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文檔簡(jiǎn)介
第5章數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
5.1概述
5.2主軸驅(qū)動(dòng)裝置及連接
5.3主軸變速控制
5.4主軸準(zhǔn)??刂?/p>
5.5主軸與進(jìn)給軸的關(guān)聯(lián)控制
5.6高速電主軸2023/2/41數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是主運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置部分。主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供的動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變成主軸上安裝的刀具或工件的切削力矩和切削速度,再配合進(jìn)給運(yùn)動(dòng),就可以加工出理想的零件。它是零件加工的成型運(yùn)動(dòng)裝置之一,它的精度對(duì)零件的加工精度有較大的影響。因此,在數(shù)控機(jī)床中,主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是很重要的一部分。5.1概述2動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器DRAM模塊FROM/SRAM模塊系統(tǒng)ROM主軸控制模塊軸控制模塊PMC控制模塊系統(tǒng)主CPU顯示控制模塊軸控制模塊主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在數(shù)控系統(tǒng)中的位置及連接3動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器DRAM模塊FROM/SRAM模塊系統(tǒng)ROM主軸控制模塊軸控制模塊PMC控制模塊系統(tǒng)主CPU顯示控制模塊軸控制模塊4JA40_模擬量主軸的速度接口JA7A_串行主軸/主軸位置編碼器信號(hào)接口56提出問(wèn)題:1、主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括哪些硬件設(shè)備?2、這些設(shè)備是如何連接的?3、模擬主軸和伺服主軸分別使用什么驅(qū)動(dòng)放大裝置?7一、數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成
主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括主軸驅(qū)動(dòng)放大器、主軸電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主軸信號(hào)檢測(cè)裝置及主軸輔助裝置。放大器:主軸放大器用于接收系統(tǒng)發(fā)出的主軸速度及功能控制信號(hào),實(shí)施主軸電動(dòng)機(jī)控制信號(hào)。它可以是變頻器也可以是系統(tǒng)專用的主軸放大器。主軸電動(dòng)機(jī):主軸電動(dòng)機(jī)是主軸驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源,可以使普通型電動(dòng)機(jī)、變頻專用型電動(dòng)機(jī)及系統(tǒng)專用的主軸電動(dòng)機(jī)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu):數(shù)控機(jī)床主軸傳動(dòng)主要有三種配置方式,即帶變速齒輪的主傳動(dòng)方式、通過(guò)帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)方式及由變速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng)方式(詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)《數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)》)。主軸信號(hào)檢測(cè)裝置:主軸信號(hào)檢測(cè)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)主軸的速度和位置反饋,以及主軸功能的信號(hào)檢測(cè)(如主軸定向和剛性攻螺紋控制等),可以使主軸外置編碼器、主軸電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝傳感器及外接一轉(zhuǎn)信號(hào)配合電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝傳感器檢測(cè)裝置。輔助裝置:輔助裝置主要包括主軸刀具鎖緊/松開(kāi)控制裝置、主軸自動(dòng)換擋控制裝置、主軸冷卻和潤(rùn)滑裝置等。
8二、數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸控制的要求
隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的主軸驅(qū)動(dòng)已不能滿足要求。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床對(duì)主傳動(dòng)提出了更高的要求:(1)調(diào)速范圍要寬(2)主軸的旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)動(dòng)精度(3)數(shù)控機(jī)床主軸的變速(4)恒功率范圍要寬(5)具有四象限驅(qū)動(dòng)能力(6)具有高精度的準(zhǔn)??刂啤#?)在車削中心上,還要求具有旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸的控制功能。
