第七章 机床主轴系统与控制

1. 第七章 机床主轴系统与控制 7. 1 概述 7. 2 直流主轴电动机及其速度控制 7. 3 交流主轴电动机及其速度控制 7. 4 高速主轴的动平衡控制

2. 7. 1 概述 7. 2 直流主轴电动机及其速度控制 7. 3 交流主轴电动机及其速度控制 7. 4 高速主轴的动平衡控制

3. 7. 1 概述 一、主轴驱动的概念 • 数控机床的主轴驱动不同于进给驱动，主轴的工作运动通常为旋转运动。 • 主轴驱动的主要要求： • 输出功率大 2.2~250kw，结构上不能采用永磁式 • 宽的调速范围 1：100~1000恒转矩，1：10恒功率调速 • 主轴既能正转、又能反转，且能快速制动 • 特殊要求 • 如：加工螺纹，要求主轴驱动与进给驱动实行同步控制；为了保证端面加工的光洁度，要求主轴驱动系统具有恒线速切削控制；在加工中心上，由于自动换刀的需要，要求主抽驱动系统具有高精度的停位控制；有的数控机床还要求主轴驱动系统具有角度控制功能等。

4. 7. 1 概述 二、机床主轴的分类 1. 按结构分类 • 机械主轴 • 电主轴 机械主轴

5. 7. 1 概述 机械主轴结构

6. 7. 1 概述 高速电主轴

7. 7. 1 概述 主轴装置 动平衡点 球轴承 电机 液压力 卡盘 加紧轴 夹紧装置 锥形盘弹簧 电主轴结构

8. 7. 1 概述 电主轴，主轴单元 刀柄安装

9. 7. 1 概述 • 2. 按驱动电机类型分 ： • 直流主轴驱动系统 • 早期的数控机床多采用直流主轴驱动系统。 • 交流主轴驱动系统 • 自20世纪70年代末80年代初，在数控机床主轴驱动中开始采用交流主轴驱动系统。 • 现代数控机床多采用交流主轴驱动系统。

10. 7. 1 概述 7. 2 直流主轴电动机及其速度控制 7. 3 交流主轴电动机及其速度控制 7. 4 高速主轴的动平衡控制

11. 7. 2 直流主轴电动机及其速度控制 1. 直流主轴电动机的结构 与一般直流电动机一样，只是为了减小转动惯量而做得细长一些。它的励磁绕组和电枢分别由两个独立电源供电。 2. 特性曲线 额定速度以下： 恒转矩范围，用改变转子绕组电压调速。 　额定速度以上： 恒功率范围，用控制定子激磁来调速。

12. 7. 2 直流主轴电动机及其速度控制 • 定子磁动势：由励磁电流产生 • 转子反应磁动势：由转子绕组电流产生 • 电磁转矩： 由于被控制量电动机磁通f和电枢电流Ia，互相独立，其电磁转矩与磁通和电枢电流分别成正比关系。可以方便地分别进行调节，因此直流伺服 电机具有优良的调速性能。 • 恒转矩调速： • 用改变转子绕组电压调速。 • 恒功率调速： • 用控制定子激磁来调速。

13. 7. 2 直流主轴电动机及其速度控制 控制磁势大小 控制转子电压大小 直流主轴电动机双域调速系统框图

14. 7. 1 概述 7. 2 直流主轴电动机及其速度控制 7. 3 交流主轴电动机及其速度控制 7. 4 高速主轴的动平衡控制

15. 7. 3 交流主轴电动机及其速度控制 1. 交流主轴电动机的结构 交流主轴电机多采用交流异步电机，很少采用永磁同步电机。 主要因为永磁同步电机的容量做得不够大，且电机成本较高。另外主轴驱动系统不象进给系统那样要求很高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用异步电机完全可以满足数控机床主轴的要求，笼型异步电机多用在主轴驱动系统中。

16. 7. 3 交流主轴电动机及其速度控制 2. 交流主轴电动机的工作原理 与普通三相异步电动机同。据电机学知，交流异步电机的转速表达式为： （r/min） 式中 f1—定子电源频率（Hz）； p—磁极对数； s—转差率。 由此可以知，有变转差率、变极对数及变频三种调速方式。 • 变转差率调速时，低速转差率大，转差损耗功率也大，效率低。 • 变极调速只能产生二种或三种转速，不能做成无级调速，应用范围较窄。 • 变频调速是从高速到低速都可以保持有限的转差率，故它具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。

