宋 健

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣信息工程系，德陽 618000）

0 引言

機(jī)械制造業(yè)是一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，其現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。經(jīng)過幾十年的積累和發(fā)展，我國(guó)的機(jī)械制造業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，但是與歐美國(guó)家相比，尚有較大的差距，其中一個(gè)很重要的原因是我國(guó)數(shù)控機(jī)床的普及率不高，加工效率、加工精度都比較低的普通機(jī)床在機(jī)械制造領(lǐng)域所占的比重還很大，從而直接影響我國(guó)的機(jī)械制造水平。因此，對(duì)現(xiàn)有的老舊機(jī)床進(jìn)行技術(shù)更新和改造勢(shì)在必行。本文針對(duì)這種需要，介紹了數(shù)控機(jī)床模擬主軸電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例。

1 主軸控制類型

機(jī)床主軸常用于給機(jī)床加工提供動(dòng)力；對(duì)于最常見的車床和銑床，前者進(jìn)行車削加工時(shí)利用機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)被加工工件旋轉(zhuǎn)；而后者進(jìn)行銑削加工則是由機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)切削工件旋轉(zhuǎn)。就電氣控制而言，數(shù)控機(jī)床主軸的控制其實(shí)質(zhì)是對(duì)主軸電機(jī)的控制。在大多數(shù)情況下，數(shù)控機(jī)床主軸只需要做速度檢測(cè)和速度控制即可；因此，主軸控制系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)為速度控制系統(tǒng)。

數(shù)控機(jī)床主軸有模擬主軸和數(shù)字主軸之分，數(shù)字主軸控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，但是在主軸功率較大，對(duì)控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不高的情況下，采用數(shù)字主軸則凸顯成本偏高；在這種情況下可采用模擬主軸以提高性價(jià)比。

2 模擬主軸電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模擬主軸電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)在主軸電機(jī)和主軸驅(qū)動(dòng)器（一般采用變頻器）等硬件設(shè)備選配好的基礎(chǔ)上進(jìn)行，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)處理好以下幾方面的問題：

2.1 主軸速度信號(hào)的處理

NC（數(shù)控裝置）在執(zhí)行來自控制面板或者零件加工程序中的主軸運(yùn)行指令（如M03 S1000）時(shí)，先將主軸運(yùn)行指令進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后從數(shù)控裝置的主軸驅(qū)動(dòng)接口輸出主軸速度信號(hào)作為變頻器的模擬給定；主軸速度信號(hào)大小一般為0～10V的模擬信號(hào)。

在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮數(shù)控機(jī)床工作環(huán)境中存在的復(fù)雜電磁現(xiàn)象和噪聲干擾，故主軸速度信號(hào)的傳輸應(yīng)采取一定的抗干擾措施，如圖1給出了利用某公司生產(chǎn)的SV055IG5AA-4三相變頻器用于主軸控制的一種設(shè)計(jì)方案，速度信號(hào)（0～10V）由數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)接口發(fā)出并通過V1、CM兩端口送入變頻器。該模擬信號(hào)的傳輸建議采用雙絞線或屏蔽電纜進(jìn)行傳輸，也可在變頻器模擬給定信號(hào)輸入端V1、CM之間并接濾波電容以消除噪聲干擾等。我院幾十臺(tái)采用這種主軸設(shè)計(jì)方案的數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行情況證明這種設(shè)計(jì)方案在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行中主軸的控制精度、運(yùn)行狀況都能較好的滿足加工的要求。

2.2 主軸方向信號(hào)的處理

按照數(shù)控裝置發(fā)出的主軸驅(qū)動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床模擬主軸可以分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和主軸電機(jī)的速度，而主軸電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向則由PLC控制；因此對(duì)于單極性主軸而言，在對(duì)PLC做I/O統(tǒng)計(jì)和地址分配時(shí)應(yīng)考慮主軸正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個(gè)輸出點(diǎn)，如圖1中，KA1、KA2分別由PLC的輸出點(diǎn)Y0.0、Y0.1控制；Y0.0輸出有效，KA1動(dòng)作，其常開觸點(diǎn)閉合，向變頻器送入正轉(zhuǎn)控制信號(hào)，Y0.1輸出有效時(shí)，KA2動(dòng)作，其常開觸點(diǎn)閉合，向變頻器送入反轉(zhuǎn)控制信號(hào)(此為方向控制的一種形式)。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-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。

