【超星雕刻机】系列详解-数控机床电主轴分类及变频调速的三种控制方式

略谈数控机床主轴驱动变频控制前言数控车床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电机及其拖动、自动控制、检测等技术为一身的自动化设备。

其中主轴运动是数控车床的一个重要内容，以完成切削任务，其动力约占整台车床的动力的70%～80%。

基本控制是主轴的正、反转和停止，可自动换档和无级调速。

在目前数控车床中，主轴控制装置通常是采用交流变频器来控制交流主轴电动机。

为满足数控车床对主轴驱动的要求，必须有以下性能：（1）宽调速范围，且速度稳定性能要高；（2）在断续负载下，电机的转速波动要小；（3）加减速时间短；（4）过载能力强；（5）噪声低、震动小、寿命长。

本文介绍了采用数控车床的主轴驱动中变频控制的系统结构与运行模式，并阐述了无速度传感器的矢量变频器的基本应用。

第1章变频器矢量控制阐述？70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。

矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。

具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。

矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。

这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。

矢量控制算法已被广泛地应用在siemens，AB，GE，Fuji等国际化大公司变频器上。

？？？采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。

由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。

雕刻机主轴电机基本分两大类：
一、风冷电主轴：价格成本高于水冷主轴，主要使用于木工雕刻机，在我国东北地区比较适用，因为那冬季太冷水冷主轴容易结冰、冻管，风冷主轴则不会令雕刻机用户有这一类的烦恼。

品质优良的风冷主轴电机主要以进口为主。

二、水冷电主轴：这种电主轴在国产广告雕刻机、木工雕刻机、玉石雕刻机及石材雕刻机、墓碑雕刻机上使用比较普遍，主要因为此类主轴成本比较适中能适合广大的国内生产企业且稳定性较强，技术成熟，坏损率不是很高。

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机床调速是指根据加工件的特性和工艺要求，通过调节主轴转速来实现适合加工要求的材料去除率。

在机械加工中，机床的调速方式主要有以下几种形式，它们各自有着不同的应用范围。

一、机床调速的三种形式1. 机床变频调速机床的变频调速是指通过改变电机的输入频率，来调节主轴的转速。

在这种调速方式下，电机的输出功率与转速呈线性关系，也就是说，只要改变输入的电压和频率，就可以实现主轴转速的调节。

变频调速具有调速范围广、精度高、动态性能好的特点。

2. 机床变速箱调速机床的变速箱调速是通过机械传动方式，通过改变齿轮传动比来调节主轴的转速。

这种调速方式在传动装置中增加了一定的传动机构，可以通过切换齿轮的组合，从而实现主轴转速的调节。

变速箱调速适用于对转速精度和动态性能要求不高的场合。

3. 机床液压调速机床的液压调速是通过改变液压传动系统的工作状态，来调节主轴的转速。

在液压调速系统中，通过控制油液的流量和压力，可以实现主轴转速的调节。

液压调速适用于对转速精度和动态性能要求较高的场合。

二、各种调速形式的应用范围1. 机床变频调速的应用范围机床的变频调速适用于对转速精度和动态性能要求较高的场合。

精密车床、数控机床等对主轴转速要求较高的加工设备中，常采用变频调速方式，以满足不同加工要求。

2. 机床变速箱调速的应用范围机床的变速箱调速适用于对转速精度和动态性能要求不高的场合。

一些普通车床、铣床等传统机床中，常采用变速箱调速方式，以满足一般加工需求。

3. 机床液压调速的应用范围机床的液压调速适用于对转速精度和动态性能要求较高的场合。

大型数控机床、高速切削机床等高精度加工设备中，常采用液压调速方式，以满足高精度加工要求。

三、总结在机床加工过程中，不同的加工要求需要不同的主轴转速，而机床的调速方式也是多种多样的。

变频调速适用于对转速精度和动态性能要求较高的场合，变速箱调速适用于一般加工需求，而液压调速则适用于高精度加工要求。

只有根据实际加工需求，选择合适的调速方式，才能更好地满足不同加工要求。

数控机床在应用中的几种常见调速方法数控机床的主轴调速是按照控制指令自动执行的，为了能同时满足对主传动的调速和输出扭矩的要求，数控机床常用机电结合的方法，即同时采用电动机和机械齿轮变速两种方法。

