西安數控機床(chuáng)主軸控制系統根據機床性能一般有變頻控(kòng)制與(yǔ)串行控制兩種方式，如經濟型數控(kòng)機床(chuáng)主軸控制通常采用變頻調速控制;數控銑、加工(gōng)中(zhōng)心主軸控制通(tōng)常采用交(jiāo)流主(zhǔ)軸驅動器來實現主(zhǔ)軸串行控制。在生産實踐(jiàn)中，各廠家(jiā)在數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(zhǔ)軸采用通用變頻器(qì)調速時隻能進行簡單的速度控(kòng)制，它是利用數控系統輸出模拟量電壓作為(wéi)變頻器速度控制信号，通過數控系統 PMC 程(chéng)序為變頻器提供正反轉信号，從而控制(zhì)電機實(shí)現正反轉。串行主(zhǔ)軸控制(zhì)指的是在主軸控(kòng)制系統中采用交流主軸驅動器來實現(xiàn)主軸控制的方式，如 FANUC-0iC/D 系 統 一(yī) 般 配 置 專 用 的FANUC交流伺(sì)服驅動器(qì)及伺服電(diàn)機實現主軸串行控制。串行主軸不僅能(néng)較好地實現速度控制，而(ér)且可通過 CNC實現主軸定向準停(tíng)、定位(wèi)和 Cs軸等位置控制功能。對比這兩種(zhǒng)主軸控制方式可見，串行主軸控制方式較通用(yòng)變頻(pín)器主軸控制方式 功能強大、配置高(gāo)。由于交流主軸驅動器及配套的專用電機成本較(jiào)高，因此造成了數控機(jī)床整機成本也(yě)相對(duì)較高。生産實際中，很多經濟型數控機床主軸都采用通用變頻器(qì)調速或專用變頻器(qì)調速方式，以降(jiàng)低成本。本文主要介紹主(zhǔ)軸采用通用變頻器調速方式時的(de)調(diào)試方法(fǎ)。

1.數控(kòng)機床主軸通用變頻調速控制(zhì)

數控機床主軸采用通用變頻調速控制方式時，典型的硬件配置為數控裝置、通用變頻(pín)器及普通三相異步電動機。在主(zhǔ)軸調試時，首先應正确完成變頻器與電機及數控裝置的硬件接線;其次是完成主(zhǔ)軸控制(zhì)PMC梯形圖程序的(de)設計及輸入。主軸的(de)速度控制通過數控系統的模拟量(liàng)輸出電壓實(shí)現，正反轉控制通過PMC程序來實現。

1.1變頻(pín)調速控制(zhì)硬件(jiàn)接線(xiàn)圖

本文以配備 FANUC-0imateMD 系統的亞龍559數控裝(zhuāng)調實訓設備為例來進行介(jiè)紹。其主(zhǔ)軸采用通用變頻(pín)器調速控制，選用(yòng)的變頻器型号為歐姆龍G3JZ，其(qí)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(dòng)機。L1、L2、L3 端 子 經 交 流 接 觸(chù) 器KM、低壓斷路器 QF4接入(rù)電源(yuán)。S1、S2端子分别通過(guò)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，它們分别控制(zhì)電機正、反轉。A1、AC 端子接(jiē)至數控系統的JA40接口(kǒu)，接收來自數控系統(tǒng)的(de)模拟量(liàng)信(xìn)号以控制主軸的轉速，模拟(nǐ)量一般(bān)為0V～10V 的電壓信号。

圖1　變頻器硬件接線圖

1.2變(biàn)頻調速控制梯形圖程序

數控機床主軸正、反轉是通(tōng)過 PMC 梯形圖程序進行控制(zhì)的，根據主軸控制方式(如(rú)模拟量控制和串行控制方式)的不同，其 PMC 梯形圖程序也有所不(bú)同。圖2為配備 FANUC-0imateMD 數控系統的亞龍(lóng)559數控銑床的模拟(nǐ)量主軸控制 PMC 梯(tī)形圖程(chéng)序。為便于分析識讀主軸控制 PMC 梯形圖程序，現(xiàn)将輸入、輸出進行說明，如表1所示。梯形圖程序中，第一、二行表示通過數控機床操作面闆上的正反轉按鍵控制機(jī)床主軸進行正反轉;第三、四行表示(shì)利用加工編程程序指令(lìng)控(kòng)制數控機床主軸進行正反轉;R0100.0中(zhōng)間信号表示數(shù)控機床工作方式選擇中的“手動”、“手輪”工作方式(shì)。觀察 PMC 梯形圖程序(xù)可知，通過(guò)數控機床操作面闆上的正(zhèng)反轉按(àn)鍵進行主軸控制時(shí)，工作方式選擇開關(guān)必須選擇“手動”或“手輪”工作方式，使(shǐ) R0100.0 中間信号為 1;RST信号為(wéi)複位信号，其地址為(wéi) F1.1，通過數控系統操作面闆上的複(fú)位按鍵來實現(xiàn)系統複位操作;M19為主軸(zhóu)準停信号，對于通用變頻調速而 言，該信号無實際意義;串聯 于 程 序(xù) 中 的 X0002.4 與 X0002.7、M03 與M04常閉觸點構成了正、反轉互鎖保護信(xìn)号，X0002.5與 M05常閉觸點為停(tíng)止信号，當手動操作(zuò)停止或程(chéng)序指令中遇到 M05指令時，PMC程(chéng)序無輸出信(xìn)号，主軸停止(zhǐ) 轉動;R0207.2、R0207.3、R0207.4、R0207.5 信号(hào)為主(zhǔ)軸正反轉的(de)中間輸出信(xìn)号，将其常開觸點接至(zhì)實際的(de)輸出 Y0005.5、Y0005.6，即可(kě)實現電路中線圈(quān)的實際控制。

