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數控機床主軸係統調試

2017-6-12 來源：三門峽職業技術學院作者：蔣培軍，雷楠南

摘要：主要（yào）研究了數控（kòng）機床主軸變頻調速控製。係統地介紹了主軸調試過程中的變頻調速係統硬件（jiàn）接線、ＰＭＣ梯形圖程（chéng）序設計（jì）及係統（tǒng）參數（shù）設定。在（zài）係統參數設定過程中，通過實際測量計算優化了主軸係統性能。

關鍵詞：主軸；變頻調速；ＰＭＣ；數控（kòng）機床

０.引言（yán）

數控（kòng）機床主（zhǔ）軸控製係統（tǒng）根據機床性能一般有變頻控製與串行控製兩種方式，如經濟型數控機床主軸（zhóu）控製通常采用變頻調速控製；數控銑、加工中心主軸控製通常采用交流主軸驅動器來實現主軸串行控製。在生產實踐（jiàn）中（zhōng），各廠家在（zài）數控機床主軸控製配置上采取的策略都是滿足（zú）使（shǐ）用要求（qiú）情況下盡量降低配置。主軸采用通用變（biàn）頻器調速時隻能進行簡單的速度控製，它是利用數控係統輸出模擬量電壓作為變頻器速度控製信號，通過數控係統（tǒng）ＰＭＣ程序為變頻器提供正反轉信號，從（cóng）而控製電機（jī）實現正（zhèng）反轉。串行主軸控製指的是在（zài）主軸控製係統中采用（yòng）交流主軸驅動器來實現主（zhǔ）軸（zhóu）控製的（de）方式，如ＦＡＮＵＣ－０ｉＣ／Ｄ係統一般配置專用的ＦＡＮＵＣ交流伺服驅動器及（jí）伺服電機實現主軸串行控製。串行主軸不（bú）僅能較好地實現速度控製，而且可通過ＣＮＣ實現（xiàn）主軸定向準停（tíng）、定位和Ｃｓ軸等（děng）位置控製功能。對比這兩種主軸控製方式可見，串行主軸控製方（fāng）式較通用變頻器主軸控製方式功能強大、配置高。由於交流主軸驅（qū）動器（qì）及配（pèi）套的專用電機成本較（jiào）高，因此造成了（le）數控機床整機成本也相對較高。生產實際（jì）中，很多經濟型數控機床主軸都采用通用變頻器（qì）調速或專用（yòng）變頻器調速方式，以降低成本。本文主要介紹主軸采用通用變頻器調（diào）速方（fāng）式時（shí）的調試方法。

１.數控機床主（zhǔ）軸通用變頻調速控製

數控機床主軸（zhóu）采用通用變頻調速控（kòng）製（zhì）方式（shì）時，典（diǎn）型（xíng）的硬件配置為數（shù）控裝置、通用變頻器及普通三相異步電動機。在主軸調試時，首先應正確完成變頻器與電機及數控裝（zhuāng）置的硬件接線；其次是完成主軸控（kòng）製ＰＭＣ梯形圖程序的設計及輸入。主（zhǔ）軸的速度控（kòng）製通過數控係統的（de）模（mó）擬量輸出電（diàn）壓實現，正反轉控製（zhì）通過ＰＭＣ程序來實現。

１.１變頻調速（sù）控製硬（yìng）件接線圖

本文以配備ＦＡＮＵＣ－０ｉｍａｔｅＭＤ係統的亞龍５５９數控裝調實訓設備為例來進行介紹（shào）。其主軸采用通用變頻器調速控製，選用的變頻器型號為歐姆龍Ｇ３ＪＺ，其硬件（jiàn）接線如圖１所示。變頻器（qì）的（de）Ｕ、Ｖ、Ｗ端子直接接三相異步電動機。Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３端子經（jīng）交（jiāo）流接觸器ＫＭ、低（dī）壓斷路器ＱＦ４接入電源。Ｓ１、Ｓ２端子分別通過中間繼電器ＫＡ５、ＫＡ６的（de）常開觸點接至（zhì）公共端子ＳＣ，ＫＡ５、ＫＡ６常開觸（chù）點不能同時閉合，它們分別控製電機正（zhèng）、反轉。Ａ１、ＡＣ端子接至數控（kòng）係統的ＪＡ４０接口，接收來自數控係統的模擬（nǐ）量信號以控製主（zhǔ）軸的轉速，模擬（nǐ）量（liàng）一般為０Ｖ～１０Ｖ的電壓信號。

