第7單元 西門子802C主軸電氣系統(tǒng)

1、第7單元 西門子802C主軸電氣系統(tǒng)7.1 主軸線路連接7.1.1 學(xué)習(xí)目的了解各種電機(jī)調(diào)速的優(yōu)缺點(diǎn)；理解主軸控制的基本要求；掌握802C系統(tǒng)主軸電氣系統(tǒng)的接線；掌握802C系統(tǒng)變頻器的接線。 案例分析根據(jù)圖紙連接802C數(shù)控機(jī)床的主軸電氣系統(tǒng)部分。7.1.2.1 分析從主軸系統(tǒng)的各個部件進(jìn)行分析：三相電源通過3相變壓器和空氣開關(guān)QM2接入變頻器的R、S、T端。SINUMERIK 802C base line系統(tǒng)接口X7的引腳4（AGND4）與變頻器的5G端相連，引腳37（AO4）與變頻器的V1端相連。電流繼電器KA7、KA8的常開觸點(diǎn)分別將變頻器的FX、RX端與CM端相連。KA7控制主軸正轉(zhuǎn)

2、，KA8控制主軸反轉(zhuǎn)。變頻器U、V、W端分別與主軸電機(jī)的三相相連。7.1.2.2 操作過程認(rèn)識802C數(shù)控機(jī)床主軸電氣系統(tǒng)的各個部件；連接3相變壓器、空氣開關(guān)及變頻器；連接SINUMERIK 802C base line系統(tǒng)接口X7的引腳與變頻器；連接變頻器與主軸電機(jī)；根據(jù)相關(guān)圖紙連接與變頻器相關(guān)的各個開關(guān)信號；檢查線路；上電試驗(yàn)。7.1.2.3 操作要點(diǎn)及注意事項(xiàng)系統(tǒng)必須接地才能通電，否則可能導(dǎo)致硬件損壞；三相電源輸入接入變頻器的R、S、T端，不需要安排相的次序。如果將三相電源連接到了輸出端子(U，V，W)， 變頻器的內(nèi)部將會損壞；驅(qū)動器接口X7的引腳37和引腳4與變頻器端子嚴(yán)格對應(yīng)，不可接

3、錯；空氣開關(guān)QM2常開觸點(diǎn)接入數(shù)字輸入接口X104的引腳3，以防變頻器供電過載；電機(jī)應(yīng)該連接到端子U，V，W 。如果正轉(zhuǎn)開關(guān)(FX)處于on，從電機(jī)負(fù)載的方向看， 電機(jī)應(yīng)該按順時針方向轉(zhuǎn)動。如果電機(jī)處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)， 應(yīng)該轉(zhuǎn)換 U 和 V端子的接線；當(dāng)變頻器前面的蓋子打開時，不要運(yùn)行變頻器。當(dāng)輸入電源接通時，嚴(yán)格禁止打開前端的蓋子。否則會導(dǎo)致電擊。7.1.3 訓(xùn)練任務(wù)連接主軸線路，包括Z軸制動器。 相關(guān)知識點(diǎn)一、數(shù)控機(jī)床的主軸傳動系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)有很大的差別。根據(jù)機(jī)床主傳動的工作特點(diǎn)，早期的機(jī)床主軸傳動全部采用三相異步電動機(jī)加上多級變速箱的結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)床結(jié)構(gòu)有了很大

4、的改進(jìn)，從而對主軸系統(tǒng)提出了新的要求，而且因用途而異。為了滿足量大面廣的前兩類數(shù)控機(jī)床的需要，對主軸傳動提出了下述要求：主傳動電動機(jī)應(yīng)有2.2250kW的功率范圍；要有大的無級調(diào)速范圍，如能在1：1001000范圍內(nèi)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和1：10的恒功率調(diào)速；要求主傳動有四象限的驅(qū)動能力；為了滿足螺紋車削，要求主軸能與進(jìn)給實(shí)行同步控制；在加工中心上為了自動換刀，要求主軸能進(jìn)行高精度定向停位控制，甚至要求主軸具有角度分度控制功能等。主軸傳動和進(jìn)給傳動一樣，經(jīng)歷了從普通三相異步電動機(jī)傳動到直流主軸傳動，而隨著微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進(jìn)展，現(xiàn)在又進(jìn)入了交流主軸伺服系統(tǒng)的時代，目前已很少見到在數(shù)控機(jī)

5、床上有使用直流主軸伺服系統(tǒng)了。但是國內(nèi)生產(chǎn)的交流主軸伺服系統(tǒng)的產(chǎn)品尚很少見，大多采用進(jìn)口產(chǎn)品。交流伺服電動機(jī)有永磁式同步電動機(jī)和籠型異步電動機(jī)兩種結(jié)構(gòu)形式，而且絕大多數(shù)采用永磁式同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。而交流主軸電動機(jī)的情況則不同，交流主軸電動機(jī)均采用異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，這是因?yàn)?，一方面受永磁體的限制，當(dāng)電動機(jī)容量做得很大時，電動機(jī)成本會很高，對數(shù)控機(jī)床來講無法接受采用；另一方面，數(shù)控機(jī)床的主軸傳動系統(tǒng)不必像進(jìn)給伺服系統(tǒng)那樣要求如此高的性能，采用成本低的異步電動機(jī)進(jìn)行矢量閉環(huán)控制，完全可以滿足數(shù)控機(jī)床主軸的要求。但對交流主軸電動機(jī)性能要求又與普通異步電動機(jī)不同，要求交流主軸電動機(jī)的輸出特性曲線

6、（輸出功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系）是在基本速度以下時為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，而在基本速度以上時為恒功率區(qū)域。交流主軸控制單元與進(jìn)給系統(tǒng)一樣，也有模擬式和數(shù)字式兩種，SIEMENS 802C主軸控制單元即為數(shù)字式的。 二、主軸性能由NC控制的模擬量主軸根據(jù)不同的機(jī)床類型有可能具有如下的功能：l 預(yù)置主軸方向（M3，M4）l 預(yù)置主軸轉(zhuǎn)速（S）l 主軸無定向準(zhǔn)停（M5）l 主軸定位（SPOS=）（要求位置控制主軸）l 齒輪級轉(zhuǎn)換（M40M45）l 切削螺紋/攻絲（G33，G331，G332，G63）l 旋轉(zhuǎn)進(jìn)給（G95）l 恒定切削速度（G96）l 可編程的主軸轉(zhuǎn)速極限（G25,G26,LIMS=）l 在主軸或電機(jī)上可