圖2　數控銑床主軸控制

PMC梯形圖表1　輸入、輸(shū)出信号及含義表1。

2.數控(kòng)系統參數設置

主軸調(diào)速控(kòng)制系統在硬件接(jiē)線、PMC程序編輯完成的情況下，還需正确設置數控系統參數與變頻器(qì)參數才能保證(zhèng)主(zhǔ)軸正确運轉。數控系統參數設定時(shí)，一部分參數可以直接查閱系統參數手冊直接設定，但也有個别參數(shù)需(xū)要進行計算後才能設定。

2.1設置(zhì)主(zhǔ)軸控制系統參數

FANUC-0imateMD系統采用模拟(nǐ)量主軸控制方式時，除了(le)增益調(diào)整(zhěng)參(cān)數(shù)3730、漂移(yí)調整3731兩個參數需要計算後才能設定外，其餘參數設定(dìng)如表2所示。

2.2　增益及漂移參(cān)數的(de)計算

FS-0iD系統中參數3731為模拟量輸(shū)出時的漂移調整參數，其功能是改變S0轉速所對應的模拟量電壓輸出值，參數設定範(fàn)圍為 -1　024～1　024。在模拟量控制時，當主軸轉速為(wéi)S0時，其對應的模拟量輸(shū)出電壓在理論上應為0V，但經萬用表檢查發現(xiàn)實際輸出電壓通常大于或小于0V，此時，則需設置3731參數，使輸出電壓盡量接近于0V。

3731參數設定值可按下式計(jì)算(suàn)：

表2　主軸控制系統參數設置

FS-0iD系統中參數(shù)3730為模拟量輸出時的(de)增益調整參數，該參(cān)數可改變較(jiào)高主軸轉速Smax所對應的模拟量輸出(chū)值，并改變輸出電(diàn)壓和轉速的比(bǐ)例。參數3730以 百 分 率 的(de) 形 式 設 定，設 定 值 範 圍 為 700～1　250，單位為0.1%。當設定(dìng)值為1　000時，較高轉速Smax所(suǒ)對應的模拟量輸出為10V。如果實(shí)際值大于或小于10V，可改變3730參數調整增益值，使較高轉速Smax所對應的模(mó)拟量輸出盡量接(jiē)近于10V。3730參數設定值可按下式計算：

本(běn)文數控機床配置 FANUC-0imateMD 系統，主軸為通用變頻調速系統。為了優化主軸性能(néng)，必須計算和設定漂移、增益調整參(cān)數。表3為漂移和增益參數設定前、後主軸在不同轉速時所對應的頻率及實測電壓值。由(yóu)表3可知，當3730、3731參數設定值均為0，主軸轉速為S0時，變頻器輸(shū)出頻率值為0，利用萬用表實測(cè)輸出電壓為-0.048V。先進行漂移參數計算，可得(dé)漂移參數值3731=26，因為漂移将同時影響(xiǎng)較高轉速Smax對應的輸出電壓。以表3為(wéi)例，即(jí)較高轉速為1　400r/min時(shí)實測的模拟量輸出電壓(yā)為9.93V，包含(hán)了-0.048V 的漂移電壓，所(suǒ)以在計算(suàn)增(zēng)益調整參數(shù)時，必須将漂移電壓考慮進去再進行增益參數計算，較終計算(suàn)得增益(yì)參數值3730=1011。

表3　設置增益及漂(piāo)移(yí)參(cān)數

模(mó)拟量輸出的漂移特性曲線如圖3所(suǒ)示，調整漂移參數可改變轉速S0所對應的電壓輸出值，使特性曲線(xiàn)上下平移。本例中漂移參數設定為0時，實(shí)測S0轉速對應電壓為-0.048V，特性曲線為負(fù)向漂移曲線。經計算和(hé)設定漂移參數後，再次實測漂移電壓為-0.002V，基本(běn)接近于(yú)0V，特性曲線基(jī)本接近理想(xiǎng)特性曲線。

模(mó)拟量輸出增益調整特性曲線如圖4所示，調整增益參數可改變(biàn)較大轉速所對應的模拟量(liàng)電壓輸出值，使特性曲(qǔ)線的斜率發生變化。本例中增益參數設定為0時，實測較大轉(zhuǎn)速對應的電壓為9.93V，可見特性曲線為增益(yì)過小。經計算、設定增益參數後，再次實測較大轉速對應電壓(yā)變為10V，增益特性變(biàn)為理想特性曲線。

3.結語

本文詳細介紹了數控機(jī)床主軸通用變頻調速(sù)方式的硬件接線、PMC梯形(xíng)圖程序設計及系統參數設定方法。在完成主軸(zhóu)控制功能的情況(kuàng)下，為了(le)使主軸(zhóu)系統性能(néng)達到理想(xiǎng)狀态(tài)，利用萬用表對主軸不同速度輸出時對應的模拟(nǐ)量電壓信号進(jìn)行了反複實測，并經過漂移、增益調整參(cān)數的計算、設定及實際測量，使(shǐ)主(zhǔ)軸速度輸出(chū)特性達到理想狀态(tài)。為廣(guǎng)大數控機床維修維護人員提供了通俗(sú)易懂的變頻主軸系統安裝(zhuāng)、調試及維修指導方法。