数控读书报告.doc

《数控读书报告.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控读书报告.doc（8页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、主轴驱动系统和主轴电机发展趋势7 江波 机自103摘 要：数控技术是制造业的前沿，主轴驱动系统是数控机床的关键系统。本文依照数控机床及其主轴驱动系统的简要介绍、交流主轴驱动系统及其发展趋势、电主轴发展趋势的线索，叙述了主轴驱动系统和主轴电机发展趋势，并阐述了自己对主轴驱动系统的理解。关键词：交流主轴驱动系统 主轴电机 电主轴 发展趋势0、 引言机床是一个国家工业化程度的重要标志，也是工业体系的支撑技术之一。主轴驱动系统的性能很大程度上影响着机床的性能指标和加工精度，因为主轴承担着切削工件的重要任务。数控机床主轴驱动系统作为机床的最核心的关键部件之一，其输出性能对数控机床的整体水平是至关重要的。

2、主轴驱动远不同于一般工业驱动， 它不但要求较高的速度精度、动态刚度， 而且要求连续输出的高转矩能力和非常宽的恒功率运行范围。而主轴电机的驱动能力又直接性的影响着主轴驱动系统的性能。因此，研究主轴驱动系统和主轴电机的发展趋势，把握其市场和应用前景，是掌握未来机床发展态势，主导数控机床发展研制的重要课题之一。1、数控机床及其主轴驱动系统数控车床是由数控系统、机械、电气控制、液压、气动、润滑、冷却等子系统构成的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、车螺纹等任务，其动力约占整台车床的动力的7080

3、。基本控制是主轴的正、反转和停止，可自动换挡和无级调速。 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，主轴驱动器必须有以下 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)超载能力强；(5)噪声低、震动小、寿命长。目前， 各主要机床生产厂家和研究单位纷纷把目光投向交流主轴驱动系统。随着功率电子、计算机技术、控制理论、新材料和电机设计的进一步发展和完善， 矢量控制交流电机主轴驱动系统的性能已达到甚至超过了直流主轴驱动系统。交流主轴驱动系统正在逐步取代直流系统。2、 交流主轴驱

4、动系统及其发展趋势交流主轴驱动系统的逆变器一般基于矢量控制原理，采用正弦波宽调制方式(SPWM)，功率器件采用ICBT。根据电机类型可分为感应电机主轴驱动系统、永磁无刷同步电机主轴驱动系统、开头磁阻电机主轴驱动系统。2.1、感应电机交流主轴驱动系统感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流， 其功率范围从零点几个kW到几百kW，广泛地应用于各种数控机床上。感应主轴电机基速以上的放展运动范围可以通过弱磁控制实现。其恒功率运动范围可达到1:5。如采用最新的绕组切换技术，其恒功率运动范围可达到1:14，甚至更宽。目前，感应主轴电机最高转速可达r/min以上。尽管感应主轴电机结构相对简单、但

5、其变频控制器价格却较高。而采用了磁场定向控制技术的变频器能提供连续的转矩/ 速度调节能力、较高的精度、运行可行性和较低的运行费用， 因而在一定程度上抵消了整个系统的初始高价格。感应式主轴电机的控制无一例外地采用磁场定向技术。该技术又分为间接磁场定向和直接磁场定向两种实现方式，其中间接转子磁场定向控制技术由于较易实现而被广为应用。它能提供较高的控制品质，但这种技术过分依赖于电机的参数，当参数变化时，控制性能将严重下降，遗憾的是， 在电机运行过程中，转子时间常数可以在400%的范围内变化，因此现代主轴控制器均采用辨识、估算和自整定技术对参数变化在线补偿。这项技术另一个难题是随着电机速度要求越来越高

