1、1主轴部分控制第一部分 常用的主轴控制方式一 .普通主轴电机的控制方式(一)、三相笼型转子感应电动机的起动1.直接启动直接起动是最简单的起动方法。起动时用刀开关、电磁起动器或接触器将电动机定子绕组直接接到电源上，其接线图如左图所示。取熔体的额定电流为电动机额定电流的 2.53.5 倍。一般对于小型笼型异步电动机如果电源容量足够大时，应尽量采用直接起动方法。对于某一电网，多大容量的电动机才允许直接起动，可按经验公式确定。NstI 3 + (电源总容量 / 电动机额定功率) / 4电动机的起动电流倍数 KI需符合上式中电网允许的起动电流倍数，才允许直接起动。一般 10kW以下的电动机都可以直接起动
2、。随电网容量的加大，允许直接起动的电动机容量也变大。需要注意的是，对于频繁起动的电动机不允许直接起动，否则应采取降压起动。2.降压起动降压起动是指电动机在起动时降低加在定子绕组上的电压，起动结束时加额定电压运行的起动方式。降压起动虽然能降低电动机起动电流，但由于电动机的转矩与电压的平方成正比，因此降压起动时电动机的转矩也减小较多，故此法一般适用于电动机空载或轻载起动。降压起动的方法有以下几种。 （1） 定子串接电抗器或电阻的降压起动 方法：起动时，电抗器或电阻接入定子电路；起动后，切除电抗器或电阻，进入正常运行，如上图所示。三相异步电动机定子边串入电抗器或电阻器起动时定子绕组实际所加电压降低，
3、从而减小起动电流。但定子绕组串电阻起动时，能耗较大，实际应用不多。 （2） 星形三角形(Y)降压起动 2方法：起动时定子绕组接成 Y形，运行时定子绕组则接成形，其接线图如上图所示。对于运行时定子绕组为 Y形的笼型异步电动机则不能用 Y起动方法。Y起动时，定子绕组承受的电压只有做三角形联结时的 31，起动电流为直接起动时的起动电流 31，而起动转矩也未直接起动时的 31。Y起动方法简单，价格便宜，因此在轻载起动条件下，应优先采用。我国采用 Y起动方法的电动机额定电压都是 380V，绕组是接法。 (二 )变频器控制方式上面控制三相感应电动机，在正常工作时电机转速是固定的不可调的，要想三相感应电动机
4、电气实现的无极调速，在三相感应电动机前端加上变频器，而数控系统通过 S指令的大小，输出 0-10V的模拟电压来控制变频器的输出电压，从而实现主轴的无极调速。变频器原理介绍简介: 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式(VVVF 变频或矢量控制变频),先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制 4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器,逆变部分为 IGBT三相桥式逆变器,且输出为 PWM波形,中间直流环节为
5、滤波、直流储能和缓冲无功功率。二 . 伺服主轴电机的控制方式31主轴模拟输出控制方式系统（CNC）输出模拟电压（电流）量作为主轴电动机指令的接口，这种控制主轴电机的方式叫做主轴模拟输出控制方式11 系统模拟指令口控制 FANUC 模拟主轴单元、FANUC 主轴电机连接框图如下4交流主轴单元 CN1 50 芯 HONDA 插头信号表CN11 SAR1 33 R012 SAR2 34 R023 SST1 19 ARST1 35 R034 SST2 20 ARST2 36 R045 TLML 21 TLMH 37 R056 OT 22 ORAR1 38 R067 MRDY1 23 ORAR2 39
6、R078 MRDY2 24 NC 40 R089 T1M5 25 ORCM1 41 R0910 T1M6 26 ORCM2 42 R1011 ALM1 27 OVR1 43 R1112 ALM2 28 OVR2 44 R1213 OR 29 +15V 45 SFR14 OS 30 DA1 46 SRV 15 SDT1 31 DA2 47 ESP116 SDT2 32 E 48 ESP217 CTH 49 LM118 OM 50 SM1例如：1. 主轴正反转信号 SFR、SRV 需要在 PMC 中给定输出，输出有效时CN1 45 （管脚号）SFR 或则 46 （管脚号）SRV 与 14（管脚号）
