MP ,
1∶1齿轮变速箱 15N· m 3.7 kW 3.7 kW
1∶2齿轮变速箱
0
1500
6000
n
0 750
3000
n
(a)
(b)
图11.5 3.7 kW电动机工作特性曲线 (a) 全段无级调速； (b) 分段无级调速
第11章 主轴驱动及控制
MP , 30N· m
M max Pmax
7.4 kW
电动机 M
＋5V ＋15 V－15V
脉冲放大 u v 控制 电源
基极 驱动
TS 检测 基极驱动
转换器控制
PWM控制 编码 器信 3CN 号处 理 2CN
PG 编码器
模拟 电压给定
1CN
转速给定
电流控制
经处理后的 编码器输出 控制 开关量输入 2CN 数字 转速给定 数字 给定 输入 开关量 输入 设定面板 电流给定 CPU 1CN 开关量输出 状态信号输出
主轴 齿轮 变速箱
图11.7 主轴分段无级变速结构示意图
第11章 主轴驱动及控制
3. 齿轮变速自动换挡的操纵机构
1) 液压拨叉 液压拨叉是一种用一只或几只液压缸带动齿轮移 动的变速操纵机构。 最简单的二位液压缸实现双联齿 轮变速， 对于三联或三联以上的齿轮变速则需使用差
动液压缸。 图11.8所示为三位液压拨叉的原理图， 通
（4） TLH、 TLL转矩极限限制信号： 用于临时限 制主轴电动机输出的最大转矩， 以避免机械损坏。 （5） SSC软启动信号： 使用该信号可使主轴切换 工作处于通常的主轴驱动状态或进入伺服状态， 进入 伺服状态可实现位置闭环控制。
（6） PPI速度调节器信号： 用于选择使用PI比例积
分调节器或P比例调节器。 （7） DAS速度设定方式信号： 用于选择模拟量速 度控制或数字量控制(12位二进制或2位BCD码或3位 BCD码)。
第11章 主轴驱动及控制
y x
D2 D1
图11.10 主轴准停镗背孔示意图
第11章 主轴驱动及控制
1. 机械准停控制 机械准停控制一般采用Ｖ形槽轮定位盘准停结构， 如图11.11所示。
第11章 主轴驱动及控制
无触点开关 接近体 定位盘 LS2 LS1 定位液压缸

主轴中心
图11.11 机械准停原理示意图
3.7 kW
0
750 1500
6000 r/min
n
图11.6 7.4 kW电动机工作特性曲线
第11章 主轴驱动及控制
2. 分段无级调速的控制 多数数控系统均能够提供四挡变速功能， 而数控
机床通常使用两挡即可满足要求。 图11.7所示为主轴
分段无级调速的控制结构。
第11章 主轴驱动及控制
主轴驱动装置 M 0～± 10V M41 CNC PLC M42
调速。 这时If减小K倍， Φ也减小K倍， 相应的转速n
增加K倍， 最大转矩则因为磁通Ф的减小而减小K倍， 因此所能输出的最大功率Pmax=Mmaxn不变, 这称为恒功 率调速。 主轴电机的工作特性曲线如图11.2所示。
第11章 主轴驱动及控制
P, M 转矩特性曲线 功率特性曲线
O
1
2
h
图11.2 主轴电机的工作特性曲线
图11.4 安川YASKAWA VS-626MT型主轴驱动装置外部连线图
第11章 主轴驱动及控制
1. 转速给定信号的连接 （1） 模拟电压给定。
（2） 12位二进制数给定。
（3） 2位BCD码给定。 （4） 3位BCD码给定。
第11章 主轴驱动及控制
2. 开关量信号 （1） RDY准备好信号: 欲使主轴驱动工作， 可闭合
第11章 主轴驱动及控制
（1）在基速n0以下， 采用调压调速， 即在励磁电 流If不变， Φ为常数的情况下， 用改变电枢电压Ua的
方法调速。 这时输出的最大转矩Mmax取决于电枢电流
最大值Imax， 即 Mmax=CMΦImax
第11章 主轴驱动及控制
（2） 基速n0以上采用弱磁方法调速， 即在保持电 枢电压Ua不变的情况下， 用改变励磁电流If的方法来
第11章 主轴驱动及控制来自第11章 主轴驱动及控制
11.1 概述 11.2 主轴的分段无级调速及控制 11.3 主轴准停控制 习题
第11章 主轴驱动及控制
11.1 概 述
11.1.1 数控机床对主轴系统的要求 （1）调速范围宽。 （2）恒功率调速范围宽， 并能提高足够的切削功率。 （3） 稳定、 快速。 （4） 准停控制。 （5） 旋转轴功能。
第11章 主轴驱动及控制
11.1.2 主轴系统的分类与特性 1. 主轴系统的分类
根据变速方式的不同， 主轴系统可分为有级变速、
无级变速和分段无级变速三种形式。 其中， 有级变速 仅用于经济型数控机床， 大多数数控机床均采用无级
变速或分段无级变速。
第11章 主轴驱动及控制
2. 主轴驱动的特性 与直流电动机相比， 鼠笼式交流异步电动机具有
负载情况。
（14） 模拟量输出信号： 两路模拟量输出用于外接 转速与负载表， 其输出直流电压与实际转速及负载成 正比。
第11章 主轴驱动及控制
11.2 主轴的分段无级调速及控制
1. 主轴无级调速驱动方案 （1） 全段无级调速。 （2） 同功率电动机， 分段无级调速。
第11章 主轴驱动及控制
MP , 30N· m
3 NCOM 4 OV 2 SS 2CN 1 D1 2 D2 3 D3 4 D4 5 D5 6 D6 7 D7 8 D8 9 D9 10D10 11D11 12D12 130 V 1CN 45 46 33 ARG 34NDET 35TDET 36TLE 37ORE
2CN PCA 16 *PCA 17 P PCB 18 *PCB 19 P PCC 14 *PCC 15 P SS 20 ICN 42 43 44
恒功率范围宽， 体积小， 结构简单， 价格便宜， 可
靠性高等优点。 但是在采用一般变频器调速时， 其调 速特性无法与直流电动机相比， 因此必须采用矢量变
频控制技术。
第11章 主轴驱动及控制
＋
Ia If Ra ＋
U a

