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    【摘要】主軸控制類型、變頻器對(duì)模擬主軸的控制原理，參數(shù)設(shè)定，編碼器設(shè)置等。
   
    【關(guān)鍵詞】數(shù)控系統(tǒng) 模擬主軸 編碼器
 
     機(jī)床制造業(yè)是一個(gè)國家裝備制造業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，體現(xiàn)了一個(gè)國家現(xiàn)代化和工業(yè)化的技術(shù)水平。經(jīng)過幾十年的積累和發(fā)展，我國的機(jī)床制造業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，但是與發(fā)達(dá)國家相比，尚有較大的差距，原因是我國數(shù)控機(jī)床起步晚，很長(zhǎng)時(shí)間沒有自己的數(shù)控系統(tǒng)，完全靠進(jìn)口配套數(shù)控系統(tǒng)，現(xiàn)在市場(chǎng)上存在大量的普通機(jī)床，可以對(duì)現(xiàn)有的機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造。本文將對(duì)主軸的改造進(jìn)行介紹，提出模擬主軸控制的方案。
 
     機(jī)床的主軸作為關(guān)鍵的機(jī)床動(dòng)力部分，常見于車床和銑床。裝備刀具后通過主軸旋轉(zhuǎn)可以進(jìn)行車削、銑削加工工件。普通主軸控制簡(jiǎn)單，直接由傳統(tǒng)繼電器控制。而數(shù)控機(jī)床主軸需要做速度控制；所以，控制系統(tǒng)一般采用速度控制。
 
     數(shù)控機(jī)床主軸有模擬主軸和數(shù)字主軸分別，數(shù)字主軸一般用于精加工領(lǐng)域，特點(diǎn)控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，粗加工、半精加工，對(duì)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不高的情況下，采用模擬主軸更具實(shí)用性。于是市場(chǎng)上有了模擬主軸的改造需要。
 
     1 、模擬主軸電氣控制設(shè)計(jì)
 
    模擬主軸電氣部分包括主軸電機(jī)和變頻器等硬件設(shè)備，接下來著重談?wù)勔韵聨追矫娴?問題。
 
    1.1 速度信號(hào)的設(shè)計(jì)

    外圍輸入設(shè)備，包括面板、觸摸屏、鍵盤等傳輸給 NCU（數(shù)控系統(tǒng)中心）零件加工程序比如M03 S200主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分鐘，NCU 將指令進(jìn)行運(yùn)算處理輸出一個(gè)模擬量信
號(hào)可以使電壓、電流，作為變頻器的輸入信號(hào)，一般為 0 ～ 10V 的模擬電壓信號(hào)。由于信號(hào)量程比較小，很容易受到電磁干擾，對(duì)數(shù)控機(jī)床工作環(huán)境中信號(hào)的傳輸應(yīng)采取抗干擾措施進(jìn)行屏蔽，如圖 l 展示的是力士樂公司生產(chǎn)的博世力士樂 G5 系列變頻器對(duì)速度信號(hào)(0～10V)接線示意圖，源自《FSCG05-A力士樂說明手冊(cè)》。由數(shù)控系統(tǒng)中心發(fā)出電壓
信號(hào)通過 V11、GND 兩端口送入變頻器。該模擬信號(hào)的傳輸屏蔽電纜近端接地進(jìn)行傳輸。同時(shí)對(duì)變頻器配電線路采取加裝電抗器，濾波器加以對(duì)電磁干擾，噪音的抑制，如圖 2 所示。通過對(duì)采用該方案的數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行工況進(jìn)行比對(duì)，在實(shí)際的生產(chǎn)中能保證主軸變頻器控制的精度、運(yùn)行穩(wěn)定。
 

      圖 1：主軸變頻器線路設(shè)計(jì)
  

     
  
      圖 2：系統(tǒng)配線圖
   

     
  
