西安(ān)數控機床(chuáng)主軸(zhóu)控制系統根據(jù)機床性能(néng)一(yī)般(bān)有變(biàn)頻控(kòng)制與串(chuàn)行控制(zhì)兩種方式(shì)，如經(jīng)濟型(xíng)數控機床(chuáng)主軸(zhóu)控制(zhì)通常(cháng)采用(yòng)變頻調速(sù)控制;數(shù)控銑、加工中(zhōng)心(xīn)主(zhǔ)軸控(kòng)制通常采用交流主(zhǔ)軸(zhóu)驅(qū)動器(qì)來實現主(zhǔ)軸串(chuàn)行控制。在生産實踐中，各(gè)廠家(jiā)在數控機床主(zhǔ)軸控(kòng)制配置上(shàng)采取的策略都(dōu)是滿(mǎn)足使(shǐ)用(yòng)要(yào)求情(qíng)況下盡量(liàng)降低(dī)配置(zhì)。主軸采用(yòng)通(tōng)用變頻(pín)器調速時隻能(néng)進行簡單的速(sù)度控制，它(tā)是利(lì)用數控系統輸出模(mó)拟量(liàng)電壓作為(wéi)變頻器速(sù)度控制(zhì)信(xìn)号(hào)，通過數控系統 pmc 程(chéng)序為變頻器提(tí)供正反轉信号，從而(ér)控制電機實現(xiàn)正反轉。串(chuàn)行主軸控制指(zhǐ)的是(shì)在(zài)主軸控(kòng)制系(xì)統中(zhōng)采用(yòng)交流主軸驅動(dòng)器來實(shí)現主(zhǔ)軸(zhóu)控制(zhì)的方(fāng)式，如 fanuc-0ic/d 系 統 一(yī) 般(bān) 配 置 專 用(yòng) 的fanuc交(jiāo)流伺(sì)服驅動(dòng)器(qì)及伺服電機(jī)實現主(zhǔ)軸串行控(kòng)制。串行主軸(zhóu)不僅能較好地實現速度控(kòng)制，而且可(kě)通過 cnc實現主軸(zhóu)定向準停、定位(wèi)和 cs軸等(děng)位置控制功能。對比這兩種主軸(zhóu)控制(zhì)方式可見，串行(háng)主軸控制(zhì)方式較通(tōng)用變(biàn)頻器(qì)主軸(zhóu)控制方式 功(gōng)能(néng)強大、配置(zhì)高。由于交流主軸驅(qū)動器(qì)及配(pèi)套的專(zhuān)用電機(jī)成本較高，因此造成了數(shù)控機床整機成本也(yě)相對較高(gāo)。生産(chǎn)實際中，很多經(jīng)濟型數控機床主軸(zhóu)都采用通(tōng)用變頻器調速(sù)或專用變(biàn)頻器調速方式，以降低成本。本文主(zhǔ)要介紹主(zhǔ)軸采(cǎi)用通(tōng)用變頻器(qì)調速方(fāng)式時的調試方法。

1.數控機床主軸通用(yòng)變頻(pín)調速控制(zhì)

數控機床主軸(zhóu)采用通(tōng)用變頻(pín)調速(sù)控制(zhì)方式(shì)時，典(diǎn)型的硬件(jiàn)配置為數(shù)控裝(zhuāng)置、通用變(biàn)頻器(qì)及普通三相異(yì)步電動(dòng)機。在主(zhǔ)軸調(diào)試時(shí)，首先應正确(què)完(wán)成變(biàn)頻器與電機及數控(kòng)裝(zhuāng)置(zhì)的硬件接線(xiàn);其次是(shì)完成(chéng)主軸控制(zhì)pmc梯形圖程(chéng)序的設計(jì)及輸入。主(zhǔ)軸的速度(dù)控制通過(guò)數控系統(tǒng)的模拟量輸出(chū)電壓(yā)實現，正反(fǎn)轉控制(zhì)通過pmc程(chéng)序來(lái)實現(xiàn)。

