸出功率要大得多。因此，在接口上主軸驅(qū)動(dòng)裝置又具有自身的特點(diǎn)。圖31是主軸裝置(變頻器)最基本的接口圖，如圖所示采用三相交流380V電源吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院11供電；速度指令由3腳輸入，指令電壓范圍是直流0~10V；主軸電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)／停止以及旋轉(zhuǎn)方向由外部開關(guān)OV控制，當(dāng)5閉合時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，打開反轉(zhuǎn)，當(dāng)6閉合時(shí)電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，打開則停止轉(zhuǎn)動(dòng)。變頻器根據(jù)輸入的速度指令和運(yùn)行狀態(tài)指令輸出相應(yīng)頻率和幅值的交流電源，控制電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。此裝置也適用于無(wú)反饋的矢量控制的變頻器的接口圖。采用有反饋矢量控制的變頻器以及主軸伺服驅(qū)動(dòng)器接口圖基本相同，圖32是有反饋矢量控制的變頻器的典型接口圖。相對(duì)于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置主軸驅(qū)動(dòng)裝置的接口具有如下特點(diǎn)： 三 相電 源輸 入L13UVW12345MOV起 /停正 反10K主 軸 變 頻 器圖 31 主軸變頻器圖 32 帶速度反饋的主軸驅(qū)動(dòng)器接口圖輸入電源接口一般采用交流電源供電，輸入電源的范圍包括三相交流460V、400V、380V、230V、200V，單相220V、100V等，或在較大的范圍內(nèi)可調(diào)。為吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院12了實(shí)現(xiàn)大功率輸出，主軸驅(qū)動(dòng)裝通常采用不低于230V的三相交流電源，而進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置多采用不高于220V的三相交流電源；變頻器通常電源電壓范圍比較寬，如230~400V，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置電源電壓一般要求是固定的。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行指令接口因?yàn)檫M(jìn)給電動(dòng)機(jī)主要用于位置控制，因此進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置一般都具備和采用脈沖信號(hào)作為指令輸入，控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和方向，不提供單獨(dú)的開關(guān)量接口控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。而主軸電動(dòng)機(jī)主要用于速度控制，因此主軸驅(qū)動(dòng)裝置一般都具備和采用0~10V模擬電壓作為速度指令，由開關(guān)量控制旋轉(zhuǎn)方向，而不提供脈沖指令輸入接口。很多主軸驅(qū)動(dòng)裝置也接收 10~V??模擬電壓以及20~mA??作為速度指令，其中信號(hào)幅值控制轉(zhuǎn)速，信號(hào)極性控制旋轉(zhuǎn)方向[32]。當(dāng)然根據(jù)生產(chǎn)廠家和型號(hào)的不同，主軸驅(qū)動(dòng)裝置也可以支持脈沖指令、總線、RS23RS42RS485及網(wǎng)絡(luò)等控制接口。驅(qū)動(dòng)裝置及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)控制接口主軸驅(qū)動(dòng)裝置都提供控制電動(dòng)機(jī)正／反轉(zhuǎn)的開關(guān)量接口，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置一般不提供，采用脈沖信號(hào)作為指令的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置，只有當(dāng)脈沖指令類型為‘脈沖+方向’時(shí)，可以把方向信號(hào)理解為改變電動(dòng)機(jī)方向的控制接口。而且主軸驅(qū)動(dòng)裝置的方向控制接口是和速度模擬指令接口一起出現(xiàn)的，多是DC24V開關(guān)量接口；進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置的‘方向’控制接口多是和‘脈沖’信號(hào)一起出現(xiàn)的，多是DC5V數(shù)字信號(hào)；主軸一般都提供單極性模擬電壓信號(hào)，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置提供的模擬控制接口多是雙極性的。