1、1機床主軸系統與控制機床主軸系統與控制2 數控機床的主軸驅動不同于進給驅動，主軸的工作運動數控機床的主軸驅動不同于進給驅動，主軸的工作運動通常為旋轉運動。通常為旋轉運動。主軸驅動的主要要求主軸驅動的主要要求： 輸出功率大輸出功率大 2.2250kw，結構上不能采用永磁式，結構上不能采用永磁式 寬的調速范圍寬的調速范圍 1：1001000恒轉矩，恒轉矩，1：10恒功率調速恒功率調速 主軸既能正轉、又能反轉，且能快速制動主軸既能正轉、又能反轉，且能快速制動 特殊要求特殊要求 如：如：加工螺紋加工螺紋，要求主軸驅動與進給驅動實行同步控制；，要求主軸驅動與進給驅動實行同步控制；為了保證為了保證端面加工

2、端面加工的光潔度，要求主軸驅動系統具有恒線速的光潔度，要求主軸驅動系統具有恒線速切削控制；在加工中心上，由于切削控制；在加工中心上，由于自動換刀自動換刀的需要，要求主抽的需要，要求主抽驅動系統具有高精度的停位控制；有的數控機床還要求主軸驅動系統具有高精度的停位控制；有的數控機床還要求主軸驅動系統具有角度控制功能等。驅動系統具有角度控制功能等。一、一、 主軸驅動的概念主軸驅動的概念二、二、 機床主軸的分類機床主軸的分類1. 按結構分類按結構分類機械主軸機械主軸機械主軸機械主軸電主軸電主軸機械主軸結構機械主軸結構高速電主軸高速電主軸電主軸結構電主軸結構卡盤卡盤夾緊裝置夾緊裝置加緊軸加緊軸電機電機球

3、軸承球軸承動平衡點動平衡點主軸主軸裝置裝置錐形盤彈簧錐形盤彈簧液壓力液壓力電主軸，主軸單元電主軸，主軸單元刀柄安裝刀柄安裝2. 按驅動電機類型分按驅動電機類型分 ： 直流主軸驅動系統直流主軸驅動系統 早期的數控機床多采用直流主軸驅動系統。早期的數控機床多采用直流主軸驅動系統。 交流主軸驅動系統交流主軸驅動系統 自自20世紀世紀70年代末年代末80年代初，在數控機床主軸驅動中開始年代初，在數控機床主軸驅動中開始采用交流主軸驅動系統。采用交流主軸驅動系統。 現代數控機床多采用交流主軸驅動系統。現代數控機床多采用交流主軸驅動系統。101. 直流主軸電動機的結構直流主軸電動機的結構 與一般直流電動機一

4、樣，只是與一般直流電動機一樣，只是為了減小轉動慣量而做得細長一些。它的勵磁繞組和電為了減小轉動慣量而做得細長一些。它的勵磁繞組和電樞分別由兩個獨立電源供電。樞分別由兩個獨立電源供電。2. 特性曲線特性曲線額定速度以下：額定速度以下： 恒轉矩恒轉矩范圍，范圍，用改變轉子繞組電壓調速。用改變轉子繞組電壓調速。額定速度以上：額定速度以上： 恒功率恒功率范圍，范圍，用控制定子激磁來調速。用控制定子激磁來調速。eTaTCI 恒轉矩調速：恒轉矩調速： 用改變用改變轉子繞組轉子繞組電壓調速。電壓調速。 恒功率調速：恒功率調速： 用控制定子激磁來調速。用控制定子激磁來調速。控制磁勢大小控制磁勢大小控制轉子電壓