7、以安裝位置測量編碼器l 可以監(jiān)控主軸轉(zhuǎn)速的極大和極小值l 主軸暫停旋轉(zhuǎn)（G4 S）如果采用的不是模擬量主軸，而是“級聯(lián)”主軸，則主軸轉(zhuǎn)速（S）不是通過程序預(yù)置，而是通過機(jī)床上的手動操作（減速箱）進(jìn)行控制。這樣，也就不能編程設(shè)置轉(zhuǎn)速極限。通過程序可以對主軸旋轉(zhuǎn)方向（M3，M4）、主軸無定向停止（M5）和攻絲（G63）進(jìn)行設(shè)定。如果主軸上還有一個位置編碼器，則主軸還具備以下功能：l 切削螺紋/攻絲（G33）l 旋轉(zhuǎn)進(jìn)給（G95）對于級聯(lián)主軸，不能通過設(shè)定機(jī)床數(shù)據(jù)給主軸輸出給定值，此時，MD：CTRLOUT_TYPE=0。三、主軸電機(jī)的調(diào)速性能在數(shù)控系統(tǒng)中，常用的主軸電機(jī)有直流主軸電動機(jī)和交流主軸電

8、動機(jī)兩種。直流主軸電動機(jī)在數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動中，直流主軸電動機(jī)通常采用晶閘管直流調(diào)速。直流調(diào)速裝置是一個電樞可逆邏輯無環(huán)流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。該裝置用于將直流電供給他激直流電動機(jī)的電樞和磁場。該裝置借助于電樞可逆在四個象限內(nèi)運(yùn)行。電動機(jī)的調(diào)速范圍分為兩個區(qū)域，低、低于額定轉(zhuǎn)速采用恒力矩方式調(diào)速，高于額定轉(zhuǎn)速采用弱磁方式升速。直流電機(jī)主要有定子、轉(zhuǎn)子組成。定子部分由機(jī)座、磁極組成。轉(zhuǎn)子部分有時稱為電樞，由鐵心、繞組、換向器組成。在換向器上通入直流電源后，它將對電樞產(chǎn)生一個逆時針方向的轉(zhuǎn)矩，這個轉(zhuǎn)矩稱電磁轉(zhuǎn)矩，在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，電樞旋轉(zhuǎn)。從特性曲線看出，轉(zhuǎn)矩升高，轉(zhuǎn)速略有下降。圖7-1-1 直流電機(jī)特

9、性曲線交流主軸電動機(jī)隨著交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控主軸驅(qū)動大多采用變頻器控制交流主軸電動機(jī)。變頻器的控制方式從最初的電壓矢量控制、磁通矢量控制，已經(jīng)發(fā)展為直接轉(zhuǎn)矩控制；變頻器件由逆變器到脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，又由正弦PWM技術(shù)發(fā)展到隨機(jī)PWM技術(shù)，電流諧波小，電壓利用率高、效率高，轉(zhuǎn)矩脈動及噪聲強(qiáng)度大幅度削弱；功率器件由GTO、GTR、IGBT發(fā)展到IPM三、變頻器的使用1、安裝檢查 檢查變頻器在運(yùn)輸過程中有可能出現(xiàn)的各種損傷；檢查iS5 變頻器的名簽，確認(rèn)是否為正確可以使用的變頻器。確認(rèn)安裝地點(diǎn)的環(huán)境條件 環(huán)境溫度不能低于14ºF (-10ºC) 并且不能超過 104&#

10、186;F (40ºC)，相對濕度不能超過90% (無結(jié)露)，高度不能超過3,300英尺 (1,000m)。不能把變頻器安裝在陽光直射的地方，產(chǎn)生劇烈振動的物體應(yīng)該遠(yuǎn)離變頻器。安裝 iS5 變頻器必須豎直安裝在與相鄰設(shè)備有足夠空間的地方。(水平方向距離大于 2"(50mm)，垂直方向距離大于 6" (150mm)其他 變頻器不能放在高溫高壓、振動大、灰塵多的地方，另外，安裝時還需要使用螺釘進(jìn)行固定。2、變頻器的基本配線變頻器的基本配線如圖5-1-2。各符號的含義如表5-1-1。表5-1-1 變頻器配線符號說明符號功能R交流電壓輸入端子 (3 相, 200230V

11、交流（2 單元）或380-460V 交流（4 單元）) STG大地P正端直流總線端子DB單元（P-P5）連接端子（當(dāng)要求完成制動(>30%ED),連接DB單元。）P1外部直流電抗器（P1-P2）和DB單元（P2- P5）連接端子。P2N負(fù)端直流總線端子DB單元（N-N5）連接端子B1動態(tài)制動電阻（B1-B2）連接端子B2U連接電機(jī)的3-相電源輸出端子(3 相, 200 230V 交流（2 單元）或380 - 460V 交流（4 單元）)VW圖5-1-2 變頻器的基本配線圖7.2 主軸PLC程序編制7.2.1 學(xué)習(xí)目的理解主軸運(yùn)行方式；掌握802C系統(tǒng)主軸PLC編程；掌握802C系統(tǒng)主軸系

12、統(tǒng)參數(shù)設(shè)置；掌握變頻器參數(shù)設(shè)置方法7.2.2 案例分析根據(jù)表5-2-1地址說明編制主軸正反轉(zhuǎn)的PLC程序，并且設(shè)置主軸系統(tǒng)參數(shù)和變頻器參數(shù)。表5-2-1 主軸控制地址說明地址變量類型數(shù)據(jù)類型注釋I0.0輸入BOOL電源模塊T64狀態(tài)I0.1輸入BOOL主軸使能I0.2輸入BOOL單模態(tài)主軸選擇I0.3輸入BOOL主軸正轉(zhuǎn)按鈕I0.4輸入BOOL主軸反轉(zhuǎn)按鈕I0.5輸入BOOL主軸停止按鈕I0.7輸入BOOL系統(tǒng)急停I4.7輸入BOOL 電主軸冷卻泵過載Q1.0輸出BOOL主軸正轉(zhuǎn)Q1.1輸出BOOL主軸反轉(zhuǎn)Q1.2輸出BOOL主軸停止Q1.3輸出BOOL主軸運(yùn)行燈Q1.4輸出BOOL報警：主軸