6、，在恒功率弱磁运行时，当转子磁场发生变化，而滑差增益无法动态补偿时，将引起磁通和转矩的振荡。近年来，随着自适应观测器和Deattbeat观测器的应用以及微处理器性能的提高，直接磁场定向控制技术在主轴驱动中有取代间接磁场定向之势。2.2、永磁交流主轴驱动系统永磁交流主轴电机分为正弦波驱动(PMSM)主轴电机和方波驱动无刷直流(BDCM)主轴电机。此类主轴电机以转子无铜耗、高效率和高功率/ 转矩密度著称。其低速运行时可获得更大的功率和转矩， 因此在同步攻丝时的伺服锁定运行和快速定向方面有较大的优势。永磁主轴电机在转子上不存在发热元件，显著提高了电机效率，同时高性能钕铁硼材料的应用，使得永磁主轴电机

7、在所有形式的交流主轴电机中具有最高的效率和最小的体积。PMSM和BDCM电机均可运行于高速范围。但弱磁范围受到一定限制，使速度不能很高。在控制策略方面，PMSM电机的定子绕组经特殊绕制后将产生正弦反电势，当绕组通入正弦电流后，便可获得恒定的转矩。但是磁场定向必须借助于绝对转子位置编码器来实现。近年提出的无传感器控制为PMSM主轴电机高速运行提供了另一种选择。BDCM电机定子绕组则使电机产生梯形波反电势，但同样也需要转于位置传感器来实现定子电流换向。无传感器运行对BDCM也可实现。永磁交流主轴电机的控制难点主要在于如何拓展弱磁运行范围。PMSM主轴电机通常采用内装式结构， 而在控制上通常以满足最

8、大转矩弱磁为准则。BDCM主轴电机通常采用最优电流和最优PWM控制方式以抑制脉动转矩， 提高电机效率。2.3、开关磁阻型主轴驱动系统开关磁阻电机(SRM)以其简单、坚固的机械构造、高速运行能力和体积小、重量轻、效率高等特性，近年来在工业界引起了广泛的兴趣，尤其是其优秀的高速度运行能力和价格优势，使其在10kW以下， 调速范围至r/min的数控机床主轴驱动应用中，大有与感应式主轴电机一争高低之势。开关磁阻电机定子极上绕有集中绕组，转子则既无绕组也无永磁体。SRM电机定转子的极数不同，广泛采用三相6/4结构。为获得最优平均转矩，气隙需要精确控制并使极弧与气隙之比在2530之问。SRM主轴电机的结构

9、通常与控制策略和功率变换器同时考虑，其三者的牵制作用要比感应电机和永磁电机强。通过适当的角度位置控制，SRM可容易地获得1:3的恒功率运行范围。在控制策略方面，当电机低于基速以下运行时，常采用电流斩波控制方式， 以避免过大的电流和磁链值，取得恒转矩机械特性。同时为获得最佳效率和减少转矩谐波，SRM主轴驱动系统通常采用自适应控制、最优控制和预测控制技术来控制开头模式。而在基速以上的弱磁运行范围，SRM常采用角度位置控制方式，通过导通角口的调节， 调节电机的转矩实现调速目的。SRM的主要不足在于低速时的高谐波转矩和高噪声。而SRM主轴电机主要运行于高速恒功率区域，因此影响并不明显。3、电主轴及其发

10、展趋势3.1、电主轴简介电主轴是将机床主轴与主轴电机融为一体的高新技术产品。电主轴实际是指电主轴系统， 由电主轴、驱动控制器、编码器、润滑装置、冷却装置等组成。电主轴系统是数控机床三大高新技术之一( 高速电主轴、数控系统、送给驱动) 。随着数控技术及切削刀具的飞跃发展，越来越多的机械制造装备都在不断向高速、高精、高效、高智能化发展，电主轴已成为最能适应上述高性能工况的数控机床核心功能部件之一，尤其是在多轴联动、多面体加工、并联机床、复合加工机床等诸多先进产品中，电主轴的优异特点是机械主轴单元不能替代的。电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、

11、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件: 电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。电主轴所融合的技术:( 1 ) 高速轴承技术 ；( 2 ) 高速电机技术；( 3 ) 润滑；( 4 ) 冷却装置；( 5 ) 内置脉冲编码器；( 6 ) 自动换刀装置实践证明不适合于高速加工；( 7 ) 高频变频装置。3.2、电主轴常用电机（1）异步主轴电机目前，大多数普通机床通常使用普通异步主轴电机间接驱动主轴。但异步调速主轴电机存在的问题十分明显:效率较低，转矩密度比较小、体积较大、功率因数低。此外，异步电机低速下转矩脉动严重，低