5、大小控制轉子電壓大小141. 交流主軸電動機的結構交流主軸電動機的結構 交流主軸電機多采用交流主軸電機多采用交流異步交流異步電機，很少采用永磁同步電機。電機，很少采用永磁同步電機。 主要因為永磁同步電機的容主要因為永磁同步電機的容量做得不夠大，且電機成本較高量做得不夠大，且電機成本較高。另外主軸驅動系統不象進給系。另外主軸驅動系統不象進給系統那樣要求很高的性能，調速范統那樣要求很高的性能，調速范圍也不要太大。因此，采用異步圍也不要太大。因此，采用異步電機完全可以滿足數控機床主軸電機完全可以滿足數控機床主軸的要求，籠型異步電機多用在主的要求，籠型異步電機多用在主軸驅動系統中。軸驅動系統中。與普通

6、三相異步電動機同。據電機學知，交流異步電機的轉速與普通三相異步電動機同。據電機學知，交流異步電機的轉速表達式為：表達式為： （r/min） 式中式中 f1定子電源頻率（定子電源頻率（Hz）；）； p磁極對數；磁極對數； s轉差率。轉差率。 由此可以知，有由此可以知，有變轉差率、變極對數及變頻變轉差率、變極對數及變頻三種調速方式。三種調速方式。l 變轉差率調速時，低速轉差率大，轉差損耗功率也大，效率變轉差率調速時，低速轉差率大，轉差損耗功率也大，效率低。低。l 變極調速只能產生二種或三種轉速，不能做成無級調速，應變極調速只能產生二種或三種轉速，不能做成無級調速，應用范圍較窄。用范圍較窄。l 變頻

7、調速變頻調速是從高速到低速都可以保持有限的轉差率，故它具是從高速到低速都可以保持有限的轉差率，故它具有高效率、寬范圍和高精度的調速性能，可以認為是一種理有高效率、寬范圍和高精度的調速性能，可以認為是一種理想的調速方法。想的調速方法。 spfn16012. 2. 交流主軸電動機的工作原理交流主軸電動機的工作原理3. 功率功率速度特性速度特性曲線曲線mEfKEU111mrNfKE111144. 4改變頻率改變頻率f1，可平滑調節同步轉速。但只，可平滑調節同步轉速。但只改變頻率是不夠的，由電機學知：改變頻率是不夠的，由電機學知： 式中式中 E1感應電勢；感應電勢； Kr1基波繞組系數；基波繞組系數；

8、 N1定子每相繞組串聯匝數；定子每相繞組串聯匝數； m每極氣隙磁通量。每極氣隙磁通量。由上式可見，定子由上式可見，定子電壓不變電壓不變時，隨時，隨f1的上升，氣隙磁通的上升，氣隙磁通m將減小。又從轉矩公式將減小。又從轉矩公式 式中式中 CT轉矩常數；轉矩常數； I2折算到定子上的轉子電流；折算到定子上的轉子電流； cos 2 轉子電路功率因數。轉子電路功率因數。22cosICTTe n T f4 f1 f1f2f3f4 f2 f3 由轉子電流與主磁通由轉子電流與主磁通作用而產生的電磁轉矩公式作用而產生的電磁轉矩公式可知，可知，T與與、I2成正比。要成正比。要保持保持T不變，即要求不變，即要求U

9、1/f1為為常數常數，可以近似地維持，可以近似地維持 恒恒定。此時的機械特性曲線族定。此時的機械特性曲線族如圖所示。如圖所示。 (1) 恒轉矩調速恒轉矩調速 為了在為了在低速低速時保持最大轉矩時保持最大轉矩Tm不變，就必須采不變，就必須采取取E1/f1=常數常數的協調控制，顯然，這是一種理想的的協調控制，顯然，這是一種理想的保持磁通恒定的控制方法。恒保持磁通恒定的控制方法。恒Tm調速的機械特性如調速的機械特性如圖所示。圖所示。 n T f4 f1 f1f2f3f4 f2 f3 (2) 恒最大轉矩（恒最大轉矩（Tm）調速）調速恒功率調速，是在恒功率調速，是在額定頻率以上額定頻率以上進行調速。進行