13、運(yùn)行未完成Q0.4輸出BOOL主軸冷卻泵M0.0中間繼電器TEMP主軸運(yùn)行狀態(tài)M0.1中間繼電器TEMPM0.2中間繼電器TEMP主軸正轉(zhuǎn)指令M0.3中間繼電器TEMP主軸反轉(zhuǎn)指令7.2.2.1 分析主軸的控制包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、制動、使能等。控制要求如下：a通過M03/M04/M05實(shí)現(xiàn)M03：主軸正轉(zhuǎn)M04：主軸反轉(zhuǎn)M05：主軸停止b通過MCP按鈕實(shí)現(xiàn)按正轉(zhuǎn)按鈕時電動機(jī)正轉(zhuǎn)；按反轉(zhuǎn)按鈕時電動機(jī)反轉(zhuǎn)；按停止按鈕時電動機(jī)停止；電動機(jī)過載報警后正反轉(zhuǎn)按鈕無效。在電氣安全互鎖設(shè)計(jì)方面，主軸正/反轉(zhuǎn)在接觸器和繼電器分別進(jìn)行了安全互鎖；急停對主軸運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行了安全互鎖。相關(guān)的參數(shù)說明如表5-2-2。表5

14、-2-2參數(shù)號定義備注V10000001.4K19 主軸左轉(zhuǎn)來自MCP的信號（按鍵及倍率）接口：MCPPLC（只讀）V10000001.6K21 主軸右轉(zhuǎn)V25001000.3M03來自NCK的輔助功能接口：NCKPLC（只讀）V25001000.4M04V25001000.5M05V27000000.1急停有效來自NCK的信號，接口：NCKPLC（只讀）V30000000.7復(fù)位送到NCK的信號，接口：PLCNCK（可讀/可寫）V31000001.0有效機(jī)床功能來自NCK的信號，接口：NCKPLC（只讀）V31000001.2有效的機(jī)床功能-參考點(diǎn)來自NCK的信號，接口：NCKPLC（只讀）

15、V31000000.2有效的運(yùn)行方式-手動來自NCK的信號，接口：NCKPLC（只讀）V38030002.1伺服使能送到主軸的信號，接口：PLCNCK（可讀/可寫）V38030004.6軸運(yùn)行鍵-負(fù)送到主軸的信號，接口：PLCNCK（可讀/可寫）V38030004.7軸運(yùn)行鍵-正V38032001.6M3/M4反向送到主軸的信號，接口：PLCNCK（可讀/可寫）PLC控制程序編制如圖5-2-1。圖5-2-1 主軸控制PLC程序7.2.2.2 操作過程編制主軸控制PLC程序；根據(jù)編制程序調(diào)試主軸；設(shè)置主軸參數(shù)；設(shè)置變頻器參數(shù)。7.2.2.3 操作要點(diǎn)及注意事項(xiàng)程序編制過程中注意常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)

16、的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。程序嚴(yán)格按照編程軟件的語法要求編制，否則會出現(xiàn)編譯錯誤。7.2.3 訓(xùn)練任務(wù)增加報警、復(fù)位等要求重新編制主軸控制PLC程序；設(shè)置主軸相關(guān)參數(shù)；根據(jù)表5-2-5設(shè)置變頻器參數(shù)。表5-2-5 設(shè)置變頻器參數(shù)條件主軸最高轉(zhuǎn)速r/min傳動比電機(jī)同步轉(zhuǎn)速r/min第1組30001：1.51500第2組45001：220007.2. 4 相關(guān)知識點(diǎn)一、主軸運(yùn)行方式1、種類NC控制的模擬主軸可以有如下三種運(yùn)行方式：控制方式擺動方式定位方式2、方式轉(zhuǎn)換主軸運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換如圖5-2-2所示。圖5-2-2 主軸運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換控制方式轉(zhuǎn)換為擺動方式通過齒輪級自動選擇（M40）及S功能，或者通過M41M4

17、5變檔為一個新的齒輪級，主軸可以從控制方式變換為擺動方式。擺動方式轉(zhuǎn)換為控制方式如果齒輪已經(jīng)換擋，接口信號IS“擺動方式”復(fù)位，并發(fā)出接口信號IS“齒輪級已經(jīng)換擋”使運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換，最后編程的S功能再次生效?？刂品绞睫D(zhuǎn)換為定位方式如果要使主軸由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)（M3或M4）定位停止，或者從停止?fàn)顟B(tài)（M5）獲得新的方向，則用SPOS使運(yùn)行方式變換（要求位置控制主軸）。定位方式轉(zhuǎn)換為控制方式如果主軸定位完成，則用M3、M4或M5轉(zhuǎn)換到控制方式。最后編程的S功能再次生效。定位方式轉(zhuǎn)換為擺動方式可以采用M41M45轉(zhuǎn)換方式。換擋結(jié)束后，最后編程的S功能和M5再次生效。3、主軸的控制方式在執(zhí)行下列功能時主軸處于控

18、制方式：a.恒定主軸轉(zhuǎn)速S，M3/M4/M5和G94、GG95、G97；b.恒定切削速度G96 S，M3/M4/M5；c.恒定主軸轉(zhuǎn)速S，M3/M4/M5和G33。控制方式的前提條件a.主軸不需要同步；b.進(jìn)給率F，單位為mm/min或inch/min，并按照M3/M4/M5指令運(yùn)行時不需要主軸位置實(shí)際值編碼器。c.在轉(zhuǎn)進(jìn)給按M3/M4/M5運(yùn)行時，或者使用G96，G97及G33時，必須具備主軸位置實(shí)際值編碼器。主軸復(fù)位a.普通主軸 可以通過接口信號“剩余行程復(fù)位/主軸復(fù)位”制動。但如果G94有效時，不采取其他措施程序會繼續(xù)運(yùn)行下去。b.主軸自身復(fù)位 主軸在復(fù)位以后或程序結(jié)束以后具有的特性可以