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為滿足上述要求,數(shù)控機(jī)床絕大多數(shù)均采用籠型交流電動(dòng)機(jī)配置矢量變換變頻調(diào)速的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?;仡欕姍C(jī)課程,電機(jī)的發(fā)展歷程?105.2主軸驅(qū)動(dòng)裝置及連接一、主軸驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的大功率執(zhí)行機(jī)構(gòu),其功能是接受數(shù)控系統(tǒng)(CNC)的S碼(速度指令)及M碼(輔助功能指令),驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行切削加工。它接受來(lái)自CNC的驅(qū)動(dòng)指令,經(jīng)速度與轉(zhuǎn)矩(功率)調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)接受速度反饋實(shí)施速度閉環(huán)控制。它還通過(guò)PLC將主軸的各種現(xiàn)實(shí)工作狀態(tài)通告CNC用以完成對(duì)主軸的各項(xiàng)功能控制。111.直流主軸驅(qū)動(dòng)裝置
直流主軸電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與永磁式伺服電動(dòng)機(jī)不同,要求能輸出大的功率,所以一般是他磁式。為縮小體積,改善冷卻效果,以免電動(dòng)機(jī)過(guò)熱,常采用軸向強(qiáng)迫風(fēng)冷或采用熱管冷卻技術(shù)。
直流驅(qū)動(dòng)裝置有晶閘管和脈寬調(diào)制PWM調(diào)速兩種形式。由于脈寬調(diào)制PWM調(diào)速具有很好的調(diào)速性能,因而在數(shù)控機(jī)床特別是對(duì)精度、速度要求較高的數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置上廣泛使用。而三相全控晶閘管調(diào)速裝置則在大功率應(yīng)用方面具有優(yōu)勢(shì),因而常用于直流主軸驅(qū)動(dòng)裝置。
122.交流主軸驅(qū)動(dòng)裝置主軸伺服提供加工各類工件所需的切削功率,因此,只需完成主軸調(diào)速及正反轉(zhuǎn)功能。但當(dāng)要求機(jī)床有螺紋加工、準(zhǔn)停和恒線速加工等功能時(shí),對(duì)主軸也提出了相應(yīng)的位置控制要求。因此,要求其輸出功率大,具有恒轉(zhuǎn)矩段及恒功率段,有準(zhǔn)??刂疲鬏S與進(jìn)給聯(lián)動(dòng)。與進(jìn)給伺服一樣,主軸伺服經(jīng)歷了從普通三相異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)到直流主軸傳動(dòng)。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(shí)代。
13①交流異步伺服系統(tǒng)交流異步伺服通過(guò)在三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組中產(chǎn)生幅值、頻率可變的正弦電流,該正弦電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的感應(yīng)電流相互作用,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)。其中,正弦電流的幅值可分解為給定或可調(diào)的勵(lì)磁電流與等效轉(zhuǎn)子力矩電流的矢量和;正弦電流的頻率可分解為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差之和,以實(shí)現(xiàn)矢量化控制。交流異步伺服通常有模擬式、數(shù)字式兩種方式。與模擬式相比,數(shù)字式伺服加速特性近似直線,時(shí)間短,且可提高主軸定位控制時(shí)系統(tǒng)的剛性和精度,操作方便,是機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)主要的采用形式。然而交流異步伺服存在兩個(gè)主要問(wèn)題:一是轉(zhuǎn)子發(fā)熱,效率較低,轉(zhuǎn)矩密度較小,體積較大;二是功率因數(shù)較低,因此,要獲得較寬的恒功率調(diào)速范圍,要求較大的逆變器容量。14②交流同步伺服系統(tǒng)近年來(lái),隨著高能低價(jià)永磁體的開(kāi)發(fā)和性能的不斷提高,使得采用永磁同步調(diào)速電動(dòng)機(jī)的交流同步伺服系統(tǒng)的性能日益突出,為解決交流異步伺服存在的問(wèn)題帶來(lái)了希望。與采用矢量控制的異步伺服相比,永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子溫度低,軸向連接位置精度高,要求的冷卻條件不高,對(duì)機(jī)床環(huán)境的溫度影響小,容易達(dá)到極小的低限速度。即使在低限速度下,也可作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行,特別適合強(qiáng)力切削加工。同時(shí)其轉(zhuǎn)矩密度高,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好,特別適合高生產(chǎn)率運(yùn)行。較容易達(dá)到很高的調(diào)速比,允許同一機(jī)床主軸具有多種加工能力,既可以加工鋁等低硬度材料,也可以加工很硬很脆的合金,為機(jī)床進(jìn)行最優(yōu)切削創(chuàng)造了條件。15二、數(shù)控裝置與模擬主軸連接信號(hào)原理
問(wèn)題的提出:數(shù)控裝置和模擬主軸間要傳遞哪些信號(hào)?實(shí)現(xiàn)何種功能?1.主軸啟停(M03、M04、M05----輸出信號(hào)Y1.0、Y1.1)2.主軸速度控制(S800-----10V~+10V)3.