對(duì)于一些主軸伺服單元，雖然具備位置控制功能，當(dāng)其主要還是工作在速度控制模式下，位置控制模式是一種特殊的工作狀態(tài)，因此，會(huì)提供位置控制模式切換控制接口，方便使用者需要時(shí)方便的切換主軸工作模式，以完成定向，分度等特殊的工藝或控制要求而進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置則通常始終工作在位置控制模式下 [8]。反饋接口由于主軸對(duì)位置控制的精度并不非常高，因此對(duì)與位置控制精度密切相關(guān)的反饋裝置要求也不高，主軸電動(dòng)機(jī)或主軸多數(shù)采用1000線的編碼器，而進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)則至少采用2022線的編碼器，有些進(jìn)給電動(dòng)機(jī)編碼器可多達(dá)10萬(wàn)線。另外為了控制的方便許多進(jìn)給驅(qū)動(dòng)器都有絕對(duì)式編碼器接口，功能更強(qiáng)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)器還有第二編吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院13碼器接口以通過(guò)驅(qū)動(dòng)器直接實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。而主軸驅(qū)動(dòng)裝置一般不具備絕對(duì)式編碼器接口和第二編碼器接口。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置和主軸驅(qū)動(dòng)裝置有相互融合的趨勢(shì)，即主軸驅(qū)動(dòng)裝置的位置控制功能和精度開始接近進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置，另一方面進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置動(dòng)態(tài)特性，高速特性開始接近主軸驅(qū)動(dòng)裝置。目前已經(jīng)有一些這樣的產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，以國(guó)產(chǎn)華中數(shù)控HSV20S/D系列伺服驅(qū)動(dòng)為例：電源采用三相交流380V，同時(shí)支持脈沖指令接口、模擬量指令接口、RS232指令接口；即支持普通三相籠型異步電動(dòng)機(jī)、專用變頻電動(dòng)機(jī)，也支持永磁同步伺服進(jìn)給電動(dòng)機(jī)和主軸伺服電動(dòng)機(jī)?？梢越M成主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，也可以組成進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；支持雙編碼器接口，可應(yīng)用于全閉環(huán)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由此從硬件上已很難定義它是進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置還是主軸驅(qū)動(dòng)裝置。圖 33 HSV20S/D 主軸伺服 主軸驅(qū)動(dòng)裝置的選型主軸驅(qū)動(dòng)裝置的選型與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置等其他設(shè)備一樣需要遵循經(jīng)濟(jì)實(shí)用、穩(wěn)定可靠和易于操作維護(hù)的原則，以整機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)主軸系統(tǒng)的要求和不同類型的主軸系統(tǒng)的特點(diǎn)為依據(jù)。 主軸系統(tǒng)的特點(diǎn)和適用范圍l、普通籠型異步電動(dòng)機(jī)配齒輪變速箱這是一種最經(jīng)濟(jì)的改造方法，但只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，因電動(dòng)機(jī)一直工作在額定轉(zhuǎn)速下，經(jīng)變速齒輪減速后，從主軸輸出端低速下輸出力矩大，超強(qiáng)切削能力高，吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院14比較適于粗加工與半精加工。如果加工產(chǎn)品單一，且對(duì)主軸轉(zhuǎn)速要求不高，用于其機(jī)床數(shù)控化改造效果也不錯(cuò)；但其缺點(diǎn)是噪音大，主軸轉(zhuǎn)速范圍窄，不適合有色金屬加工場(chǎng)合和需要經(jīng)常改變速度的加工場(chǎng)合。普通籠型異步電動(dòng)機(jī)配簡(jiǎn)易型變頻器可以實(shí)現(xiàn)主軸的無(wú)級(jí)調(diào)速，但主軸電動(dòng)機(jī)只有工作在約500轉(zhuǎn)/分鐘以上才能有比較好的力矩輸出，否則，特別是銑床很容易出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)的情況，一般會(huì)采用兩擋齒輪或皮帶變速，但主軸也只能工作在中高速范圍，此外，因受到普通電動(dòng)機(jī)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(wú)級(jí)調(diào)速但對(duì)低速和高速都不要求的場(chǎng)合，例如數(shù)控鉆銑床。