其中齿轮减速以增大输出扭矩，并利用齿轮换挡来扩大调速范围。

1.电动机调速用于主轴驱动的调速电动机主要有直流电动机和交流电动机两大类。

交流电动机主轴调速大多数交流进给伺服电动机采用永磁式同步电动机，但主轴交流电动机则多采用鼠笼式感应电动机，这是因为受永磁体的限制，永磁同步电动机的容量不允许做得太大，而且其成本也很高。

另外，数控机床主轴驱动系统不必象进给系统那样，需要如此高的动态性能和调速范围。

鼠笼式感应电动机其结构简单、便宜、可靠，配上矢量变换控制的主轴驱动装置则完全可以满足数控机床主轴的要求。

交流主轴电动机的驱动目前广泛采用矢量控制变频调速的方法，并为适应负载特性的要求，对交流电动机供电的变频器，应同时有调频兼调压功能。

有关交流感应电机矢量控制原理，这里不予介绍。

2.机械齿轮变速采用电动机无级调速，使主轴齿轮箱的结构大大简化，但其低速段输出力矩常常无法满足机床强力切削的要求。

如单纯片面追求无级调速，势必要增大主轴电动机的功率，从而使主轴电动机与驱动装置的体积、重量及成本大大增加。

困此数控机床常采用1~4挡齿轮变速与无级调速相结合的方式，即所谓分段无级变速。

采用机械齿轮减速，增大了输出扭矩，并利用齿轮换挡扩大了调速范围。

数控机床在加工时，主轴是按零件加工程序中主轴速度指令所指定的转速来自动运行。

数控系统通过两类主轴速度指令信号来进行控制，即用模拟量或数字量信号(程序中的S代码)来控制主轴电动机的驱动调速电路，同时采用开关量信号(程序上用M41～M44代码)来控制机械齿轮变速自动换挡的执行机构。

自动换挡执行机构是一种电——机转换装置，常用的有液压拨叉和电磁离合器。

(1)液压拨叉换挡液压拨叉是一种用一只或几只液压缸带动齿轮移动的变速机构。

cnc数控车床主轴电机使用事项主轴运动是cnc数控车床的一个重要内容，其动力约占整台车床的动力的70%～80%，对于提高加工效率，扩大加工材料范围，提升加工质量都有着很重要的作用。

下面，双鸿数控给大家说说cnc 数控车床主轴电机使用注意事项。

1、cnc数控车床电主轴必须也变频器配合使用，电压功率、频率要匹配。

2、设置变频器首先设置基准频率，变频器的基准频率按电主轴的zui高频率设置，变频器zui高频率，转折频率和对应的电压按电主轴的铭牌数据对应设置。

变频器的电流按电主轴的额定电流设置，载波频率按电主轴的功率大小设置，小于10KW电主轴按8KHZ 设置，大于10KW电主轴按5KHZ设置，升速减速时间按10S左右设置，如遇到起动电流超过额定电流而保护应延长升减速时间，减速时间过短易造成前紧固罗母松动。

3、cnc数控车床水冷电主轴需通从循环冷静却液进行冷静却，冷水量按1升/千瓦/分钟计算，冷却水zui低流量不小于5升/分钟;冷静却水要求使用单独水箱并添加防锈剂(或冷却液也可采用乳化液或油)。

若与切削液混用，则必须过滤切削液，否则电主轴冷静却管路易堵塞，导致电主轴损坏。

4、cnc数控车床电主轴应按电机标志方向旋转，严禁改变方向使用，启动前应观察其旋转方向，如旋转错误，可改变变频器旋转设定或调查换变频器输出端UVW接线柱上的任意两根导线即可。