主軸編碼器連接(螺紋、攻絲、轉(zhuǎn)速在系統(tǒng)上顯示---差分編碼器)16圖5-2
FANUCOiMate-TC數(shù)控系統(tǒng)與三菱變頻器接線圖171.CNC到變頻器的信號(hào)(1)主軸正轉(zhuǎn)信號(hào)、主軸反轉(zhuǎn)信號(hào)用于手動(dòng)操作(JOG狀態(tài))和自動(dòng)狀態(tài)(自動(dòng)加工M03、M04、M05)中,實(shí)現(xiàn)主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止控制。系統(tǒng)在點(diǎn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),利用機(jī)床面板上的主軸正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)按鈕發(fā)出主軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)信號(hào),通過(guò)系統(tǒng)PMC控制KA3、KA4的通斷,向變頻器發(fā)出信號(hào),實(shí)現(xiàn)主軸的正、反轉(zhuǎn)控制,此時(shí)主軸的速度是由系統(tǒng)存儲(chǔ)的S值與機(jī)床主軸的倍率開(kāi)關(guān)決定的。系統(tǒng)在自動(dòng)加工時(shí),通過(guò)對(duì)程序輔助功能代碼M03、M04、M05的譯碼,利用系統(tǒng)的PMC實(shí)現(xiàn)繼電器KA3、KA4的通斷控制,從而達(dá)到主軸的正反轉(zhuǎn)及停止控制,此時(shí)的主軸速度是由系統(tǒng)程序中的S指令值與機(jī)床的倍率開(kāi)關(guān)決定的。輸入輸出信號(hào)的分類:CNC到變頻器的信號(hào)變頻器到CNC的信號(hào)變頻器到機(jī)床側(cè)的信號(hào)18(2)系統(tǒng)故障輸入:當(dāng)數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí),通過(guò)系統(tǒng)PMC發(fā)出信號(hào)控制KA6獲電動(dòng)作,使變頻器停止輸出,實(shí)現(xiàn)主軸自動(dòng)停止控制,并發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息。(3)系統(tǒng)復(fù)位信號(hào):當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時(shí),通過(guò)系統(tǒng)PMC控制KA7獲電動(dòng)作,進(jìn)行變頻器的復(fù)位控制。(4)主軸電動(dòng)機(jī)速度模擬量信號(hào):用來(lái)接收系統(tǒng)發(fā)出的主軸速度信號(hào)(模擬量電壓信號(hào)),實(shí)現(xiàn)主軸電動(dòng)機(jī)的速度控制。FANUC系統(tǒng)將程序中的S指令與主軸倍率開(kāi)關(guān)的乘積轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量電壓(0~10V),輸入到變頻器的模擬量電壓頻率給定端,從而實(shí)現(xiàn)主軸電動(dòng)機(jī)的速度控制。192.變頻器到CNC的信號(hào)(1)變頻器故障輸入信號(hào)當(dāng)變頻器出現(xiàn)任何故障時(shí),數(shù)控系統(tǒng)也停止工作并發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警(機(jī)床報(bào)警燈亮及發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息)。主軸故障信號(hào)是通過(guò)變頻器的故障輸出端發(fā)出,再通過(guò)PMC向系統(tǒng)發(fā)出急停信號(hào),使系統(tǒng)停止工作。20(2)主軸頻率到達(dá)信號(hào)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)加工時(shí),主軸頻率到達(dá)信號(hào)實(shí)現(xiàn)切削進(jìn)給開(kāi)始條件的控制。