數(shù)控機床主軸系統(tǒng)調(diào)試
2017-6-12 來源：三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：蔣培軍，雷楠南
摘要：主要研究了數(shù)控機床主軸變頻調(diào)速控制。系統(tǒng)地介紹了主軸調(diào)試過程中的變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件接線、ＰＭＣ梯形圖程序設(shè)計及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定。在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定過程中，通過實際測量計算優(yōu)化了主軸系統(tǒng)性能。
關(guān)鍵詞：主軸；變頻調(diào)速；ＰＭＣ；數(shù)控機床
０.引言
數(shù)控機床主軸控制系統(tǒng)根據(jù)機床性能一般有變頻控制與串行控制兩種方式，如經(jīng)濟型數(shù)控機床主軸控制通常采用變頻調(diào)速控制；數(shù)控銑、加工中心主軸控制通常采用交流主軸驅(qū)動器來實現(xiàn)主軸串行控制。在生產(chǎn)實踐中，各廠家在數(shù)控機床主軸控制配置上采取的策略都是滿足使用要求情況下盡量降低配置。主軸采用通用變頻器調(diào)速時只能進行簡單的速度控制，它是利用數(shù)控系統(tǒng)輸出模擬量電壓作為變頻器速度控制信號，通過數(shù)控系統(tǒng) ＰＭＣ 程序為變頻器提供正反轉(zhuǎn)信號，從而控制電機實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。串行主軸控制指的是在主軸控制系統(tǒng)中采用交流主軸驅(qū)動器來實現(xiàn)主軸控制的方式，如 ＦＡＮＵＣ－０ｉＣ／Ｄ 系 統(tǒng) 一 般 配 置 專 用 的ＦＡＮＵＣ交流伺服驅(qū)動器及伺服電機實現(xiàn)主軸串行控制。串行主軸不僅能較好地實現(xiàn)速度控制，而且可通過 ＣＮＣ實現(xiàn)主軸定向準(zhǔn)停、定位和 Ｃｓ軸等位置控制功能。對比這兩種主軸控制方式可見，串行主軸控制方式較通用變頻器主軸控制方式 功能強大、配置高。由于交流主軸驅(qū)動器及配套的專用電機成本較高，因此造成了數(shù)控機床整機成本也相對較高。生產(chǎn)實際中，很多經(jīng)濟型數(shù)控機床主軸都采用通用變頻器調(diào)速或?qū)Ｓ米冾l器調(diào)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)速方式時的調(diào)試方法。
１.數(shù)控機床主軸通用變頻調(diào)速控制
數(shù)控機床主軸采用通用變頻調(diào)速控制方式時，典型的硬件配置為數(shù)控裝置、通用變頻器及普通三相異步電動機。在主軸調(diào)試時，首先應(yīng)正確完成變頻器與電機及數(shù)控裝置的硬件接線；其次是完成主軸控制ＰＭＣ梯形圖程序的設(shè)計及輸入。主軸的速度控制通過數(shù)控系統(tǒng)的模擬量輸出電壓實現(xiàn)，正反轉(zhuǎn)控制通過ＰＭＣ程序來實現(xiàn)。
１.１變頻調(diào)速控制硬件接線圖
本文以配備 ＦＡＮＵＣ－０ｉｍａｔｅＭＤ 系統(tǒng)的亞龍５５９數(shù)控裝調(diào)實訓(xùn)設(shè)備為例來進行介紹。其主軸采用通用變頻器調(diào)速控制，選用的變頻器型號為歐姆龍Ｇ３ＪＺ，其硬件接線如圖１所示。變頻器的 Ｕ、Ｖ、Ｗ 端子直接接三相異步電動機。Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 端 子 經(jīng) 交 流 接 觸 器ＫＭ、低壓斷路器 ＱＦ４接入電源。Ｓ１、Ｓ２端子分別通過中間繼電器 ＫＡ５、ＫＡ６ 的 常開觸點接 至 公共端子ＳＣ，ＫＡ５、ＫＡ６常開觸點不能同時閉合，它們分別控制電機正、反轉(zhuǎn)。Ａ１、ＡＣ 端子接至數(shù)控系統(tǒng)的ＪＡ４０接口，接收來自數(shù)控系統(tǒng)的模擬量信號以控制主軸的轉(zhuǎn)速，模擬量一般為０Ｖ～１０Ｖ 的電壓信號。