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的此種簡(jiǎn)易型變頻器非常多。普通籠型異步電動(dòng)機(jī)配通用變頻器目前進(jìn)口的通用變頻器，除了具有 fV/曲線調(diào)節(jié)，一般還具有無(wú)反饋矢量控制功能，會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的低速特性有所改善，配合兩級(jí)齒輪變速，基本上可以滿足銑床低速(100~200轉(zhuǎn)／分鐘)小加工余量的加工，但同樣受最高電動(dòng)機(jī)速度的限制。這是目前經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床比較常用的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。專用變頻電動(dòng)機(jī)配通用變頻器一般采用有反饋式矢量控制，低速甚至零速時(shí)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，目前這類產(chǎn)品較有市場(chǎng)。現(xiàn)今生產(chǎn)通用變頻器的廠家主要有西門子、日立、富士、三菱等外國(guó)公司。伺服主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有響應(yīng)快、速度高、抗過(guò)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，且能實(shí)現(xiàn)定向和進(jìn)給功能，但價(jià)格也較高，通常是同功率變頻器主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的23倍以上。伺服主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要應(yīng)用于加工中心上，用以滿足系統(tǒng)自動(dòng)換刀、剛性攻絲、主軸C軸進(jìn)給功能等對(duì)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(dòng)機(jī)的一種結(jié)構(gòu)形式，驅(qū)動(dòng)器可以是變頻器或主軸伺服，也可以不要驅(qū)動(dòng)器。電主軸由于電機(jī)和主軸合二為一，沒(méi)有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而簡(jiǎn)化了主軸的結(jié)構(gòu)，主軸的精度也提高了，但是抗沖擊能力變?nèi)?，同時(shí)功率也不大，一般在l0KW以下。因結(jié)構(gòu)上有優(yōu)勢(shì)，電主軸主要向高速方向發(fā)展，一通常在10000r／min吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院15以上。安裝電主軸的機(jī)床主要用于精加工和高速加工，例如高速精密加工中心。上述之可供選型的幾種主軸單元。選型的目的是為符合整機(jī)設(shè)計(jì)的需要，從而適應(yīng)生產(chǎn)的需要。機(jī)床改造的整體整機(jī)設(shè)計(jì)會(huì)從功能上、性能上，以及成本上對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提出要求，根據(jù)這些確定主軸單元結(jié)構(gòu)，用以滿足經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的要求。 功率選擇輸出功率是主軸電機(jī)負(fù)載能力的指標(biāo)。如圖35，主軸電機(jī)的額定功率是指在恒功率區(qū)(轉(zhuǎn)速n1到n2)內(nèi)加工運(yùn)行時(shí)的輸出功率，低于額定轉(zhuǎn)速n1時(shí)是達(dá)不到額定功率的，轉(zhuǎn)速越低，輸出功率就越小。要求滿足主軸低速時(shí)的功率規(guī)格，一般采用齒輪箱或皮帶變速，此時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。在主軸與主軸電機(jī)直接連接的數(shù)控機(jī)床中，有兩種方法來(lái)提高主軸低速時(shí)的功率要求，其一是選擇額定速度低的主軸電機(jī)或額定功率高一檔的主軸電機(jī)。其二是采用特種的繞組切換式主軸電機(jī)，從而提高了主軸電機(jī)的低速特性。國(guó)外主軸驅(qū)動(dòng)器的額定電壓通常是400V，而我國(guó)三相交流是380V，這就影響最大輸出功率。為了保證電動(dòng)機(jī)的輸出功率，在選型時(shí)一般選擇驅(qū)動(dòng)器的功率比電動(dòng)機(jī)要大一擋，例如，選擇5．5KW的驅(qū)動(dòng)器配4KW的電動(dòng)機(jī)。具體實(shí)施時(shí)參考生產(chǎn)廠家的指導(dǎo)意見。