模拟主轴控制是指数控系统输出模拟电压控制主轴,主轴由调速器控制的主轴电机驱动( 常用的调速器是变频器、主轴电机是三相异步电动机) ,可以实现数控机床主轴的启停、正反转以及调速控制。基于 FANUC数控系统的主轴控制主要有模拟主轴控制和串行主轴控制两种类型。模拟主轴系统的结构如图 1 所示。串行主轴控制是指数控系统输出串行数据控制主轴,主轴通常由伺服驱动器控制的伺服电机驱动。模拟主轴控制经济实用、调试方便,在中低档的数控机床中广泛使用。
图1模拟主轴系统结构示意图
1 模拟主轴系统的组成
基于 FANUC 数控系统的模拟主轴控制系统的气原理图如图 2 所示。其中,FANUC 0i-C 数控系统的 JA40 接口输出 0 ~ 10 V 模拟电压; 三菱 E700变频器的 2、5 端子接收 JA40 接口输出的模拟电压信号,STF、STR 端子接收 JD1A 接口输出的转向信号; 主轴编码器 PG 的反馈信号输入 JA7A 接口。
图2模拟主轴控制电气原理图
2 模拟主轴的调试
从系统组成的角度,数控机床模拟主轴的调试包括 CNC 中有关主轴的参数与信号的调试,以及变频器本身的参数与信号的调试。调试的目的是保证数控系统能够根据指令发出正确的模拟电压信号,经过变频器调速后驱动主轴正确运行。
2.1 CNC 调试
CNC 调试时,主要是根据不同的控制要求,设置一些参数,将控制要求反映到主轴转速的模拟量输出上,使之与控制要求一一对应。以基于 FANUC数控系统的某数控车床的模拟主轴控制为例,CNC的转速指令输出极限( 模拟量) 为10 V,档位 1 ~ 3对应的最高转速分别为 1 000 r/min、2 000 r/min、4000 r / min,CNC 上设定的主轴参数如表 1 所示。设置 CNC 参数时,注意要先打开“参数写入”功能,所有参数的设置完成后,要关闭“参数写入”功能。
表1CNC 相关主轴参数
当主轴采用模拟量输出时,由于温度、元器件特性的变化,可能会导致实际主轴转速和编程指令转速之间存在较大的误差。
这类偏差包括零点漂移和增益偏差,零点漂移是指编程指令转速为 0 时,CNC 输出的模拟量电压≠0 V; 增益偏差是指编程指令转速为最大值时,CNC 输出的模拟量电压≠10V。在表 1 的参数设定完毕后,可以通过参数 3731和3730 进行调整。调整的方法和步骤是: ①测量CNC 输出的模拟量电压。进入 MDI 方式,输入M03S0 指令,用万用表测得变频器 2、5 端子上的电压为 -0. 15 V; 再输入 M03S4000 指令,测得 2、5 端子上的电压为 10 V,将数据记录在表 2 中; ②计算参数 3731 和3730 的调整值。根据公式,计算调整值 No.3731=0.15100× 216= 98; No.3730 =10/10 - ( - 0. 15)× 1000 = 985; ③ 设定参数 3731 和3730。将3731 和3730 的调整值 98,985 分别输入CNC 系统并使之生效; ④验证 CNC 输出的模拟量电压。重复步骤①的操作,分别测量 0 转速和最高转速时的模拟量电压,测得的数据如表 2 所示,调整成功。在测量模拟量电压时,需要注意 2、5 端子的正负极性,万用表的表笔是红对 2,黑对 5。另外,CNC参数设置完成后,注意做好数据备份工作,以便不时之需。
表2增益偏差与零点漂移设置前后的实验数据
2.2 变频器调试
变频器调试时,需要将 CNC 输入的模拟量转换为主轴电动机的实际转速。变频器需要进行速度控制系统的速度和电流等调节器参数、电流、功率、上下限频率、加减速时间等的设定与调整,从而使得主轴的实际输出转速与来自 CNC 的模拟量保持一一对应的关系。以三菱 E700 变频器为例,变频器主要参数的设定如表 3 所示。对于其他品牌的通用变频器,设置内容大体相同。
表3变频器相关参数
3 模拟主轴的运行
完成上述调试后,首先进入 FANUC 0i-C 数控系统 MDI 方式,在程序界面输入“M03S1000; ”指令,主轴电动机以 1000 r/min 的转速正转; 输入“M04S1000; ”指令,主轴电动机以 1000 r/min 的转速反转; 输入“M05; ”指令,主轴电动机停止运行。然后进入手动方式,按下操作面板区的“主轴正转”、“主轴反转”和“主轴停止”按钮,主轴均能正确动作。值得注意的是,FANUC 数控系统进行主轴运行调试时,必须先在 MDI 方式下运行,通过 S 指令给定 CNC 一个转速后,才能在手动方式下运行。
4 结束语
随着我国机械制造业的快速发展,数控加工技术已经日趋成熟,但是数控机床调试与维修方面的人才比较缺乏。主轴控制系统的调试是数控机床调试中的重点,当出现输入 S 指令和主轴实际转速不一致、零件加工误差偏大等情况时,都需要进行主轴调试。本文主要阐述了模拟主轴控制系统的硬件组成和调试方法,在调试过程中可以多总结、多积累经验,进一步提高调试与维修技能。