5、精密cnc数控车床主轴电机不可超过zui高转速运行，允许在运行中调整不。

为延长电主轴及精密轴承的使用寿命，新电主轴或更换新轴承后的电主轴应在转速范围内分4档，分别运行1小时再升为高速，避免直接高速盍而缩短轴承寿命。

6、精密cnc数控车床主轴电机在装弹簧夹头时，应转子轴内孔，螺帽锥孔及弹簧夹头外表面杂质，以免影响精度。

装拆时弹簧夹头应装有刀具，以免损坏夹头，夹紧时禁止用力过猛，以免损坏主轴。

7、电主轴出现故障时，应由专业人员维修或到我公司有专业人员修理。

8、cnc数控车床电机运行时有异常声音，或振动特别大时，噪音变大，应更换轴承。

电主轴的应用分类由于消费者多样化的需求和生产者降低成本的需要，各种具有高生产率和高灵活性的生产体系逐渐建立起来，其中自动换刀数控机床承担着核心任务，近来，对提高机床加工效率有了更进一步的高速、高精度、高效的要求，人们不断地对主轴、进给、刀具交换等各个系统进行技术开发，因此，相应地出现了如电主轴驱动单元、滚珠丝杠、直线导轨等功能部件。

电主轴（是“高频主轴”High Frequency Spindle的简称），又称内装式电机主轴单元，其主要特征是将电机内置于主轴内部直接驱动主轴，实现电机、主轴一体化的功能。

是省略齿轮传动、变速装置（如皮带、联轴节）等中间传动件的直接驱动方式。

电主轴最早是用在轴承行业。

轴承套圈加工过程中，内表面磨削工序中，砂轮直径以及电主轴轴伸端直径均受工件内孔尺寸限制，为取得较好的表面光洁度，需要选择最佳磨削线速度，普通砂轮33-40米/秒，高速砂轮42-50米/秒。

因此磨削直径越小的内孔，需要砂轮主轴的转速越高。

皮带主轴不能在超过20000转/秒的速度下稳定工作，必须选用电主轴。

另外内圆砂轮工作表面小，容易钝化和堵塞，对内表面磨削工效的提高带来一定难度。

以我国洛阳轴承厂205轴承磨加工为例，内外套圈平磨、外磨总工时为0.4328分钟/套，而内磨总工时则为1.0977分钟/套。

而选用合理的大功率高刚度高精度砂轮磨削电主轴是重要的提高轴承生产效率的简易可行的工艺措施。

我们开发的GDZ18-24高刚度、大功率电主轴外径￠150功率7.5千瓦，砂轮线速度可达50米/秒，转轴轴径比一般同类产品粗10mm其刚度和功率比一般同类产品均提高近1倍。

在湖北襄阳轴承厂用该轴在MZ2015磨床上进行磨削试验，磨削208和308轴承时，与随机床所带同类转速的电主轴比较，在同样条件下磨削光洁度提高一级，振动减小，几何精度也有提高。

磨削效率由56件/秒提高到37件/秒。

内磨生产效率的提高即意味着制造成本的降低。

数控机床主轴调速和变频器机床的主轴是用来产生切削主运动的轴，要带动刀具（铣床、磨床等）旋转，或者带动工件（车床）旋转，主轴在机床中非常重要，决定了机床的加工能力和加工精度。

三相异步电机产生的旋转动力通过齿轮变速箱传递到主轴上，一般情况下，主电机产生的旋转运动不一定能够刚好匹配主轴旋转的需求，需要根据加工的对象调整切削参数（其中最重要的切削参数就是主轴转速）。

