数控机床主轴控制系统及故障诊断课件.ppt
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- 数控机床 主轴 控制系统 故障诊断 课件
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1、第第5章数控机床主轴控制系统及故障诊章数控机床主轴控制系统及故障诊断断 5.1概述概述 5.2变频调速驱动装置变频调速驱动装置 5.3数控机床的主轴换挡数控机床的主轴换挡 5.4主轴相关系统参数主轴相关系统参数5.1概述概述机床的主轴驱动与进给驱动相比有着较大的差别。机床主轴的工作运机床的主轴驱动与进给驱动相比有着较大的差别。机床主轴的工作运动通常是旋转运动,而进给驱动需要丝杠或其他直线运动装置转换成动通常是旋转运动,而进给驱动需要丝杠或其他直线运动装置转换成往复运动。数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进给,实现刀具往复运动。数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进给,实现刀具与工件的快速相对
2、切削运动。与工件的快速相对切削运动。5.1.1数控机床对主传动系统的要求数控机床对主传动系统的要求1.调速范围宽调速范围宽为保证加工时选用合适的切削用量,以获得最佳的生产率、加工精度为保证加工时选用合适的切削用量,以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量,特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心,为适应各和表面质量,特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心,为适应各种刀具、工序和材料的加工要求,对主轴的调速范围提出了更高的要种刀具、工序和材料的加工要求,对主轴的调速范围提出了更高的要求,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求,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
3、无级调速,并减少中间传动环节。级调速,并减少中间传动环节。下一页返回5.1概述概述目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达目前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,恒功率调速范围也可达也可达30,过载,过载1.5倍时仍可持续工作达倍时仍可持续工作达30 min。2.恒功率范围要宽恒功率范围要宽要求主轴在调速范围内均能提供所需的切削功率,并尽可能在调速范要求主轴在调速范围内均能提供所需的切削功率,并尽可能在调速范围内提供主轴电动机的最大功率。由于主轴电动机与驱动装置的限制,围内提供主轴电动机的最大功率。由于主轴电动机与驱动装置的限制,主轴在低速段均为恒转矩输出。为满足数控机
4、床低速、强力切削的需主轴在低速段均为恒转矩输出。为满足数控机床低速、强力切削的需要,常采用分段无级变速的方法要,常采用分段无级变速的方法(即常在低速段采用机械减速装置即常在低速段采用机械减速装置),以扩大输出转矩。以扩大输出转矩。3.具有四象限驱动能力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。目前一般伺服主轴可以在速时间要短。目前一般伺服主轴可以在1s内从静止加速到内从静止加速到6 000 r/min。上一页 下一页返回5.1概述概述4.具有位置控制能力具有位置控制能力即进给功能即进给功
5、能(C轴功能轴功能)和定向功能和定向功能(准停功能准停功能)以满足加工中心自动换刀、以满足加工中心自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。5.1.2数控机床主传动系统的配置形式数控机床主传动系统的配置形式机床主传动系统有时也称主轴系统。数控机床主传动系统是指主轴电机床主传动系统有时也称主轴系统。数控机床主传动系统是指主轴电动机至主轴的运动传动系统,主轴电动机作为原动力通过该传动系统动机至主轴的运动传动系统,主轴电动机作为原动力通过该传动系统变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度。变成主轴上安装的刀具或工件的切削力
