西安(ān)數控機床主軸控制(zhì)系統根據機床性能(néng)一般有變頻控制與串行控制兩種(zhǒng)方(fāng)式，如經濟型數控機床(chuáng)主軸控制通常采用變(biàn)頻調速控制;數控銑、加工(gōng)中(zhōng)心主軸控制(zhì)通常(cháng)采用交流主軸驅動器來實(shí)現主(zhǔ)軸串行控制。在生産實踐中，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(zú)使用要求情況下(xià)盡量降低配置。主軸采用通用變頻器調速時隻能進行簡單的速度控制，它是利用數控系統輸出模拟量電壓作為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(zhèng)反轉信(xìn)号，從而控制電機實現正反轉。串(chuàn)行主軸控制指的是在主軸控(kòng)制系統中(zhōng)采用交流主(zhǔ)軸驅動器來(lái)實現(xiàn)主軸(zhóu)控制的方式，如 FANUC-0iC/D 系 統 一(yī) 般(bān) 配 置 專 用 的FANUC交流伺服驅動器及伺服電機實現主軸串行控制(zhì)。串行主軸不僅能較好地實現速度控制，而且可通過 CNC實現主軸定(dìng)向準停、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(háng)主軸控制方式較通用變頻器主軸控制方式 功能強大、配置高。由于交流主軸驅動器及配套的專用電機成本較高，因此(cǐ)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(jīng)濟型數控機床主軸都(dōu)采用通用變頻器調速或專(zhuān)用變頻器調速方式，以降(jiàng)低成本。本文主要介紹主(zhǔ)軸采用通用(yòng)變頻器(qì)調速方(fāng)式時的調試(shì)方法(fǎ)。

1.數控機床主軸通用變頻調速(sù)控制(zhì)

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

1.1變頻調速控制(zhì)硬件接線圖

本文以配備 FANUC-0imateMD 系統的亞龍559數控裝(zhuāng)調實訓設備為(wéi)例來(lái)進行介紹。其主(zhǔ)軸采用通用變頻器調速(sù)控制，選用(yòng)的變頻器型号為歐姆龍G3JZ，其硬件接線如圖1所示。變頻(pín)器(qì)的 U、V、W 端子直接接三相異步電動機。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(fèn)别通過中間繼電器 KA5、KA6 的 常開觸點接 至(zhì) 公共端子SC，KA5、KA6常開(kāi)觸點不能同時閉合，它們分别控制電機正、反轉。A1、AC 端子接至數控系統的JA40接口(kǒu)，接收來自數控(kòng)系(xì)統的模拟量信号以控制主(zhǔ)軸的轉速，模拟量一般為0V～10V 的電壓信号。

圖(tú)1　變頻器硬件接線圖

1.2變頻調速控制梯形圖程序

數控機床主軸正、反轉是通過(guò) PMC 梯形(xíng)圖程序進行控制的，根據主軸控制方式(如模拟量控(kòng)制和串行控制(zhì)方式)的不(bú)同，其 PMC 梯(tī)形圖程(chéng)序也有所(suǒ)不(bú)同。圖2為配備 FANUC-0imateMD 數控系統的亞(yà)龍559數控銑(xǐ)床的模拟(nǐ)量主軸控制 PMC 梯形圖程序。為便于分析識讀主軸控制 PMC 梯形圖程序，現(xiàn)将輸入、輸出(chū)進行說明，如表1所示(shì)。梯形圖程序(xù)中(zhōng)，第一(yī)、二行表示通過(guò)數控(kòng)機床(chuáng)操作面闆上的正反轉按鍵控制機(jī)床主軸進(jìn)行正反轉;第三、四行表示利用加工編程程序指令控制數控機床主軸進行正反轉;R0100.0中間信号表示數控機床工作方式選擇中的“手(shǒu)動”、“手輪”工(gōng)作方式。觀察 PMC 梯形圖程序可知，通過(guò)數控機床操作面闆上的(de)正反轉按鍵進(jìn)行主軸控(kòng)制時，工作方式選擇開關(guān)必須選擇(zé)“手動”或“手(shǒu)輪”工作方(fāng)式，使 R0100.0 中間信号為 1;RST信号為複位信号，其地址為 F1.1，通過數控系統(tǒng)操作面闆上的複位按鍵來實現(xiàn)系(xì)統複位操作;M19為主軸準停信号，對于通用變頻調速而 言，該信号無實際意義;串聯 于 程 序 中 的 X0002.4 與 X0002.7、M03 與M04常(cháng)閉觸(chù)點構成了正、反轉互鎖保(bǎo)護信号，X0002.5與 M05常閉觸點為停止信号，當手動操作(zuò)停止或程(chéng)序指令中遇到 M05指令時，PMC程序無(wú)輸出信号，主(zhǔ)軸停止 轉動;R0207.2、R0207.3、R0207.4、R0207.5 信号(hào)為主軸正反轉的(de)中間(jiān)輸出信号，将其常開觸點接(jiē)至(zhì)實際的輸出 Y0005.5、Y0005.6，即可實現電路中線圈的實際控制。