1.1變頻(pín)調速控制(zhì)硬件接線(xiàn)圖

本文以(yǐ)配備 fanuc-0imatemd 系統的亞(yà)龍559數控裝(zhuāng)調實(shí)訓設備為例來(lái)進行介(jiè)紹。其主(zhǔ)軸采用(yòng)通用變(biàn)頻器(qì)調速控制(zhì)，選用的變頻器(qì)型号為(wéi)歐姆龍g3jz，其硬件(jiàn)接(jiē)線如(rú)圖1所(suǒ)示。變頻器(qì)的 u、v、w 端子直接接(jiē)三相(xiàng)異步電動機。l1、l2、l3 端 子 經(jīng) 交 流(liú) 接 觸 器(qì)km、低壓斷路器(qì) qf4接入電源。s1、s2端子分别通過(guò)中間繼(jì)電器 ka5、ka6 的(de) 常開觸點(diǎn)接 至 公共端子sc，ka5、ka6常開觸點不(bú)能同時(shí)閉合，它們分别(bié)控制電機(jī)正(zhèng)、反(fǎn)轉。a1、ac 端子接(jiē)至數控系(xì)統的ja40接口(kǒu)，接收(shōu)來(lái)自數控系統的模(mó)拟量(liàng)信号以控(kòng)制(zhì)主(zhǔ)軸的轉速(sù)，模拟(nǐ)量一般為0v～10v 的電壓信号。

圖1　變頻(pín)器硬件接線圖

1.2變頻(pín)調速控制梯形(xíng)圖程(chéng)序

數控機(jī)床主軸正、反轉(zhuǎn)是通(tōng)過 pmc 梯(tī)形圖程序進行控制的，根(gēn)據主軸控(kòng)制(zhì)方式(如模拟(nǐ)量控(kòng)制和(hé)串行(háng)控制方式)的不(bú)同，其(qí) pmc 梯(tī)形圖程(chéng)序也有所不同。圖2為(wéi)配備 fanuc-0imatemd 數控(kòng)系統(tǒng)的亞龍559數(shù)控銑(xǐ)床的(de)模拟量主軸控制 pmc 梯(tī)形圖(tú)程(chéng)序。為便(biàn)于(yú)分析識(shí)讀主軸控制 pmc 梯形(xíng)圖程序，現将(jiāng)輸入(rù)、輸出(chū)進行說明，如表(biǎo)1所(suǒ)示。梯形(xíng)圖程(chéng)序中(zhōng)，第一(yī)、二行表示(shì)通(tōng)過數控(kòng)機床操作面闆上的正反(fǎn)轉按鍵控制機(jī)床主軸進行正(zhèng)反轉;第三、四行(háng)表示利用(yòng)加工(gōng)編程(chéng)程(chéng)序指令(lìng)控制數控機床(chuáng)主軸進行正反(fǎn)轉;r0100.0中間信号表(biǎo)示數(shù)控機(jī)床工(gōng)作方式選(xuǎn)擇中(zhōng)的“手(shǒu)動”、“手輪”工(gōng)作方式(shì)。觀(guān)察 pmc 梯(tī)形圖(tú)程序可知(zhī)，通過數(shù)控機床(chuáng)操作面闆上的正反(fǎn)轉(zhuǎn)按(àn)鍵進行主軸控制時(shí)，工作方式(shì)選擇(zé)開關(guān)必須(xū)選擇(zé)“手動”或(huò)“手輪”工(gōng)作方式(shì)，使 r0100.0 中間(jiān)信(xìn)号為 1;rst信号為(wéi)複位信号，其地址為 f1.1，通(tōng)過數控系統(tǒng)操作面闆(pǎn)上的(de)複位按鍵(jiàn)來(lái)實現系統複(fú)位操作;m19為(wéi)主軸(zhóu)準停(tíng)信号(hào)，對于通用(yòng)變頻調速(sù)而 言，該信号無(wú)實際意義;串聯 于 程 序(xù) 中 的 x0002.4 與(yǔ) x0002.7、m03 與m04常閉(bì)觸點構(gòu)成了(le)正(zhèng)、反轉互(hù)鎖保(bǎo)護信号，x0002.5與(yǔ) m05常閉觸(chù)點為停(tíng)止信号，當(dāng)手動(dòng)操作停(tíng)止或程(chéng)序指(zhǐ)令(lìng)中遇到 m05指令(lìng)時，pmc程序無(wú)輸出信号，主軸停止(zhǐ) 轉(zhuǎn)動;r0207.2、r0207.3、r0207.4、r0207.5 信(xìn)号為主軸正反轉的中間(jiān)輸出信号，将其常開觸(chù)點接至實際的(de)輸出(chū) y0005.5、y0005.6，即可實現電路中(zhōng)線圈的(de)實際控制(zhì)。

