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数控机床的主轴电机驱动系统介绍

 2016-07-13 14:45  来源:雕刻机门户网  
 
数控机床使用的主轴驱动系统,可分为直流主轴驱动系统和交流主轴驱动系统两大类。下面根据这两大类主轴驱动系统的特点来选择主轴驱动系统。
 
交流伺服电动机有永磁式同步电动机和笼型异步电动机两种结构形式,而且绝大多数采用永磁式同步电动机的结构形式。而交流主轴电动机的情况则不同,交流主轴电动机均采用异步电动机的结构形式,这是因为,一方面受永磁体的限制,当电动机容量做得很大时,电动机成本会很高,对数控机床来讲无法接受采用;另一方面,数控机床的主轴传动系统不必像进给伺服系统那样要求如此高的性能,采用成本低的异步电动机进行矢量闭环控制,完全可满足数控机床
主轴的要求。但对交流主轴电动机性能要求又与普通异步电动机不同,要求交流主轴电动机的输出特性曲线(输出功率与转速关系)是在基本速度以下时为恒转矩区域,而在基本速度以上时为恒功率区域。
 
数控机床的主轴系统和进给系统有很大的差别。根据数控机床主传动的工作特点,早期的数控机床主轴传动全部采用三相异步电动机加上多级变速箱的结构。随着技术的不断发展,机床结构有了很大的改进,从而对主轴系统提出了新的要求,而且因用途而异。在数控机床中,数控车床占42%,数控钻镗铣床占33%,数控磨床、冲床占23%,其他只占2%。为了满足量大面广的前两类数控机床的需要,对主轴传动提出了下述要求:主传动电动机应有2.2~250kW的功率范围;要有大的无级调速范围,如能在1:100~1000范围内进行恒转矩调速和1:10的恒功率调速;要求主传动有四象限的驱动能力;为了满足螺纹车削,要求主轴能与进给实行同步控制;在加工中心上为了自动换刀,要求主轴能进行高精度定向停位控制,甚至要求主轴具有角度分度控制功能等等。
 
在近几年,很多机床都采用交流主轴驱动系统,下面谈论一下交流主轴驱动系统与交流主轴驱动系统的一些特点:
(1)由于驱动系统采用了微处理器和现代控制理论进行控制,系统运行平稳,振动和噪音小,并且可以获得较大的调速范围和较高的低速转矩,可以较方便地与数控机床相配套。
(2)较大功率驱动系统采用了难度较大的“回馈制动”技术,在制动时,既可将电动机能量反馈回电网,起到节能的效果,又可以加快起、制动速度。
(3)驱动器具有D/A转换器、实际转速/转矩信号输出、电气主轴“定向准停”等功能,可以方便地与各类CNC配套。
(4)电机采用无外壳结构,定子硅钢片直接进行空气冷却,可以在浮尘、切削液飞溅的场合安全、可靠地工作。
(5)与直流电机相比,由于交流主轴电机在结构上无换向器,主轴电机通常不需要进行维修。
(6)主轴低年级转速的提高不受换向器的限制,最高转速通常比直流主轴低年级更高。
(7)主轴电机的冷却空气由前端向后流动,可以有效减少电机发热对机床精度的影响。
选择电机
通过上面两种主轴驱动系统的比较,交流主轴电动机在工作环境,冷却系统和调速范围上都优于直流主轴驱动系统,故根据在这些方面的优势本设计的主轴驱动系统采用交流主轴驱动系统.
 
主轴传动和进给传动一样,经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动,而随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展,现在又进入了交流主轴伺服系统的时代,目前已很少见到在数控机床上有使用直流主轴伺服系统了。但是国内生产的交流主轴伺服系统的产品尚很少见,大多采用进口产品。
 
在数控机床高速,高效,高精度的控制要求,使得FANUC直流主轴驱动与通常的速度自动调节系统相比有以下特点:
(1)调速范围宽, 采用FANUC主轴驱动的数控机床,在机械结构方面,小型机床通常采用电机与主轴直接或皮带变速的结构形式、中、大型机床通常只设置高,低速两级简单的机械变速机构,因此,主轴电动机的调速必须全部依赖主轴驱动器进行控制。为保证数控机床的加工范围,使加工工艺相对集中,并达到理想的切削效果,主轴驱动器必须实现无级变速,且具有教宽的调速范围。
(2)在结构上,FANUC直流主轴电动机为全封闭的结构形式,可以在有尘埃和切削液飞溅的工业环境中使用。
(3)在冷却系统上,为了缩小体积,提高效率,FANUC主轴电动机采用了特殊法人热管冷却系统,可以将转子产生的热量迅速的向外界发散。
(4)在磁路设计上,为了使电机发热最小,FANUC煮粥电动机定子采用了独特的附加磁极,以减小损耗,提高了效率。

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