数控加工中心电主轴星三角转换控制技术的开发及应用

作者：崔晓艳 宿建友

欢迎访问e展厅 展厅 3 数控机床/铣床展厅 数控铣床, 摇臂铣床, 立式铣床, 转塔铣床, 炮塔铣床, ... 随着电力电子和数控技术的进步，高速电主轴技术已开始广泛应用于航空、航天以及模具等行业，由于此项技术不仅可以获得更高的生产率，而且能够获得很高的加工质量，降低生产成本，因此数控机床用电主轴高速化已成为目前发展的普遍趋势，正在成为当今金切加工的主流技术。而随着机床技术、高速切削技术的发展和实际应用的需要，对机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求，多数数控机床需要同时满足低速粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求，因此，机床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。现在越来越多的电主轴生产厂家开发出的加工中心用电主轴，可以在星形和三角形连接方式下运行，不仅可以满足用户对电主轴的高速加工要求，同时也能满足低速下的大扭矩加工要求，使电主轴的使用范围更加广泛。 作为使用这种星三角转换运行结构的电主轴的机床厂家来说，如何实现电主轴星三角的安全切换，保证数控机床的正常运行，保护电主轴和伺服驱动模块的使用寿命，既能发挥电主轴的高速特性，又能发挥电主轴低速大扭矩加工的特点，是一项关键的控制技术。济南二机床集团有限公司利用西门子840D数控系统成功实现了额定转速12000r/min的电主轴的星三角转换运行。 电主轴星三角运行特点 常规电主轴使用时，只能限制小进给量加工，使用星三角转换运行技术后，可以在星形运行状态下实现大进给量加工。例如，三角形运行方式下主轴扭矩连续工作能达到155.9N·m；而星形运行方式下连续工作时的扭矩可达到305.6N·m。 电主轴在星形接法运行时电主轴扭矩高，最高转速达到3000r/min；在三角形接法运行时扭矩相对小，转速可达到12000r/min。从图1可以看出在不同的接法运行时，速度相同但扭矩是明显不一样的。 在低速阶段，相同的转速时转换为星形接法运行，可以使电主轴产生高扭矩。 电主轴主电路星三角转换电路图 对图2电路图中电主轴主电路接触器控制器动作有如下要求： （1）星形时保证Kx、K2接触器吸合，K1不吸。 （2）三角形时保证Kx、K1接触器吸合，K2不吸。 加入Kx接触器是为了构成一个可靠的安全回路，因为仅打开K1和K2并不能确保回路安全。Kx接触器只有确保K1、K2其中一个接触器吸合另一个接触器断开时才能吸合，因此，必须考虑从硬件连接继电器控制回路中设置安全互锁，如图3所示。 PLC控制程序的设计 1 设计控制程序首先满足的因素 切换时为了保证数控驱动系统不出故障，切换过程中减少电流冲击和产生电火花，电主轴必须处于停止运转状态，即保证速度为零；必须保证接触器切换的时间不能小于0.5s。 2 分析西门子840D系统星三角转换功能块FC17 理解FC17控制的星三角转换的逻辑动作。如下动作时序图见图4： ·星形转换为三角形； ·三角形转换为星形。 从图4可看出，FC17功能块控制的逻辑动作分为以下6个步骤： （1）通过外接指令向NC发出转换指令。 （2）告知NC取消主轴“电机选择”接口信号，即DB34.DBX21.5=0。同时去掉脉冲使能信号。 （3）NC选择“电机选择A”接口信号DB34.DBX21.3=1，系统进入转换过程。 （4）FC17接到NC将DB34.DBX21.7置零后DB34.DBX93.7=0，并告知PLC。 （5）系统确认驱动已进行电机选择，FC17等待延时时间到后，将当前的控制转换输出信号复位为零，当前吸合的接触器打开。 （6）系统再次延时后，要求的控制转换输出信号强制为1，另一个接触器吸合，将电机选择接口信号DB34.DBX21.5置为1，允许电机可以在选择的电机转换方式下运转。 3编制电主轴星三角切换控制程序 ANDB34.DBX61.4//主轴静止状态 JCSTAR AI7.0//星三角切换键 FPM 99.0 JCNSTAR ANQ5.0//主轴处于星形运转状态指示灯 =Q5.0//主轴处于星形运转状态指示灯 STAR: I7.0//星三角切换键 =DB2.DBX182.1//主轴转速不为零不能进行切换提示。 