19、通過機(jī)床數(shù)據(jù)MD:SPIND_ACTIVE_AFTER_RESET的設(shè)定來改變。MD:SPIND_ACTIVE_AFTER_RESET=0：主軸立即以有效的加速度制動到停止，最后編程的主軸轉(zhuǎn)速和方向被清除。MD:SPIND_ACTIVE_AFTER_RESET=1：最后編程的主軸轉(zhuǎn)速和方向繼續(xù)保持。如果在復(fù)位之前或程序結(jié)束之前G96有效，則當(dāng)前的主軸轉(zhuǎn)速（主軸修調(diào)為100%）在內(nèi)部作為最后編程的主軸轉(zhuǎn)速。4、主軸的定位方式在選擇了可編程的功能SPOS時主軸處于定位方式。主軸以最短的位移定位到某一絕對位置（0360°，由SPOS設(shè)定）。主軸旋轉(zhuǎn)時以當(dāng)前方向進(jìn)行定位，主軸停止時通過設(shè)定機(jī)

20、床數(shù)據(jù)由控制器自動確定定向方向。程序段轉(zhuǎn)換 當(dāng)一個程序段中所有的功能都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并且主軸到位，通過接口信號V39030000.7（“主軸準(zhǔn)停”）傳遞，此時可以接受下一個程序段，進(jìn)行程序段轉(zhuǎn)換。前提條件 a.主軸不需要同步；b.具有主軸實(shí)際位置編碼器。主軸從運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行定位主軸開始定位時可能處于速度調(diào)節(jié)狀態(tài)，會出現(xiàn)超出編碼器極限頻率和沒有超出編碼器極限頻率兩種情況。如圖5-2-3和5-2-4所示。a.主軸轉(zhuǎn)速>編碼器極限頻率階段1：主軸以大于編碼器極限頻率的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，沒有同步。階段2：SPOS指令生效，主軸開始制動，直至達(dá)到位置編碼器接通速度。一旦低于編碼器極限頻率，主軸進(jìn)行同步。同步時激

21、活定位運(yùn)行方式。階段3：到達(dá)MD：SPIND_POSCTRL_VELO中設(shè)定的位置控制接通速度后：l 接通位置控制l 計(jì)算到達(dá)目標(biāo)位置的剩余行程l 加速度轉(zhuǎn)換到GEAR_STEP_POSCTRL_ACCEL中設(shè)定的加速度階段4：主軸計(jì)算得到“制動點(diǎn)”開始按照GEAR_STEP_POSCTRL_ACCEL中設(shè)定的加速度制動，直至達(dá)到目標(biāo)位置。階段5：位置控制有效，主軸保持在編程位置。一旦主軸實(shí)際位置與編程位置之間的距離小于精準(zhǔn)停和粗準(zhǔn)停時，設(shè)定接口信號IS“精準(zhǔn)?！焙汀按譁?zhǔn)?！?。圖5-2-3 旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下定位，編碼器轉(zhuǎn)速超出主軸編碼器極限頻率（特殊情況）圖5-2-4 旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下定位，編碼器轉(zhuǎn)速沒有

22、超出主軸編碼器極限頻率（正常方式），位置控制方式關(guān)閉b. 主軸轉(zhuǎn)速<編碼器極限頻率階段1：主軸以低于編碼器極限頻率的轉(zhuǎn)速同步運(yùn)行。階段2：SPOS指令生效，主軸按照MD：GEAR_STEP_POSCTRL_ACCEL中設(shè)定的加速度開始制動，直至達(dá)到位置編碼器接通速度。階段3階段5與前一種情況下完全一致。主軸從停止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行定位主軸從停止?fàn)顟B(tài)定位有主軸沒有同步和已經(jīng)同步兩種情況。主軸復(fù)位主軸復(fù)位可以通過接口信號IS“清除剩余行程/主軸復(fù)位”終止，但對主軸運(yùn)行方式下的“定位方式”無效。5、主軸的擺動方式在擺動方式時，主軸電機(jī)交替進(jìn)行順時針和逆時針方向旋轉(zhuǎn)。通過擺動方式可以使齒輪換擋變的更方便。

23、在執(zhí)行功能時，根據(jù)接口信號“通過PLC擺動”（V38032002.4）可以分為通過NCk擺動和通過PLC擺動兩種方式。前提條件 a.主軸不需要同步；b.不要求主軸編碼器。啟動方式主軸擺動方式運(yùn)行通過接口信號IS“擺動速度”（V38032002.5）啟動。但是如果僅設(shè)置接口信號而不預(yù)置一個新的齒輪級，則不會轉(zhuǎn)換到擺動方式。二、主軸回參考點(diǎn)/同步為了使系統(tǒng)在通電以后能夠精確地識別出零度位置，系統(tǒng)必須與主軸位置測量系統(tǒng)進(jìn)行同步。只有同步的主軸才可以進(jìn)行螺紋切削和定位。系統(tǒng)上電以后，主軸按照以下過程進(jìn)行同步：主軸以一速度（S功能）和方向（M3或M4）啟動，并與位置測量系統(tǒng)的下一個零標(biāo)記同步。主軸用SP

24、OS從停止?fàn)顟B(tài)定位。主軸不斷旋轉(zhuǎn)直至定位速度，并與位置測量系統(tǒng)的下一個零標(biāo)記同步，然后定位到編程位置。三、單極主軸用±10V電壓中的正電壓及單獨(dú)的二進(jìn)制符號信號來控制主軸的方式稱為單極主軸控制，主要用于變頻器或直流控制器帶動的主軸?？梢酝ㄟ^MD：30134（IS_UNIPOLAR_OUTPUT）來設(shè)定“單極主軸”控制方式。l MD輸入值為0：正負(fù)極速度設(shè)定值的雙極輸出“10V”，伺服使能PLC可以使用00和01輸出位。l MD輸入值為1：單極輸出0+10V，使能和方向信號，不允許PLC輸出位00和01。PLC輸出位00=伺服使能PLC輸出位01=主軸反轉(zhuǎn)l MD輸入值為2：主軸反轉(zhuǎn)，