圖 35 主軸電機(jī)的功率特性在考慮本單位的使用習(xí)慣和設(shè)備的用途之后再來(lái)選擇具體的型號(hào)。盡量用同一廠家的或符合本單位使用習(xí)慣的產(chǎn)品，有利于設(shè)備的維修和維護(hù)。 數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)是指主軸電動(dòng)機(jī)至主軸的運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)。主軸電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源通過(guò)此傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生主軸上安裝的刀具的切削力矩和切削速度。主軸的運(yùn)動(dòng)也是機(jī)床的成形運(yùn)動(dòng)之一。它的運(yùn)行精度與穩(wěn)定性對(duì)零件的加工精度有很大影響。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院16 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求l、具備大調(diào)速范圍與無(wú)級(jí)調(diào)速。為了保證數(shù)控機(jī)床加工時(shí)能提供合理的切削用量和切削速度，保證獲取最高的生產(chǎn)率及高的加工精度和表面質(zhì)量，就必須具有大的調(diào)速范圍。尤其對(duì)于加工中心、車銑中心以及一些專用數(shù)控機(jī)床，為了適應(yīng)各種工序以及各種加工材料的要求，主軸系統(tǒng)的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。具務(wù)高的精度與剛性，傳動(dòng)平穩(wěn)。數(shù)控機(jī)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(dòng)件的制造精度與剛性度，采用齒輪傳動(dòng)時(shí)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。通常采用斜齒輪傳動(dòng)，使傳動(dòng)平穩(wěn)。也可采用齒型帶。應(yīng)采用精度高的軸承及合理的支撐跨距，以提升主軸的組件的剛性。在結(jié)構(gòu)允許的條件下，可適量增加齒輪寬度，增大齒輪的重疊系數(shù)。變速滑移齒輪一般都用花鍵傳動(dòng)，采用內(nèi)徑定心與側(cè)面定心的花鍵更有利于降低噪聲 [4]。良好的熱穩(wěn)定性與抗振性。數(shù)控機(jī)床加工中，會(huì)因?yàn)槌掷m(xù)切削、余量不均、運(yùn)動(dòng)不平衡等原因產(chǎn)生沖擊力和交變力，致使主軸發(fā)生振動(dòng)，最終影響加工精度和表面質(zhì)量，更嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞刀具和主軸系統(tǒng)中的零件，使其無(wú)法正常工作。主軸系統(tǒng)的發(fā)熱也會(huì)使其中的零部件發(fā)生熱變形，降低傳動(dòng)效率，影響各部件之間的相互位置精度和運(yùn)動(dòng)精度，也會(huì)造成加工精度誤差。因此，主軸組件要有較高的固有頻率，較好的動(dòng)平衡，且要保持合適的配合間隙，并應(yīng)進(jìn)行充分的潤(rùn)滑。 主軸的傳動(dòng)方式為了適應(yīng)不同的加工要求，目前主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式大致可以分為三類。兩級(jí)以上變速的主傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于大、中型數(shù)控機(jī)床采用較多種變速方式，常采用由1~2對(duì)齒輪降速，目的是降低速度，提升輸出扭矩。部分小型數(shù)控機(jī)床也有采用這種傳動(dòng)方式，目的是獲得超強(qiáng)切削時(shí)需要的扭矩。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠滿足各種切削運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩輸出，并且具有寬范圍調(diào)節(jié)速度的能力。不足之處是機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備體積龐大，設(shè)計(jì)制造成本較高。維修與維護(hù)也較困難。這種傳動(dòng)方式常用的變速操作方法有液壓撥叉和電磁離合器兩種 [6]。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院17一級(jí)變速的主傳動(dòng)系統(tǒng)目前多采用同步齒形帶傳動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低、安裝調(diào)試方便。但系統(tǒng)的調(diào)速范圍與電動(dòng)機(jī)一樣，受制于電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍和輸出轉(zhuǎn)矩特性的約束。