華中8型系統(tǒng)數(shù)控加工中心的模擬主軸控制設(shè)計(jì)

王文超

摘 ?要：文章主要介紹的華中8型系統(tǒng)模擬主軸的實(shí)現(xiàn)，這其中包括了模擬主軸的電路控制、變頻器參數(shù)設(shè)定、數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整和設(shè)定、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向控制的PLC設(shè)計(jì)等方面介紹了華中8型系統(tǒng)的模擬主軸的實(shí)現(xiàn)方法，并在實(shí)際數(shù)控加工中心上調(diào)試成功。

關(guān)鍵詞：華中8型系統(tǒng);模擬主軸;串行主軸;PLC;轉(zhuǎn)向控制

中圖分類號(hào)：TG659 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）35-0087-03

Abstract： The paper mainly introduces the realization of Huazhong 8-type system analog spindle， which includes the circuit control of the analog spindle， the parameter setting of the frequency converter， the adjustment and setting of the parameters of the numerical control system， the PLC design of the rotation speed and steering control， etc. It introduces the realization method of the analog spindle of Huazhong 8-type system， and after running and commissioning， the result is satisfying.

Keywords： Huazhong 8-type system; analog spindle; serial spindle; PLC; steering control

隨著我國(guó)制造業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床在各行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，部分行業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的主軸的轉(zhuǎn)速精度要求不高，這時(shí)我們就可以采用模擬主軸的配置，模擬主軸是把主軸的轉(zhuǎn)速通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓，模擬電壓輸送到變頻器中，由變頻器控制主軸轉(zhuǎn)速。這種配置的突出的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性較好，有利于數(shù)控機(jī)床在這些行業(yè)的普及。

主軸系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床重要模塊，是切削力的主要來源，是機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)。為了保證機(jī)床的正常切削加工，要選擇合適的切削速度。機(jī)床的切削速度取決于主軸轉(zhuǎn)速和道具直徑，公式為：

數(shù)控機(jī)床的主軸應(yīng)具備的功能是：調(diào)速、啟動(dòng)、停止及轉(zhuǎn)向控制功能。

1 工作原理

數(shù)控機(jī)床的主軸控制有兩種方法：串行主軸控制和模擬主軸控制。本文主要介紹在華中8型系統(tǒng)下模擬主軸的實(shí)現(xiàn)，模擬主軸就是數(shù)控系統(tǒng)輸出模擬電壓信號(hào)，采用變頻器和三相異步電機(jī)來實(shí)現(xiàn)主軸控制。VM740S立式加工中心，采用華中8型數(shù)控系統(tǒng)控制，變頻器采用深圳臺(tái)達(dá)TD500，主軸電機(jī)為普通三相異步電動(dòng)機(jī)YE2-90L-4。電機(jī)通過同步帶與主軸相聯(lián)，主軸末端沒有安裝編碼器，數(shù)控系統(tǒng)通過模擬主軸功能控制主軸。模擬主軸電器連接如圖1所示，主軸的轉(zhuǎn)速由HIO-1073模塊的輸出接口向變頻器TD500的DI1、COM端子輸出0-10V模擬電壓來控制主軸轉(zhuǎn)速。主軸的旋轉(zhuǎn)方向由數(shù)控機(jī)床的PLC輸出的Y2.5、Y2.6正反轉(zhuǎn)信號(hào)使對(duì)應(yīng)K10、K11繼電器線圈通電，并用K10、K11的常開觸點(diǎn)分別控制變頻器正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)端子來實(shí)現(xiàn)主軸的正反轉(zhuǎn)。

2 主軸轉(zhuǎn)向控制

根據(jù)加工指令可知，M3控制主軸正轉(zhuǎn)、M4控制主軸反轉(zhuǎn)、M5控制主軸停止，要實(shí)現(xiàn)此功能，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)梯形圖。根據(jù)表1主軸I/O分配表，設(shè)計(jì)出主軸控制梯形圖如圖2所示。