25、單極輸出0+10V，具有連接使能和轉(zhuǎn)動信號，不允許PLC輸出位00和01。PLC輸出位00=伺服使能主軸正轉(zhuǎn)PLC輸出位01=伺服使能主軸反轉(zhuǎn) 使用單極主軸控制過程中，主軸必須是第4軸，同時要保證二進(jìn)制輸出不能被PLC使用。四、主軸及變頻器相關(guān)參數(shù)1、主軸相關(guān)參數(shù)說明如表5-5-2。表5-2-2 主軸參數(shù)參數(shù)號參數(shù)名單位數(shù)據(jù)類型舉例值參數(shù)定義30130CTRLOUT_TYPEAX4給定值輸出類型BYTE04MD30130=1表示CNC系統(tǒng)使用主軸30200NUM_ENCSAX4編碼器個數(shù)BYTE10：主軸不帶編碼器；1：主軸帶編碼器30240ENC_TYPEAX4編碼器類型BYTE05MD30

26、240=2表示方波發(fā)生器，標(biāo)準(zhǔn)編碼器（脈沖倍率）35040SPIND_ACTIVE_AFTER_RESET主軸復(fù)位有效BYTE0/1根據(jù)主軸不同的運(yùn)行方式定義35100SPIND_MAX_VELO_LIMIT最大主軸轉(zhuǎn)速rad/minDOUBLE500帶工件或帶刀具時主軸的最大轉(zhuǎn)速35150SPIND_DES_VELO_TOL主軸轉(zhuǎn)速公差系數(shù)DOUBLE0/1主軸控制方式運(yùn)行時，主軸編程速度的修調(diào)值2、變頻器參數(shù)設(shè)定IS5系列變頻器根據(jù)它們的應(yīng)用不同分成5個參數(shù)組， 具體如表5-2-3。IS5系列變頻器提供了2種不同的鍵盤。一種是32個包括文字和數(shù)字字符的LCD鍵盤（采用）， 另外一種是7-段

27、LED鍵盤。 表5-2-3 變頻器參數(shù)說明參數(shù)組LCD鍵盤(左上角)7-段鍵盤(LED )描述驅(qū)動組DRVDRV LED 變亮指令頻率， 加速/減速時間等基本參數(shù)功能 1組FU1FU1 LED變亮最大頻率，轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償量等基本功能相關(guān)參數(shù)功能2組FU2FU2 LED變亮頻率跳躍，頻率最大/最小限定等應(yīng)用功能相關(guān)參數(shù)輸入 /輸出組I/OI/O LED變亮多功能端子設(shè)定，自動運(yùn)行等順序運(yùn)行所需要的參數(shù)。外部可選組EXTEXT LED變亮當(dāng)安裝了擴(kuò)展板或者是子板時顯示。選項(xiàng)組COMI/O+EXTLED當(dāng)安裝了通訊板時顯示。應(yīng)用組APPFU2+I/O+EXTLED三角波，MMC（多泵控制），曳引等應(yīng)用參數(shù)

28、設(shè)置。需要設(shè)定的變頻器參數(shù)如表5-2-4。表5-2-4 設(shè)定參數(shù)代碼描述LCD鍵盤顯示LCD設(shè)定范圍單位默認(rèn)值調(diào)整值備注DRV-01加速時間ACC. 時間0 - 60000.110.0 秒3.0 秒驅(qū)動組參數(shù)DRV-02減速時間Dec. 時間0 - 60000.120.0 秒3.0 秒I/O-02V1 輸入最小電壓V1 volt x10 - V1伏特×2V0.010.00 V0.01V輸入/輸出組參數(shù)I/O-03V1 輸入最小電壓的相應(yīng)頻率V1 freq y10 - FU1-200.010.00 Hz0.01HzI/O-04V1 輸入最大電壓V1 volt x2V1伏特×1

29、 - 10 V0.0110.00 V10.0 VI/O-05V1 輸入最大電壓的相應(yīng)頻率V1 freq y20 - FU1-200.0160.00 Hz根據(jù)實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速及傳動比設(shè)定其他變頻器參數(shù)均可采用默認(rèn)值。7.3 主軸換檔及參數(shù)設(shè)置7.3.1 學(xué)習(xí)目的理解主軸換擋的作用；掌握主軸換檔參數(shù)的設(shè)置；掌握主軸換擋的PLC程序編制。7.3.2 案例分析根據(jù)表5-3-1中變量地址說明編制主軸換擋PLC程序，并對主軸換擋相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。表5-3-1 變量地址說明名稱變量類型數(shù)據(jù)類型注釋I0.0輸入BOOL主軸停止I0.1輸入BOOL主軸報警I0.2輸入BOOL低速齒輪到位I0.3輸入BOOL高速齒輪

30、到位Q0.1輸出BOOL低速齒輪到位輸出Q0.2輸出BOOL高速齒輪到位輸出Q0.3輸出BOOL低速齒輪到位指示Q0.4輸出BOOL高速齒輪到位指示M0.5輸出位置TEMP中間狀態(tài)的臨時變量，輸出位置SM0.0特殊標(biāo)記位BOOL定義?！?”信號SM0.1特殊標(biāo)記位BOOL第一次PLC循環(huán)1，后面0SM0.5特殊標(biāo)記位BOOL1秒周期的脈沖（占空比，0.5秒0，0.5秒1）M117.0M117.7標(biāo)志位BOOL中間繼電器7.3.2.1 分析主軸具有高低兩極速度，每檔均具有到位檢測信號。換擋可以通過編程的速度自動激活，也可以通過M41（低檔）和M42（高檔）實(shí)現(xiàn)。接口信號說明如表5-3-2。表5-

