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基於機床數控係統的電主軸控製技術

2022-11-1 來源（yuán）：沈陽機床（集團）有限責任公司作者：張弛

隨著機床（chuáng）產業的不斷發展，電主（zhǔ）軸（zhóu）的應用越來越廣泛。電主軸上配（pèi）置（zhì）星角切換裝置（zhì）後（hòu），不但具（jù）有低轉速時高扭矩，還具備高轉速時大功率的特性。高（gāo）速運轉的電（diàn）主軸的主軸型式是將主軸電（diàn）機（jī）的定子、轉子直（zhí）接裝入主軸組件的內部，即把高速電機置（zhì）於精密主軸（zhóu）內部，電主軸的電機轉子就是主軸，主軸的殼體（tǐ）就是電機的機座，實現了變頻調速電機（jī）和主軸一（yī）體，電（diàn）機直接驅動主軸，形成電主軸。

電主軸取消（xiāo）了電機到主軸（zhóu）傳（chuán）動鏈中的齒輪、皮帶等中間（jiān）環節，動力源對（duì）主軸的直（zhí）接傳動，傳動鏈長度為（wéi）零，實現了機床主軸係統的 “零傳動”，具有高轉速、高精密、噪聲低、低溫升、體積小、安裝方便等特點，是現代高檔數控（kòng）機床主要（yào）的關鍵部件。它與早年應（yīng）用（yòng）於內圓磨床的內裝式電機主軸（zhóu）的區別是采用（yòng）了變頻調（diào）速（sù）技術，主軸有較大的驅動功（gōng）率和轉矩，並有一係（xì）列監（jiān）控主軸振動、軸承溫升（shēng）等參數的傳感器及其檢測控製係統。因此電主軸及（jí）驅動係（xì）統是一種技術含量很（hěn）高的機（jī）電一體化（huà）產品，涉及（jí）機械、電機、驅動（dòng）與控（kòng）製、支承（chéng）、潤滑、材料熱處理及振動等諸多領域，是一套相對獨立、完整的智能型功能部件。

本文基（jī）於機床數控係（xì）統的研究，研究了兩種控製電主軸星角切換的方（fāng）法，第一種方式是（shì）通過PLC 邏輯控製（zhì）程序，並（bìng）在加工程序中編輯相應 M代（dài）碼實現電主軸的星角切換 ; 第二種方式是通過數控係統 SINAMICS BICO 連接技術實現電主軸星角切換。

1. 邏輯程序控製的星角切換

邏輯程序控製電主軸星角切（qiē）換首先繪製控製（zhì）電主軸星角切換的電氣原理圖（見圖 1），其次是調用數控係（xì）統的（de）星角切換功能塊，最後編輯數控係統主軸部分星角切（qiē）換的電（diàn）機參數。

圖 1 星角切換原理圖

（1）星角切（qiē）換（huàn）原理

如圖 1 所示，接觸器 K2.46 吸合（hé），電主軸角連接 ; 接觸器 K2.47 吸（xī）合（hé），電主軸星型連接。

（2）邏輯控製程序

機床數控係統中集成（chéng）了控製星角切（qiē）換的（de）功能（néng）塊 FC17，編輯功能塊（kuài）生效的條件，如下所示 :

AN DB20.DBX 140.0; 是否調用（yòng）星角轉換功能塊

JC M003;DB20.DBX 140.0=1 星角轉換生效

綜（zōng）上所述，在 MDA 或（huò） AUTO 方式下，執行M54 時，切換到星連接 ; 執行 M55 時，切換刀角（jiǎo）連接。特點是操作簡單，執行 M 代碼就可實現電（diàn）主軸的星角切（qiē）換，但是切（qiē）換時需要主軸停（tíng）下來。這樣就降低了機床的工作效（xiào）率（lǜ）。

（3）星角切換主軸（zhóu）參數設（shè）置

由於參數設置與數控係統 SINAMICS BICO連接技術的參數設置基（jī）本相（xiàng）同（tóng），這裏就不贅述了。

2. 數控（kòng）係統 SINAMICS BICO 連接技術控製星角切換

(1) 控（kòng）製原理（lǐ）

星角切換控製原理（lǐ）圖如（rú） 2、圖 3 所示，接觸器 Q120A 吸合，數控係統 NCU 上 X122.9 輸出繼電器 K120A 吸合（hé），從而實現接觸器 Q120A 吸合，電主軸星型連接，接觸器 Q120A 的反饋觸點將星型連接的狀態反饋到 X122.4; 數控係統NCU 上 X122.10 輸出繼電器 K120B 吸合，從而實現接觸（chù）器 Q120B 吸合，電（diàn）主軸三角型（xíng）連接，接觸器 Q120B 的反饋觸點將角（jiǎo）型連接的狀態反饋到 X122.3。

