數(shù)控機床模擬主軸控制系統(tǒng)沒計與分析

1、數(shù)控機床模擬主軸控制系統(tǒng)沒計與分析 本文結(jié)合我國機械制造行業(yè)的現(xiàn)狀和需求，根據(jù)實際的工程設(shè)計經(jīng)驗，對數(shù)控機床變頻主軸電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計進行了研究，從主軸速度信號、方向信號、檢測信號、主軸故障監(jiān)控、主軸制動及接地處理等方面做了詳細的分析和描述，在設(shè)計方法、設(shè)計內(nèi)容和控制方案上為機械制造企業(yè)和工程技術(shù)人員提供了一套經(jīng)濟、實用、有效的主軸控制方案。引言機械制造業(yè)是一個國家國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，其現(xiàn)代化程度決定著整個國家的經(jīng)濟發(fā)展水平。經(jīng)過幾十年的積累和發(fā)展，我國的機械制造業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，但是與歐美國家相比，尚有較大的差距，其中一個很重要的原因是我國數(shù)控機床的普及率不高，加工效率、加工精度都比較低的

2、普通機床在機械制造領(lǐng)域所占的比重還很大，從而直接影響我國的機械制造水平。因此，對現(xiàn)有的老舊機床進行技術(shù)更新和改造勢在必行。本文針對這種需要，介紹了數(shù)控機床模擬主軸電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，并給出了設(shè)計實例。1 主軸控制類型機床主軸常用于給機床加工提供動力；對于最常見的車床和銑床，前者進行車削加工時利用機床主軸驅(qū)動被加工工件旋轉(zhuǎn)；而后者進行銑削加工則是由機床主軸驅(qū)動切削工件旋轉(zhuǎn)。就電氣控制而言，數(shù)控機床主軸的控制其實質(zhì)是對主軸電機的控制。在大多數(shù)情況下，數(shù)控機床主軸只需要做速度檢測和速度控制即可；因此，主軸控制系統(tǒng)一般設(shè)計為速度控制系統(tǒng)。數(shù)控機床主軸有模擬主軸和數(shù)字主軸之分，數(shù)字主軸控制精度高、動

3、態(tài)響應好，但是在主軸功率較大，對控制精度和動態(tài)響應要求不高的情況下，采用數(shù)字主軸則凸顯成本偏高；在這種情況下可采用模擬主軸以提高性價比。2 模擬主軸電氣控制系統(tǒng)設(shè)計模擬主軸電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計應在主軸電機和主軸驅(qū)動器(一般采用變頻器)等硬件設(shè)備選配好的基礎(chǔ)上進行，在設(shè)計時應處理好以下幾方面的問題：21主軸速度信號的處理NC(數(shù)控裝置)在執(zhí)行來自控制面板或者零件加工程序中的主軸運行指令(jZlqM03 S1000)時，先將主軸運行指令進行編譯、運算和邏輯處理后從數(shù)控裝置的主軸驅(qū)動接口輸出主軸速度信號作為變頻器的模擬給愈主軸速度信號大小一般為010V的模擬信號。在設(shè)計時應充分考慮數(shù)控機床工作環(huán)境中存

4、在的復雜電磁現(xiàn)象和噪聲干擾，故主軸速度信號的傳輸應采取一定的抗干擾措施，如圖l給出了利用某公司生產(chǎn)的SV055IG5AA一4三相變頻器用于主軸控制的一種設(shè)計方案，速度信號(010V)由數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動接口發(fā)出并通過V1、CM兩端口送入變頻器。該模擬信號的傳輸建議采用雙絞線或屏蔽電纜進行傳輸，也可在變頻器模擬給定信號輸入端V1、CM之間并接濾波電容以消除噪聲干擾等。我院幾十臺采用這種主軸設(shè)計方案的數(shù)控機床的運行情況證明這種設(shè)計方案在實際的生產(chǎn)運行中主軸的控制精度、運行狀況都能較好的滿足加工的要求。點擊圖片查看大圖圖1 主軸變頻器SV055IG5AA-4線路設(shè)計2.2主軸方向信號的處理按照數(shù)控裝置發(fā)出

5、的主軸驅(qū)動信號的特點，數(shù)控機床模擬主軸可以分為單極性模擬主軸和雙極性模擬主軸。采用單極性模擬主軸時，數(shù)控裝置主軸驅(qū)動接口輸出的速度信號范圍一般為010V，這個速度信號的大小直接決定著變頻器輸出的頻率和主軸電機的速度，而主軸電機的旋轉(zhuǎn)方向則由PLC控制；因此對于單極性主軸而言，在對PLC做IO統(tǒng)計和地址分配時應考慮主軸正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個輸出點，如圖1中，KAl、KA2分別由PLC的輸出點Y00、Y01控制；Y00輸出有效，KAl動作，其常開觸點閉合，向變頻器送入正轉(zhuǎn)控制信號，Y01輸出有效時，KA2動作，其常開觸點閉合，向變頻器送入反轉(zhuǎn)控制信號(此為方向控制的一種形式)。對于雙極性模擬主軸，主軸驅(qū)動