ANQ5.0//主轴处于星形运转状态指示灯 =M99.1//电机默认是三角形运行方式。 CALL"YDelta"//调用西门子功能块FC17 YDelta:= M99.1//M99.1=1DELTA M99.1=0 STAR SpindleIFNo:=4//主轴号 TimeVal:=S5T#1S//计时时间 TimerNo:=41//计时器号 Y:=Q56.7//星形继电器吸合控制输出点 Delta:=Q48.0//三角形继电器吸合控制输出点 Ref:=MW50 OI34.6//三角形控制接触器使能信号 OI35.0//星形控制接触器使能信号 =Q44.5//电主轴电机安全控制回路接触器控制输出点 AI34.6//三角形控制接触器使能信号 AI34.2//安全控制接触器使能信号 =Q4.6//指示灯提示主轴处于三角形运行状态 4设置电主轴参数 根据电主轴厂家提供的电机参数表，在西门子840D系统中配置电机参数，分5步设置： 第一步：选择电机→将电机1设为电主轴星形运行的参数，输入参数后要求数控系统计算数据，生成与电机匹配的电机参数（注意：1100是代表驱动模块，1150磁通控制P增益）。 第二步：同样方法，将电机2设置为电主轴三角形运行时的参数，注意设置好1062、2062（关闭保持制动转速）参数。 第三步：检查一遍加入数控系统的电机参数。 第四步：激活西门子系统星三角转换功能，设1013=1，激活FC17功能块。 第五步：主轴轴参数的设置要求。 主轴设置参数按三角形的主轴最大参数设置，并且特别注意电主轴无刀夹紧时要激活35160的速度限制，即无刀时不允许主轴高速运转。 电主轴星三角形分别试运转 1接线方式 根据主电路图检查接线，保证接线必须正确。 2接触器动作顺序检查 为安全起见，首先电机不接动力线进行接触器动作顺序试验，确保电主轴星形运行时Kx、K2接触器吸合，K1不吸。切换为三角形时，保证Kx、K1接触器吸合，K2不吸，并且反复试验K1、K2之间切换的间隔时间，力求达到最佳切换。 3试运转 在星形接法下试运转，检验它的最大速度是否符和要求。在星形接法下试运行时，其最大速度不超过由电机参数1146设置的限速值3000r/min。试验证明，与轴参数35100的最大主轴速度值无关。 在三角形接法下试运转，检验它的最大速度是否符和要求。在三角形接法下试运行时，其最大速度不超过由电机参数2146的限速值12000r/min。试验证明，主轴转速在12000r/min范围内运转正常（提示：星三角转换只能在速度模式下转换，不能在轴模式下执行M70或SPOS指令后进行）。 4电主轴电流环、速度环优化 对星形和三角形连接方式下的电主轴进行电流环和速度环优化，优化电主轴运转后，电主轴的运转达到最佳的静态特性和动态特性。 应用 面对航空航天等产品的零件加工的复杂化和整体化，电主轴星三角转换运行技术的应用发挥了巨大作用。大型飞机的机身、机翼是飞机上的关键零部件，具有尺寸大、曲折面多的特点，加工起来难度很大，留有的加工余量大小不一，用普通机床加工时周期长，刀具磨损严重且加工振动明显，加工零件表面存在大量振纹。飞机零件加工厂家使用了电主轴星三角转换技术，对加工零件余量大的部位，将电主轴转换成星形接法运行，采用大切削深加工, 充分发挥了电主轴低转速大扭矩的优点。加工过程中电主轴的温升正常，噪音符合要求，有效延长了电主轴及刀具的使用寿命。使用三角形接法运行，能满足电主轴高转速、宽调速范围、高速瞬间准停的动态特性和静态特性的要求，刀具进给持续，运动轨迹光滑，确保了加工出来的零部件表面质量一致性。加工的零件在满足技术指标要求的同时，效率提高了200%，生产周期由原计划的30天提前到15天。总之通过电主轴星三角转换运行技术的使用，实现了大型零部件一次装夹完成多次的切削加工，解决了该类零件加工中存在的周期长，成本高，精度难以控制等问题。通过用户对该技术的实际应用，验证了该技术的有效性。 结论 目前，单纯通过增加数控设备和设备种类，并没有带来产品制造能力明显的提升，数控加工中心通过使用电主轴星三角转换运行技术后，满足了不同的加工要求，扩大了数控加工中心的加工范围，满足了航空航天制造领域高速、高效切削为特征的高性能切削加工的要求，提高了数控加工中心的利用率。(end)

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