圖 2 電主軸星角連接原理圖

圖 3 電主軸星角切換原理圖

（2）X122 特性（xìng）設（shè）置

如星角轉換原理圖所示（shì），X122.3 為角型連接的（de）接觸器反饋，X122.4 為星型連接（jiē）的接觸器反饋（kuì）;X122.9為星型（xíng）連接接觸器吸合輸出，X122.10為角型連接接觸器吸合輸（shū）出。那麽（me），數控係統的 X122.3/4 應設置為輸入端口（kǒu）（默認），X122 的9/10 設置為輸出（chū）（需要設置（zhì）控製單元數據更改為輸出端口）。X122 端口（kǒu）特性如表 1 所（suǒ）示。

表 1 數控係統 X122 接口特性

因為 X122 是控製單元 NCU 上的接口，所以要設置控（kòng）製單元（yuán）數據，控製單（dān）元參數 p728（CU數字輸入（rù）輸（shū）出狀態）根據（jù）電氣原理圖需求設定，X122.3/4 為數據（jù）輸入點（默認），9/10 為數據輸出點（相應（yīng）位設置為 1，代表更改為輸（shū）出端口）。

（3）增加驅動數據組 / 電（diàn）機（jī）數據組

配置時，對電主軸星角（jiǎo）分別對（duì）應的參數（shù）要進（jìn）行分別配置，因為星角切換相當於電（diàn）主軸擁有兩套驅動數據（DDS），在低（dī）轉速大扭矩時切換到（dào）星型連接，在高轉速大功率時（shí）切換（huàn）到三（sān）角型（xíng）連接。因此在配置星角兩套電機數據時，首先要添加（jiā）數據（jù）組（見表 2），然後進行分別配（pèi）置星型連接電機參數和角型連接電機參數，並分配電機（jī）編碼器數（shù）據。

表 2 數據組

數據組擴（kuò）展完畢，主軸驅動參數中的下列（liè）參數（shù）會（huì）自動設置 :

（4）配置電主軸星 / 三角連接參數

按照星角兩套數據組分別添加星角切換的兩套電機參數，以 KESSLER 品牌的（de） 18000r/min的電（diàn）主軸星角（jiǎo）切換的電機驅動數據為例（lì），如表 3所示。

表 3 KESSLER 18000r/min 電主軸星角切換的電機參數（shù）

分別在各個參數的 [0] 輸入星型連接電機（jī）參數，在 [1] 處（chù）輸入角型（xíng）電機參數。另外，從上表中可以看（kàn）出，星角切換（huàn）的臨界（jiè）轉速為 4700r/min。

（5）星角切換（huàn）關（guān）聯參數

控製單元參數的設置如表 4 所示。

表 4 控製（zhì）單元數（shù）據的設置

主軸驅動數據 :p820[0] 驅動數（shù）據（jù）組選擇DDS 位 1/ 選擇 DDS 位 1。設置為（wéi） 63:2197.2，即當主軸實際轉速小於等於轉速閾（yù）值p2155中的設定值時，p820[0]=0，DDS0（[0]）數（shù）據（jù）組生效 ; 當主軸實際轉速大（dà）於（yú）轉速閾值 p2155 中設定的值，p820[0]=1，DDS1（[1]）數據組生效。

參數 r0051 中顯示（shì）激活的驅（qū）動數據組 DDS。p820參數特性如圖 4 所示。

圖 4 參數 p820 特性

注意 : 在更改上述參數時，隻有把參（cān）數 p922改成（chéng） 999 自定義報文，不能再改回原來的 136 報文，否則參數 p820 參數（shù）更改失敗。

星角（jiǎo）切換延（yán）時時間，推薦 100ms，隻有在出現星（xīng）角切換時間報警時設置，否則可不設（shè）置。

p2155[0] 電主軸星角切換轉速閾值（zhí）從KESSLER 電主軸參數表中（zhōng）顯示應設置 4700r/min;

p2155[1] 電主（zhǔ）軸星（xīng）角切換轉速（sù）閾值從KESSLER 電主軸參數表中顯（xiǎn）示（shì）應設置 4700r/min;

p2140[0] 轉速閾值回差，磁（cí）滯速度，不應太小，推薦為 90r/min;

p2140[1] 轉速閾值回差，磁滯速度，不應太（tài）小（xiǎo），推薦為（wéi） 90r/min;

p2000 電主（zhǔ）軸最大轉速，從 KESSLER 電主（zhǔ）軸參數表中顯示應設置為 18000r/min，配置完成後，該參（cān）數（shù）應（yīng）該自動寫入最大轉速 18000r/min，如果沒有自動寫入，可手動輸入。

3. 結束語

綜上所述（shù），PLC 邏輯控製程序控製的星角（jiǎo）切換，每（měi）次切換時，主軸會將速度降為 0，再進行（háng）切（qiē）換，會花費機床加工時間，降低機床（chuáng）工作節拍（pāi）和工（gōng）作效率 ; 數控係統 SINAMICS BICO 連接技術控製的電（diàn）主軸星角切換，實現了切換時的（de）無級變速，節約了時間，提升了機床（chuáng）的工（gōng）作效率，推薦使用這種切換方式。

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