12、速下温升高，而且控制算法的运算量大。但是随着DSP等新型控制器的飞速发展，运算速度可满足异步电机的复杂控制算法，使得异步电机低速性能得到显著提升。（2）永磁同步电机永磁同步电机是另外一种主轴电机，其优点明显:转子温升低，在低限速度下，可以作恒转矩运行。转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性更好。对比现有的交流异步电动机，它有以下优点:工作过程中转子不发热;功率密度更高，有利于缩小电主轴的径向尺寸;转子的转速严格与电源频率同步。（3）其他形式电机其他形式电机如开关磁阻电机、同步磁阴电机作为机床主轴的应用，现在也开始慢慢被关注。4、现代机床主轴发展趋势现代机床主轴发展趋势是逐渐由传统机床主轴向电主轴

13、过渡。传统机床主轴是通过传动装置带动主轴旋转而工作的，电主轴的主要特点是将电机置于主轴内部，通过驱动电源直接驱动主轴进行工作， 实现了电机、主轴的一体化功能。与传统机床主轴相比，电主轴具有十分明显的优势。由于主轴由内装式电机直接驱动，省去了皮带、齿轮、联轴节等中间变速和传动装置，具有结构简单紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高等特点。而且利用交流变频技术，电主轴可以在额定转速范围内实现无级变速，以适应机床工作时各种工况和负载变化的需要。主轴电机发展趋势主要是向高效、大功率主轴电动机发展。为提高机床主轴电动机的切削速度、快速响应能力和控制精度，大多数CNC机床都选择集成式主轴AC感应主轴电动机代

14、替以往的由皮带或齿轮减速的分离式主轴电动机，而最近随着技术的进步，新开发出一种含稀有材料的永久磁铁集成式主轴电动机，由于它能更高效、大功率地传递扭矩，所以大有取代感应式集成主轴电动机的趋势据。据介绍，这种含铌的永久磁铁集成式主轴电动机与通用的感应式集成主轴电动机相比. 具有以三个优点:( 1 ) 传递扭矩大用两种功率为N= 7.46kW， 转速n = 6000r/min的电动机所作的比较性试验表明，通用的感应式集成主轴电动机传递的转矩为95Nm。而含稀有材料的永久磁铁型集成式主轴电动机则能传递160Nm 的转矩。( 2 ) 易于对使用中产生的温升进行在线控制，且使用简单的气冷方式即可对主轴电动

15、机进行冷却。无须安装昂贵的冷却器。( 3 ) 由于电动机选用特殊的永久磁铁材料制成，所以磁性强，电动机体积小，结构紧凑，这样可使主轴孔直径增大，大大提高机床的加工能力。发展趋势就是: 以专业厂家生产的高质量的电主轴取代各机床厂家自己生产的传统主轴，电主轴将会像直线导轨一样成为机床标准部件。4、结束语数控机床主轴驱动系统是一个涉及多学科、多领域的复杂系统，这方面的技术性研究与突破将很大程度上引导数控的发展，促进数控技术的飞跃。参考文献1刘闯、刘群；浅谈机床主轴驱动系统及发展趋势J；华东科技(学术版)；2012(5).2许强、杜佳星；浅谈数控机床电主轴的发展趋势J；伺服控制；2007(6).3杜佳

16、星、许强、唐文秀；同步磁阻电机作为机床主轴驱动的研究J；微电机；2006(7).4程倩；数控车床的主轴驱动系统之我见J；硅谷；2010(24).5杨玥；主轴驱动系统和主轴电机发展趋势J；机械与电气；2008(3).6Sangjin Sung;Gunhee Jang;Kyungjin Kang;Jiyeon Kim;Dohyun Park;Donghun Choi Development and optimal design of a HDD spindle motor with pulling magnet to reduce electrical lossJ; Microsystem Technologies ;2012.