6、矩和切削速度。1.普通异步电动机配齿轮变速箱普通异步电动机配齿轮变速箱与普通机床一样,数控机床采用普通异步电动机配齿轮变速箱来实现与普通机床一样,数控机床采用普通异步电动机配齿轮变速箱来实现主轴速度的变换,电动机可以选用单速电动机也可以选用双速电动机。主轴速度的变换,电动机可以选用单速电动机也可以选用双速电动机。上一页 下一页返回5.1概述概述通过变速箱上的变速手柄来改变齿轮箱内不同齿轮组的啮合来实现速通过变速箱上的变速手柄来改变齿轮箱内不同齿轮组的啮合来实现速度粗调,通过系统特殊度粗调,通过系统特殊S代码来控制双速电动机的速度调换和齿轮箱代码来控制双速电动机的速度调换和齿轮箱内电磁离合器来实
7、现有级调速内电磁离合器来实现有级调速(通常有四种变速通常有四种变速)。这种配置方式,电。这种配置方式,电动机转速工作在额定转速,主要应用于对主轴转速要求不高的普通型动机转速工作在额定转速,主要应用于对主轴转速要求不高的普通型数控机床上。数控机床上。2.三相异步电动机配变频器三相异步电动机配变频器三相异步电动机配变频器的配置方式通常采用带传动,经过带传动的三相异步电动机配变频器的配置方式通常采用带传动,经过带传动的减速来提高主轴的输出转矩,系统的调速是通过加工指令减速来提高主轴的输出转矩,系统的调速是通过加工指令S代码、控代码、控制数控系统轴模拟量的输出作为变频器的速度控制指令,来实现主轴制数控
8、系统轴模拟量的输出作为变频器的速度控制指令,来实现主轴速度的变化。速度的变化。上一页 下一页返回5.1概述概述主轴电动机速度是由变频实现调速,所以输出力矩在中高速时才比较主轴电动机速度是由变频实现调速,所以输出力矩在中高速时才比较满意,这种配置方式主要应用于需要无级调速但对低、高速要求都不满意,这种配置方式主要应用于需要无级调速但对低、高速要求都不太高的普通型经济数控机床上。太高的普通型经济数控机床上。3.三相电动机配变频器与齿轮变速箱三相电动机配变频器与齿轮变速箱 三相电动机配变频器与齿轮变速箱的配置方式的电动机可以是普通三相电动机配变频器与齿轮变速箱的配置方式的电动机可以是普通三相异步电动
9、机,也可以是变频器专用的变频电动机,主轴箱内齿轮三相异步电动机,也可以是变频器专用的变频电动机,主轴箱内齿轮啮合的变换是通过啮合的变换是通过M换挡指令来实现换挡指令来实现(M40M43)的,电动机的速度变的,电动机的速度变化是通过加工程序中的化是通过加工程序中的S指令,让系统输出轴控制模拟量作为变频器指令,让系统输出轴控制模拟量作为变频器的速度调速电压,来实现电动机的速度调控。的速度调速电压,来实现电动机的速度调控。上一页 下一页返回5.1概述概述这种配置方式不仅满足了低速大切削力的要求,而且也扩大了速度的这种配置方式不仅满足了低速大切削力的要求,而且也扩大了速度的调整范围,实现了主轴调速范围
10、要宽的特性要求。这种配置主要应用调整范围,实现了主轴调速范围要宽的特性要求。这种配置主要应用于普及型数控机床上。于普及型数控机床上。4.伺服主轴系统伺服主轴系统伺服主轴系统配置是主轴驱动系统采用伺服驱动器和伺服电动机来实伺服主轴系统配置是主轴驱动系统采用伺服驱动器和伺服电动机来实现主轴速度的调整,伺服主轴驱动系统响应快,速度高且过载能力比现主轴速度的调整,伺服主轴驱动系统响应快,速度高且过载能力比较强,但是价格高,通常是同功效变频器调速的较强,但是价格高,通常是同功效变频器调速的23倍,主轴速度通倍,主轴速度通过加工程序的过加工程序的S代码实现无级调速。同时还可以方便地实现主轴定向、代码实现无
11、级调速。同时还可以方便地实现主轴定向、主轴分度、刚性攻丝、主轴进给等功能。主轴分度、刚性攻丝、主轴进给等功能。上一页 下一页返回5.1概述概述有的数控机床为了提高低速转矩、扩大速度输出范围,还配置了齿轮有的数控机床为了提高低速转矩、扩大速度输出范围,还配置了齿轮变速箱。这种配置主要应用在中变速箱。这种配置主要应用在中/高档数控车床、数控铣床和加工中高档数控车床、数控铣床和加工中心上。心上。5.高速电主轴高速电主轴高速电主轴是将电动机、传感器和高精密主轴结合在一起,它的应用高速电主轴是将电动机、传感器和高精密主轴结合在一起,它的应用简化了数控机床主传动结构,提高了传动精度,消除了由于机械传动简化