10、調速。因電機繞組是按額定電壓等級設計的，不可能超過額定因電機繞組是按額定電壓等級設計的，不可能超過額定電壓，因此定子電壓不可能與頻率成正比地提高。電壓，因此定子電壓不可能與頻率成正比地提高。若頻率上升，若頻率上升，額定電壓不變額定電壓不變，那么氣隙磁通，那么氣隙磁通m將隨著將隨著f1的升高而降低，轉矩也減小，特性變軟。如圖所示，得的升高而降低，轉矩也減小，特性變軟。如圖所示，得到近似恒功率的調速特性。到近似恒功率的調速特性。 n T f4 f1 f1f2f3f4 f2 f3 （3 3） 恒功率調速恒功率調速 eTaTCI 22cosICTmTe(4) 交流主軸電動機的矢量變換交流主軸電動機的矢

11、量變換25 轉子的轉子的不平衡不平衡是由于轉子質量分布不均勻，旋轉時產生的是由于轉子質量分布不均勻，旋轉時產生的慣性離心力慣性離心力的分布相對于轉軸不對稱而無法完全消除造成的。的分布相對于轉軸不對稱而無法完全消除造成的。離心力可以表示為：離心力可以表示為：2Fmrmr偏心質量偏心質量/kg；矢徑矢徑/m；轉子旋轉角速度轉子旋轉角速度/rad/s。在平衡技術中，用在平衡技術中，用來表示轉子的來表示轉子的不平衡量不平衡量，并以符號，并以符號mrU 表示。表示。 U為一為一矢量矢量，其方向與半徑矢量，其方向與半徑矢量r相同。相同。 如果用如果用系統的質量系統的質量 M 去除轉子的不平衡量去除轉子的不

12、平衡量 U，即得到轉，即得到轉子的單位質量的不平衡量，叫做轉子子的單位質量的不平衡量，叫做轉子不平衡率不平衡率 ，表示的，表示的是轉子的不平衡程度。是轉子的不平衡程度。e一、主軸不平衡的基本概念一、主軸不平衡的基本概念1. 機床主軸不平衡的主要因素機床主軸不平衡的主要因素l 主軸設計存在不對稱；主軸設計存在不對稱；l 主軸材質分布不均勻；主軸材質分布不均勻；l 主軸加工和裝配的過程中存在誤差；主軸加工和裝配的過程中存在誤差；l 刀具結構或者磨損產生不平衡。刀具結構或者磨損產生不平衡。動平衡去重點動平衡去重點2. 主軸不平衡量的種類主軸不平衡量的種類1) 靜不平衡靜不平衡主軸的不平衡量僅在主軸的

13、不平衡量僅在重心重心G處偏離軸線處偏離軸線方向的狀態。方向的狀態。用一個通過主軸重心用一個通過主軸重心G的的矢量矢量Us 表示。表示。2) 力偶不平衡力偶不平衡是主軸是主軸不平衡量的連線與軸線在重心不平衡量的連線與軸線在重心G 相交相交的狀態，此時的狀態，此時轉軸的轉軸的不平衡量不平衡量圍繞重心形成一個力偶。圍繞重心形成一個力偶。力偶不平衡用一對大小相同、方向相反的力偶不平衡用一對大小相同、方向相反的矢量矢量Um表示。表示。3) 動不平衡動不平衡是主軸不平衡量連線與軸線既是主軸不平衡量連線與軸線既不平行也不相交的不平行也不相交的狀態。狀態。可以等效為可以等效為不在同一個平面不在同一個平面的一個