當(dāng)系統(tǒng)的功能參數(shù)(主軸速度到達(dá)檢測(cè))設(shè)定為有效時(shí),系統(tǒng)執(zhí)行進(jìn)給切削指令前要進(jìn)行主軸速度到達(dá)信號(hào)的檢測(cè),即系統(tǒng)通過(guò)PMC檢測(cè)來(lái)自變頻器發(fā)出的頻率到達(dá)信號(hào),系統(tǒng)只有檢測(cè)到該信號(hào),切削進(jìn)給才能開(kāi)始,否則系統(tǒng)進(jìn)給指令一直處于待機(jī)狀態(tài),使用SU作為信號(hào)的輸入。21(3)主軸零速信號(hào)數(shù)控機(jī)床有些動(dòng)作需要主軸停止才能進(jìn)行,如:當(dāng)數(shù)控車床的卡盤采用液壓控制時(shí),主軸零速信號(hào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)與液壓卡盤的連鎖控制。只有主軸速度為零時(shí),液壓卡盤控制才有效;主軸旋轉(zhuǎn)時(shí),液壓卡盤控制無(wú)效,使用Y13作為信號(hào)輸入。3.變頻器到機(jī)床側(cè)的信號(hào);主軸負(fù)載表的信號(hào),變頻器將實(shí)際輸出電流轉(zhuǎn)換成模擬量電壓信號(hào)(0~10V),通過(guò)變頻器輸出接口(5-AM)輸出到機(jī)床操作面板上的主軸負(fù)載表(模擬量或數(shù)顯表),實(shí)現(xiàn)主軸負(fù)載監(jiān)控。2223仿真軟件演示模擬主軸連接24四、數(shù)控裝置與伺服主軸裝置的連接
問(wèn)題的提出:數(shù)控裝置和數(shù)字主軸間要傳遞哪些信號(hào)?實(shí)現(xiàn)何種功能?25四、數(shù)控裝置與伺服主軸裝置的連接
圖5-3S系列主軸伺服系統(tǒng)的連接方法K1為從伺服變壓器副邊輸出的AC200V三相電源電纜,應(yīng)接到主軸伺服單元的R、S、T和G端。26圖5-3S系列主軸伺服系統(tǒng)的連接方法K2為從主軸伺服單元的U、V、W和G端輸出到主軸電機(jī)的動(dòng)力線,應(yīng)與接線盒蓋內(nèi)面的指示相符。
K3為從主軸伺服單元的端子T1上的R0,S0和T0輸出到主軸風(fēng)扇電機(jī)的動(dòng)力線,應(yīng)使風(fēng)扇向外排風(fēng)。K4為主軸電機(jī)的編碼器反饋電纜,其中PA、PB、RA和RB用作速度反饋信號(hào),O1H和O2H為電機(jī)溫度接點(diǎn),SS為屏蔽線。
27圖5-3S系列主軸伺服系統(tǒng)的連接方法K5為從NC和PMC輸出到主軸伺服單元的控制信號(hào)電纜,接到主軸伺服單元的50芯插座CN1
28芯號(hào)信號(hào)功能1,2SAR1,2主軸速度到達(dá)信號(hào)(輸出)3,4SST1,2主軸零速信號(hào)(輸出)5TLML主軸扭矩限制信號(hào)(小扭矩)(輸入)6OTTLML,TLMH信號(hào)地線(0V)7,8MRDY1,2主軸運(yùn)行準(zhǔn)備信號(hào)(輸入)9,10TLM5,6主軸扭矩限制信號(hào)(輸出)11,12ALM1,2主軸故障(輸出)13OR主軸故障報(bào)警公共線14OS主軸速度連續(xù)修調(diào),正反轉(zhuǎn)信號(hào)地線(0V)15,16STD1,2主軸速度檢測(cè)信號(hào)(輸出)17CTH主軸高速檔信號(hào)(輸入)18OM主軸功率/轉(zhuǎn)速表地線19,20ARST1,2主軸報(bào)警復(fù)位信號(hào)(輸入)21TLMH主軸扭矩限制信號(hào)(大扭矩)(輸入)22,23ORAR1,2主軸定向完成信號(hào)(輸出)24CTM主軸中速檔信號(hào)(輸入)25,26ORCM1,2主軸定向命令信號(hào)(輸入)27,28OVR1,2主軸速度連續(xù)修調(diào)命令信號(hào)(輸入)29+15V電源30,31DA2,E主軸速度信號(hào)(模擬電壓)(輸入)45SFR主軸正轉(zhuǎn)命令(輸入)46SRV主軸反轉(zhuǎn)命令(輸入)47,48ESP1,2主軸緊急停機(jī)命令(輸入)49LM1主軸功率表信號(hào)(輸出)50SM1主軸轉(zhuǎn)速表信號(hào)(輸出)50芯插座CN1