對(duì)于單極性和雙極性主軸，除了有硬接線連接和控制方式上的區(qū)別外，還應(yīng)注意在數(shù)控裝置中正確配置相關(guān)的主軸極性參數(shù)。如表1給出了siemens 802c base line數(shù)控裝置中單、雙極性模擬主軸的參數(shù)配置。

2.3 主軸速度、方向檢測(cè)的處理

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目前主軸速度檢測(cè)最常用的做法是采用脈沖編碼器作為檢測(cè)元件，其作用有三：其一是用于主軸速度測(cè)量；其二是用于主軸與伺服軸配合運(yùn)行的場(chǎng)合（如車床螺紋切削加工、恒線速加工等）；其三是用于主軸準(zhǔn)停。主軸編碼器一般采用彈性聯(lián)軸器與主軸同軸安裝或采用1：1同步傳動(dòng)安裝方式，使其能準(zhǔn)確地向數(shù)控系統(tǒng)反映主軸的轉(zhuǎn)速、方向。因此，在做方案設(shè)計(jì)時(shí)一定要合理選配主軸脈沖編碼器。

脈沖編碼器是一種能將機(jī)械角位移轉(zhuǎn)換為電脈沖的旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，有光電式、接觸式和電磁感應(yīng)三種類型；光電式脈沖編碼器的精度和可靠性最高，因此在數(shù)控機(jī)床上得到了廣泛應(yīng)用。光電式脈沖編碼器有增量式和絕對(duì)式之分，前者常用于對(duì)旋轉(zhuǎn)體進(jìn)行測(cè)速和測(cè)向，性價(jià)比較高，但存在零點(diǎn)累計(jì)誤差、抗干擾能力差、需斷電記憶和開機(jī)找零等缺陷；而后者無需記憶、無需找參考點(diǎn)，編碼器的抗干擾特性和數(shù)據(jù)的可靠性都得到了極大的提高，故在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中以選擇絕對(duì)式編碼器作檢測(cè)反饋元件為宜；而對(duì)于主軸驅(qū)動(dòng)，由于在大多數(shù)的情況下僅需編碼器做速度、方向檢測(cè)，故采用增量式編碼器作檢測(cè)元件即可。

增量式編碼器的信號(hào)輸出形式有正弦波、方波（TTL、HTL）、集電極開路（PNP、NPN）、推拉式等多種形式。以TTL長(zhǎng)線差分驅(qū)動(dòng)輸出形式的編碼器為例，其工作電源一般為DC 5V，由數(shù)控系統(tǒng)通過主軸編碼器接口供給；A、B、Z三個(gè)信號(hào)通道采用差分驅(qū)動(dòng)輸出形式（A、A-，B、B-，Z、Z-），以減小傳輸電流的衰減、提高傳輸信號(hào)的抗干擾能力和增大傳輸距離。其中，A、B兩通道的脈沖信號(hào)相差90度，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)兩通道單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)來計(jì)算主軸速度，根據(jù)A、B通道之間的相位差來判別主軸旋轉(zhuǎn)方向；Z通道為零脈沖信號(hào)，主軸每轉(zhuǎn)一圈，Z通道發(fā)一個(gè)零脈沖，該通道主要給系統(tǒng)在加工時(shí)提供基準(zhǔn)信號(hào)。

在設(shè)計(jì)編碼器連接線路時(shí)，主要考慮以下幾個(gè)方面：一是主軸編碼器反饋接口與編碼器輸出端口的信號(hào)是否匹配；二是傳輸距離的大小，以此確定傳輸電纜的長(zhǎng)度；三是傳輸電纜應(yīng)選擇屏蔽電纜，以提高抗干擾能力。

圖2給出了利用國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)hnc-21TD做車床數(shù)控改造時(shí)主軸編碼器的連接方案。