圖2　數控(kòng)銑(xǐ)床主軸控(kòng)制

pmc梯(tī)形圖(tú)表1　輸(shū)入、輸(shū)出信号(hào)及含義(yì)表1。

2.數(shù)控(kòng)系(xì)統參(cān)數設置

主(zhǔ)軸調速控制(zhì)系統在(zài)硬件接線、pmc程序(xù)編輯完成的情(qíng)況(kuàng)下(xià)，還需正确(què)設置數控系統(tǒng)參數與變頻器(qì)參數才能保證主軸(zhóu)正确(què)運轉(zhuǎn)。數控系(xì)統參數(shù)設定時，一(yī)部分(fèn)參數可以(yǐ)直接(jiē)查閱系(xì)統參數(shù)手冊直接設定(dìng)，但(dàn)也有個(gè)别參(cān)數需(xū)要進(jìn)行計算後(hòu)才能(néng)設定(dìng)。

2.1設置(zhì)主軸控制(zhì)系統參數

fanuc-0imatemd系統采用模拟量主(zhǔ)軸控制方(fāng)式時，除了增益調整(zhěng)參數3730、漂(piāo)移調整3731兩個參數需要(yào)計算後才能設定外，其餘參數(shù)設定(dìng)如(rú)表2所示(shì)。

2.2　增益及(jí)漂(piāo)移參數的(de)計算

fs-0id系統(tǒng)中參(cān)數3731為模拟(nǐ)量輸出時(shí)的漂(piāo)移調整(zhěng)參數，其功能是改(gǎi)變s0轉速所(suǒ)對應(yīng)的模(mó)拟量電壓(yā)輸出(chū)值，參數設定範(fàn)圍為(wéi) -1　024～1　024。在模拟量(liàng)控制(zhì)時(shí)，當(dāng)主軸(zhóu)轉速(sù)為s0時(shí)，其對應的模拟量輸(shū)出電壓在理(lǐ)論(lùn)上應(yīng)為0v，但(dàn)經萬用表檢查發現(xiàn)實際輸出電壓(yā)通常大于或小(xiǎo)于0v，此(cǐ)時，則需設(shè)置3731參數，使輸出(chū)電壓(yā)盡量接近(jìn)于0v。

3731參數設定值可按下(xià)式(shì)計算(suàn)：

表2　主軸控(kòng)制(zhì)系(xì)統參(cān)數(shù)設(shè)置

fs-0id系統(tǒng)中參數(shù)3730為模拟量(liàng)輸出(chū)時的(de)增益調整(zhěng)參數(shù)，該(gāi)參(cān)數可(kě)改變較高主軸(zhóu)轉速smax所對應的模拟(nǐ)量(liàng)輸出值(zhí)，并改變(biàn)輸出電壓和轉(zhuǎn)速的比(bǐ)例。參數(shù)3730以 百 分 率 的(de) 形 式(shì) 設 定(dìng)，設 定 值(zhí) 範 圍 為 700～1　250，單位為(wéi)0.1%。當設定(dìng)值為(wéi)1　000時(shí)，較高轉(zhuǎn)速(sù)smax所(suǒ)對應(yīng)的模(mó)拟量輸出為(wéi)10v。如果實際(jì)值(zhí)大于或小于10v，可(kě)改變(biàn)3730參數調整增益(yì)值，使較高(gāo)轉速(sù)smax所對(duì)應的模拟量輸出盡(jìn)量接(jiē)近于10v。3730參數設定值可(kě)按下(xià)式計(jì)算：

