数控机床调速控制装置简介

2023-06-15 理论教育版权反馈

【摘要】：对于像数控加工中心类的机床，其要求的调速范围就更宽了。带有变速齿轮的配置方式这是大、中型数控机床采用较多的调（变）速配置方式，见图2-31a。利用三相异步电动机的转矩和定子磁链及其模型输出的定子磁链相位，直接对逆变器桥臂的通断状态进行控制。

众所周知，数控机床的诞生解决了现代社会对产品多品种、多样化、中小批量的明显增加、高质量、高效率的加工要求等问题，促使机械加工的全过程与柔性自动化水平不断提高。随着微电子技术、交流调速理论、现代控制理论等的不断发展，以及新型大功率半导体器件如大功率晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和智能模块（IPM）不断成熟，并越来越多地应用于交流调速系统，其性能已达到或超过直流调速系统的水平，使得交流调速系统在数控机床中的应用越来越广泛。

1.主轴调速系统的要求

在数控机床中，交流调速系统主要应用于主轴驱动控制。而交流调速系统的调速范围和最高转速及在各种切削条件下获得的最佳切削速度，成为高精度、高效率完成加工过程的主要因素；即交流调速系统的性能在某种程度上决定了数控机床的性能及其等级。因此，对主轴及其调（变）速系统提出了更高的要求。

（1）调速范围宽

主轴的调速范围决定了数控机床加工时切削速度的选择范围，它对生产效率和工件的加工精度及表面质量有着很大的影响。对于像数控加工中心类的机床，其要求的调速范围就更宽了。

目前，主轴的恒转矩调速范围可达1∶100，恒功率调速范围可达1∶30。

（2）无级调速为主

为适应不同的加工条件，数控机床要求主轴调速采用无级调速，以便减少中间传递环节，提高变速的可靠性，简化主轴箱。

为满足数控机床低速强力切削的需要，在主轴电动机的低速段常采用带有机械减速装置的分段无级调速的方法进行调速。

（3）具有四象限驱动能力

要求主轴在正、反向转动时，都具有自动加、减速控制功能，且加、减速的时间越短越好。有些主轴运转的加速，在1s内可从静止达到6000r/min。

（4）具有位置控制能力

对于具有螺纹加工和自动换刀及恒线速加工等功能的数控机床，主轴还必须具有进给（C轴）功能和定向（准停）功能。

2.主轴的调（变）速配置方式

根据数控机床的类型和大小及其适应不同的加工要求，其主轴的调（变）速（传动）配置方式可分为三类。

（1）带有变速齿轮的配置方式

这是大、中型数控机床采用较多的调（变）速配置方式，见图2-31a。主轴电动机可无级调速，又通过使用双联滑移齿轮进行两级变速，实现了分段无级调速，扩大了其调速范围。同时，通过齿轮降速又扩大了输出扭矩，满足主轴低速强力切削时所需扭矩。

图2-31 主轴的调（变）速配置方式

该配置方式用液压拨叉或电磁离合器来改变滑移齿轮的位置，实现变速操作。

（2）带有定比传动的一级变速配置方式

这是对主轴要求转速高、变速范围不大且低转距特性的数控机床常采用的调（变）速配置方式，见图2-31b。通过主轴电动机无级调速即满足加工工艺要求，再经过同步齿形带传动，带动主轴运转。其具有传动平稳、噪声低、结构简单、安装调试方便等优点。

（3）由主轴电动机直接驱动的配置方式

这种配置方式是将驱动电动机与主轴用联轴器连接起来，或采用主轴与驱动电动机转子组装在一起的内装式电动机（简称电主轴）进行驱动，见图2-31c。该配置方式既精简了主轴结构，又提高了主轴的刚度和起动与停止的响应特性、减少振动和噪声，但由于其输出扭矩小及温度高等不足的存在，制约了其发展与推广，这些都有待于进一步研究与提高。

（4）用两个电动机分别驱动的配置方式

这种配置方式是将图2-31中的a与b结合起来而得到的，其具有两种配置方式的性能，见图2-32。低速时，上面的电动机通过两级齿轮降速，满足低速强力切削的要求，扩大调（变）速的范围和恒功率区；高速时，下面的电动机通过同步齿形带传动使主轴运转，传动平稳且噪声小。但这种配置方式用了两台电动机，结构较为复杂。

3.主轴调速的方法

图2-32 两台电动机驱动配置方式

主轴调速由所用驱动电动机来决定其调速的方法，若采用直流伺服电动机时，常用晶闸管（SCR）三相反并联逻辑无环流可逆调速系统。现代数控机床基本都采用三相交流电动机进行驱动，在此仅介绍一些交流调速的方法及其发展动向。

变频调速在数控机床的主轴驱动中得到了广泛应用。其分为恒磁通控制方式、恒电流控制方式和恒功率控制方式等多种。

正弦波脉宽调制（SPWM）调速是先将50Hz交流电经二极管不可控整流并电容滤波形成恒定的直流电送入逆变器主电路，逆变器的开关元件经正弦波和三角波调制后，按一定规律通断，从而获得等幅不等宽的矩形波，即输出频率和电压均可调且等效于正弦波的脉冲序列，实现了变频调速。

矢量控制调速在变频调速中应用得越来越多，它通过对三相异步电动机的等效变换关系，将其等效于直流电动机，再按直流电动机极其简单的规律对其定子电流、电压及相位进行控制，从而实现对三相异步电动机的变频调速，并获得与直流电动机相近的控制特性。

直接转矩控制方式是以转矩比较调节环和定子磁链比较调节环为核心。利用三相异步电动机的转矩和定子磁链及其模型输出的定子磁链相位，直接对逆变器桥臂的通断状态进行控制。同时，它还消除了对转子参数的依赖，简化了控制系统，实现了直接控制三相异步电动机转矩的目的。这种控制方式能使转矩响应时间控制在一个节拍以内，且无超调，并获得了比矢量变换控制更好的动态性能，控制精度也得到了很大的提高。

总之，随着电力电子技术和微电子技术及现代控制理论的发展，再加上大功率电力电子器件的不断涌现，都促进了交流调速系统的快速发展，其全数字化、智能化的追求目标，将随着微机的发展及其更广泛的应用而指日可待。

数控机床调速控制装置简介

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