31、3-2 接口信號說明參數(shù)號定義備注V14000063.6PLC數(shù)據(jù)PLC數(shù)據(jù)，用戶定義，此程序中用于低速齒輪到位信號V14000063.7PLC數(shù)據(jù)PLC數(shù)據(jù)，用戶定義，此程序中用于高速齒輪到位信號V27000000.1急停有效來自NCK的信號，接口NCKPLC（只讀）V30000000.7復(fù)位送到NCK的信號，接口PLCNCK（可讀/可寫）V32000006.0進(jìn)給使能禁止送到NCK的信號，接口PLCNCK（可讀/可寫）V32000006.1讀入使能禁止V38030004.3進(jìn)給/主軸停止送到主軸的信號，接口PLCNCK（可讀/可寫）V38032002.5擺動速度V38030002.2剩余行

32、程/主軸復(fù)位送到主軸的信號，接口PLCNCK（可讀/可寫）V38032000.0實(shí)際齒輪級A送到主軸的信號，接口PLCNCK（可讀/可寫）V38032000.1實(shí)際齒輪級BV38032000.2實(shí)際齒輪級CV39032000.3主軸齒輪換擋來自主軸的信號，接口NCKPLC（只讀）V39032000.0給定齒輪級AV39032000.1給定齒輪級BV39032000.2給定齒輪級C程序流程圖如下：圖5-3-1 主軸換擋流程圖PLC程序如下：圖5-3-2 主軸換擋PLC程序7.3.2.2 操作過程查找與主軸換擋相關(guān)的機(jī)床參數(shù)，理解其含義；理解主軸換擋程序；進(jìn)行主軸換擋測試；總結(jié)。7.3.2.3 操

33、作要點(diǎn)及注意事項(xiàng)該子程序占用的標(biāo)志存儲器有：MB117用于存儲中間狀態(tài)；T11/T14/T15絲杠定時器。由于定時器T14和T15同時也被霍爾元件刀架控制子程序使用，所以這兩個程序不能同時使用。7.3.3 訓(xùn)練任務(wù)主軸為2級換擋，根據(jù)表中數(shù)據(jù)分別計(jì)算并設(shè)定主軸換擋相關(guān)參數(shù)。第一組第二組低速范圍（r/min）58008003000高速范圍（r/min）5100010003000電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（r/min）8000傳動比低速1.52高速797.3. 4 相關(guān)知識點(diǎn)一、主軸速度和齒輪換擋主軸換檔可以增加主軸低速時的扭矩，保證高檔時的速度，使高低速都能得到兼顧。在控制器中設(shè)定了5個齒輪級，可以輸入5組數(shù)

34、據(jù)。每個齒輪級通過設(shè)定最大值和最小值，以及設(shè)定齒輪自動換擋的最大值和最小值來進(jìn)行定義。只有當(dāng)編程的新的轉(zhuǎn)速給定值不能在當(dāng)前的齒輪級上運(yùn)行時，才輸出一個新的齒輪級。 齒輪換擋檔位與使能如圖7-3。圖5-3-3 齒輪換擋檔位與使能通過MD可以預(yù)置：n1max齒輪級1的最大主軸轉(zhuǎn)速g1min齒輪級1的最小主軸轉(zhuǎn)速，用于齒輪級自動換擋時g1max齒輪級1的最大主軸轉(zhuǎn)速，用于齒輪級自動換擋時n2max齒輪級2的最大主軸轉(zhuǎn)速g2min齒輪級2的最小主軸轉(zhuǎn)速，用于齒輪級自動換擋時g2max齒輪級2的最大主軸轉(zhuǎn)速，用于齒輪級自動換擋時通過以下方式進(jìn)行齒輪級的預(yù)選：l 通過零件程序（M41M45）l 通過編程的

35、主軸速度自動進(jìn)行（M40）。此時由控制器確定編程的主軸轉(zhuǎn)速（S功能）可能位于哪一個齒輪級上。如S900 M03。二、主軸電機(jī)速度主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速由公式（5-3-1）確定。（5-3-1）為了使電機(jī)轉(zhuǎn)動正常，首先要設(shè)定確定傳動比的參數(shù)，如表5-3-3 所示。表5-3-3 電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)參數(shù)31020ENC_RESOL每轉(zhuǎn)的增量（編碼器線數(shù))31050DRIVE_AX_RATIO_DENOMn減速箱齒輪端齒數(shù)31060DRIVE_AX_RATIO_NUMERAn減速箱絲杠端齒數(shù)31070DRIVE_ENC_RATIO_DENOMn減速箱解算器分母31080DRIVE_ENC_RATIO_NUMERAn減速

36、箱解算器分子三、參數(shù)設(shè)置需要設(shè)定的NC參數(shù)如表5-3-4。表5-3-4 主軸換擋相關(guān)參數(shù)設(shè)置參數(shù)號參數(shù)名單位數(shù)據(jù)類型舉例值參數(shù)定義35010GEAR_STEP_CHANGE_ENABLE主軸換擋使能二進(jìn)制0/10：主軸直接與電機(jī)相連或傳動比固定；1：M40M45進(jìn)行齒輪換擋35110GEAR_STEP_MAX_VELO各檔的最高換擋速度，齒輪級0，1，5r/min雙字節(jié)500，500，1000，2000，4000，800035110和35120分別定義齒輪自動換擋時齒輪級的最大和最小轉(zhuǎn)速，注意35110中數(shù)值應(yīng)該大于等于35120中數(shù)值。35120GEAR_STEP_MIN_VELO各檔的最低

37、換擋速度，齒輪級0，1，5r/min雙字節(jié)50，50，400，800，1500，300035130GEAR_STEP_MAX_VELO_LIMIT各檔的最高換擋速度極限，齒輪級0，1，5r/min雙字節(jié)500，500，1000，2000，4000，8000齒輪級的最大轉(zhuǎn)速35140GEAR_STEP_MIN_VELO_LIMIT各檔的最低換擋速度極限，齒輪級0，1，5r/min雙字節(jié)5，5，10，20，40，80齒輪級的最小轉(zhuǎn)速36200AX_VELO_LIMIT各檔的監(jiān)控速度，齒輪級0，1，5mm/min,r/min雙字節(jié)11500實(shí)際速度監(jiān)控的臨界值，超過這一值，將發(fā)出25030警報354