信號(hào)含義29主軸伺服單元和進(jìn)給伺服單元由一個(gè)電源模塊統(tǒng)一供電。由三相電源變壓器副邊輸出的線電壓為200V的電源(R,S,T)經(jīng)總電源斷路器BK1,主接觸器MCC和扼流圈L加到電源模塊上,電源模塊的輸出端(P,N)為主軸伺服放大器模塊和進(jìn)給伺服放大器模塊提供直流200V電源。30急??刂菩盘?hào)接到電源模塊的+24V和ESP端子后,再由其相應(yīng)的輸出端接到主軸和進(jìn)給伺服放大器模塊,同時(shí)控制急停狀態(tài)。從NC發(fā)出的主軸控制信號(hào)和返回信號(hào)經(jīng)光纜傳送到主軸伺服放大器模塊。控制電源模塊的輸入電源的主軸接觸器MCC安裝在模塊外部。3132仿真軟件演示數(shù)字主軸連接335.3主軸變速控制主軸變速:有級(jí)變速:配以齒輪變速的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床無(wú)級(jí)變速:直流或交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)(常用)分段無(wú)級(jí)變速:在交流或直流主軸伺服電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速(常用)34圖5-5主軸功率轉(zhuǎn)矩特性一、無(wú)級(jí)變速35二、分段無(wú)級(jí)變速帶有變速齒輪的主傳動(dòng)通過(guò)帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸變速36數(shù)控系統(tǒng)齒輪自動(dòng)換擋功能:M41~M44首先需要在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)區(qū)設(shè)置M41~M44四擋對(duì)應(yīng)的最高主軸轉(zhuǎn)速,數(shù)控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前S指令值,判斷應(yīng)處的擋,并自動(dòng)輸出相應(yīng)的M41~M44指令給可編程控制器(PLC)、控制更換相應(yīng)的齒輪擋,數(shù)控裝置輸出相應(yīng)的模擬電壓。
三、自動(dòng)換擋控制圖5-6主軸分段無(wú)極變速結(jié)構(gòu)示意圖37當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)讀到有擋的變化S指令時(shí),則輸出相應(yīng)的M代碼(M41、M42、M43、M44)。輸出信號(hào)送至PMC。50ms后,CNC發(fā)出M選通信號(hào)Mstrobe,指示可編程控制器可以讀取并執(zhí)行M代碼,選通信號(hào)持續(xù)l00ms。延遲50ms讀取,是為了讓M代碼穩(wěn)定,保證讀取的數(shù)據(jù)正確。
可編程控制器接收到Mstrobe信號(hào)后,立即使M完成信號(hào)為無(wú)效,告訴數(shù)控系統(tǒng)M代碼正在執(zhí)行。圖5-7自動(dòng)換擋時(shí)序圖384)PMC開(kāi)始對(duì)M代碼進(jìn)行譯碼,并執(zhí)行相應(yīng)的換擋控制邏輯。5)M代碼輸出200ms后,數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)設(shè)置輸出一定的主軸蠕動(dòng)量,從而使主軸慢速轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng),以解決齒輪頂齒問(wèn)題。6)可編程控制器完成換擋后,置M信號(hào)有效,并告訴數(shù)控系統(tǒng)換擋工作已經(jīng)完成。7)數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)設(shè)置的每擋主軸最高轉(zhuǎn)速,自動(dòng)輸出新的模擬電壓,使主軸轉(zhuǎn)速為給定的S值。圖5-7自動(dòng)換擋時(shí)序圖39一、概述軸準(zhǔn)停功能又稱主軸定位功能(SpindleSpecifiedPositionStop),即當(dāng)主軸停止時(shí),控制其停于固定的位置,這是自動(dòng)換刀所必須的功能。在自動(dòng)換刀的數(shù)控鏜銑加工中心上,切削轉(zhuǎn)矩通常是通過(guò)刀桿的端面鍵來(lái)傳遞的。這就要求主軸具有準(zhǔn)確定位于圓周上特定角度的功能,見(jiàn)圖5-8。當(dāng)加工階梯孔或精鏜孔后退刀時(shí),為防止刀具與小階梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面,必須先讓刀,后再退刀,而要讓刀,刀具必須具有準(zhǔn)確功能,如圖5-9所示。