      圖 3：主軸編碼器與 CNC 連接
 
      1.2 主軸方向信號(hào)的處理
 
      不同品牌的數(shù)控系統(tǒng)，關(guān)于主軸參數(shù)設(shè)置不盡相同，現(xiàn)通過德國西門子 802 系統(tǒng)進(jìn)行展示。該系統(tǒng)對(duì)主軸分類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(shí)，數(shù)控裝置主軸驅(qū)動(dòng)接口輸出的速度信號(hào)范圍一般為0 ～ 10V，這個(gè)速度信號(hào)的大小直接決定著變頻器輸出的頻率，因?yàn)?n=60f/p，從而調(diào)整了主軸電機(jī)的速度。而主軸電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向則由可編程控制器（PLC）控制；因此對(duì)于單極性主軸而言，在對(duì) PLC 做 I/O 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮主軸正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個(gè)輸出點(diǎn)，如表 1 中，I0.3、I0.4 分別控制 PLC 的輸出點(diǎn) Q1.0、Q1.1；向變頻器送入正反轉(zhuǎn)控制開關(guān)量信號(hào)。對(duì)于雙極性模擬主軸，主軸驅(qū)動(dòng)接口輸出的速度信號(hào)范圍一般為一 10V ～ +10V，這個(gè)速度信號(hào)的大小同樣決定著變頻器的輸出頻率和主軸電機(jī)速度，而主軸電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向不由 PLC 控制，而是由速度信號(hào)的正、負(fù)極性決定。
 
      單極性和雙極性主軸，還需要在數(shù)控裝置中正確設(shè)置相關(guān)的主軸極性參數(shù)。可以查詢《Siemens.AG. Sinumerik 802D 功能說明》，No.30134(IS_UNIPOLAR_OUTPUT) 參數(shù)為
siemens802D 數(shù)控系統(tǒng)的單、雙極性模擬主軸的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置。
 
      其設(shè)置釋疑為 0：正 / 負(fù)速度給定值雙極性輸出；
 
     1：?jiǎn)螛O性輸出（控制使能，負(fù)方向進(jìn)給）；
 
     2：?jiǎn)螛O性輸出（正反控制使能，負(fù)方向進(jìn)給控制使能）。
 
     1.3 主軸編碼器
 
     現(xiàn)今主軸速度的檢測(cè)是依靠脈沖編碼器完成的，其作為最主要的檢測(cè)原件，作用如下：
 
    （1）完成對(duì)主軸速度的測(cè)算；
    （2）實(shí)現(xiàn)多種形態(tài)加工功能，完成主軸與伺服軸關(guān)聯(lián)的運(yùn)行 ( 各種螺紋切削、定速切削、攻牙攻絲要求 )；
    （3）完成準(zhǔn)確角度的主軸定位，在換刀具時(shí)的旋轉(zhuǎn)定位功能。光電脈沖發(fā)生器是與主軸同速的，連接機(jī)構(gòu)同速一并轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)床的主軸與其他幾個(gè)物理軸是沒有物理上的關(guān)聯(lián)的，但要能完成功能化多樣性的加工，就必須讓兩者之間架構(gòu)出一定的配比關(guān)系并運(yùn)轉(zhuǎn)，而主軸脈沖編碼器正是為此問題而設(shè)計(jì)運(yùn)用的。
   
                                   表 1：主軸控制地址
  
   

     脈沖編碼器是將物理機(jī)械角度轉(zhuǎn)化為電氣角度的脈沖元件，有光電式接觸式和電磁感應(yīng)等類型；光電式脈沖編碼器無論在各種性能指標(biāo)上都比較優(yōu)異，多數(shù)廠家采用這類元件。光電式脈沖編碼器分為增量式和絕對(duì)式兩種，第一個(gè)是能對(duì)速度和方向進(jìn)行測(cè)量，便宜，但斷電零點(diǎn)丟失、沒有抗干擾能力、不適合需要記憶零點(diǎn)的工況；絕對(duì)樣式的不存在前面的問題，能夠在斷電后記憶零點(diǎn)，精度更高，進(jìn)而適用于高精度機(jī)床。
 