本文數控機(jī)床配置(zhì) fanuc-0imatemd 系統(tǒng)，主(zhǔ)軸為(wéi)通用變頻調速(sù)系(xì)統。為了(le)優化主軸(zhóu)性能，必須計(jì)算(suàn)和設(shè)定漂移、增益調整參數。表(biǎo)3為漂移和(hé)增(zēng)益參數(shù)設定前、後主軸在不同轉速時(shí)所對(duì)應的(de)頻率(lǜ)及實(shí)測電壓值(zhí)。由表3可知(zhī)，當3730、3731參(cān)數設(shè)定值均為(wéi)0，主軸轉速為s0時(shí)，變頻器輸出頻(pín)率值為0，利(lì)用萬(wàn)用表(biǎo)實(shí)測輸出電壓為(wéi)-0.048v。先進行漂(piāo)移參(cān)數計算(suàn)，可得漂移參數(shù)值3731=26，因(yīn)為漂移将同時影(yǐng)響(xiǎng)較高(gāo)轉速(sù)smax對應(yīng)的輸(shū)出(chū)電壓。以表3為例，即較高轉速(sù)為1　400r/min時實測的模(mó)拟量輸出電壓(yā)為9.93v，包(bāo)含了-0.048v 的漂移電壓，所以在(zài)計算增益(yì)調(diào)整(zhěng)參數(shù)時，必須将(jiāng)漂移電壓考慮(lǜ)進去(qù)再進(jìn)行增(zēng)益(yì)參數計(jì)算，較(jiào)終計算(suàn)得增(zēng)益(yì)參數值(zhí)3730=1011。

表(biǎo)3　設置增益(yì)及漂(piāo)移參數

模拟量(liàng)輸出的漂移特性曲線如(rú)圖3所示，調整漂移參數可(kě)改變轉速s0所對(duì)應的電(diàn)壓輸出(chū)值，使特(tè)性曲線(xiàn)上下平移(yí)。本例中漂移參數設(shè)定為0時，實測s0轉(zhuǎn)速對(duì)應電壓為(wéi)-0.048v，特性曲線為負向漂(piāo)移曲線。經(jīng)計(jì)算和設定漂(piāo)移參(cān)數(shù)後，再次(cì)實測漂移(yí)電壓(yā)為-0.002v，基(jī)本(běn)接近于(yú)0v，特性(xìng)曲線基本(běn)接(jiē)近理想特性(xìng)曲線。

模拟量輸(shū)出增益調整特(tè)性曲線如(rú)圖4所示，調整增益參(cān)數可(kě)改變(biàn)較大(dà)轉速所(suǒ)對應的(de)模拟量電(diàn)壓輸(shū)出值，使(shǐ)特性曲線的斜率(lǜ)發生(shēng)變(biàn)化。本例(lì)中增(zēng)益參數設(shè)定為(wéi)0時，實(shí)測較大轉(zhuǎn)速對應(yīng)的(de)電壓(yā)為9.93v，可(kě)見特性曲(qǔ)線(xiàn)為增益過小(xiǎo)。經計算、設定(dìng)增(zēng)益參數後，再次(cì)實測較大轉速(sù)對應電壓(yā)變為(wéi)10v，增(zēng)益特性(xìng)變為(wéi)理想特(tè)性曲線(xiàn)。

3.結語

本文詳細(xì)介紹了數控機(jī)床主軸通用變(biàn)頻調速方(fāng)式的(de)硬件(jiàn)接線、pmc梯(tī)形圖程(chéng)序(xù)設計及(jí)系統參數(shù)設定方法。在完(wán)成主軸控制功(gōng)能的(de)情況(kuàng)下，為(wéi)了(le)使主軸(zhóu)系統性能(néng)達到理(lǐ)想狀态(tài)，利用萬用表對(duì)主軸不同(tóng)速度(dù)輸出時(shí)對應的(de)模拟量電(diàn)壓信(xìn)号進行了反複(fú)實測(cè)，并經(jīng)過漂移、增益(yì)調整參(cān)數的(de)計算(suàn)、設定及實際(jì)測(cè)量，使(shǐ)主軸速度輸出(chū)特性(xìng)達到理想(xiǎng)狀态。為(wéi)廣大數(shù)控機床維修維護人員提(tí)供了(le)通俗(sú)易懂(dǒng)的變(biàn)頻主(zhǔ)軸系(xì)統安(ān)裝、調(diào)試及維修(xiū)指導方法。