单元一  交流主轴电机

教学目标：

    1．使学生熟悉数控机床对主轴控制的要求。

    2．使学生了解主轴系统的分类。

    3．使学生熟悉主轴电机的结构特点与工作特性。

    4．使学生理解主轴分段无级调速的实现方法。

教学内容： 

    一、数控机床对主轴控制的要求

    1.调速范围宽：

    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。主轴变速分为有级变速、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。

    2.恒功率范围宽：

    低速段为恒转矩输出，额定转速以上为恒功率输出。

    3.自动加减速控制：

    加、减速时间要短。

    4.准停控制：

    为满足加工中心自动换刀(ATC)以及某些加工工艺的需要。

    5.在车削中心上，还要求主轴具有旋转进给轴(C轴)的控制功能。

    二、主轴驱动系统分类

    1．直流主轴驱动系统：

    直流驱动系统可采用可控硅和脉宽调制PWM调速两种形式。

    2. 交流主轴驱动系统：

    鼠笼式感应交流电动机配置矢量变换控制变频调速主轴驱动系统。

    三、交流主轴电机的结构与工作特性

     1．结构

    交流主轴电动机一般采用交流感应电动机，从结构上分有带换向器和不带换向器两种，通常采用不带换向器的三相感应电动机（笼型电动机或异步电动机）。

    交流主轴电动机一般采用定子铁心在空气中直接冷却的方法，没有机壳，而且在定子铁心上作有轴向孔以利通风等。尾部同轴安装有测速发电机或脉冲编码器等检测元件。

    2．工作特性

    主轴电机的特性曲线：交流主轴电机的特性曲线与直流主轴电机类似：在基速以下为恒转矩区域1，而在基速以上为恒功率区域2。

    四、主轴分段无级调速方法

    1. 分段无级调速概述

    2. M代码执行自动换档控制过程

    3. 自动换档的实现方法：

    1) 液压拨叉变速换档

   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4-10为三位液压拨叉的原理图，其具有液压缸1与5、活塞2、拨叉3和套筒4，通过电磁阀改变不同的通油方式可获得三个位置。

    2) 电磁离合器变速换档

    电磁离合器是应用电磁效应接通切断运行的元件。它便于实现自动化操作。但它的缺点是体积大，磁通易使机械零件磁化。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。

    在数控机床中常使用无滑环摩擦片式电磁离合器和牙嵌式电磁离合器。由于摩擦片式电磁离合器采用摩擦片传递转矩，所以允许不停机变速。但如果速度过高，会由于滑差运动产生大量的摩擦热。牙嵌式电磁离合器由于在摩擦面上加工成一定的齿形，提高了传递转矩，减小离合器的径向轴向尺寸，使主轴结构更加紧凑，摩擦热减小。但牙嵌式电磁离合器必须在主轴转速很低时变速。