圖（tú）１　變（biàn）頻器硬件接線圖

１.２變頻調速控製梯形圖程序

數控機床主（zhǔ）軸正、反轉是通過ＰＭＣ梯形圖程序進行（háng）控製的，根據主軸控製方式（如模擬量控製和串行控製方式）的不同，其ＰＭＣ梯形圖程序也有（yǒu）所不同。圖２為配備ＦＡＮＵＣ－０ｉｍａｔｅＭＤ數控係統（tǒng）的亞龍５５９數控銑床的模擬量主軸控製ＰＭＣ梯形圖程序。為便於分析（xī）識讀主軸控製ＰＭＣ梯形圖程序，現將（jiāng）輸入、輸出進行說（shuō）明，如表１所示。梯形圖程序中，第（dì）一、二行表示通（tōng）過數控（kòng）機床操作麵板上的正（zhèng）反轉按鍵控製機床主軸（zhóu）進行正反轉；第三、四行表示利用加工編程程序指令（lìng）控製數控機床主軸進行（háng）正反轉；Ｒ０１００．０中間信號（hào）表示數控機床工作方式選擇中的“手動”、“手輪”工作方式。觀察ＰＭＣ梯（tī）形圖程序可知（zhī），通過數控機床（chuáng）操（cāo）作麵板上（shàng）的正反轉按鍵（jiàn）進行主軸控製時，工作方式選擇開關必須選擇“手動”或（huò）“手輪”工作方式，使Ｒ０１００．０中間信（xìn）號為１；ＲＳＴ信號為複位信號，其地址為Ｆ１．１，通過數控係統操作麵板上的複位按鍵來實（shí）現係統複位操作；Ｍ１９為（wéi）主軸準停信號，對於通用變頻調速而言，該（gāi）信號無實際意義；串聯於（yú）程序中（zhōng）的Ｘ０００２．４與（yǔ）Ｘ０００２．７、Ｍ０３與Ｍ０４常閉觸點構成了正、反（fǎn）轉（zhuǎn）互鎖保護信號，Ｘ０００２．５與Ｍ０５常閉（bì）觸點為停止信號，當手動（dòng）操作停止或程序指（zhǐ）令中遇到Ｍ０５指令（lìng）時，ＰＭＣ程（chéng）序無輸（shū）出信號，主軸停止轉動；Ｒ０２０７．２、Ｒ０２０７．３、Ｒ０２０７．４、Ｒ０２０７．５信號為主軸正反轉的中間輸出信號，將其常開觸點（diǎn）接至實際的輸出Ｙ０００５．５、Ｙ０００５．６，即可實現電路中（zhōng）線圈的實際控製。

圖２　數控銑床主軸控製

ＰＭＣ梯形圖表１　輸（shū）入、輸出信（xìn）號及含義表1。

２.數控係統參（cān）數設置

主軸調速（sù）控製係（xì）統在硬件接線、ＰＭＣ程序編輯完成的情況下，還需正確（què）設置數控（kòng）係統參數（shù）與變（biàn）頻器參數才（cái）能保證主軸正確運（yùn）轉（zhuǎn）。數控係統參數設定時，一部分參數可以直接查閱係統參（cān）數（shù）手（shǒu）冊直（zhí）接設（shè）定，但也有個別參數需要進行計算後才能設定。

２．１設（shè）置主軸控（kòng）製係統（tǒng）參數

ＦＡＮＵＣ－０ｉｍａｔｅＭＤ係統采用模擬量主軸控製方式時（shí），除了增益調整參數３７３０、漂移調整３７３１兩個參數需要（yào）計算後（hòu）才能設定外，其餘參數設定如表２所（suǒ）示。

２．２　增益及漂移參數的（de）計（jì）算

ＦＳ－０ｉＤ係統中參數３７３１為模擬量輸出時的漂移調整參數，其功能是改變Ｓ０轉速所對應的模擬量電壓輸出值，參數設定範圍為－１　０２４～１　０２４。在模擬量控製時，當主（zhǔ）軸轉速為Ｓ０時，其（qí）對應的模擬量輸出電壓在理論上應為０Ｖ，但經萬用表檢查發現實際輸出電壓通常大於或小於０Ｖ，此時（shí），則需設（shè）置３７３１參數，使輸出電壓盡量接近於０Ｖ。