圖１ 變頻器硬件接線圖
１.２變頻調(diào)速控制梯形圖程序
數(shù)控機床主軸正、反轉(zhuǎn)是通過 ＰＭＣ 梯形圖程序進行控制的，根據(jù)主軸控制方式（如模擬量控制和串行控制方式）的不同，其 ＰＭＣ 梯形圖程序也有所不同。圖２為配備 ＦＡＮＵＣ－０ｉｍａｔｅＭＤ 數(shù)控系統(tǒng)的亞龍５５９數(shù)控銑床的模擬量主軸控制 ＰＭＣ 梯形圖程序。為便于分析識讀主軸控制 ＰＭＣ 梯形圖程序，現(xiàn)將輸入、輸出進行說明，如表１所示。梯形圖程序中，第一、二行表示通過數(shù)控機床操作面板上的正反轉(zhuǎn)按鍵控制機床主軸進行正反轉(zhuǎn)；第三、四行表示利用加工編程程序指令控制數(shù)控機床主軸進行正反轉(zhuǎn)；Ｒ０１００．０中間信號表示數(shù)控機床工作方式選擇中的“手動”、“手輪”工作方式。觀察 ＰＭＣ 梯形圖程序可知，通過數(shù)控機床操作面板上的正反轉(zhuǎn)按鍵進行主軸控制時，工作方式選擇開關(guān)必須選擇“手動”或“手輪”工作方式，使 Ｒ０１００．０ 中間信號為 １；ＲＳＴ信號為復(fù)位信號，其地址為 Ｆ１．１，通過數(shù)控系統(tǒng)操作面板上的復(fù)位按鍵來實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位操作；Ｍ１９為主軸準(zhǔn)停信號，對于通用變頻調(diào)速而 言，該信號無實際意義；串聯(lián) 于 程 序 中 的 Ｘ０００２．４ 與 Ｘ０００２．７、Ｍ０３ 與Ｍ０４常閉觸點構(gòu)成了正、反轉(zhuǎn)互鎖保護信號，Ｘ０００２．５與 Ｍ０５常閉觸點為停止信號，當(dāng)手動操作停止或程序指令中遇到 Ｍ０５指令時，ＰＭＣ程序無輸出信號，主軸停止 轉(zhuǎn)動；Ｒ０２０７．２、Ｒ０２０７．３、Ｒ０２０７．４、Ｒ０２０７．５ 信號為主軸正反轉(zhuǎn)的中間輸出信號，將其常開觸點接至實際的輸出 Ｙ０００５．５、Ｙ０００５．６，即可實現(xiàn)電路中線圈的實際控制。
圖２ 數(shù)控銑床主軸控制
ＰＭＣ梯形圖表１ 輸入、輸出信號及含義表1。
２.數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置
主軸調(diào)速控制系統(tǒng)在硬件接線、ＰＭＣ程序編輯完成的情況下，還需正確設(shè)置數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)與變頻器參數(shù)才能保證主軸正確運轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定時，一部分參數(shù)可以直接查閱系統(tǒng)參數(shù)手冊直接設(shè)定，但也有個別參數(shù)需要進行計算后才能設(shè)定。
２．１設(shè)置主軸控制系統(tǒng)參數(shù)
ＦＡＮＵＣ－０ｉｍａｔｅＭＤ系統(tǒng)采用模擬量主軸控制方式時，除了增益調(diào)整參數(shù)３７３０、漂移調(diào)整３７３１兩個參數(shù)需要計算后才能設(shè)定外，其余參數(shù)設(shè)定如表２所示。
２．２ 增益及漂移參數(shù)的計算
ＦＳ－０ｉＤ系統(tǒng)中參數(shù)３７３１為模擬量輸出時的漂移調(diào)整參數(shù)，其功能是改變Ｓ０轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的模擬量電壓輸出值，參數(shù)設(shè)定范圍為 －１ ０２４～１ ０２４。在模擬量控制時，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為Ｓ０時，其對應(yīng)的模擬量輸出電壓在理論上應(yīng)為０Ｖ，但經(jīng)萬用表檢查發(fā)現(xiàn)實際輸出電壓通常大于或小于０Ｖ，此時，則需設(shè)置３７３１參數(shù)，使輸出電壓盡量接近于０Ｖ。
３７３１參數(shù)設(shè)定值可按下式計算：
