数控车床主轴变频调速传动控制系统设计-数控机床市场网

数控车床主轴变频调速传动控制系统设计

2026-11-4 来源：吕梁职业技术学院作者：曹亚红访问量：

摘要：阐述数控车床主轴传动的转矩特性、数控车床主轴变频调速原理，探讨数控车床主轴变频调速传动控制设计方案，包括变频器选型设计、主轴传动控制设计、连接设计，从而提高数控机床控制效率。

关键词：恒功率特性，主轴传动控制，变频器，调速原理。

0 、引言

数控机床往往会借助变频器的作用对主轴传动控制，从而实现主轴电机的变频运行，提高数控机床工业生产效率。但是由于数控车床在实际运行时其还会受到机械强度等因素影响，导致其无法长久处于恒功率运行状态下，从而影响到数控车床主轴传动控制效率。

1 、研究背景

数控车床主轴传动的转矩特性。当前我国数控车床主轴传动控制采用的是恒功率负载，即：在数控车床主轴传动控制时，车床的运行功率保持恒定不变，而车床的转矩与转速成反比关系。但是由于数控车床本身运行功率变大，此时受车床机械强度的影响，车床的转矩无法无限增大，因此在一定程度上也会呈现出恒转矩特性。利用变频器对数控车床主轴传动进行控制时，其主轴电动机和机床的功率转矩特性如图1和图2所示。

图1 电动机功率转矩特性图

图2 机床主轴功率转矩特性图

从图1电动机功率转矩特性图中可以了解到在转速nj条件下能够同时达到电动机最大功率和最大转速，因此该状态下的电动机转速值也被称为计算转速。当电动机转速在nj到nmax范围内时，此时电动机运行在恒功率调速阶段，此时电动机的恒功率变化范围是3到5。当电动机转速在nmin到nj范围内时，此时电动机运行在恒转矩调速阶段，此时电动机的恒功率变化范围在30以上。从图2机床主轴功率转矩特性图中可以了解到当机床主轴运行在恒功率状态下时，其该其变频调速的范围可以保持在10到20的范围内，已经远远的超出的电动机恒功率变化范围。这就说明在一般状况下，当电动机运行在恒转矩调速方式下时此时其能够满足数控车床运行恒转矩调速需求，但是当电动机运行在恒功率调速方式下时此时无法满足数控车床恒功率调速需求。因此在这样的方式下要想对数控机床主轴传动进行控制就需要在主轴上串联齿轮变速组（设立扩大组），这样才可以满足数控机床恒功率调速需求。

2 、数控车床主轴变频调速原理

对于数控车床而言，其主轴电机转速的计算如式（1）。

式中，p为主轴电机的极对数；s为转差率，f为定子电源频率。

根据以上数控车床主轴电机转速计算公式可以确定，主轴电机的转速与定子电源频率成正比关系，这就意味着在数控车床主轴变频调速控制时可以通过对定子电源频率控制从而实现对主轴电机转速控制的目的。对于当前应用比较广泛的变频器而言，其主要的频率变化范围是0～400Hz以内，此时随着定子电源频率的不断提升提升，主轴电机的转速也越来越快。但是由于定子电源频率的变化范围比较大，此时主轴电机的转速变化也非常大，为了防止主轴转速变化过大对轴承和绕组的影响，避免主轴电机出现过量磨损现象，往往会对变频器的参数进行设定，缩小变频器的变化范围。

3 、数控车床主轴变频调速传动控制设计

3.1 变频器选型设计

数控车床主轴变频器需要根据车床负载、调速需求等因素科学选择变频器。当前变频器的适配种类有很多。但是由于变频器在矢量控制模式下可以保证主轴电机运行在低速高转矩输出状态下，从而保证主轴传动控制良好的动态特性和过载能力，因此变频器在选型时尽量选择矢量型变频器，如SIEMENS MM440系列等。变频器在矢量控制模式下可以保证主轴电机运行在低速高转矩输出状态下，从而保证主轴传动控制良好的动态特性和过载能力，因此变频器在选型时尽量选择矢量型变频器，控制方式选择矢量控制方式。由于变频器能够识别的是模拟量信号。因此可以设置模拟量信号的输出范围是：0～10V，4～20mA，此时对应变频器的变频范围是0～60Hz。

3.2 主轴传动控制设计

根据对数控车床主轴传动的转矩特性可以了解到，在实际主轴传动控制时往往会在主轴上串联齿轮变速组（设立扩大组），这样才可以满足数控机床恒功率调速需求。此时对变频器数控车床主轴电机变速级数计算如式（2）。

式中，Z齿轮变速级数，该参数一般取值在4以内；Rz主轴变速箱的有级变速范围；Rd主轴电动机的恒功率调速范围。

在数控车床主轴传动控制设计时通过设立扩大组的作用能够将电动机的调速范围扩大，从而实现恒功率变频调速。但是当扩大组变速公比超过以后，此时车床主轴电机就有可能无法运行在恒功率状态下，从而导致主轴电机的运行功率略有下降，进而影响到变频效果。当扩大组变速公比小于以后，此时车床主轴电机在变频过程中就会存在功率部分重合问题，确保传统系统能够稳定运行，且不会出现较大功率的损失状况。因此从理论角度分析，要想保证数控车床主轴变频调速传动控制系统稳定运行，就必须要保证变速公比等于或者是略大于，这样就可以既可以保证传统稳定性，还可以确保主轴电机运行在恒功率状态下。

3.3 连接设计

变频器与数控车床主轴控制系统进行连接可以实现变频控制，此时在进行连接设计时所涉及的内容主要有：（1）科学设置变频的变频信号，并将该变频信号与控制系统的模拟信号逐一对应，确保能够利用模拟信号控制变频信号，实现变频控制。（2）控制系统与变频器的正反转信号。数控车床主轴电机可以实现正转和反转，此时通过对线路设计能够实现电机正反转控制。（3）运行状态显示连接。数控车床主轴电机运行状况能够通过信号电路作用与车床上的故障显示灯进行连接在一起，借助显示灯的变化状况表示电机运行状况。变频器的A1+、A1-两个端子会接收到传动控制系统所输出的模拟量信号，然后利用该信号对变频器频率进行调整。S1和S2两个端子则是接受传动系统所发出的正转或者是反转信号，从而对主轴电机的正反转进行控制。S1和S2两个端子分别是外部故障和故障复位信号端。

4 、结语

变频器调速是数控车床主轴传动控制的关键技术，能够保证数控车床加工质量稳定性。随着数控车床变频控制技术不断发展，传动控制效果将会日益提升。本文在研究时就从变频器选型设计、主轴传动控制设计、连接设计三方面开展数控车床主轴变频调速传动控制设计。

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