３７３１參數設定值可按（àn）下式計算：

表２　主軸控製係統參數（shù）設置

ＦＳ－０ｉＤ係統中參數３７３０為模擬量輸出時的增益調整（zhěng）參數，該參數可改變最高（gāo）主軸轉速Ｓｍａｘ所對應的模擬量（liàng）輸出值（zhí），並改（gǎi）變輸出電壓和轉速的比例。參數（shù）３７３０以百分率的形式設定，設定值範圍（wéi）為７００～１　２５０，單位為０．１％。當設定值為１　０００時，最高（gāo）轉速Ｓｍａｘ所對應的模擬量輸出（chū）為１０Ｖ。如果實際值大（dà）於或小（xiǎo）於１０Ｖ，可改變（biàn）３７３０參數調整增益值，使最（zuì）高轉（zhuǎn）速Ｓｍａｘ所對應的模擬量輸出盡量接近於１０Ｖ。３７３０參數設定值可按下式計算：

本文數控機床配置ＦＡＮＵＣ－０ｉｍａｔｅＭＤ係統，主軸為通用變頻（pín）調速係統（tǒng）。為了優化主軸性能，必須計算（suàn）和設定漂移、增益調整參（cān）數（shù）。表３為漂移和增益參數設定前、後主軸在（zài）不（bú）同轉速時所對（duì）應的頻率及實測（cè）電壓值。由表３可知，當３７３０、３７３１參數設定值均為０，主軸轉速為Ｓ０時，變頻（pín）器輸出頻率（lǜ）值為０，利用萬用表實測輸（shū）出（chū）電壓為－０．０４８Ｖ。先進行漂移參數計算，可得漂移參數（shù）值３７３１＝２６，因為漂移將（jiāng）同時影響最高（gāo）轉速Ｓｍａｘ對應的輸出（chū）電壓。以表３為例，即（jí）最高（gāo）轉速為１　４００ｒ／ｍｉｎ時實測的模擬量（liàng）輸出電壓為９．９３Ｖ，包含（hán）了－０．０４８Ｖ的（de）漂移電壓，所以在計算增益調整參數時（shí），必須將漂移電壓考慮進去再進行增益參（cān）數計算，最終計算得增益參數值３７３０＝１０１１。

表３　設置增益及漂移參數

模擬量輸出的漂移特性曲線如圖３所示，調整漂移參數可改變轉速Ｓ０所對應的電（diàn）壓輸出值（zhí），使特性曲線上下平移（yí）。本例中漂移參數設定為０時（shí），實測Ｓ０轉速對應電壓為－０．０４８Ｖ，特性曲線為負向漂移曲線。經計算和設定漂（piāo）移參數後，再次實測漂移電壓為－０．００２Ｖ，基本接近（jìn）於０Ｖ，特性曲（qǔ）線（xiàn）基本接近理（lǐ）想（xiǎng）特性曲線。

圖３　漂移特性（xìng）曲線

圖４　增益特性曲線

模（mó）擬量輸出增益調整特性曲線如圖４所示，調整增益（yì）參（cān）數可改變最大轉速所對（duì）應的模擬量電壓輸出值，使特性曲線（xiàn）的（de）斜（xié）率發（fā）生變化（huà）。本例中增益參數設（shè）定為０時，實（shí）測最大轉速對應的電壓為９．９３Ｖ，可見特性曲線為增益過小。經（jīng）計算、設定增益參數後，再次實測最大轉（zhuǎn）速對應電壓變為１０Ｖ，增益特性（xìng）變為（wéi）理（lǐ）想特性曲線。

３.結（jié）語

本文（wén）詳細介紹了數控機床主軸通用變頻調速方式的硬件接線（xiàn）、ＰＭＣ梯（tī）形圖程序設（shè）計及係統參數設定方法。在完成主（zhǔ）軸控製功能的情況下，為（wéi）了使主軸係統性能（néng）達到理想狀態，利用萬（wàn）用表對主軸（zhóu）不同速度輸出時對應（yīng）的模擬量電壓信號進行了反複實測，並經過漂移、增益調整（zhěng）參數的計算、設定及實際測量，使（shǐ）主軸速度輸出特性達到（dào）理想狀態。為廣大數控機床維（wéi）修維（wéi）護人員提供了通俗易懂的變頻主軸係統安裝、調試（shì）及維修指導方法。

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