西安數(shù)控機(jī)床主軸控制系統(tǒng)根據(jù)機(jī)床性能一般有變頻控制與串行控制兩種方式，如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)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(dòng)器來實(shí)現(xiàn)主軸串行控制。在生產(chǎn)實(shí)踐中，各廠家在數(shù)控機(jī)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(shí)只能進(jìn)行簡(jiǎn)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(hào)，通過數(shù)控系統(tǒng) PMC 程序?yàn)樽冾l器提供正反轉(zhuǎn)信號(hào)，從而控制電機(jī)實(shí)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(dòng)器來實(shí)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(dòng)器及伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)主軸串行控制。串行主軸不僅能較好地實(shí)現(xiàn)速度控制，而且可通過 CNC實(shí)現(xiàn)主軸定向準(zhǔn)停、定位和 Cs軸等位置控制功能。對(duì)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(qiáng)大、配置高。由于交流主軸驅(qū)動(dòng)器及配套的專用電機(jī)成本較高，因此造成了數(shù)控機(jī)床整機(jī)成本也相對(duì)較高。生產(chǎn)實(shí)際中，很多經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)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(shí)的調(diào)試方法。

1.數(shù)控機(jī)床主軸通用變頻調(diào)速控制

數(shù)控機(jī)床主軸采用通用變頻調(diào)速控制方式時(shí)，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(dòng)機(jī)。在主軸調(diào)試時(shí)，首先應(yīng)正確完成變頻器與電機(jī)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(jì)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(shí)現(xiàn)，正反轉(zhuǎn)控制通過PMC程序來實(shí)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(shí)訓(xùn)設(shè)備為例來進(jìn)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(hào)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(dòng)機(jī)。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(diǎn)接 至 公共端子SC，KA5、KA6常開觸點(diǎn)不能同時(shí)閉合，它們分別控制電機(jī)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(hào)以控制主軸的轉(zhuǎn)速，模擬量一般為0V～10V 的電壓信號(hào)。

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(jī)床主軸正、反轉(zhuǎn)是通過 PMC 梯形圖程序進(jìn)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(shí)讀主軸控制 PMC 梯形圖程序，現(xiàn)將輸入、輸出進(jìn)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(jī)床操作面板上的正反轉(zhuǎn)按鍵控制機(jī)床主軸進(jìn)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(jī)床主軸進(jìn)行正反轉(zhuǎn);R0100.0中間信號(hào)表示數(shù)控機(jī)床工作方式選擇中的“手動(dòng)”、“手輪”工作方式。觀察 PMC 梯形圖程序可知，通過數(shù)控機(jī)床操作面板上的正反轉(zhuǎn)按鍵進(jìn)行主軸控制時(shí)，工作方式選擇開關(guān)必須選擇“手動(dòng)”或“手輪”工作方式，使 R0100.0 中間信號(hào)為 1;RST信號(hào)為復(fù)位信號(hào)，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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位操作;M19為主軸準(zhǔn)停信號(hào)，對(duì)于通用變頻調(diào)速而 言，該信號(hào)無實(shí)際意義;串聯(lián) 于 程 序 中 的 X0002.4 與 X0002.7、M03 與M04常閉觸點(diǎn)構(gòu)成了正、反轉(zhuǎn)互鎖保護(hù)信號(hào)，X0002.5與 M05常閉觸點(diǎn)為停止信號(hào)，當(dāng)手動(dòng)操作停止或程序指令中遇到 M05指令時(shí)，PMC程序無輸出信號(hào)，主軸停止 轉(zhuǎn)動(dòng);R0207.2、R0207.3、R0207.4、R0207.5 信號(hào)為主軸正反轉(zhuǎn)的中間輸出信號(hào)，將其常開觸點(diǎn)接至實(shí)際的輸出 Y0005.5、Y0005.6，即可實(shí)現(xiàn)電路中線圈的實(shí)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(hào)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(yùn)轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定時(shí)，一部分參數(shù)可以直接查閱系統(tǒng)參數(shù)手冊(cè)直接設(shè)定，但也有個(gè)別參數(shù)需要進(jìn)行計(jì)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(shí)，除了增益調(diào)整參數(shù)3730、漂移調(diào)整3731兩個(gè)參數(shù)需要計(jì)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(jì)算

FS-0iD系統(tǒng)中參數(shù)3731為模擬量輸出時(shí)的漂移調(diào)整參數(shù)，其功能是改變S0轉(zhuǎn)速所對(duì)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(shí)，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為S0時(shí)，其對(duì)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(shí)際輸出電壓通常大于或小于0V，此時(shí)，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(jì)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(shí)的增益調(diào)整參數(shù)，該參數(shù)可改變較高主軸轉(zhuǎn)速Smax所對(duì)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(shí)，較高轉(zhuǎn)速Smax所對(duì)應(yīng)的模擬量輸出為10V。如果實(shí)際值大于或小于10V，可改變3730參數(shù)調(diào)整增益值，使較高轉(zhuǎn)速Smax所對(duì)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(jì)算：

本文數(shù)控機(jī)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(jì)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(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率及實(shí)測(cè)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(shí)，變頻器輸出頻率值為0，利用萬用表實(shí)測(cè)輸出電壓為-0.048V。先進(jìn)行漂移參數(shù)計(jì)算，可得漂移參數(shù)值3731=26，因?yàn)槠茖⑼瑫r(shí)影響較高轉(zhuǎn)速Smax對(duì)應(yīng)的輸出電壓。以表3為例，即較高轉(zhuǎn)速為1　400r/min時(shí)實(shí)測(cè)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(jì)算增益調(diào)整參數(shù)時(shí)，必須將漂移電壓考慮進(jìn)去再進(jìn)行增益參數(shù)計(jì)算，較終計(jì)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(duì)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(shí)，實(shí)測(cè)S0轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)電壓為-0.048V，特性曲線為負(fù)向漂移曲線。經(jīng)計(jì)算和設(shè)定漂移參數(shù)后，再次實(shí)測(cè)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。

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)可改變較大轉(zhuǎn)速所對(duì)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(shí)，實(shí)測(cè)較大轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電壓為9.93V，可見特性曲線為增益過小。經(jīng)計(jì)算、設(shè)定增益參數(shù)后，再次實(shí)測(cè)較大轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)電壓變?yōu)?0V，增益特性變?yōu)槔硐胩匦郧€。

3.結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了數(shù)控機(jī)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(jì)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(dá)到理想狀態(tài)，利用萬用表對(duì)主軸不同速度輸出時(shí)對(duì)應(yīng)的模擬量電壓信號(hào)進(jìn)行了反復(fù)實(shí)測(cè)，并經(jīng)過漂移、增益調(diào)整參數(shù)的計(jì)算、設(shè)定及實(shí)際測(cè)量，使主軸速度輸出特性達(dá)到理想狀態(tài)。為廣大數(shù)控機(jī)床維修維護(hù)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。