数控磨床模拟主轴控制 - 文章

数控磨床模拟主轴控制

作者：杭州机床集团技术中心陈眉

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数控机床标准的配置为伺服轴+主轴。伺服轴控制各坐标的运动，主轴控制主轴的速度、位置。数控系统标准配置的数字主轴，由电源模块、功率驱动模块、主轴电机构成，具有控制精度高，动态响应好的特点。但在主轴功率大，对控制精度和动态响应要求不是很高的情况下，数字主轴就显得成本太高。这是可以采用数控系统的“模拟主轴”功能。模拟主轴就是数控系统输出模拟电压信号，后级采用普通的交流变频器和交流变频电机来实现主轴控制。目前一般的数控系统中都具有“模拟主轴”功能，按不同品牌此功能有的作为标准配置，有的作为用户选件定购。

鼠笼式交流异步电动机使用交流变频器调速时，变频器将外部交流电源变为直流，经过平滑滤波，在经过逆变回路把直流变成不同频率的交流电，使电机获得无级调速所需要的电压、电流、频率。这种变频器结构简单，电网功率因数较好。近年来随着控制技术的发展，由矢量控制模式逐步取代了传统的V-F控制模式，调速性能有了很大提高。同时由于功率器件质量稳定，保护电路设计日趋完善，交流变频器的可靠性相当不错，已大量的进入工业和民用的领域。同时随着变频器技术的成熟，配套于变频器的变频电机也得到广泛应用。变频电机在调速性能特别是低速段性能大大优于普通交流电机。为了保证在不同的转速下的通风散热，变频电机中的风扇不是安装在电机轴上由电机同步带动，而是有独立的电源供给风扇电机，这部分结构与数控用主轴电机是类似的。

我公司生产的HZ-073数控陶瓷切割机，采用西门子802D数控系统控制。数控轴为X、Y、Z三个伺服轴。主轴采用日本三菱FR-A540变频调速器+11KW先马变频调速电机，主轴未装编码器，802D数控系统用“模拟主轴”功能控制主轴。

西门子802D数控系统标准配置可带4个伺服轴和一个主轴。此主轴可以是使用西门子1PH7主轴电机的数字主轴，也可以是模拟主轴(变频器)。模拟主轴功能的实现不需另加轴卡之类的硬件。802D的配套驱动模块SIMODRIVE 611UE可以在同一模块上设定一个叠加轴。例如一个车床系统带有两个数字进给轴和一个模拟主轴，正好由一个611UE模块实现。611UE的模拟输出口用于输出主轴速度给定。611UE上的数字输出可用于模拟主轴的使能控制。WGS接口用于主轴编码器作为速度反馈。611UE的模拟输出采用8位D/A转换器，模拟给定的最小当量为78 m V,因此802D的模拟主轴不适用于要求精确定位的场合。

系统连接如图

在802D数控系统中如所配置的PLC I/O点允许，也可采用PLC输出点控制变频器使能信号。即上图中KA3.KA4由PLC直接控制。

在设计、连接电气控制系统时需要注意抗干扰问题。系统可以采用浮地连接，但推荐采用共地连接。共地连接可以保证系统稳定可靠运行，前提是必须由良好的地。共地是指系统的24V电源的0V于保护地PE连接，浮地指电源0V与保护地PE断开。良好的接地是系统稳定可靠运行的保证。

使用模拟主轴时要特别注意的是变频器到主轴电机的电缆应与信号电缆分开走线，且在电气柜中的长度尽可能短。此电缆最好采用屏蔽电缆。611UE为变频器提供的模拟信号应采用屏蔽电缆与变频器连接，屏蔽网应在变频器一端接地。

在完成正确的连接之后，需对数控系统及变频器作正确的配置。

首先在802D PCU中作参数设置。

机床数据MD11240=3或4。

按正常情况设定主轴数据：

MD30130、MD30240、MD32000、MD32020、MD35130、MD35130、MD36200等。
MD30110、MD30220的值，与携带轴（即主轴模拟信号输出所在611UE驱动模块的A通道，PROFIBUS地址为12或10）设为一致。
MD30134,指定802D模拟主轴控制的3种不同模式

1.双极性主轴，正负10V,数字输出O0.A伺服使能。
2.单极性主轴，0-正10V,数字输出O0.A 伺服时能，O1.A旋转方向。
3.单极性主轴，0-正10V,数字输出O0.A CW使能，O0.1A CCW使能。

选择何种方式由所带变频器对输入信号的要求决定。我们选用的三菱FR-540A对应选择第2种控制模式。

MD32250 输出模拟值的百分数。
MD32260 1OV模拟值时对应的主轴最大转速。（调节模拟接口）

参数MD32250、MD32260要在西门子专家级系统口令下设定的，设定完毕后必须删除此口令，以免由于误操作导致改动系统设定。

下一步设定西门子伺服驱动器611UE数据，打开61UE模块上的的模拟信号输出。

这时需要使用西门子专用工具软件SIMOCOMU。将计算机的RS232串口与611UE的X471口连接，启动SIMOCOMU软件，选择联机方式，激活显示滤波器DISPLAY FILTER,进入专家表，配置携带轴的相关参数。

P890=4
P922=104

P1007=编码器线数，与主轴参数31020相同。

存储数据上电复位后

P922=0
P915(8)=50103
P915(9)=50107

下一步设定变频器参数。

在我们使用的三菱FR-A540变频器中，主要参数按常规设定。要注意的几个参数是：

Pr73 对应802D模拟主轴的第2种控制模式，设定为 0。
Pr79 操作方式设定为2 ，外部操作。
Pr903 此参数与Pr73参数相关，调整为10V时偏置100%。

对于我们的切割机和磨床，还有Pr250 停止方式选择要设定。我们设定停止方式为：当启动信号变为off,经过设定时间后输出停止，电机依靠惯性停止方式。使停止动作与磨头机械结构相适应，避免产生快速制动力矩。由于数控系统中对轴的加减速时间参数是同一个，不可能在数控中设定完全符合我们的主轴所要求的加减速时间常数，所以对主轴停车时的控制必须在变频器侧辅助实现。

在作完各部件的设置后。在机床PLC梯图中，对主轴部分作相应编程。

主轴JOG部分梯图如下

主轴各使能信号，保护电路，主轴倍率修调部分均与数字主轴的要求一样，不再给出梯图部分。

现在主轴的操作与数字主轴完全相同，速度可由按钮站上的主轴备率开关调节，也可在加工程序里设定，适合自动加工时，在不同加工段时，配合伺服轴不同进给速度，主轴工作在不同转速。只要编入S xxx M3/M4 的语句即可方便实现主轴转速自动调节（这里xxx是指定的主轴转速）。我们的HZ-073机床交付用户半年多来，运行稳定可靠，数控系统及变频器部分均无影响工作的干扰现象出现。上述模拟主轴的功能也适用于电主轴的控制，在MGS7130高速磨床的电主轴控制中，采用的就是这种控制方式，由802D给出模拟主轴信号到高速电主轴控制器。

在电主轴中，主轴电机的速度反馈信号一般直接送到电主轴的变频器实现速度的平稳精确。非电主轴时也可选用带反馈接口的交流变频器或直接将速度反馈信号接入数控的专用速度反馈接口。这样可以实现更稳定的高速运行及用较低的成本和高的可靠性实现精细的恒线速控制。模拟主轴在数控铣床、数控车床都已广泛应用，也是适合数控磨床的一项技术。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/15/2005)


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