关于数控车床主轴控制技术流程的思考

关于数控车床主轴控制技术流程的思考

缪颖樵

南京高精齿轮集团有限公司

【摘要】随着我国数控技术的不断提高，数控机床逐渐朝着自动化的方向发展，数控车床也日益普及。作为数控机床的一种，数控车床主轴控制技术在业界受到了较为广泛的关注。而主轴控制技术则是控制数控车床主轴的一种数控技术，能够有效把控车床的加工质量和效率。本文首先简单叙述了数控车床主轴控制技术的原理，再对数控车床主轴流程控制要求进行了讨论，然后分析了数控车床主轴控制技术流程中变频器的选择，最后探究了数控车床主轴控制技术流程中继电器的选择，以期为相关工作者的工作提供理论基础。

【关键词】数控车床；主轴控制技术；流程

【正文】作为数控车床的重要组成部分，主轴的作用是安装刀具和其他工件，并带动刀具和其它工件进行旋转。主轴的旋转速率和精确度不仅影响着机械加工的速度，还关系着机械加工的精度。不仅如此，主轴的旋转速率还决定着机械加工的加工效率和加工对象加工面的粗糙度。而线下对于数控车床主轴的控制主要通过变频器来实现，这种控制方式在业界得到了广泛应用。

一、数控车床主轴控制技术流程原理

数控车床主轴控制技术流程的主要原理是，当项目要求机床具有诸如螺纹加工、准停止和恒定线速度处理之类的功能时，数控车床就要对主轴进行提前控制和位置控制。此时，主轴驱动系统也可以称为主轴伺服系统^[1]。主轴位置检测的主要方式为在主轴电机上设置编码器，或者在主轴上安装外部编码器。CNC机床的主轴控制性能可以在很大的范围内连续调节，并且恒定功率的控制范围较广。

当前有两种主要的改变主轴驱动速度的方法，一是主轴电机换档，主轴电机换档的目的是降低主轴转速，增加齿轮比值，以满足切削需求。其次是主轴电机通过同步齿形带或三角皮带驱动主轴来进行变速，这种主轴电机也称为广域电机或强剪切电机。因为不需要机械换挡变速，所以变速箱和离合器从主轴箱中削除，实际上是将主轴箱变成了主轴安装架。在此情况下，主驱动系统能够被相对简化，并通过保持传统点位置不变而保障了驱动链的可靠性。

交流传动系统延续了了直流传动系统的优势，并且一直处于免维护状态，制造工艺和流程简单且很少受环境因素影响，因此交流传动系统已经完全取代了被直流驱动系统。在交流传统系统的研制过程中，最初使用模拟交流伺服系统，但现在伺服系统的主要发展方向和模式是数字化交流伺服系统，交流伺服驱动系统正在朝着数字化的方向发展，并且值得一提的是，驱动系统中电流回路和速度回路的反馈控制已被基本完全数字化。

二、数控车床主轴流程控制要求

数控车床的主轴在工作过程中的运动方式主要是旋转，通过主轴的旋转，数控车床能够实现对加工对象的快速加工。随着加工要求和车床主轴类型的不断丰富，对数控车床的主轴流程控制也有了更高的要求。

2.1无级调速

在一般情况下，主轴变速的方式分为三种，分别是有级变速、无级变速和分段变速。有级变速的主轴变速形式主要应用于追求经济成本效果的数控车床组中，剩余的数控车床均采用无级变速或是分段变速。在数控车床的工作过程中，由于加工对象材质和大小的不同，对于主轴调速的范围有着一定的要求，要求主轴能在调速的过程中形成无级调速，无级调速能够有效减少中部的调速传动环节，并显著简化主轴箱的主要构成。在无极变速的控制过程中，普通类型的数控车床主要采用变频式的调速主轴，而中高档的数控车厂则采用交流伺服主轴的形式。

2.2较大的恒功率范围

在数控车床的工作过程中，必须要在全部速度的范围内为旋转的主轴提供加工工作所需的功率，尽可能为其提供最大功率。由于主轴的功率范围受到电机和其他驱动装置的影响，在主轴旋转速率低的情况下，通常为恒功率范围输出。为了为主轴提供较大的恒功率范围，工作人员通常采用无极变速的形式来扩大恒功率范围^[2]。