这时就需要变速装置。

主轴调速可以分为两个方面：机械变速和电气变速。

机械变速就是通过齿轮箱进行变速，而电气变速就是通过变频器来实现主轴变速。

变频器就通过改变交流电的频率，来实现调节主电机的转速。

西门子变频器图1 西门子V10变频器外观由电机的基本原理，可以得到以下公式：n=60f（1-s）/pn—电机的转速（r/min）；s—转差率（%）；f—频率（Hz）；p—磁极对数。

这个公式简单地说，在0~50Hz之间，电源频率越高，转速越快，但是交流电的幅值和相位容易改变，频率却不好改变，所以需要变频器作为转换装置，来改变交流电的频率。

变频器的作用可以通俗地解释为：先通过元器件将标准50Hz交流电整流变成直流电，然后按照设定的要求，再将直流电变为指定频率（0~50之间）的交流电。

在这个过程中，因为需要将直流电变为交流电，改变电流的方向，所以这个过程存在发热，而且变频器的承载功率越大，发热也就越大，在电气柜中，要注意合理设计空气流道，注意通风散热，【注】：交流电三要素是幅值、相位和频率。

以上就简要地介绍了变频器的工作原理，下图是典型变频器的接线原理图，其中16号端子是用来输入0~10V的模拟量，用来指定频率大小，0V代表0Hz，10V代表50Hz，15号端子代表对地信号。

典型变频器的连接图2 变频器外部电路连接CW代表了正转信号，CCW代表了反转信号，L1、L2、L3是由电气柜输入的三相电源，U、V、W是输出到电机的三相电。

其中，15号Al+，16号Al-、CW、CCW都是连接到数控系统主机上，由数控系统按照程序要求进行控制。

数控机床变频调速主轴和伺服主轴的工作原理主轴驱动系统包括主轴驱动器和主轴电动机。

数控机床主轴的无级调速则是由主轴驱动器完成。

主轴驱动系统分为直流驱动系统和交流驱动系统，目前数控机床的主轴驱动多采用交流主轴驱动系统即交流主轴电动机配备变频器或主轴伺服驱动器为满足数控机床对主轴驱动的要求，主轴驱动系统必须具备下述功能：(1)输出功率大：（幻在整个调速范围内速度稳定，且恒功率范围宽(3)在断续负载下电动机转速波动小，过载能力强(4）加、减速时间短：(5）电动机温升低(6)振动小、噪声低：(7)电动机可靠性高、寿命长、易维护(8)体积小、重量轻早期的数控机床多采用直流主轴驱动系统。

为使主轴电动机能输出较大的功率，所以一般采用他激式的直流电动机。

为缩小体积，改善冷却效果，以免电动机过热，常采用轴向强迫风冷或热管冷却技术。

直流主轴电动机驱动器有可控硅调速和脉宽调制PWM调速两种形式。

由于脉宽调制PWM调速具有很好的调速性能，因而在对静动态性能要求较高的数控机床进给驱动装置上曾广泛使用。

而三相全控可控硅调速装置则适用于大功率场合。

由于直流电动机需机械换向，换向器表面线速度、换向电流、电压均受到限制，所以限制了其转速和功率的提高，并且它的恒功率调速范围也较小。

由于直流电动机的换向增加了电动机的制造难度、成本，并使调速控制系统变得复杂，另外换向器必须定时停机检查和维修，使用和维护都比较麻烦。

20世纪80年代后，微电子技术、交流调速理论、现代控制理论等有了很大发展，同时新型大功率半导体器件如大功率晶休管GTR,绝缘栅双极晶休管IGBT以及IPM智能模块不断成熟并应用于交流驱动系统，并可实现高转速和大功率主轴驱动，其性能已达到和超过直流驱动系统的水平。

交流电动机体积小、重量轻，采用全封闭罩壳，防灰尘和防污染性能好，因此，现代数控机床90％都采用交流主轴驱动系统。

交流主轴驱动系统通常采用感应电动机作为驱动电动机，由变频逆变器实施控制，有速度开环或闭环控制方式。