5.4主軸準(zhǔn)??刂?0機(jī)械準(zhǔn)停一般要求主軸具有無(wú)級(jí)調(diào)速的功能,接受到數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出準(zhǔn)停指令(如M19)后,控制主軸電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸以可以設(shè)定的準(zhǔn)停速度(一般為小于100r/min的低速,如60r/min)和方向旋轉(zhuǎn)。1)接收到無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)有效信號(hào)后,停止主軸,主軸電動(dòng)機(jī)與主軸傳動(dòng)件依慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn),同時(shí)控制定位銷伸出壓向主軸定位盤。2)接收到定位銷到位信號(hào)后,通知系統(tǒng)準(zhǔn)停指令完成。二、機(jī)械準(zhǔn)停主軸準(zhǔn)??煞譃闄C(jī)械準(zhǔn)停與電氣準(zhǔn)停,它們的控制過(guò)程是一樣的,如圖5-10所示。
41根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的具體特點(diǎn),為防止定位銷提前頂死主軸而使準(zhǔn)停失敗,定位銷伸出的同時(shí)也可以不停止主軸,而是待定位銷到位后立即停止主軸。若接收到取消主軸準(zhǔn)停的指令(如M20)則控制定位銷退回,檢測(cè)到定位銷退回到位的回答信號(hào)后,表示主軸準(zhǔn)停取消的指令完成。采用機(jī)械準(zhǔn)停的方式,主軸準(zhǔn)停定位銷的伸出和退回必須分別有到位檢測(cè)信號(hào),并且必須和主軸的運(yùn)行有互鎖關(guān)系,即:1)主軸以非準(zhǔn)停速度旋轉(zhuǎn)時(shí)不得伸出定位銷;2)若定位銷退回到位信號(hào)無(wú)效則禁止主軸旋轉(zhuǎn);3)若定位銷伸出到位信號(hào)無(wú)效則禁止換刀動(dòng)作繼續(xù)進(jìn)行。42
圖5-11為典型的端面螺旋凸輪準(zhǔn)停裝置。在主軸1上固定有一個(gè)定位滾子2,主軸上空套有一個(gè)雙向端面凸輪3,該凸輪和液壓缸5中活塞桿4相連接,當(dāng)活塞帶動(dòng)凸輪3向下移動(dòng)時(shí)(不轉(zhuǎn)動(dòng)),通過(guò)撥動(dòng)定位滾子2并帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)定位銷落入端面凸輪的V形槽內(nèi),便完成了主軸準(zhǔn)停。因?yàn)槭请p向端面凸輪,所以能從兩個(gè)方向撥動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停。這種雙向端面凸輪準(zhǔn)停機(jī)構(gòu),動(dòng)作迅速可靠,但是凸輪制造較復(fù)雜。機(jī)械準(zhǔn)停還有其他實(shí)現(xiàn)方式,如端面螺旋凸輪準(zhǔn)停等,但基本原理是一樣的。
43
目前中高檔數(shù)控系統(tǒng)均采用電氣準(zhǔn)??刂疲捎秒姎鉁?zhǔn)??刂朴腥缦聝?yōu)點(diǎn):(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單與機(jī)械準(zhǔn)停相比,電氣準(zhǔn)停只需在主軸旋轉(zhuǎn)部件和固定部件上安裝傳感器即可。(2)準(zhǔn)停迅速準(zhǔn)停時(shí)間包括在換刀時(shí)間內(nèi),而換刀時(shí)間是加工中心的一項(xiàng)重要指標(biāo)。采用電氣準(zhǔn)停,即使主軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)完成,大大縮短了準(zhǔn)停時(shí)間。
三、電氣準(zhǔn)停控制
44
(3)可靠性高由于無(wú)需復(fù)雜的機(jī)械、開(kāi)關(guān)、液壓缸等裝置,也沒(méi)有機(jī)械準(zhǔn)停所形成的機(jī)械沖擊、磨損,因而準(zhǔn)??刂频膲勖c可靠性大大增加。
(4)控制簡(jiǎn)單通常只需要主軸準(zhǔn)停指令信號(hào)、準(zhǔn)停完成回答信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)??刂啤?/p>
