数控机床电气装调实训指导书（高级） - 图文

数控机床电气装调实训指导书（高级）

项目四：主轴控制系统电气装调

一、实训目的及要求

1. 了解加主轴系统的组成、原理及其功能。

2. 掌握伺服主轴控制系统和模拟主轴控制系统的电气连接。 3. 掌握伺服主轴控制系统和模拟主轴控制系统的检测。

二、实训内容

1. 了解主轴控制系统的基本结构，了解其工作原理。 2. 掌握伺服驱动装置的输入、输出结构的功能及其接线方法。 3. 检测伺服驱动装置工作时的信号特征并作记录。

三、所需仪器与设备

主轴控制系统试验台（包含CNC系统、伺服驱动器/变频器、主轴电机等） 加工中心/数控车床整机

四、实训步骤

1. 主轴控制系统的基本组成及原理

主轴系统与伺服驱动控制系统有着很大的差异，随着社会生产率的不断提高，对主轴驱动也提出了更高的要求，要求主轴电机具有较大的功率调节范围，而且要求结构简单。主轴类型有：直流主轴电动机和交流主轴电动机。传统的主轴系统采用电动机加减速机构的方式，空间体积较大，维护较难，典型的数控车床和加工中心主轴结构如图4-1和4-2所示。所示，随着技术的进步，电主轴在数控机床上也得到了一定的应用，电主轴的结构形式如图4-3所示。

23

数控机床电气装调实训指导书（高级）

图4- 1数控车床主轴结构图

图4- 2加工中心主轴结构图

24

数控机床电气装调实训指导书（高级）

图4- 3电主轴结构示意图

无论采用何种主轴结构类型，最终都需要通过对主轴电机的控制来实现主轴系统的动作。主轴控制系统主要有两种类型：伺服主轴和模拟主轴。对于伺服主轴而言，主要由CNC系统，伺服驱动器，伺服电机（含反馈装置）和若干保护元件组成，而对于模拟主轴而言，主要由CNC系统，变频器，主轴电机和编码器组成。

对于伺服主轴而言，采用的是伺服驱动器控制，因此可以将主轴系统看做伺服控制系统的一个轴，将伺服主轴的伺服驱动器与伺服驱动系统级联控制即可。

对于模拟主轴而言，采用的是变频器附加编码器的控制形式，CNC系统增加一个模拟电压输出模块与变频器的模拟电压输入接口相连，通过模拟电压值的变化控制输出频率，从而控制主轴速度。通过主轴编码器检测主轴速度并及时反馈给CNC系统，从而实现主轴系统的控制。

变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。

现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。 整流器 最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。

平波回路 在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。

逆变器 同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。

控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

25

数控机床电气装调实训指导书（高级）

（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。

（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。

（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。 （4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(TG、PLG等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

（5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值

常见的变频器品牌有：ABB、SEW、安川、欧姆龙、艾默生、西门子、富士、施耐德、台达、惠丰等等，ABB某型变频器如图4-4所示。

图4- 4ABB某型变频器

2. 主轴控制系统的连接

主轴控制系统的连接分为主电路的连接与控制电路的连接。主电路的连接通过电源连接线、转换开关、空气开关和交流接触器后接入伺服驱动器/变频器的动力电接入端口，然后通过动力电输出端口接入主轴电机，对于伺服主轴而言，主轴电机的正反转有CNC系统指令通过总线控制，对于模拟主轴而言，主轴电机的正反转通过I/O模块控制继电器的通断，由继电器的通断来控制变频器的正反转控制端口。

对于伺服主轴而言，连线方式参照项目二，唯一的不同就是主轴系统采用角度控制，这个只需要在系统参数中设置即可。对于模拟主轴，本文采用的是三菱的FR-D740-1.5KW变频器。其接线方式及端口含义如图4-5所示。

26