14、的一個靜不平衡量靜不平衡量Us 和一個和一個力力偶不平衡量偶不平衡量Um。4) 準靜不平衡準靜不平衡是動不平衡的一種特例，是主軸不平衡量連線與軸線在是動不平衡的一種特例，是主軸不平衡量連線與軸線在重心重心G 以外以外的某一點的某一點相交相交的不平衡狀態。可等效為的不平衡狀態。可等效為同一個平面內同一個平面內的一個的一個靜不平衡量靜不平衡量和一個和一個力偶不平衡量力偶不平衡量。轉子經過動平衡校正后剩下的不平衡量稱為轉子經過動平衡校正后剩下的不平衡量稱為剩余不平衡量剩余不平衡量。剩余不平衡量的許可值叫剩余不平衡量的許可值叫許用不平衡量許用不平衡量Uper。3. 主軸動平衡標準主軸動平衡標準轉子的不

15、平衡程度可以用轉子的不平衡程度可以用許用不平衡度許用不平衡度eper表示。表示。其中，其中，M 為主軸轉子質量。為主軸轉子質量。國際標準國際標準ISO1940和國家和國家JB 333083 標準規定標準規定轉子平衡品轉子平衡品質等級質等級為為其中，其中， 為最高轉子工作角速度為最高轉子工作角速度高速主軸高速主軸的動平衡等級一般應為的動平衡等級一般應為G1G0.4，即，即G=0.41（mm/s)perperUeMperGe二、主軸動平衡識別方法二、主軸動平衡識別方法l 工業現場通常采用工業現場通常采用在線動平衡在線動平衡來降低主軸的振動。來降低主軸的振動。l 對于平衡操作而言，不同的對于平衡操作

16、而言，不同的平衡方法平衡方法對主軸振動的對主軸振動的平衡效率和平衡效果是不同的。平衡效率和平衡效果是不同的。l 常見的主軸不平衡量識別方法主要包含常見的主軸不平衡量識別方法主要包含影響系數法影響系數法、振型平衡法振型平衡法以及以及全息動平衡法全息動平衡法等。等。1. 影響系數法影響系數法l 利用線性系統中利用線性系統中校正量與所測量校正量與所測量之間的之間的線性線性關系來達到主關系來達到主軸平衡的目的的。軸平衡的目的的。l 從控制工程的角度看，影響系數是一種從控制工程的角度看，影響系數是一種振動響應振動響應、校正量校正量與與傳感器位置傳感器位置三者之間的傳遞函數。三者之間的傳遞函數。l 校正面

17、校正面單位校正量單位校正量在檢測面處產生的在檢測面處產生的振動響應振動響應稱為影響系稱為影響系數。數。優點：優點：依靠依靠傳感器傳感器直接采集的數據進行平衡，直接采集的數據進行平衡，不涉及轉子動不涉及轉子動力力學方面的知識，可以用學方面的知識，可以用計算機輔助計算機輔助進行動平衡，在工業現進行動平衡，在工業現場應用廣泛。場應用廣泛。1) 單面影響系數法單面影響系數法2) 雙面影響系數法雙面影響系數法一個一個校正面校正面和一個和一個檢測面。檢測面。兩個兩個校正面和校正面和兩個兩個檢測面。檢測面。影響系數：影響系數：平衡轉子需要在校正面上加配重：平衡轉子需要在校正面上加配重：影響系數：影響系數：校

18、正配重：校正配重：2. 振型平衡法振型平衡法振型平衡法的實質是求取轉子振型平衡法的實質是求取轉子各階撓曲變形函數各階撓曲變形函數的平衡配重，的平衡配重，以實現轉子平衡。以實現轉子平衡。轉子在轉子在任意轉速任意轉速下的振型都可以分解為下的振型都可以分解為各階振型各階振型的線性疊加。的線性疊加。轉子在某一轉速下的撓曲振型：轉子在某一轉速下的撓曲振型：優點：優點：充分考慮了轉子的充分考慮了轉子的模態信息模態信息，能獲得，能獲得全轉速全轉速范圍內轉范圍內轉子的優良平衡狀態；試重以試重組的形式添加，子的優良平衡狀態；試重以試重組的形式添加，平衡效率平衡效率更更高。高。缺點：缺點：模態平衡法理論基礎建立在