表２ 主軸控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置
ＦＳ－０ｉＤ系統(tǒng)中參數(shù)３７３０為模擬量輸出時的增益調(diào)整參數(shù)，該參數(shù)可改變最高主軸轉(zhuǎn)速Ｓｍａｘ所對應(yīng)的模擬量輸出值，并改變輸出電壓和轉(zhuǎn)速的比例。參數(shù)３７３０以 百 分 率 的 形 式 設(shè) 定，設(shè) 定 值 范 圍 為 ７００～１ ２５０，單位為０．１％。當(dāng)設(shè)定值為１ ０００時，最高轉(zhuǎn)速Ｓｍａｘ所對應(yīng)的模擬量輸出為１０Ｖ。如果實際值大于或小于１０Ｖ，可改變３７３０參數(shù)調(diào)整增益值，使最高轉(zhuǎn)速Ｓｍａｘ所對應(yīng)的模擬量輸出盡量接近于１０Ｖ。３７３０參數(shù)設(shè)定值可按下式計算：
本文數(shù)控機床配置 ＦＡＮＵＣ－０ｉｍａｔｅＭＤ 系統(tǒng)，主軸為通用變頻調(diào)速系統(tǒng)。為了優(yōu)化主軸性能，必須計算和設(shè)定漂移、增益調(diào)整參數(shù)。表３為漂移和增益參數(shù)設(shè)定前、后主軸在不同轉(zhuǎn)速時所對應(yīng)的頻率及實測電壓值。由表３可知，當(dāng)３７３０、３７３１參數(shù)設(shè)定值均為０，主軸轉(zhuǎn)速為Ｓ０時，變頻器輸出頻率值為０，利用萬用表實測輸出電壓為－０．０４８Ｖ。先進行漂移參數(shù)計算，可得漂移參數(shù)值３７３１＝２６，因為漂移將同時影響最高轉(zhuǎn)速Ｓｍａｘ對應(yīng)的輸出電壓。以表３為例，即最高轉(zhuǎn)速為１ ４００ｒ／ｍｉｎ時實測的模擬量輸出電壓為９．９３Ｖ，包含了－０．０４８Ｖ 的漂移電壓，所以在計算增益調(diào)整參數(shù)時，必須將漂移電壓考慮進去再進行增益參數(shù)計算，最終計算得增益參數(shù)值３７３０＝１０１１。
表３ 設(shè)置增益及漂移參數(shù)
模擬量輸出的漂移特性曲線如圖３所示，調(diào)整漂移參數(shù)可改變轉(zhuǎn)速Ｓ０所對應(yīng)的電壓輸出值，使特性曲線上下平移。本例中漂移參數(shù)設(shè)定為０時，實測Ｓ０轉(zhuǎn)速對應(yīng)電壓為－０．０４８Ｖ，特性曲線為負向漂移曲線。經(jīng)計算和設(shè)定漂移參數(shù)后，再次實測漂移電壓為－０．００２Ｖ，基本接近于０Ｖ，特性曲線基本接近理想特性曲線。
圖３ 漂移特性曲線
圖４ 增益特性曲線
模擬量輸出增益調(diào)整特性曲線如圖４所示，調(diào)整增益參數(shù)可改變最大轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的模擬量電壓輸出值，使特性曲線的斜率發(fā)生變化。本例中增益參數(shù)設(shè)定為０時，實測最大轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電壓為９．９３Ｖ，可見特性曲線為增益過小。經(jīng)計算、設(shè)定增益參數(shù)后，再次實測最大轉(zhuǎn)速對應(yīng)電壓變?yōu)椋保埃郑鲆嫣匦宰優(yōu)槔硐胩匦郧€。
３.結(jié)語
本文詳細介紹了數(shù)控機床主軸通用變頻調(diào)速方式的硬件接線、ＰＭＣ梯形圖程序設(shè)計及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定方法。在完成主軸控制功能的情況下，為了使主軸系統(tǒng)性能達到理想狀態(tài)，利用萬用表對主軸不同速度輸出時對應(yīng)的模擬量電壓信號進行了反復(fù)實測，并經(jīng)過漂移、增益調(diào)整參數(shù)的計算、設(shè)定及實際測量，使主軸速度輸出特性達到理想狀態(tài)。為廣大數(shù)控機床維修維護人員提供了通俗易懂的變頻主軸系統(tǒng)安裝、調(diào)試及維修指導(dǎo)方法。
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