12、了数控机床主传动结构,提高了传动精度,消除了由于机械传动而产生的噪声,电主轴的最高转速可以达到而产生的噪声,电主轴的最高转速可以达到50 00060 000 r/min,真正实现了主轴的高速运行,主要适合于高速精加工场合。这种配置真正实现了主轴的高速运行,主要适合于高速精加工场合。这种配置主要应用在高速精密加工中心及五轴联动数控机床上。主要应用在高速精密加工中心及五轴联动数控机床上。上一页返回5.2变频调速驱动装置变频调速驱动装置 5.2.1通用变频器的结构通用变频器的结构交流主轴电动机多为三相感应电动机,其转速为交流主轴电动机多为三相感应电动机,其转速为:由式中可以看出要调节电动机的转速可采
13、用三种方法由式中可以看出要调节电动机的转速可采用三种方法:变极调速变极调速(改变改变极对数以改变同步转速来调速极对数以改变同步转速来调速)、变频调速、变频调速(改变电源频率以改变同步改变电源频率以改变同步转速来调速转速来调速)、变转差率调速、变转差率调速(改变转差率来调速改变转差率来调速)。下一页返回5.2变频调速驱动装置变频调速驱动装置其中变频调速发展迅速,其调速优点是机械特性硬,转速稳定性好,其中变频调速发展迅速,其调速优点是机械特性硬,转速稳定性好,调速范围广,可实现双向平滑调速。从基频以下调速时磁通恒定,所调速范围广,可实现双向平滑调速。从基频以下调速时磁通恒定,所以转矩恒定,其调速属
14、于恒转矩调速以转矩恒定,其调速属于恒转矩调速;从基频以上调速时,同步转速从基频以上调速时,同步转速随频率升高,气隙磁动势减弱,最大转矩减小,输出功率基本不变,随频率升高,气隙磁动势减弱,最大转矩减小,输出功率基本不变,其调速属于恒功率调速。其调速属于恒功率调速。变频器按其工作原理可以分为变频器按其工作原理可以分为:v/f控制的变频器,转差频率控制变频控制的变频器,转差频率控制变频器,矢量控制变频器和直接转矩控制的变频器。器,矢量控制变频器和直接转矩控制的变频器。变频器是把电压、频率固定的交流电变成电压、频率可调的交流电的变频器是把电压、频率固定的交流电变成电压、频率可调的交流电的变换器。与外界
15、的联系基本上分为三部分变换器。与外界的联系基本上分为三部分:一是主电路接线端,包括工频电网的输入端一是主电路接线端,包括工频电网的输入端(一般一般R、S、T),接电动,接电动机的输出端机的输出端(一般一般U、V、W)。上一页 下一页返回5.2变频调速驱动装置变频调速驱动装置二是控制端子,包括外部信号控制变频器的端子,变频器工作状态指二是控制端子,包括外部信号控制变频器的端子,变频器工作状态指示端子,变频器与外界的通信接口。示端子,变频器与外界的通信接口。三是操作面板,包括液晶显示屏和键盘。三是操作面板,包括液晶显示屏和键盘。变频器的工作原理变频器的工作原理如图如图5-1所示所示。1.整流、逆变
16、单元整流、逆变单元整流器和逆变器是变频器的两个主要功率变换单元。电网电压由输入整流器和逆变器是变频器的两个主要功率变换单元。电网电压由输入端输入变频器,经整流器整流成直流电压,整流器通常是由二极管构端输入变频器,经整流器整流成直流电压,整流器通常是由二极管构成的三相桥式整流,直流电压由逆变器变成交流电压,交流电压的频成的三相桥式整流,直流电压由逆变器变成交流电压,交流电压的频率和电压大小受基极驱动信号控制,由输出端输出到交流电动机。率和电压大小受基极驱动信号控制,由输出端输出到交流电动机。上一页 下一页返回5.2变频调速驱动装置变频调速驱动装置2.驱动控制单元驱动控制单元(LSI)驱动控制单元
17、主要包括驱动控制单元主要包括PWM信号分配电路,输出信号电路等。主要信号分配电路,输出信号电路等。主要作用是产生符合系统控制要求的驱动信号,作用是产生符合系统控制要求的驱动信号,LSI受中央处理单元受中央处理单元(CPU)的控制。的控制。3.中央处理单元中央处理单元(CPU)中央处理单元包括控制程序、控制方式等部分,是变频器控制核心。中央处理单元包括控制程序、控制方式等部分,是变频器控制核心。外部控制信号外部控制信号(如频率设定、正转信号、反转信号等如频率设定、正转信号、反转信号等)、内部检测信号、内部检测信号(如整流器输出的直流电压、逆变器输出的交流电压等如整流器输出的直流电压、逆变器输出的