    增量式編碼器可以有正弦波、方波等多種的信號(hào)形態(tài)。輸入電壓信號(hào)一般是直流 5V，通過外部電源提供也可以是plc或者系統(tǒng)本身；采用差分驅(qū)動(dòng)輸出形式 abz 三種通道，每個(gè)分為正負(fù)兩個(gè)，這種方式下，能夠使得電流不減弱、提高傳輸信號(hào)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。A 與 B之間是有 90 度，速度可以依據(jù)每秒的秒沖數(shù)量來換算，方向能夠憑借 AB 的角度差來規(guī)范定義；Z 作為 0 點(diǎn)的標(biāo)記通道，一轉(zhuǎn)就輸出一個(gè)標(biāo)記信號(hào)，作為定位的標(biāo)記。
 
     機(jī)床設(shè)計(jì)者在配備編碼器時(shí)候會(huì)考慮以下幾個(gè)方面：一是主軸編碼器反饋接口與編碼器輸出端口要為統(tǒng)一類型定義的；二傳輸線的長(zhǎng)度計(jì)算；三是屏蔽的設(shè)計(jì)，優(yōu)化。
 
    查詢《GSK983M 銑床數(shù)控系統(tǒng)連接手冊(cè)》，如圖 3 為廣州數(shù)控銑床上 CNC 與主軸編碼器的接線圖。
 
     1.4 主軸故障測(cè)控
 
     現(xiàn)在的伺服控制器或者變頻裝置都是有故障測(cè)控的，在報(bào)警時(shí)候有相應(yīng)的輸出功能。變頻器運(yùn)行時(shí)候，發(fā)生報(bào)警時(shí)相應(yīng)的輸出端子輸出信號(hào)給 PLC，再輸出到聲光報(bào)警的終端，可以判別機(jī)器是否運(yùn)行正常化，從而決定反饋系統(tǒng)是否繼續(xù)運(yùn)行或者停機(jī)保護(hù)。
 
     1.5 主軸剎車
 
    比如伺服器或者變頻器都有制動(dòng)功能，機(jī)床各軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)下剎車制動(dòng)，如該剎車電阻的功能不夠強(qiáng)大、導(dǎo)致發(fā)熱或者制動(dòng)電路的過壓時(shí)，要重新選配大的電阻，保證剎車的完備和安全運(yùn)行；在設(shè)計(jì)時(shí)候要計(jì)算組件的參數(shù)，參考電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，計(jì)算制動(dòng)電阻阻值，選擇架構(gòu)類型，選擇功率大小來完成相關(guān)設(shè)計(jì)。
 
     1.6 電氣接地
 
     在工況復(fù)雜的工作環(huán)境中充不滿了各種電磁干擾，一臺(tái)高精密的數(shù)控設(shè)備，其干擾源為變頻器，必須對(duì)其實(shí)施屏蔽。變頻器自身是能夠?qū)χ苓叺碾娖髟斐蓮?qiáng)大的干擾的。必須要進(jìn)行接地處理；而這樣即是對(duì)其本身的保護(hù)，也是對(duì)其他的設(shè)備的防護(hù)。
 
    通常接地我們按照下面這樣進(jìn)行，一變頻器的輸入的 PE 端子接地良好可靠，這樣在源頭的部分就能有效的抑制干擾進(jìn)出和輸出。接地體必須要參照 GB 進(jìn)行，才能達(dá)到良好的效果，不能簡(jiǎn)單的將 PE 接入工況的 PE 公共端了事。二是控制信號(hào)線路上進(jìn)行單端屏蔽層接地處理，有效的減低外界對(duì)其信號(hào)的干擾。
 
    2 、結(jié)束語
 
    我國工業(yè)水平的日益提升，裝備制造業(yè)也日趨成熟，但是數(shù)控機(jī)床的改造水平仍然和國外有很大差距；此文簡(jiǎn)述了本人對(duì)模擬主軸改造時(shí)候的一些觀點(diǎn)，綜合了工作中的經(jīng)驗(yàn)和心得，希望對(duì)廣大的工控從業(yè)者有所幫助。