E
M
－ M
n
－
图11.1 主轴电动机电路模型
第11章 主轴驱动及控制
由于采用矢量变频控制技术后， 交流电动机与直
（11） TLE转矩极限输出信号： 当外部转矩极限 TLL和TLH输入信号有效时， 即进入转矩极限临时限 制状态， TLE信号输出。
第11章 主轴驱动及控制
（12） ALM报警信号： 当主轴驱动报警时， 报警 信号ALM输出， 同时报警代码(ALMCODE)通过AC0、 ACl、 AC2、 AC3编码输出， 指示报警内容。 （13） TDET转矩检测输出信号： 当主轴输出转矩 低于某一定值时， TDET输出， 该信号用于检测主轴
第11章 主轴驱动及控制
（8） ZSPD零速输出信号： 若主轴转速低于设定 的值(如30 r／min)， 则ZSPD输出， 表明电动机停转。 （9） AGR速度到达信号： 当主轴电动机转速实际 到达所设定的转速时， AGR信号输出。 （10） NDET速度检测信号： 当主轴转速低于某设
定转速时， NDET输出。
第11章 主轴驱动及控制
2. 电气准停控制 1） 磁传感器准停
磁传感器主轴准停控制由主轴驱动自身完成， 其
系统构成如图11.12所示。磁传感器准停的时序如图 11.13所示。
第11章 主轴驱动及控制
CNC装置
易使机械零件磁化。 在数控机床主传动中， 使用电磁 离合器能够简化变速机构， 通过安装在各传动轴上离
合器的吸合与分离形成不同的运动组合传动路线， 实
现主轴变速。
第11章 主轴驱动及控制
11.3 主轴准停控制
主轴准停又叫主轴定位， 即当主轴停止时， 控制其 停于固定位置。 主轴准停是加工中心自动换刀所必需的 功能。 在自动换刀的镗铣加工中心上， 切削的转矩通常 是通过刀杆的端面键来传递的， 这就要求主轴具有准确 定位于圆周上特定角度的功能， 如图11.9所示。
第11章 主轴驱动及控制
11.1.3 CNC与主轴驱动装置的连接 下面以日本安川（YASKAWA） VA-626MT型主 轴驱动装置为例讲解CNC与主轴驱动装置的连接， 图 11.3所示为其内部原理框图， CNC装置与该主轴驱动 装置的连接如图11.4所示。
第11章 主轴驱动及控制
YASKAWA 主轴驱动系统 u v L1 三相交流电源 L2 L3 R S T U V W U V W 交流主轴电动机 风扇
No DAT A

HOME MODE AL M SE T RE T SE
报警代码 模拟量输出
报警代码输出 外接转速表与负载表
图11.3 安川YASKAWA VS-626MT型主轴驱动装置原理框图
第11章 主轴驱动及控制
MCCB L1 三相交流 L 200/220 V 电源 2 L3 R S T 1CN 6 20 RDY 7 21 EMG 8 FOR 9 REV 22 10 TLH 11 TLL 12 SSC 28 13 RST 29 5 DAS 19 17 PPI 18 32 ORT YASKAWA 主轴驱动系统 u v U V W 3CN E ＋5V 4, 5, 6 0V 1, 2, 3 PCA 16 *PCA 17 PCB 18 *PCB 19 PCC 14 *PCC 15 主轴电动机 (带风扇与编码器) u v U V W E 1 2 3 P 4 5 P 6 PG 7 P 8 9
经处理后的 编码器输出信号
报警输出信号
23 AC0 24 AC1 AC2 26 27 AC3 25 COM2 47 SM 0 V 48 LM 50 49 0V 1 2 0 V3