FANUC系統(tǒng)數(shù)控車床主軸轉(zhuǎn)速控制與調(diào)整

周蘭

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢430050)

普通車床改造為數(shù)控車床，主運(yùn)動(dòng)改造是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在主軸箱機(jī)械結(jié)構(gòu)及電氣驅(qū)動(dòng)硬件改造完成后，機(jī)床調(diào)試時(shí)必須保證主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令速度一致。作者結(jié)合機(jī)床改造案例，給出了這類問題的完整解決方案。

1 數(shù)控車床主軸控制方式

1.1 串行主軸與模擬主軸

根據(jù)所使用主軸電機(jī)及主軸放大器不同，F(xiàn)ANUC 系統(tǒng)數(shù)控車床主軸控制分為串行主軸和模擬主軸兩種方式。采用FANUC 公司主軸電機(jī)及主軸放大器則為串行主軸;采用非FANUC 公司主軸電機(jī)，數(shù)控系統(tǒng)通過變頻器控制主軸電機(jī)方式則為模擬主軸。串行主軸、模擬主軸硬件連接如圖1 所示。

圖1 串行主軸、模擬主軸硬件連接

1.2 分段無級(jí)變速與帶傳動(dòng)變速

數(shù)控車床主軸機(jī)械傳動(dòng)常見有3 種方式，如圖2所示。

圖2 主軸運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)方式

(1)分段無級(jí)變速。主軸電機(jī)通過有限級(jí)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，這種傳動(dòng)方式適用于大型數(shù)控機(jī)床特別是強(qiáng)力切削的場合;

(2)帶傳動(dòng)變速。主軸電機(jī)通過同步帶傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，這種傳動(dòng)方式適用于中小型數(shù)控機(jī)床特別是對(duì)抗振性要求較高的場合;

(3)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。主軸電機(jī)通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)或直接采用電主軸，這種傳動(dòng)方式適用于小型數(shù)控機(jī)床特別是高精度加工場合。

其中分段無級(jí)變速需要進(jìn)行主軸換擋操作，根據(jù)待加工工件不同材料、不同加工階段將主運(yùn)動(dòng)置于不同擋位，滿足主運(yùn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)矩要求。

2 串行主軸調(diào)試

2.1 主軸箱變速

原車床數(shù)控化改造后主軸箱保留3 個(gè)擋位，傳動(dòng)鏈?zhǔn)疽鈭D如圖3 所示，各擋位齒輪齒數(shù)如表1 所示。

圖3 數(shù)控車床主軸箱傳動(dòng)鏈

表1 數(shù)控車床主軸箱各擋位齒數(shù)及地址

2.2 數(shù)控系統(tǒng)串行主軸相關(guān)參數(shù)設(shè)定

串行主軸配置FANUC 電機(jī)，型號(hào)為βiI3/10000，主軸電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為10 000 r/min。為保證主軸正常及準(zhǔn)確運(yùn)轉(zhuǎn)，須對(duì)數(shù)控系統(tǒng)主運(yùn)動(dòng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算與設(shè)置，如表2 所示。

表2 串行主軸參數(shù)設(shè)定

2.3 串行主軸轉(zhuǎn)速調(diào)試

MDI 方式下編輯“M03S－;”程序，在低擋、中擋、高擋下分別運(yùn)行該程序，得到主軸指令轉(zhuǎn)速與主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 各擋位主軸指令轉(zhuǎn)速與主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系

繪制主軸指令轉(zhuǎn)速與主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系圖如圖4所示?？梢钥闯?假設(shè)將主軸電機(jī)最高鉗制速度設(shè)定為1 000 r/min 時(shí)(PRM3736 設(shè)定)，各擋位主軸速度范圍分別是低擋0 ～333 r/min、中擋333 ～739 r/min、高擋739 ～16 667 r/min。

圖4 主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

關(guān)于串行主軸轉(zhuǎn)速控制，通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和關(guān)系圖，得出以下結(jié)論:

(1)正確設(shè)定機(jī)械傳動(dòng)比。參數(shù)3741 ～3743 設(shè)定值是依據(jù)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速(如10 000 r/min)和各擋位機(jī)械傳動(dòng)比(如i 為30/90、51/69、75/45)進(jìn)行計(jì)算，體現(xiàn)主軸電機(jī)和主軸之間機(jī)械傳動(dòng)關(guān)系，參數(shù)設(shè)定不正確導(dǎo)致主軸轉(zhuǎn)速不正確;

(2)合理選擇主軸擋位。該機(jī)床參數(shù)3736 設(shè)定主軸電機(jī)最高鉗制速度為1 000 r/min，當(dāng)給定主軸轉(zhuǎn)速S400，主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速測試數(shù)據(jù)低擋時(shí)為1 199 r/min，中擋時(shí)為542 r/min，高擋時(shí)為239 r/min。顯然當(dāng)主軸指令轉(zhuǎn)速S400 時(shí)如果選擇低擋，電機(jī)超出了允許最高轉(zhuǎn)速范圍。調(diào)試數(shù)據(jù)表明:參數(shù)3736 對(duì)于車床系統(tǒng)主軸最高速度鉗制無效(對(duì)數(shù)控銑MD 系統(tǒng)主軸鉗制有效)。無論主軸箱處于哪個(gè)擋位，均可通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來達(dá)到主軸指令轉(zhuǎn)速要求。因此對(duì)于分段無級(jí)變速手動(dòng)換擋方式，須根據(jù)主軸指令值和各擋位速度范圍合理選擇變速擋位;