(5)性能價(jià)格比提高由于簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)和強(qiáng)電控制邏輯,這部分的成本大大降低。但電氣準(zhǔn)停常作為選擇功能,定購(gòu)電氣準(zhǔn)停附件需要另外的費(fèi)用。但從總體來(lái)看,性能價(jià)格比提高。
45目前電氣準(zhǔn)停通常有磁傳感器準(zhǔn)停、編碼器準(zhǔn)停和數(shù)控系統(tǒng)準(zhǔn)停三種。1.磁傳感器主軸準(zhǔn)停磁傳感器主軸準(zhǔn)停控制由數(shù)控系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)器共同完成,與機(jī)械準(zhǔn)停的控制過(guò)程有些類似。在主軸上安裝了一個(gè)磁性體,使之與主軸一起旋轉(zhuǎn),在聚磁性體外1~2mm外固定一個(gè)磁性傳感器。磁性傳感器信號(hào)經(jīng)放大器與主軸控制單元連接,當(dāng)主軸需要定位準(zhǔn)停時(shí)即進(jìn)行控制,其步驟如下:461)轉(zhuǎn)動(dòng)或停止時(shí),數(shù)控裝置發(fā)出準(zhǔn)停指令后,立即控制主軸加速或減速至某一準(zhǔn)停速度(一般很慢)。2)主軸到達(dá)定向速度并且檢測(cè)到準(zhǔn)停位置信號(hào)時(shí)(即磁發(fā)體與磁傳感器對(duì)準(zhǔn)),立即控制主軸停止,并向主軸驅(qū)動(dòng)器發(fā)出位控工作模式指令,主軸驅(qū)動(dòng)器控制主軸電動(dòng)機(jī)在位控模式下靜止鎖死。3)若取消主軸準(zhǔn)停狀態(tài),只需撤銷主軸驅(qū)動(dòng)器的位控工作模式指令,恢復(fù)到速度工作模式即可。這種準(zhǔn)停方式參考位置和準(zhǔn)停位置都是由磁性傳感器決定,受磁性傳感器的精度及磁性體回轉(zhuǎn)半徑影響,準(zhǔn)停精度不是很高。47
安川YASKAWA主軸驅(qū)動(dòng)VS-626MT使用不同的選件可具有三種主軸電氣準(zhǔn)停方式,即磁傳感器型、編碼器型以及由數(shù)控系統(tǒng)控制完成的主軸準(zhǔn)停。YASKAWA主軸驅(qū)動(dòng)加上可選定位件(OrientationCard)后,可具有磁傳感器主軸準(zhǔn)??刂乒δ堋4艂鞲衅髦鬏S準(zhǔn)??刂朴芍鬏S驅(qū)動(dòng)自身完成。當(dāng)執(zhí)行M19時(shí),數(shù)控系統(tǒng)只需發(fā)出準(zhǔn)停起動(dòng)命令ORT,主軸驅(qū)動(dòng)完成準(zhǔn)停后會(huì)向數(shù)控系統(tǒng)回答完成信號(hào)ORE,然后數(shù)控,系統(tǒng)再進(jìn)行下面的工作。其基本結(jié)構(gòu)如圖5-12所示,基本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格如表5-2所示。
48
由于采用了磁傳感器,故應(yīng)避免將產(chǎn)生磁場(chǎng)的元件如電磁線圈、電磁閥等與磁發(fā)體和磁傳感器安裝在一起,另外磁發(fā)體(通常安裝在主軸旋轉(zhuǎn)部件上)與磁傳感器(固定不動(dòng))的安裝是有嚴(yán)格要求的,應(yīng)按說(shuō)明書(shū)要求的精度安裝。
采用磁傳感器準(zhǔn)停時(shí),接受到數(shù)控系統(tǒng)發(fā)來(lái)的準(zhǔn)停開(kāi)關(guān)量信號(hào)ORT,主軸立即加速或減速至某一準(zhǔn)停速度(可在主軸驅(qū)動(dòng)裝置中設(shè)定)。49