19、模態平衡法理論基礎建立在忽略系統阻尼忽略系統阻尼之上，平衡之上，平衡過程會有一定誤差；模態平衡法要在過程會有一定誤差；模態平衡法要在臨界轉速附近臨界轉速附近測點轉子測點轉子模態比，平衡過程有一定危險性。模態比，平衡過程有一定危險性。36全息譜的構成原理全息譜的構成原理三維全息譜三維全息譜全息譜通過全息譜通過信息融合技術信息融合技術為轉子為轉子的振動響應提供了更加全面真實的振動響應提供了更加全面真實的描述的描述. .X-AmpFrequency1x2x3x4xY-AmpFrequency1x2x 3x4x+1x-2x-3x+4xFrequencyYX二維全息譜二維全息譜3. 全息動平衡法全息動平

20、衡法全息譜轉頻橢圓及構造過程全息譜轉頻橢圓及構造過程l 全息動平衡利用全息動平衡利用轉轉頻橢圓初相矢頻橢圓初相矢表征表征被測截面的失衡振被測截面的失衡振動。動。l 在在失衡振動失衡振動的描述的描述上全息動平衡考慮上全息動平衡考慮了了支承各向異性支承各向異性對對主軸軸心軌跡的影主軸軸心軌跡的影響，能有效提高這響，能有效提高這類主軸的類主軸的平衡精度平衡精度。全息動平衡技術全息動平衡技術是在全息譜技術的基礎上發展而來的，從平衡是在全息譜技術的基礎上發展而來的，從平衡原理上來講全息動平衡仍然屬于原理上來講全息動平衡仍然屬于影響系數法。影響系數法。全息動平衡流程圖全息動平衡流程圖過程與試重平衡一樣。過

21、程與試重平衡一樣。全息動平衡時只關注全息動平衡時只關注轉頻振動，轉頻振動，三、主軸動平衡控制技術三、主軸動平衡控制技術1. 動平衡控制技術分類動平衡控制技術分類l按照配重實施方式分：按照配重實施方式分：去重去重法、法、加重加重法和法和質量調質量調整法。整法。l按照自動化程度分：按照自動化程度分：人工離線人工離線平衡、平衡、半自動半自動平衡和平衡和在線在線自動自動平衡。平衡。l按照平衡對象分：按照平衡對象分：剛性剛性軸平衡和軸平衡和撓性撓性軸平衡。軸平衡。在線自動平衡在線自動平衡就是就是在轉子正常在轉子正常運行運行狀態下，狀態下，實時實時監控轉子振監控轉子振動，動，隨時消除隨時消除運行過程中出現

22、的不平衡，整個動平衡過程運行過程中出現的不平衡，整個動平衡過程無無需停車。需停車。2. 在線自動動平衡裝置在線自動動平衡裝置在線自動動平衡方法的核心技術在于在線自動動平衡方法的核心技術在于在線平衡裝置在線平衡裝置，目前應，目前應用成熟的在線動平衡調整裝置有用成熟的在線動平衡調整裝置有噴液式噴液式、電動機式電動機式和和電磁式電磁式三種。三種。噴液式噴液式動平衡調整裝置采用動平衡調整裝置采用加重法加重法進行配重。主要應用于轉進行配重。主要應用于轉速較高的主軸平衡。速較高的主軸平衡。電動機式和電磁式電動機式和電磁式動平衡裝置均采用動平衡裝置均采用調整質量分布調整質量分布的方法進的方法進行配重。行配重

23、。電動機式電動機式在線平衡調整裝置被廣泛用于在線平衡調整裝置被廣泛用于砂輪磨床砂輪磨床主主軸的動平衡。軸的動平衡。電磁式電磁式動平衡裝置處于研究階段，在工業領域動平衡裝置處于研究階段，在工業領域鮮有應用鮮有應用。（1）噴液型優點：優點：不需要向平衡頭輸送控制信號和供給能量，不需要向平衡頭輸送控制信號和供給能量，保證了平衡頭的可靠性；保證了平衡頭的可靠性；平衡精度高；平衡精度高；平衡能力強。平衡能力強。缺點：缺點：停轉后液體流出，平衡停轉后液體流出，平衡狀態破壞；狀態破壞；容腔中液體揮發容腔中液體揮發, , 影響影響平衡精度；平衡精度；需要較好的保養。需要較好的保養。原理：原理：通過不同的噴嘴就