(3)要正確設(shè)定主軸電機(jī)編碼器和主軸位置編碼器類型和傳動(dòng)比，反映編碼器和所測量軸(電機(jī)轉(zhuǎn)子、主軸)傳動(dòng)關(guān)系。

3 模擬主軸轉(zhuǎn)速調(diào)試

對(duì)于采用變頻驅(qū)動(dòng)模擬主軸控制，為了使主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速一致，應(yīng)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)和變頻器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3.1 數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整

(1)參數(shù)3730 設(shè)定。參數(shù)3730 用于設(shè)定主軸速度模擬輸出增益調(diào)整數(shù)據(jù)。在數(shù)控車床調(diào)試時(shí)，根據(jù)所使用主軸電機(jī)技術(shù)指標(biāo)和機(jī)械傳動(dòng)比，將體現(xiàn)主軸最高轉(zhuǎn)速1 400 r/min 數(shù)據(jù)設(shè)定于參數(shù)3741 中，該參數(shù)對(duì)應(yīng)于數(shù)控系統(tǒng)輸出最高模擬電壓10 V，按照以下步驟進(jìn)行參數(shù)3730 設(shè)定和計(jì)算:

①先將參數(shù)3730 設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值1000;

②MDI 方式下運(yùn)行程序“M03S1400;”，指定主軸速度模擬輸出最大電壓(10 V)時(shí)速度;

③測量此轉(zhuǎn)速下變頻器模擬電壓輸入接口處電壓，測量值為9.86 V;

④參數(shù)3730 設(shè)定值計(jì)算。按照下式進(jìn)行計(jì)算:

將該值重新設(shè)定于參數(shù)3730 中;

⑤MDI 方式下重新運(yùn)行程序“M03S1400;”，觀察主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速為1 400 r/min 左右，測量變頻器實(shí)際模擬電壓為10.11 V，在允許范圍內(nèi)浮動(dòng)。

(2)參數(shù)3731 設(shè)定。參數(shù)3731 設(shè)定值為主軸速度模擬輸出偏置電壓補(bǔ)償量。機(jī)床調(diào)整時(shí)將電機(jī)最低轉(zhuǎn)速(如為0 r/min)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)輸出模擬電壓為0 V，按照以下步驟進(jìn)行參數(shù)3731 設(shè)定和計(jì)算:

①將參數(shù)3731 設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值0;

②MDI 方式下運(yùn)行程序“M03S0;”，指定成為主軸速度模擬輸出最小電壓(0 V)時(shí)的主軸速度;

③測量此時(shí)變頻器模擬電壓輸入接口處電壓，測量值為－0.11 V;

④參數(shù)3731 設(shè)定值計(jì)算。按照下式進(jìn)行計(jì)算:

將該值設(shè)定于參數(shù)3731 中;

⑤MDI 方式下重新運(yùn)行程序“M03S0;”，觀察主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速為0 r/min，測量變頻器實(shí)際電壓為0 V，符合要求。

3.2 變頻器參數(shù)調(diào)整

所改造車床使用歐姆龍3G3JZ 變頻器，根據(jù)三相電源和電機(jī)技術(shù)參數(shù)設(shè)置變頻器參數(shù)，需設(shè)置參數(shù)如下:

(1)設(shè)定變頻器工作頻率。根據(jù)所使用電網(wǎng)三相交流電頻率，將變頻器最高工作頻率設(shè)定為50 Hz，變頻器參數(shù)n0.02 設(shè)定為9;

(2)設(shè)定電機(jī)額定電流。根據(jù)數(shù)控車床工況可將電機(jī)額定電流輸出范圍控制在30% ～120%范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)參數(shù)n7.00 設(shè)定范圍0.6 ～1.9，調(diào)試此機(jī)床時(shí)將參數(shù)n7.00 設(shè)定為1.5。

(3)V/f 模式設(shè)定。V/f 模式設(shè)定是指變頻器參數(shù)n1.00 ～n1.06 設(shè)定，用于電機(jī)變頻調(diào)速基本設(shè)定，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、速度能符合加工要求，設(shè)定V/f 模式時(shí)各參數(shù)之間對(duì)應(yīng)關(guān)系及設(shè)定值要求如圖5 所示。參數(shù)含義及此機(jī)床設(shè)定值如表4 所示，該組數(shù)據(jù)需要調(diào)試確定。

圖5 變頻器V/f 模式的設(shè)定

表4 V/f 模式參數(shù)含義及其設(shè)定

4 結(jié)論

數(shù)控車床串行主軸、模擬主軸硬件結(jié)構(gòu)不同，控制方式不同，參數(shù)設(shè)置與計(jì)算也不同。對(duì)于串行主軸，要根據(jù)各擋位機(jī)械傳動(dòng)比計(jì)算并設(shè)定參數(shù)3741～3743，為保證電機(jī)在最高允許轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，按照各擋位速度范圍選定合適工作擋位;對(duì)于模擬主軸，通過正確設(shè)置數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)3730/3731，正確反映主軸最高、最低轉(zhuǎn)速與數(shù)控系統(tǒng)輸出最高、最低模擬電壓之間關(guān)系，同時(shí)要對(duì)變頻器參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置。

［1］FANUC Series 0i-MODEL D 維修說明書［M］．

［2］FANUC Series 0-MODEL D/FANUC Series 0 Mate-MODEL D 參數(shù)說明書［M］．

［3］周蘭，陳少艾．FANUC 0i-D/0i Mate-D 數(shù)控系統(tǒng)連接調(diào)試與PMC 編程［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

［4］歐姆龍3G3JZ 變頻器操作說明書［M］．