38、00SPIND_OSCILL_DES_VELO主軸擺動速度r/min雙字節(jié)500設(shè)定主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過接口信號V38032002.5傳遞給電機(jī)35410SPIND_OSCILL_ACCEL主軸擺動加速度r/s2雙字節(jié)16只有向電機(jī)輸出擺動速度時此加速度才生效35430SPIND_OSCILL_START_DIR主軸擺動的起始方向字節(jié)0，3，40：啟動方向與當(dāng)前的轉(zhuǎn)動方向相反；3：正向啟動；4：反向啟動35440SPIND_OSCILL_TIME_CW主軸正向擺動時間s雙字節(jié)135450SPIND_OSCILL_TIME_CCW主軸反向擺動時間s雙字節(jié)0.5四、主軸監(jiān)測通過主軸監(jiān)控和當(dāng)前有效的功

39、能（G94、G95、G96、G33等）可以確定主軸允許的范圍。如圖5-3-4。圖5-3-4 主軸監(jiān)控范圍/轉(zhuǎn)速范圍1、主軸停止當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速低于MD：STANDSTILL_VELO_TOL中規(guī)定的值時，設(shè)置接口信號V39030001.4，此時才可以執(zhí)行機(jī)床的一些功能，如換刀、打開機(jī)床門、進(jìn)給使能等。主軸的三種方式下監(jiān)控均有效。2、主軸在給定范圍主軸監(jiān)控“主軸在給定范圍”功能監(jiān)控是否達(dá)到編程的主軸轉(zhuǎn)速、主軸是否停止或處于加速階段。主軸處于控制方式時，比較實(shí)際值和給定值（編程速度×主軸修調(diào)，考慮極限值）。比較結(jié)果如果大于主軸速度公差（由MD：SPIND_DES_VELO_TOL設(shè)定），則接口

40、信號V39032001.5（主軸在給定范圍）置為零，同時NCK禁止進(jìn)給運(yùn)行。3、最大主軸轉(zhuǎn)速NCK通過MD：SPIND_MAX_VELO_LIMIT設(shè)定最大主軸轉(zhuǎn)速，如果主軸轉(zhuǎn)速實(shí)際值大于最大主軸轉(zhuǎn)速與主軸速度公差之和，則驅(qū)動出現(xiàn)錯誤，并設(shè)置接口信號V39032001.0（超出轉(zhuǎn)速極限），此外，還發(fā)出報警22100，所有進(jìn)給軸和主軸制動。另外，主軸轉(zhuǎn)速也可以通過PLC限制：該值由MD：SPIND_EXTERN_VELO_UNIT設(shè)定，并通過接口信號V38030003.6（速度/主軸轉(zhuǎn)速限制）激活。4、齒輪級轉(zhuǎn)速的最大值/最小值齒輪級轉(zhuǎn)速的最大值在MD：GEAR_STEP_MAX_VELO_LI

41、MIT中設(shè)定，齒輪級換擋后的速度不能超出此值。如果要限制編程的主軸速度，則需要設(shè)置接口信號V39032001.1（限制給定速度）。齒輪級轉(zhuǎn)速的最小值在MD：GEAR_STEP_MIN_VELO_LIMIT中設(shè)定，編程時S值不得低于此速度，此時還需要設(shè)置接口信號V39032001.2（提高給定速度）。齒輪級的最小轉(zhuǎn)速僅僅在速度運(yùn)行時起作用，并且只有在下列情況時，實(shí)際轉(zhuǎn)速才可能低于此速度：l 主軸修調(diào)0%l M5l S0l 接口信號“主軸停止”l 取消接口信號“調(diào)節(jié)器使能”l 接口信號“復(fù)位”l 接口信號“主軸復(fù)位”l 接口信號“擺動速度”l “NCSTOP，用于進(jìn)給軸/主軸”l 接口信號“禁止進(jìn)

42、給軸/主軸”5、最大編碼器極限頻率主軸位置實(shí)際值編碼器的最大極限頻率受到控制器的監(jiān)控（可能會超出）。機(jī)床生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)主軸電機(jī)部件、減速箱、測量傳動裝置以及選擇編碼器和設(shè)定機(jī)床數(shù)據(jù)時都要保證不會超出主軸位置實(shí)際值編碼器的最大轉(zhuǎn)速（即機(jī)械極限轉(zhuǎn)速）。超出最大編碼器極限頻率主軸處于控制方式或擺動方式運(yùn)行時，如果速度超出了最大編碼器極限頻率，則同步會丟失，但是主軸仍然繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。如果此時在零件程序中存在以下某一功能：l 螺紋切削（G33）l 無補(bǔ)償卡盤攻絲（G331，G332）l 旋轉(zhuǎn)進(jìn)給（G95）l 恒定切削速度（G96，G97）則主軸轉(zhuǎn)速會自動降低，直至測量系統(tǒng)恢復(fù)工作。如果沒有測量系統(tǒng)（即MD：

43、NUM_ENC=0），則轉(zhuǎn)速實(shí)際值在內(nèi)部由轉(zhuǎn)速給定值導(dǎo)出，并顯示出來。低于最大編碼器極限頻率如果在超出了最大編碼器極限頻率之后，速度發(fā)生變化又低于最大編碼器極限頻率（如編程時采用較小的S值，或通過主軸修調(diào)開關(guān)修改等），則主軸會自動地與下一個零標(biāo)記或下一個接近開關(guān)BERO信號同步。當(dāng)主軸處于下列功能時不得超出最大編碼器極限頻率：l 主軸定位方式運(yùn)行l(wèi) 螺紋切削（G33）l 無補(bǔ)償卡盤攻絲（G331，G332）l 旋轉(zhuǎn)進(jìn)給（G95）l 恒定切削速度（G96）6、目標(biāo)定位監(jiān)控主軸在定位方式進(jìn)行定位時可以監(jiān)控主軸所定位的實(shí)際位置與編程的給定位置之間的距離。此時，可以在MD：STOP_LIMIT_COA