6、接口輸出的速度信號范圍一般為一10V+10V，這個速度信號的大小同樣決定著變頻器的輸出頻率和主軸電機速度，而主軸電機的旋轉(zhuǎn)方向不由PLC控制，而是由速度信號的正、負極性決定。對于單極性和雙極性主軸，除了有硬接線連接和控制方式上的區(qū)別外，還應注意在數(shù)控裝置中正確配置相關(guān)的主軸極性參數(shù)。如表1給出了siemens802c base line數(shù)控裝置中單、雙極性模擬主軸的參數(shù)配置。點擊圖片查看大圖表1 單、雙極性模擬主軸參數(shù)配置23主軸速度，方向檢測的處理目前主軸速度檢測最常用的做法是采用脈沖編碼器作為檢測元件，其作用有三：其一是用于主軸速度測量；其二是用于主軸與伺服軸配合運行的場合(如車床螺紋切削

7、加工、恒線速加工等)；其三是用于主軸準停。主軸編碼器一般采用彈性聯(lián)軸器與主軸同軸安裝或采用1：1同步傳動安裝方式，使其能準確地向數(shù)控系統(tǒng)反映主軸的轉(zhuǎn)速、方向。因此，在做方案設(shè)計時一定要合理選配主軸脈沖編碼器。脈沖編碼器是一種能將機械角位移轉(zhuǎn)換為電脈沖的旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，有光電式、接觸式和電磁感應三種類型；光電式脈沖編碼器的精度和可靠性最高，因此在數(shù)控機床上得到了廣泛應用。光電式脈沖編碼器有增量式和絕對式之分，前者常用于對旋轉(zhuǎn)體進行測速和測向，性價比較高，但存在零點累計誤差、抗干擾能力差、需斷電記憶和開機找零等缺陷；而后者無需記憶、無需找參考點，編碼器的抗干擾特性和數(shù)據(jù)的可靠性都得到了極大的提高

8、，故在進給驅(qū)動中以選擇絕對式編碼器作檢測反饋元件為宜；而對于主軸驅(qū)動，由于在大多數(shù)的情況下僅需編碼器做速度、方向檢測，故采用增量式編碼器作檢測元件即可。增量式編碼器的信號輸出形式有正弦波、方波(TTL、HTL)、集電極開路(PNP、NPN)、推拉式等多種形式。以TTL長線差分驅(qū)動輸出形式的編碼器為例，其工作電源一般為DC 5V，由數(shù)控系統(tǒng)通過主軸編碼器接口供給；A、B、Z三個信號通道采用差分驅(qū)動輸出形式(A、A-，B、B-，Z、Z-)，以減小傳輸電流的衰減、提高傳輸信號的抗干擾能力和增大傳輸距離。其中，A、B兩通道的脈沖信號相差90度，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)兩通道單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)來計算主軸速度，根據(jù)A

9、、B通道之間的相位差來判別主軸旋轉(zhuǎn)方向；Z通道為零脈沖信號，主軸每轉(zhuǎn)一圈，Z通道發(fā)一個零脈沖，該通道主要給系統(tǒng)在加工時提供基準信號。圖2給出了利用國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)hnc一21TD做車床數(shù)控改造時主軸編碼器的連接方案。點擊圖片查看大圖圖2 主軸編碼器與NC的連接24主軸驅(qū)動器故障監(jiān)控處理現(xiàn)在使用的變頻器和交流伺服驅(qū)動器一般具有故障自診斷功能并提供有故障監(jiān)控可編程IO端口，其輸出形式有繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出等形式。以變頻器控制主軸為例，其IO端口之間實質(zhì)上是一種開關(guān)關(guān)系，開、關(guān)的狀態(tài)分別對應驅(qū)動器正常與否；由于數(shù)控機床的M、S、T三大輔助功能都是由PLC來控制的，故可以將這一開關(guān)量作為數(shù)控

10、系統(tǒng)PLC的一個輸入點，用于監(jiān)控變頻器是否正?；蚓途w，系統(tǒng)會以此決定是否向變頻器發(fā)速度控制信號(S功能)和方向控制信號(M功能)。如圖1中，3A、3C為變頻器的故障監(jiān)控可編程IO端口，3A外接24VG(低電平)，3C則作為PLC輸入點X10的輸入。因此，在設(shè)計時要充分利用這一功能，將主軸驅(qū)動器的運行狀況準確、及時地傳送給數(shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)決定是否運行或終止主軸的運動。25主軸驅(qū)動器制動處理主軸驅(qū)動器一般都內(nèi)置有制動組件，在機床主軸要求快速制動時，若內(nèi)置的制動單元或電阻不足以消耗、吸收再生電能而導致直流部分過壓時，應考慮外接制動組件，以加快消耗再生電能的速度；因此應正確的選配制動組件。制動組件的計算、選配可采用工程估算的方法，按照估算制動轉(zhuǎn)矩、計算制動電阻阻值、選擇制動單元、計算制動電阻標稱功率這幾個步驟進行。26接地處理數(shù)控機床工作環(huán)境中的電磁和噪聲干擾是很嚴重的，作為精密加工設(shè)備的數(shù)控機床，其主軸驅(qū)動器必須采取有效的抗干擾措施。對變頻器而言，其自身就是一個較強的干擾源同時也受其他電氣設(shè)備的電磁干擾。接地是抑制電磁干擾，提高電氣設(shè)備電磁兼容性