17. 7. 3 交流主轴电动机及其速度控制 3. 功率—速度特性曲线 改变频率f1，可平滑调节同步转速。但只改变频率是不够的，由电机学知： 式中 E1—感应电势； Kr1—基波绕组系数； N1—定子每相绕组串联匝数； Φm—每极气隙磁通量。 当略去定子阻抗压降时，定子相电压U1为 式中 KE—电势系数，KE＝4.44Kr1N1。

18. 7. 3 交流主轴电动机及其速度控制 • 由上式可见，定子电压不变时，随f1的上升，气隙磁通Φm将减小。又从转矩公式 式中 CT—转矩常数； I2—折算到定子上的转子电流； cos φ2 —转子电路功率因数。 • f 减小导致电机允许输出转矩Te下降，严重时可能发生负载转矩超过最大转矩，电机就带不动了，即所谓堵转现象。 • 当电压U1不变，减小f 1时，f 上升会造成磁路饱合，激磁电流会上升，铁芯过热，功率因数下降，电机带负载能力降低。 • 故在调频调速中，要求在变频的同时改变定子电压U1，以维持 f 接近不变，由U1，f 1不同的相互关系,而得出不同的变频调速方式、不同的调速机械特性。

19. 7. 3 交流主轴电动机及其速度控制 (1)  恒转矩调速 由转子电流与主磁通作用而产生的电磁转矩公式可知，T与φ、I2成正比。要保持T不变，即要求U1/f1为常数，可以近似地维持φ 恒定。此时的机械特性曲线族如图所示。

20. 7. 3 交流主轴电动机及其速度控制 (2)  恒最大转矩（Tm）调速 为了在低速时保持最大转矩Tm不变，就必须采取E1/f1=常数的协调控制，显然，这是一种理想的保持磁通恒定的控制方法。恒Tm调速的机械特性如图所示。

21. 7. 3 交流主轴电动机及其速度控制 （3） 恒功率调速 恒功率调速，是在额定频率以上进行调速。 因电机绕组是按额定电压等级设计的，不可能超过额定电压，因此定子电压不可能与频率成正比地提高。 若频率上升，额定电压不变，那么气隙磁通φm将随着f1的升高而降低，转矩也减小，特性变软。如图所示，得到近似恒功率的调速特性。

22. 7. 3 交流主轴电动机及其速度控制 (4) 交流主轴电动机的矢量变换 在伺服系统中，直流伺服电机具有优良的调速性能，其根本原因是被控制量只有电机磁场f和电枢电流Ia，且这两个量是独立的。其电磁转矩与磁通和电枢电流分别成正比关系。 交流主轴电动机的电磁转矩与磁通和转子电流不是独立的，磁通是由励磁电流产生，励磁电流是定子电流和转子电流的合成电流。 如果能够模拟直流电机，求出交流电机与之对应的磁场与电枢电流，分别而独立地加以控制，就会使交流电机具有与直流电机近似的优良特性。

23. 7. 3 交流主轴电动机及其速度控制 将交流电动机模拟成直流电动机，用对直流电动机的控制方法来控制交流电动机。 其方法是以交流电动机转子磁场定向，把定子电流分解成与转子磁场力向相平行的磁化电流分量Id 和相垂直的转矩电流分量Iq ，分别对应直流电动机中的励磁电流If 和电枢电流Ia 。在转子旋转坐标系上，分别对磁化电流分量、和转矩电流分量进行控制，以达到对实际的交流电动机速度控制的目的。

24. 7. 3 交流主轴电动机及其速度控制 矢量变换控制原理框图

25. 7. 1 概述 7. 2 直流主轴电动机及其速度控制 7. 3 交流主轴电动机及其速度控制 7. 4 高速主轴的动平衡控制

26. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 一、主轴不平衡的基本概念 转子的不平衡是由于转子质量分布不均匀，旋转时产生的惯性离心力的分布相对于转轴不对称而无法完全消除造成的。 离心力可以表示为： ——偏心质量/kg； ——矢径/m； ——转子旋转角速度/rad/s。 来表示转子的不平衡量，并以符号 在平衡技术中，用 U 表示。 U为一矢量，其方向与半径矢量 相同。 如果用系统的质量 M 去除转子的不平衡量 U，即得到转子的单位质量的不平衡量，叫做转子不平衡率 ，表示的是转子的不平衡程度。

27. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 • 机床主轴不平衡的主要因素 • 主轴设计存在不对称； • 主轴材质分布不均匀； • 主轴加工和装配的过程中存在误差； • 刀具结构或者磨损产生不平衡。 动平衡去重点

28. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 2. 主轴不平衡量的种类 1) 静不平衡 主轴的不平衡量仅在重心G处偏离轴线方向的状态。 用一个通过主轴重心G的矢量Us表示。

29. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 2) 力偶不平衡 是主轴不平衡量的连线与轴线在重心G 相交的状态，此时转轴的不平衡量围绕重心形成一个力偶。 力偶不平衡用一对大小相同、方向相反的矢量Um表示。

30. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 3) 动不平衡 是主轴不平衡量连线与轴线既不平行也不相交的状态。 可以等效为不在同一个平面的一个静不平衡量Us和一个力偶不平衡量Um。 4) 准静不平衡 是动不平衡的一种特例，是主轴不平衡量连线与轴线在重心G 以外的某一点相交的不平衡状态。可等效为同一个平面内的一个静不平衡量和一个力偶不平衡量。

31. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 3. 主轴动平衡标准 转子经过动平衡校正后剩下的不平衡量称为剩余不平衡量。剩余不平衡量的许可值叫许用不平衡量Uper。 转子的不平衡程度可以用许用不平衡度eper表示。 其中，M 为主轴转子质量。 国际标准ISO1940和国家JB 3330—83 标准规定转子平衡品质等级为 其中， 为最高转子工作角速度 高速主轴的动平衡等级一般应为G1~G0.4，即G=0.4~1（mm/s)

32. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 二、主轴动平衡识别方法 • 工业现场通常采用在线动平衡来降低主轴的振动。 • 对于平衡操作而言，不同的平衡方法对主轴振动的平衡效率和平衡效果是不同的。 • 常见的主轴不平衡量识别方法主要包含影响系数法、振型平衡法以及全息动平衡法等。

33. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 1. 影响系数法 • 利用线性系统中校正量与所测量之间的线性关系来达到主轴平衡的目的的。 • 从控制工程的角度看，影响系数是一种振动响应、校正量与传感器位置三者之间的传递函数。 • 校正面单位校正量在检测面处产生的振动响应称为影响系数。 优点：依靠传感器直接采集的数据进行平衡，不涉及转子动力学方面的知识，可以用计算机辅助进行动平衡，在工业现场应用广泛。

34. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 1) 单面影响系数法 一个校正面和一个检测面。 影响系数： 平衡转子需要在校正面上加配重： 2) 双面影响系数法 两个校正面和两个检测面。 影响系数： 校正配重：

35. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 2. 振型平衡法 转子在任意转速下的振型都可以分解为各阶振型的线性叠加。 转子在某一转速下的挠曲振型： 振型平衡法的实质是求取转子各阶挠曲变形函数的平衡配重，以实现转子平衡。 优点：充分考虑了转子的模态信息，能获得全转速范围内转子的优良平衡状态；试重以试重组的形式添加，平衡效率更高。 缺点：模态平衡法理论基础建立在忽略系统阻尼之上，平衡过程会有一定误差；模态平衡法要在临界转速附近测点转子模态比，平衡过程有一定危险性。

36. 3. 全息动平衡法 全息谱的构成原理 三维全息谱 全息谱通过信息融合技术为转子的振动响应提供了更加全面真实的描述. 二维全息谱

37. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 全息动平衡技术是在全息谱技术的基础上发展而来的，从平衡原理上来讲全息动平衡仍然属于影响系数法。 • 全息动平衡利用转频椭圆初相矢表征被测截面的失衡振动。 • 在失衡振动的描述上全息动平衡考虑了支承各向异性对主轴轴心轨迹的影响，能有效提高这类主轴的平衡精度。 全息谱转频椭圆及构造过程

38. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 全息动平衡时只关注转频振动， 过程与试重平衡一样。 全息动平衡流程图

39. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 三、主轴动平衡控制技术 1. 动平衡控制技术分类 • 按照平衡对象分：刚性轴平衡和挠性轴平衡。 • 按照配重实施方式分：去重法、加重法和质量调整法。 • 按照自动化程度分：人工离线平衡、半自动平衡和在线自动平衡。 在线自动平衡就是在转子正常运行状态下，实时监控转子振动，随时消除运行过程中出现的不平衡，整个动平衡过程无需停车。

40. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 2. 在线自动动平衡装置 在线自动动平衡方法的核心技术在于在线平衡装置，目前应用成熟的在线动平衡调整装置有喷液式、电动机式和电磁式三种。 喷液式动平衡调整装置采用加重法进行配重。主要应用于转速较高的主轴平衡。 电动机式和电磁式动平衡装置均采用调整质量分布的方法进行配重。电动机式在线平衡调整装置被广泛用于砂轮磨床主轴的动平衡。电磁式动平衡装置处于研究阶段，在工业领域鲜有应用。

41. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 （1）喷液型 原理：通过不同的喷嘴就可向不同的容腔喷入一定量的液体, 以改变平衡头的重心位置, 达到在线平衡。 • 优点： • 不需要向平衡头输送控制信号和供给能量，保证了平衡头的可靠性； • 平衡精度高； • 平衡能力强。 • 缺点： • 停转后液体流出，平衡 • 状态破坏； • 容腔中液体挥发, 影响 • 平衡精度； • 需要较好的保养。

42. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 美国SBS公司Hydrokompenser 转速300~30000r/min，平衡精度0 .02 microns，平衡能力5 to 50,000 g·cm。

43. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 德国 Dittle 公司H6000系统 最高转速：30,000 r/min

44. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 （2）电动机型 原理：用可控微型电机驱动多级齿轮传动补偿质量，电动机通过电刷、滑环或无线遥控从驱动或控制系统获得运动指令。 • 优点： • 结构紧凑，易于实现； • 停转后状态能保持； • 平衡时间短。 • 缺点： • 机械结构复杂，限制了平衡转速的继续提高； • 平衡装置尺寸大，安装困难，且无法保障长期工作时的稳定性； • 需要特种电机； • 采用滑环向电机供电时，滑环容易磨损；采用电池供电时，电量有限，不能长期工作。

45. 美国SBS公司SB-4500系列 7. 4 高速主轴的动平衡控制 平衡头装在磨床的主轴端，随主轴转动，平衡头内两个微电机通过精密齿轮系统驱动两个质量补偿平衡重块。 转速300~13000r/min，平衡精度0 .02 microns，平衡能力75 – 12,000 g·cm。

46. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 （3）电磁型 原理：通过电磁力拖动平衡质量块相对平衡头移动的动平衡装置。 • 优点： • 结构紧凑，易于实现； • 停转后状态能保持； • 平衡时间短。 • 缺点： • 机械结构复杂，起支撑作用的轴承在高速时可能因离心力较大而发生松动，限制了平衡转速的继续提高； • 工作环境温度受到限制，温度过高使得其中的永久磁铁退磁 。

47. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 德国 Dittle 公司 德国Dittel公司的电磁式自动平衡装置分为两种, 一种为安装在转轴内部, 如下图（左）所示, 最高转速可达20000 r/min, 平衡面位置不受外界干扰，最大平衡能力3,300 g·cm ； 另一种将平衡装置做成法兰形状, 通过螺栓连接在轴端, 如图所示最高转速可达10000 r/min, 容易安装, 结构紧凑缺点是平衡面距离不平衡量位置可能较远，最大平衡能力12,000 g·cm 。

48. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 美国LORD公司 主要由以下3部分组成：检测器、控制器和平衡执行机构。该公司的电磁式主动平衡系统控制原理是基于影响系数的自适应主动闭环控制, 实物图如下所示。 Balances at spindle speeds up to 40,000 RPM Balances to levels below G-1.0 at speed prior to grinding or truing

49. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 韩国 Ajou University 利用用磁铁与电极板之间的作用力产生自锁，使平衡环与主轴保持相对静止。一个脉冲走一步，每步12°。每步用时0.35s。 最高转速16000r/min。精度2μm（峰峰值）

50. 7. 4 高速主轴的动平衡控制 西安交通大学开发的喷液式动平衡系统： 基于喷液式动平衡系统的高速主轴动平衡