24、可向不同的容腔噴入一定量的液體通過不同的噴嘴就可向不同的容腔噴入一定量的液體, , 以改變平衡頭的重心位置以改變平衡頭的重心位置, , 達到在線平衡。達到在線平衡。美國美國SBS公司公司Hydrokompenser轉速轉速30030000r/min，平衡精度，平衡精度0 .02 microns，平衡能力，平衡能力5 to 50,000 gcm。德國德國 Dittle 公司公司H6000系統系統最高轉速：最高轉速：30,000 r/min 30,000 r/min （2）電動機型）電動機型優點：優點： 結構結構緊湊緊湊，易于實現；，易于實現；停轉后停轉后狀態能保持狀態能保持；平衡時間短。平衡時間

25、短。原理：原理：用可控用可控微型電機驅動微型電機驅動多級齒輪傳動補償質量，電動機通多級齒輪傳動補償質量，電動機通過電刷、滑環或無線遙控從驅動或控制系統獲得運動指令。過電刷、滑環或無線遙控從驅動或控制系統獲得運動指令。缺點：缺點： 機械結構復雜，限制了平衡機械結構復雜，限制了平衡轉速轉速的繼續提高；的繼續提高；平衡裝置尺寸大，平衡裝置尺寸大，安裝困難，安裝困難，且無法保障長期工作時的穩定性；且無法保障長期工作時的穩定性；需要特種電機；需要特種電機；采用滑環向電機供電時，滑環容易磨損；采用電池供電時，電采用滑環向電機供電時，滑環容易磨損；采用電池供電時，電量有限，不能長期工作。量有限，不能長期工作

26、。美國美國SBS公司公司SB-4500系列系列平衡頭平衡頭裝在磨床的主軸端，隨主軸轉動，平衡頭內兩個微電裝在磨床的主軸端，隨主軸轉動，平衡頭內兩個微電機通過精密機通過精密齒輪系統齒輪系統驅動兩個質量補償平衡重塊。驅動兩個質量補償平衡重塊。轉速轉速30013000r/min，平衡精度，平衡精度0 .02 microns，平衡能力，平衡能力75 12,000 gcm。（3）電磁型）電磁型原理：原理：通過電磁力拖動平衡質量塊相對平衡頭移動的動平衡裝通過電磁力拖動平衡質量塊相對平衡頭移動的動平衡裝置。置。缺點：缺點：機械結構復雜，機械結構復雜，起支撐作用的軸承在高速時可能因起支撐作用的軸承在高速時可能

27、因離心力離心力較大而發生松動，限制了平衡轉速的繼續提高；較大而發生松動，限制了平衡轉速的繼續提高； 工作環境工作環境溫度溫度受到限制，溫度過高使得其中的永久磁鐵退受到限制，溫度過高使得其中的永久磁鐵退磁磁 。優點：優點： 結構結構緊湊緊湊，易于實現；，易于實現；停轉后狀態能保持；停轉后狀態能保持；平衡時間短。平衡時間短。德國德國 Dittle 公司公司 德國德國Dittel公司的電磁式自動平衡裝置分為兩種公司的電磁式自動平衡裝置分為兩種, 一種為一種為安裝在轉軸內部安裝在轉軸內部, 如下圖（左）所示如下圖（左）所示, 最高轉速可達最高轉速可達20000 r/min, 平衡面位置不受外界干擾，最大平衡能力平衡面位置不受外界干擾，最大平衡能力3,300 gcm ； 另一種將平衡裝置做成