此傳動(dòng)方式適用于低轉(zhuǎn)矩特性要求的機(jī)床主軸傳動(dòng)，傳動(dòng)中能夠減少傳動(dòng)時(shí)引起的振動(dòng)與噪聲等對(duì)機(jī)床工作精度危害不利因素 [7]。高速切削主軸高速切削是上世紀(jì)后期發(fā)展起來(lái)的一種新工藝。此工藝的切削速度比常規(guī)的要高幾倍到十多倍，如高速銑削鋁合金件時(shí)的最高切削速度可達(dá) 250~4/min；加工鋼件為 40~2/min；加工鑄鐵為800~2400m/min，進(jìn)給速度也可以相應(yīng)提高很多倍。此加工藝不僅切削效率高，且具有加工表面粗糙度值低、切削溫度低和延長(zhǎng)刀具使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn) [22]。高速切削一般采用內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)的主軸，即主軸與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子合為一體。其優(yōu)點(diǎn)是主軸組件結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，慣量小，剛度高，可提高啟動(dòng)、停止的響應(yīng)特性，并且有利于控制振動(dòng)和噪聲．不足之處是電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量易使主軸產(chǎn)生熱變形。因此，主軸的溫度控制和冷卻是使用電主軸的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和裝配工藝要求非常高。 主軸換擋主軸換擋是指通過(guò)改變主軸電動(dòng)機(jī)至主軸的傳動(dòng)比來(lái)獲得更寬的主軸轉(zhuǎn)速范圍以及更高的轉(zhuǎn)矩輸出的過(guò)程。對(duì)于普通三相異步主軸電動(dòng)機(jī)，通常其轉(zhuǎn)速是固定的。必須通過(guò)主軸換擋才能獲得不同的主軸轉(zhuǎn)速以滿足加工的需要。對(duì)于采用交流伺服電機(jī)的主軸電動(dòng)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)主軸的無(wú)級(jí)調(diào)速。采用無(wú)級(jí)調(diào)速主軸機(jī)構(gòu)，雖然主軸箱結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，但低速段輸出轉(zhuǎn)矩不理想。因而數(shù)控機(jī)床常采用無(wú)級(jí)調(diào)速與l~4擋齒輪變速相結(jié)合的調(diào)速方式，也就是所謂分段無(wú)級(jí)變速方式，同時(shí)滿足低速轉(zhuǎn)矩和最高主軸轉(zhuǎn)速的要求 [6]。主軸換擋方式通常有以下三種：1．手動(dòng)換擋通過(guò)人工轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)，撥動(dòng)傳動(dòng)齒輪來(lái)改變傳動(dòng)比。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，但是在加工前必須把主軸的擋位設(shè)置正確，自動(dòng)加工的過(guò)程中不能通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)或PLC自動(dòng)改變主軸速度。吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院182．液壓撥叉換擋采用一只或幾只液壓缸帶動(dòng)齒輪移動(dòng)的變速機(jī)構(gòu)，液壓撥叉變速必須在主軸停車之后才能進(jìn)行。但是在停車時(shí)撥動(dòng)滑移齒輪嚙合，有可能出現(xiàn)“頂齒”的現(xiàn)象。在手動(dòng)換擋時(shí)只需將齒輪暫時(shí)脫開，按點(diǎn)動(dòng)按鈕使主電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)沖動(dòng)接通，然后再重新嘗試換擋即可；在自動(dòng)換擋時(shí)，可以象手動(dòng)換擋一樣處理，也可以利用主軸電動(dòng)機(jī)，在撥叉移動(dòng)滑移齒輪的同時(shí)帶動(dòng)各傳動(dòng)齒輪作低速回轉(zhuǎn)或振動(dòng)，滑移齒輪就能夠較順利的嚙合。每個(gè)齒輪到位后必須有到位檢測(cè)元件檢測(cè)，以確保主軸換擋成功 [12]。3．電磁離合器自動(dòng)換擋電磁離合器是為便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，而采用電磁效應(yīng)接通或切斷運(yùn)行元件的電磁控制機(jī)構(gòu)。與第二種方法相比的優(yōu)點(diǎn)在于使用電磁離合器能夠簡(jiǎn)化換擋機(jī)構(gòu)。電磁離合器的缺點(diǎn)是體積大，磁通易使機(jī)械零件磁化，因此在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的并不多。主軸的自動(dòng)換擋由M41~M44代碼或