主軸到達(dá)準(zhǔn)停速度且準(zhǔn)停位置到達(dá)時(shí)(即磁發(fā)體與磁傳感器對(duì)準(zhǔn)),主軸即減速至某一爬行速度(可在主軸驅(qū)動(dòng)裝置中設(shè)定)。然后當(dāng)磁傳感器信號(hào)出現(xiàn)時(shí),主軸驅(qū)動(dòng)立即進(jìn)入磁傳感器作為反饋元件的閉環(huán)控制,目標(biāo)位置即為準(zhǔn)停位置。準(zhǔn)停完成后,主軸驅(qū)動(dòng)裝置輸出準(zhǔn)停完成ORE停號(hào)給數(shù)控系統(tǒng),從而可進(jìn)行自動(dòng)換刀(ATC)或其他動(dòng)作。磁發(fā)體與磁傳感器在主軸上位置示意如圖5-13所示,準(zhǔn)停控制時(shí)序如圖5-14所示。50編碼器主軸準(zhǔn)停功能由主軸驅(qū)動(dòng)器完成,數(shù)控系統(tǒng)只需發(fā)出準(zhǔn)停指令信號(hào)然后監(jiān)測(cè)主軸驅(qū)動(dòng)器返回的準(zhǔn)停完成信號(hào)即可。在準(zhǔn)停參考位置的獲取上可以分為磁性傳感器式和編碼器Z脈沖式兩種。準(zhǔn)停中主軸驅(qū)動(dòng)器的工作過(guò)程如下:1)接收到準(zhǔn)停指令后,控制主軸電動(dòng)機(jī)以準(zhǔn)停速度和準(zhǔn)停旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)。2)監(jiān)測(cè)到準(zhǔn)停參考位置信號(hào)后,控制主軸電動(dòng)機(jī)相對(duì)準(zhǔn)停參考位置轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度(該角度可以在主軸驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)定和修改)后靜止鎖死。編碼器準(zhǔn)停與磁傳感器的相對(duì)位置。這種準(zhǔn)停方式可以在主軸驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部隨意修改調(diào)整。
2.編碼器型主軸準(zhǔn)停
51主軸準(zhǔn)停參考位置由磁性傳感器獲得時(shí),可以采用主軸電動(dòng)機(jī)內(nèi)部安裝的編碼器信號(hào)(來(lái)自于主軸驅(qū)動(dòng)裝置),也可以在主軸上直接安裝其他編碼器,用于控制主軸轉(zhuǎn)過(guò)的相對(duì)角度;若采用編碼器Z脈沖來(lái)獲得主軸準(zhǔn)停參考位置,則必須安裝與主軸同步旋轉(zhuǎn)的編碼器。另外需要說(shuō)明的是,無(wú)論采用何種準(zhǔn)停方式(特別是磁傳感器定位方式),當(dāng)需要在主軸上安裝元件時(shí)應(yīng)注意平衡問(wèn)題。因?yàn)閿?shù)控機(jī)床的主軸精度、轉(zhuǎn)速都很高,因此對(duì)動(dòng)平衡要求很嚴(yán)格。一般中速以下的主軸的不平衡影響不是很大,但高速主軸的不平衡會(huì)引起主軸振動(dòng)。為適應(yīng)主軸高速化的需要,國(guó)外已開(kāi)發(fā)出整環(huán)式磁傳感器主軸準(zhǔn)停裝置,由于磁性體采用整環(huán)形式,動(dòng)平衡較好。52
安川YASKAWA主軸驅(qū)動(dòng)VS-626MT配置選件板則可具有編碼器主軸準(zhǔn)停功能。這種準(zhǔn)停控制也是完全由主軸驅(qū)動(dòng)完成的,CNC只需發(fā)出準(zhǔn)停命令ORT即可,主軸驅(qū)動(dòng)完成準(zhǔn)停后回答準(zhǔn)停完成ORE信號(hào)。基本規(guī)格如表5-3
位置檢測(cè)方式使用編碼器A,B,C信號(hào)準(zhǔn)停位置基本準(zhǔn)停位置為編碼器零位C脈沖到達(dá)處,準(zhǔn)停位置偏移可在主軸驅(qū)動(dòng)內(nèi)部或外部指定重復(fù)準(zhǔn)停精度小于±0.20誤差修正力矩額定力矩/±0.10誤差選件板JPAC-C236編碼器型號(hào)PC-1024ZLH表5-3YASKAWA編碼器準(zhǔn)停規(guī)格53
圖5-15為編碼器主軸準(zhǔn)??刂平Y(jié)構(gòu)圖??刹捎弥鬏S電動(dòng)機(jī)內(nèi)置安裝的編碼器信號(hào)(來(lái)自主軸驅(qū)動(dòng)裝置),也可在主軸上直接安裝另一個(gè)編碼器。采用前一種方式要注意傳動(dòng)鏈對(duì)主軸準(zhǔn)停精度的影響。主軸驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)部可自動(dòng)轉(zhuǎn)換,使主軸驅(qū)動(dòng)處于速度控制或位置控制狀態(tài)。采用編碼器準(zhǔn)停,準(zhǔn)停角度可由外部開(kāi)關(guān)量(十三位)隨意設(shè)定,這一點(diǎn)與磁準(zhǔn)停不
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