2.3四个象限驱动能力

在主轴旋转的过程中，由于主轴对加工对象需要进行旋转和其他全方位加工工作，这就要求主轴的旋转具有四个象限的驱动能力。并且在主轴具有四个象限的驱动能力的基础上，主轴无论是在进行正向运动还是进行反向运动，都要能够自动地进行加减速的自身控制，并且在进行自身控制的过程中要保证控制的高效性。

2.4位置控制能力

在数控车床主轴的工作过程中，工作通常会要求主轴在一定范围内具有有效的位置控制能力，从而能够在加工过程中通过对自身位置的控制来完成有一定难度的加工工作。

2.5加工性能

在一般情况下，主轴的加工性能不仅影响着着主轴的加工质量，还关系着主轴的加工效率。这就要求主轴的加工工作具有较强的精度，并且主轴的旋转要相对平稳。在进行特殊的加工工作时，主轴要保证将自身旋转噪音控制在一定范围内，避免因噪音过大而影响加工质量。除此之外，主轴的旋转要有一定的抗震性，这能够让主轴在加工对象表面粗糙的情况下，仍然保持良好的工作性能。主轴的热稳定性是指主轴在旋转加工的过程中不可避免的会出现一定的热量，主轴要在自身发热的情况下，仍然保持旋转加工的稳定性

^[3]。

三、数控车床主轴控制技术流程中变频器的选择

变频器主要由主变频电路和控制变频电路两部分构成，根据主电路的构成模式，变频器可以分为从交流到交流和交流到直流再到交流两种形式。交流变频到交流变频形式的变频器能够将交流频率具有固定性的交流电源通过运作转化为频率和电压都可连续调节的电源形式。由于这种电源形式的直接性，并不存在中间的转化环节，所以业界普遍称这种电源转化形式为直接式变频器。但直接式变频器在转换效率高的同时限制了电流的转换频率范围，因此多用于大容量的低速控制系统。而交流到直流再到交流的变频器形式是将交流输送过整流器，最终转变为直流，再将直流转化为可控制频率和电压的交流，这种转化形式因其转换方式的间接性被业界普遍称为间接式变频器，也是现下最为常用的一种变频器。

变频器是数控机床主轴控制技术流程中的重要组成部分，影响着数控车床主轴的工作效率和质量。相关工作人员要切实准确设置变频器的参数，有效保证电缆之间的正确连接，并保证电缆接地，才能有效保障数控车床主轴工作的稳定性和安全性。

四、数控车床主轴控制技术流程中继电器的选择

作为控制电路的重要组成部分，继电器的主要运作原理是根据电压值、电流值等电量参数和继电运行时间、继电运行温度等非电量参数这一系列数据来进行电路的控制，包括自动接通或自动断开这两种控制方式，其目的是控制和保护数控车床主轴控制的电路电器。在选择继电器的过程中，相关工作人员要根据数控车床主轴控制节点的数量来选择相应接点数量的继电器，并预留一定数量的备用接点。但备用点的数量要控制在合理的范围内，数量过多的备用点不仅增加了其运行成本，还增大了故障产生的几率。除了其他基本事项外，还要注意的是继电器的接点控制负载是主轴电机的感性负载时，在接点断开的瞬间同时会产生电火花，此电火花有很大几率能够烧毁接点。因此要在继电器的接点两端并接电阻和电容，以达到组成灭火花电路的目的。

【结语】综上所述, 数控车床主轴控制技术流程的科学性和合理性不仅影响着主轴的正常工作，还关系着主轴运作的精度和工作的质量。相关工作人员要从数控车床主轴控制的变频器和继电器和合理选择等多个方面来对主轴的控制技术流程进行完善和发展，以带动数控车床主轴控制技术流程的科学化和合理化发展，提高数控车床的加工效率和质量水平，推动我国机械制造业的自动化发展。

【参考文献】

[1]张民.提高数控车削工件加工精度方法的探讨[J].科技风,2020(12):163.

[2]杨瑞娟,李毅.数控加工技术在飞机制造中的应用[J].科技风,2020(12):166.