直流主轴电动机的驱动系统

1.对主轴驱动系统的要求

随着数控机床的不断发展，传统的主轴驱动系统已不能满足要求，现代数控机床对主轴驱动系统提出了更高的要求。

（1）数控机床主轴驱动系统要有较宽的调速范围，以保证加工时选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。特别对于具有多工序自动换刀的数控机床（加工中心），为适应各种刀具、工序和各种材料的要求，对主轴的调速范围要求更高。

（2）数控机床主轴驱动系统的变速是依指令自动进行的，要求能在较宽的转速范围内进行无级调速，并减少中间传递环节驱动系统，简化主轴箱。

（3）要求主轴驱动系统在整个速度范围驱动系统内均能提供切削所需的功率，并尽可能在全速度范围内提供主轴电动机的最大功率，即恒功率范围要宽。由于主轴电动机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，即在低速段采用机械减速装置，以提高输出转矩。

（4）要求主轴驱动系统在正、反向转动时均可进行自动加减速控制，要求有4个象限的驱动能力，并且加减速时间短。

（5）为满足加工中心自动换刀（ATC）以及某些加工工艺（如精镗孔时退刀、刀具通过小孔镗大孔等）的需要，要求主轴驱动系统具有高精度的准停控制。

（6）在车削中心上，还要求主轴驱动系统能具有旋转进给轴（C轴）的控制功能。

2.直流主轴电动机

1）直流主轴电动机结构特点

为了满足上述数控机床对主轴驱动系统的要求，直流主轴电动机必须具备下述性能。

（1）直流主轴电动机的输出功率要大。

（2）在大的调速范围内速度应该稳定。

（3）在断续负载下电动机转速波动小。

（4）加速和减速时间短。

（5）电动机温升低。(www.xing528.com)

（6）振动、噪声小。

（7）电动机可靠性高，寿命长，容易维修。

（8）体积小、质量轻，与机械连接容易。

（9）电动机过载能力强。

直流主轴电动机的结构与永磁直流主轴电动机直流伺服电动机的结构不同。因为要求主轴电动机输出很大的功率，所以直流主轴电动机在结构上不能做成永磁式，而与普通的直流伺服电动机相同，也是由定子和转子两部分组成，其转子与直流伺服电动机的转子相同，由电枢绕组和换向器组成。而定子则完全不同，它由主磁极和换向极组成。有的直流主轴电动机在主磁极上不但有主磁极绕组，还带有补偿绕组。

这类电动机在结构上的特点是：为了改善换向性能，在电动机结构上都有换向极；为缩小体积，改善冷却效果，以免使电动机热量传到主轴上，采用了轴向强迫通风冷却或水管冷却。为适应主轴调速范围宽的要求，一般直流主轴电动机都能在调速比1:100的范围内实现无级调速，而且在基本速度以上达到恒功率输出，在基本速度以下为恒转矩输出，以适应重负荷的要求。电动机的主极和换向极都采用硅钢片叠成，以便在负荷变化或加速、减速时有良好的换向性能。电动机外壳结构为密封式，以适应机加工车间的环境。在电动机的尾部一般都同轴安装有测速发电动机作为速度反馈单元。

2）直流主轴电动机性能

直流主轴电动机的转矩—速度特性曲线如图7-20所示。在基本速度以下时属于恒转矩范围，通过改变电枢电压来调速；在基本速度以上时属于恒功率范围，采用控制激磁的调速方法调速。一般来说，恒转矩的速度范围与恒功率的速度范围之比为1:2。直流主轴电动机一般都有过载能力，且大多能过载150%（即为连续额定电流的1.5倍）。至于过载的时间，则根据生产厂的不同，有较大的差别，一般为1～30min。

FANUC直流他激式主轴电动机采用的是三相全控晶闸管无环流可逆调速系统，可实现基本速度以下的调压、调速和基本速度以上的弱磁调速。调速范围为35～3 500r/min（1:100），输出电流为33～96A，其控制框图如图7-21所示。

图7-20　转矩—速度特性曲线

图7-21　FANUC直流他激式主轴电动机控制框图

主轴转速的信号可由直流0～±10 V模拟电压直接给定，也可给定二位BCD码或十二位二进制码的数字量，由D/A转换器转变为模拟量。

直流电动机主轴驱动系统（直流主轴电动机驱动的主轴驱动系统）调压直流调速部分与直流电动机伺服系统类似，也是由电流环和速度环组成的双环系统。由于直流主轴电动机的功率较大，因此主回路功率元件常采用晶闸管器件。因为直流主轴电动机为他激式电动机，励磁绕组与电枢绕组无连接关系，需要由另一直流电源供电。磁场控制回路由励磁电流设定回路、电枢电压反馈回路及励磁电流反馈回路三者的输出信号经比较后控制励磁电流，当电枢电压低于210 V时，电枢反馈电压低于6.2 V，此时磁场控制回路中电枢电压反馈相当于开路，不起作用，只有励磁电流反馈作用，维持励磁电流不变，实现调压、调速。当电枢电压高于210 V时，电枢反馈电压高于6.2 V，此时励磁电流反馈相当于开路，不起作用，而引入电枢反馈电压形成负反馈，随着电枢电压的稍许提高，调节器即对磁场电流进行弱磁升速，使转速上升。

同时，FANUC直流主轴驱动装置具有速度到达、零速检测等辅助信号输出，还具有速度反馈消失、速度偏差过大、过载、失磁等多项报警保护措施，以确保系统安全、可靠地工作。