（1）在MDI方式下，輸入“M03S1000;”，按下循環(huán)啟動(dòng)鍵，CNC接收到信號(hào)，根據(jù)梯形圖2將M03MGET后對(duì)應(yīng)的信號(hào)R90.1為1，R90.3自鎖。若輸入的是M04則對(duì)應(yīng)的信號(hào)R91.1為1，主軸反轉(zhuǎn)，若輸入的是M05則對(duì)應(yīng)的信號(hào)R92.1為1，主軸停轉(zhuǎn)。當(dāng)M指令執(zhí)行后，相對(duì)應(yīng)的M指令應(yīng)答，M指令結(jié)束。

（2）主軸正轉(zhuǎn)，在MDI、自動(dòng)模式下輸入M03后，經(jīng)MGET后R90.1為1，R90.3自鎖。當(dāng)手動(dòng)方式下，按下主軸正轉(zhuǎn)按鈕X484.5，R90.0為1，R90.3自鎖。Y4.0為1，主軸正轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)運(yùn)行同理。

（3）主軸停轉(zhuǎn)，當(dāng)輸入M05時(shí)，經(jīng)MGET后R92.1為1，R92.3為1，R91.3和92.3為0;當(dāng)手動(dòng)模式下，按主軸停止按鈕X481.4，R92.0為1，R92.0為1，R91.3和92.3為0;主軸停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 主軸速度控制

在數(shù)控機(jī)床中，主軸速度由加工程序制定，如“M03S1000”中的“S1000”即是主軸速度值，PLC先進(jìn)行S代碼處理得到程序指定的速度值，將主軸速度指定值乘以主軸倍率就是主軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速，CNC系統(tǒng)將實(shí)際轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為模擬電壓的形式，輸送到變頻器中，由變頻器控制異步電機(jī)。

在圖2和表2中，主軸轉(zhuǎn)速倍率使用的是波段開關(guān)來調(diào)節(jié)，波段開關(guān)是通過三個(gè)二進(jìn)制編碼信號(hào)的不同組合形成P參數(shù)的地址，并將P參數(shù)中的數(shù)值輸送給G信號(hào)，倍率的調(diào)節(jié)范圍為50%～120%，對(duì)于模擬主軸控制，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)行設(shè)置。

根據(jù)主軸電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)和所選用的數(shù)控系統(tǒng)，設(shè)置變頻器參數(shù)如表4和數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)主軸相關(guān)參數(shù)如表3所示。速度控制具體如下。

首先將變頻器參數(shù)P0-01設(shè)定為2，表示變頻器的模擬量輸入電壓范圍為0～10V，P0-02設(shè)定為1，表示變頻器端子AI1接收模擬量電壓，如表4所示。在P參數(shù)中設(shè)置數(shù)主軸最高轉(zhuǎn)速1500和最小轉(zhuǎn)速0。當(dāng)編程“M03S1000”，倍率調(diào)節(jié)為50%，此時(shí)X487低三位代表的是P0到P7參數(shù)的地址，PLC將P參數(shù)中的數(shù)值輸出到G2566中。CNC送給變頻器的電壓=3.33V，主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速為1000×50%=50r/min。

模擬主軸控制轉(zhuǎn)速時(shí)，會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速誤差，可通過數(shù)控系統(tǒng)中P參數(shù)設(shè)定的最大速度值和零點(diǎn)漂移參數(shù)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)論

模擬主軸配置一般用于對(duì)主軸轉(zhuǎn)速精度要求不高的數(shù)控加工設(shè)備，其控制的難點(diǎn)主要是速度和方向的PMC程序設(shè)計(jì)及數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)、變頻器參數(shù)的設(shè)定及調(diào)試。其優(yōu)點(diǎn)是具有較高的經(jīng)濟(jì)性能，對(duì)于數(shù)控加工設(shè)備的普及具有重要的意義。

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