18、交流电压等)、用户对变频、用户对变频器的参数设定信号等送到器的参数设定信号等送到CPU,经,经CPU处理后,对变频器进行相关处理后,对变频器进行相关控制。控制。上一页 下一页返回5.2变频调速驱动装置变频调速驱动装置4.保护及报警单元保护及报警单元变频器通常都有故障自诊断功能和自保护功能。当变频器出现故障输变频器通常都有故障自诊断功能和自保护功能。当变频器出现故障输入、输出信号异常时,由入、输出信号异常时,由CPU控制控制LSI,改变驱动信号,使变频器停,改变驱动信号,使变频器停止工作,实现自我保护功能。止工作,实现自我保护功能。5.参数设定和监视单元参数设定和监视单元 参数设定和监视单元主要
19、由操作面板组成,用于对变频器的参数设参数设定和监视单元主要由操作面板组成,用于对变频器的参数设定和监视变频器当前的运行状态。定和监视变频器当前的运行状态。6.制动电阻制动电阻三相变频器直流母线电压正常时一般为三相变频器直流母线电压正常时一般为530 V左右,最高不能超过左右,最高不能超过760 V(不同品牌可能稍有不同不同品牌可能稍有不同),超过这个值变频器可能会损坏,因,超过这个值变频器可能会损坏,因此到此到760 V变频器会进行保护变频器会进行保护(显示显示OU)。上一页 下一页返回5.2变频调速驱动装置变频调速驱动装置如果在运行时由于某种原因,电机的运行频率高于变频器的指令频率,如果在运
20、行时由于某种原因,电机的运行频率高于变频器的指令频率,这时电机就处于再生这时电机就处于再生(即发电即发电)状态,比如起重机的重物下放、大惯性状态,比如起重机的重物下放、大惯性负载的减速、外力的拖动,等等,由于通用变频器的交流部一般均为负载的减速、外力的拖动,等等,由于通用变频器的交流部一般均为不可控整流,其产生的能量不能回馈给电网,只能对变频器的直流部不可控整流,其产生的能量不能回馈给电网,只能对变频器的直流部电容器充电,制动电阻的作用就是将这部分能量消耗在制动电阻上,电容器充电,制动电阻的作用就是将这部分能量消耗在制动电阻上,使直流母线电压保持在正常值。使直流母线电压保持在正常值。5.2.2
21、主轴驱动装置的接口主轴驱动装置的接口图图5-2所示所示为西门子变频器为西门子变频器MM75 2基本接口电路图,采用二相交流基本接口电路图,采用二相交流220 V电源供电电源供电;速度指令由速度指令由3,4脚输入脚输入(图中通过电位器获得,在数控图中通过电位器获得,在数控机床上一般由数控装置或机床上一般由数控装置或PLC的模拟量输出接口输入的模拟量输出接口输入),指令电压范,指令电压范围是直流围是直流010V;上一页 下一页返回5.2变频调速驱动装置变频调速驱动装置主轴电动机的启动主轴电动机的启动/停止以及旋转方向由外部开关停止以及旋转方向由外部开关DIN1和和DIN2(智能端智能端子性能由参数
22、设定子性能由参数设定)控制,当控制,当DIN1闭合时电动机正转,当闭合时电动机正转,当DIN2闭合时闭合时电动机反转,若电动机反转,若DIN1和和DIN2同时都断开或闭合则电动机停止,也可同时都断开或闭合则电动机停止,也可以定义为以定义为DIN1控制电动机的启动和停止,控制电动机的启动和停止,DIN2控制电动机的旋转方控制电动机的旋转方向。变频器根据输入的速度指令和运行状态指令输出相应频率和幅值向。变频器根据输入的速度指令和运行状态指令输出相应频率和幅值的交流电源,控制电动机旋转。的交流电源,控制电动机旋转。相对于进给驱动装置,主轴驱动装置上的接口具有如下特点相对于进给驱动装置,主轴驱动装置上
23、的接口具有如下特点:(1)输入电源。变频器通常电源电压范围比较宽,如交流输入电源。变频器通常电源电压范围比较宽,如交流230 400 V,进给驱动装置电源电压一般要求是固定的。进给驱动装置电源电压一般要求是固定的。(2)电动机运行指令。电动机运行指令。上一页 下一页返回5.2变频调速驱动装置变频调速驱动装置(3)驱动装置及电动机运行状态控制。主轴驱动装置都提供控制电动驱动装置及电动机运行状态控制。主轴驱动装置都提供控制电动机正机正/反转的开关量接口,而进给驱动装置一般不提供。采用脉冲信反转的开关量接口,而进给驱动装置一般不提供。采用脉冲信号作为指令的进给驱动装置,当脉冲指令类型为号作为指令的进
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