圖2　數控銑床主(zhǔ)軸(zhóu)控制

PMC梯形圖(tú)表1　輸入、輸(shū)出信号及含義表1。

2.數控系統參數設置

主軸調速控制系統在硬件接(jiē)線、PMC程序編輯完成的情(qíng)況下，還(hái)需正确設置數控系統參數與變頻器參數才能保證(zhèng)主(zhǔ)軸正(zhèng)确運轉。數控(kòng)系統參數設定時，一部分參數(shù)可以直接查閱系統參數手(shǒu)冊直接設定(dìng)，但也有(yǒu)個别參數需要進行計算後才能設定。

2.1設置主軸控制(zhì)系統參數

FANUC-0imateMD系統采用模拟量主軸控制方式時(shí)，除了增益調整參數3730、漂移調整3731兩個參數需要(yào)計(jì)算後才能設定外，其餘參數設定如表2所示。

2.2　增益及漂移參(cān)數的計算

FS-0iD系統中參數3731為模拟(nǐ)量輸出時的漂移調整參數，其功能是改變S0轉速所對應的模(mó)拟量電壓輸出值，參數設定範圍為 -1　024～1　024。在模拟量控制時，當主軸(zhóu)轉速為(wéi)S0時，其對應的模拟量輸出電壓在理論上應為0V，但經萬用表檢查發現實際輸(shū)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(jìn)于0V。

3731參數設定值可按下式計算(suàn)：

表2　主軸控制系統參數設(shè)置

FS-0iD系(xì)統中參數(shù)3730為模拟量輸出時的增益調整參數，該參(cān)數可改變較(jiào)高(gāo)主軸(zhóu)轉速Smax所對(duì)應的模拟量輸出值，并改變輸出電壓和轉速的比例(lì)。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(mó)拟量輸出為10V。如果(guǒ)實際(jì)值大于或小(xiǎo)于10V，可改變3730參數調整(zhěng)增益值，使較高(gāo)轉速Smax所對應的模拟(nǐ)量輸出盡量接(jiē)近于10V。3730參數設定(dìng)值可按下式計(jì)算：

本文數(shù)控機床配置 FANUC-0imateMD 系統，主軸為通用(yòng)變頻調速系統。為了優化主軸性能(néng)，必須計算和設(shè)定漂移、增益調整參數。表(biǎo)3為漂移和增益參數(shù)設定前、後(hòu)主軸在不同轉速時所(suǒ)對應的(de)頻率(lǜ)及實測電壓值(zhí)。由表3可知，當3730、3731參數設(shè)定值均為0，主軸轉速為S0時，變頻器輸(shū)出頻(pín)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(jì)算(suàn)，可得漂移參數值3731=26，因為漂移将同時影響較高轉速Smax對應的輸(shū)出電壓。以表3為例，即較高轉速為(wéi)1　400r/min時(shí)實測的模拟量(liàng)輸出電壓(yā)為9.93V，包含(hán)了-0.048V 的漂移電壓，所以在計算增益(yì)調整參數時，必須将(jiāng)漂移電壓考慮進去再進行增益參數計(jì)算，較(jiào)終計算得增益(yì)參數值(zhí)3730=1011。

表3　設置增益及漂移參(cān)數

模(mó)拟量輸出(chū)的漂移特(tè)性曲線如圖3所示，調整漂移參數(shù)可(kě)改變轉速S0所(suǒ)對(duì)應的電壓輸(shū)出值，使特性曲線(xiàn)上下平移。本例中漂移參(cān)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。經計算和設定漂移參數後，再次(cì)實測漂移電壓為-0.002V，基本接近于0V，特性曲線基本接近理想特性曲線。

模拟量輸出增益調整特性曲線如(rú)圖4所示(shì)，調整增益參數可改變較大轉(zhuǎn)速(sù)所對應的模拟量電壓輸(shū)出值，使特性曲線的斜率發生變化。本例中增益參數(shù)設(shè)定為0時，實測較大轉速對應的電壓為9.93V，可(kě)見特性曲線為(wéi)增益過小。經計算、設定增(zēng)益參(cān)數後，再次實測(cè)較大轉速對應電壓變為10V，增益特性變為理想特(tè)性曲線。

3.結語

本文詳細介紹了數控機床主軸通用變頻調速方式的硬件(jiàn)接線、PMC梯形圖程序設計及系統參數設定(dìng)方法。在完成主軸控制功(gōng)能的情況下，為了(le)使主軸系統性能達到理想(xiǎng)狀态(tài)，利用萬用表對主軸不同速度輸出時對應的(de)模(mó)拟(nǐ)量電壓信号進行了反複實測，并經(jīng)過漂移、增益調(diào)整參數的計算、設定及實際測量，使主軸速度輸出特性達到理想(xiǎng)狀态。為廣大數控機床維修維護人員(yuán)提供了通俗易懂的變頻主軸系統安裝、調試及維修指導方法。