44、RSE（粗準(zhǔn)停）和MD：STOP_LIMIT_FINE（精準(zhǔn)停）中設(shè)定兩個增量位移極限值。但是，主軸定位精度與這兩個極限值無關(guān)，而是由所連接的主軸測量編碼器、間隙及齒輪傳動比決定。主軸準(zhǔn)停區(qū)域說明如圖5-3-5。圖5-3-5 主軸準(zhǔn)停區(qū)接口信號準(zhǔn)停到位通過MD：STOP_LIMIT_COARSE和MD：STOP_LIMIT_FINE設(shè)定的兩個極限值由接口信號V39000000.6（粗準(zhǔn)停到位）和V39000000.7（精準(zhǔn)停到位）送給PLC。SPOS后的程序轉(zhuǎn)換通過SPOS進(jìn)行主軸定位后程序段的轉(zhuǎn)換取決與通過接口信號“精準(zhǔn)停到位”進(jìn)行的目標(biāo)點(diǎn)監(jiān)控。程序段轉(zhuǎn)換時，要求上一個程序段中所有的功能均已

45、執(zhí)行完畢，如軸進(jìn)給結(jié)束，PLC應(yīng)答了所有的輔助功能等。五、接口信號在PLC用戶程序和NCK（數(shù)控核心）、MMC（顯示部件）和MCP（機(jī)床控制面板）之間通過不同的數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行信號和數(shù)據(jù)的交換。PLC用戶程序與交換無關(guān)，對使用者來說這是自動進(jìn)行的。PLC/NCK的控制信號和狀態(tài)信號會循環(huán)刷新。信號可以分為以下幾組：普通信號、運(yùn)行方式信號、通道信號、進(jìn)給軸/主軸信號，見圖5-3-6。圖5-3-6 PLC/NCK接口1、 主軸換檔信號主軸換檔信號定義如表5-3-5。表5-3-5 主軸換檔信號定義3900.3903PLC變量來自主軸的信號接口NCKPLC（只讀）ByteBit 7Bit 6Bit 5Bit

46、 4Bit 3Bit 2Bit 1Bit 03903 2000（主軸）齒輪換擋給定齒輪級CBA3903 2001（主軸）實(shí)際轉(zhuǎn)動方向向右主軸在給定值范圍提高給定速度限制給定速度超出速度極限3903 2002（主軸）有效的主軸運(yùn)行方式?jīng)]有補(bǔ)償夾具螺紋加工控制運(yùn)行擺動運(yùn)行定位運(yùn)行3800.3803PLC變量送到主軸的信號接口PLCNCK（可讀/可寫）ByteBit 7Bit 6Bit 5Bit 4Bit 3Bit 2Bit 1Bit 03803 2000（主軸）齒輪已經(jīng)換擋給定齒輪級CBA3803 2001（主軸）M3/M4反向進(jìn)給倍率對主軸有效3803 2002（主軸）擺動方向給定擺動速度擺動由

47、PLC控制向左向右3803 2003（主軸）主軸速度修調(diào)HGFEDCBA2、5個齒輪級均有一個參數(shù)組，按表5-3-6規(guī)則分配。表5-3-6 齒輪級分配規(guī)則參數(shù)組號PLC-接口-數(shù)據(jù)組數(shù)據(jù)內(nèi)容1000001齒輪級1的數(shù)據(jù)M40-轉(zhuǎn)速最小/最大轉(zhuǎn)速2010齒輪級2的數(shù)據(jù)3011齒輪級3的數(shù)據(jù)4100齒輪級4的數(shù)據(jù)5101齒輪級5的數(shù)據(jù)7.4 主軸故障排除7.4.1 學(xué)習(xí)目的了解常見的主軸故障及可能采取的方法；掌握典型主軸故障的類型及維修。7.4.2 案例分析針對以下故障進(jìn)行維修：開機(jī)調(diào)試時主軸不能正常旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)無報警。系統(tǒng)調(diào)試時出現(xiàn)主軸定位點(diǎn)不穩(wěn)定的故障。7.4.2.1 分析故障一：測量系統(tǒng)主軸模

48、擬量輸出，發(fā)現(xiàn)此值為“0”，因此可以確定故障是由數(shù)控系統(tǒng)無模擬量輸出引起的。由于系統(tǒng)為剛出廠的原裝系統(tǒng)，因此系統(tǒng)內(nèi)部不良的可能性較小，出現(xiàn)故障最大的可能原因是系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置不當(dāng)引起的。仔細(xì)檢查系統(tǒng)的機(jī)床參數(shù)，發(fā)現(xiàn)全部MD參數(shù)均正確無誤；檢查系統(tǒng)的SD（設(shè)定）參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在SETTING DATA頁面下的G96轉(zhuǎn)速限制值為“”，將該值更改為機(jī)床的最大轉(zhuǎn)速6000rmin后，機(jī)床主軸模擬量輸出正常，主軸可以正常旋轉(zhuǎn)。故障二：主軸定位的過程，其實(shí)是將主軸停止在編碼器“零脈沖”位置的定位過程，并在該點(diǎn)進(jìn)行位置閉環(huán)調(diào)節(jié)?？梢酝ㄟ^多次定位進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，確定此故障的實(shí)際故障現(xiàn)象：1）該機(jī)床可以在任意時刻進(jìn)行主軸定位，其定位點(diǎn)總是保持不變。2）只要機(jī)床不關(guān)機(jī)，不論進(jìn)行多少次定位，其定位點(diǎn)總是保持不變。3）機(jī)床關(guān)機(jī)后，再次開機(jī)執(zhí)行主軸定位，定位位置與關(guān)機(jī)前不同，在完成定位后，只要不關(guān)機(jī)，以后每次定位總是保持在該位置不變。4）每次關(guān)機(jī)后，重新定位，其定位點(diǎn)都不同，主軸可以在任意位置定位。根據(jù)以上試驗(yàn)，可以確定故障是由于編碼器的“零位脈沖”不固定引起的?？赡芤鸸收系脑蛴校?）編