圖2 主軸編碼器與NC的連接

2.4 主軸驅(qū)動(dòng)器故障監(jiān)控處理

現(xiàn)在使用的變頻器和交流伺服驅(qū)動(dòng)器一般具有故障自診斷功能并提供有故障監(jiān)控可編程I/O端口，其輸出形式有繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出等形式。以變頻器控制主軸為例，其I/O端口之間實(shí)質(zhì)上是一種開關(guān)關(guān)系，開、關(guān)的狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)器正常與否；由于數(shù)控機(jī)床的M、S、T三大輔助功能都是由PLC來控制的，故可以將這一開關(guān)量作為數(shù)控系統(tǒng)PLC的一個(gè)輸入點(diǎn)，用于監(jiān)控變頻器是否正?；蚓途w，系統(tǒng)會(huì)以此決定是否向變頻器發(fā)速度控制信號(hào)（S功能）和方向控制信號(hào)（M功能）。如圖1中，3A、3C為變頻器的故障監(jiān)控可編程I/O端口，3A外接24VG（低電平），3C則作為PLC輸入點(diǎn)X1.0的輸入。

因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分利用這一功能，將主軸驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行狀況準(zhǔn)確、及時(shí)地傳送給數(shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)決定是否運(yùn)行或終止主軸的運(yùn)動(dòng)。

2.5 主軸驅(qū)動(dòng)器制動(dòng)處理

主軸驅(qū)動(dòng)器一般都內(nèi)置有制動(dòng)組件，在機(jī)床主軸要求快速制動(dòng)時(shí)，若內(nèi)置的制動(dòng)單元或電阻不足以消耗、吸收再生電能而導(dǎo)致直流部分過壓時(shí)，應(yīng)考慮外接制動(dòng)組件，以加快消耗再生電能的速度；因此應(yīng)正確的選配制動(dòng)組件。制動(dòng)組件的計(jì)算、選配可采用工程估算的方法，按照估算制動(dòng)轉(zhuǎn)矩、計(jì)算制動(dòng)電阻阻值、選擇制動(dòng)單元、計(jì)算制動(dòng)電阻標(biāo)稱功率這幾個(gè)步驟進(jìn)行。

2.6 接地處理

數(shù)控機(jī)床工作環(huán)境中的電磁和噪聲干擾是很嚴(yán)重的，作為精密加工設(shè)備的數(shù)控機(jī)床，其主軸驅(qū)動(dòng)器必須采取有效的抗干擾措施。對(duì)變頻器而言，其自身就是一個(gè)較強(qiáng)的干擾源同時(shí)也受其他電氣設(shè)備的電磁干擾。接地是抑制電磁干擾，提高電氣設(shè)備電磁兼容性的重要手段；因此對(duì)變頻器采取正確的接地措施，不僅可以有效抑制外來干擾，同時(shí)能降低變頻器本身對(duì)外界的干擾。

變頻器的接地處理主要做好兩個(gè)方面，一是對(duì)變頻器主回路PE端子正確接地，以提高變頻器抑制噪聲干擾的能力并減小變頻器對(duì)外界電氣設(shè)備的干擾；為保證接地的可靠性和效果，變頻器主回路PE端子必須嚴(yán)格地接入PE線，若無公共PE線，可采用就近接地的方式，但是應(yīng)保證接地體導(dǎo)電性能良好及與大地接觸可靠。二是將變頻器的控制信號(hào)線（采用雙絞線或屏蔽線）屏蔽層接地，以減小外界對(duì)控制信號(hào)傳輸?shù)母蓴_。

3 結(jié)束語

隨著我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展和壯大，數(shù)控加工技術(shù)也日趨成熟，但是數(shù)控改造、維修方面的人才仍較欠缺；本著拋磚引玉的思想，本文重點(diǎn)研究和分析了數(shù)控機(jī)床模擬主軸的設(shè)計(jì)思路和分析方法，以期為廣大的數(shù)控技術(shù)人員提供一定的參考和借鑒。

[1] 白恩遠(yuǎn).現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床伺服及檢測(cè)技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2002.

[2] 卓迪仕.數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1994.