7、OS（主轴单元 0V）相连2.带有位置控制反馈元件的机床,主轴单元带有定向板。定向完成时,主轴单元定向完成信号 CN1 22 （管脚号）ORAR1 和 CN1 23 （管脚号）ORAR2 为继电器输出,连接在一起.作为 PMC 的输入信号 X 地址，来确认主轴定向是否完成。12系统模拟指令口控制第三方的变频器从而控制异步电动机目前大部分的经济型机床均采用数控系统模拟量输出+变频器+感应（异步）电机的形式，性价比很高，这时也可以将模拟主轴称为变频主轴连接框图如下5注：I/O IN 输入单元的 X8.3 为变频器报警信号，I/O OUT 输出单元的 Y2.3、Y2.4 为控制变频器的正反转信号早期
8、的 FANUC 3、6、5、 7 和 0 MATE 系统配置只有模拟主轴接口（没有串行主轴接口） ，可以实现以上两种主轴模拟输出的控制方式。2主轴串行输出控制方式CNC 给主轴电动机的指令按串行方式传送数据的接口称为串行输出，通过串行输出控制主轴的这种控制方式叫做主轴串行输出控制方式21 串行主轴单元、串行主轴电机FANUC 0T、0C 、0i、 和 16i/18i/21i 系统都配置的是主轴串行接口和模拟主轴接口，可以单独或同时实现主轴串行接口输出和主轴模拟接口输出的控制方式。连接框图如下6带串行主轴连接图同时带串行主轴和模拟主轴连接图JYA2 主轴速度反馈口时，JYA3 主轴位置反馈口（主
9、轴位置编码器、接近开关或磁传感器）7带 SENSOR 类传感器时，进 JYA2 口串行主轴的主轴控制单元信号 (输入)(输出) 8用于第 1 串行主轴 (输入)，(输出) 用于第 2 串行主轴 这些地址是 CNC 侧的地址。但实际上，它们是串行主轴的主轴控制单元的输入/输出信例如：1.用于第 1 串行主轴进行正反转的信号 G70.5 SFR(主轴正转)G70.4 SRV(主轴反转) ,需要在 PMC中满足逻辑条件下指定。2带有位置控制反馈元件的机床,主轴定向完成时,主轴单元定向完成信号F45.7 ORARA 来确认主轴定向是否完成。下表列出了相关的主轴串行控制单元和主轴模拟控制单元直接控制的不
10、同点 用于主轴串行输出接口的主轴控制单元用于主轴模拟输出接口的 主轴控制单元主轴控制单元的参数作为 CNC 的参数指定（40004351/ S1，S2）传送到主轴控制单元后使用 由主轴控制单元直接指定主轴控制单元的控制信号通过 CNC 连接到 PM CG0070G0073 和 F0045F0048： 第一主轴的地址 G0074G0077 和 F0049F0052： 通过外部接点连接到 PMC9第二主轴的地址主轴速度指令接口0最高主轴电机速度 范围内的数字数据010V 的模拟电压（不包括偏移电压的调整部分）位置编码器接口 通过主轴控制单元连接到 CNC 直接连接到 CNC电主轴电主轴是“高频主轴
11、” （High Frequency Spindle）的简称，有时也称作“直接传动主轴”（Direct Drive Spindle） ，是内装式电机主轴单元。它把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动” ，具有结构紧凑、机械效率高、可获得极高的回转速度、回转精度高、噪声低、振动小等优点，因而在现代数控机床中获得了愈来愈广泛的应用。在国外，电主轴已成为一种机电一体化的高科技产品。内装主轴电动机结构如下图所示。机床的主轴压装在电动机转子内部，转子的转速就是主轴的转速。主轴上装有位置传感器。转子短、直径大且直接装配，大大地提高了主轴的刚性。有利于减小或消除机械振动，从而大大提高工件的加工精度
12、和表面光洁度。内装主轴电动机10为了满足机械加工需要主轴在低速（重切削）时恒定钮矩，高速时恒定功率的需要，FANUC 提供带有绕组切换功的电主轴电机, 电主轴电机上绕有两个绕组，分别用于低速和高速工作。根据实际需要进行高低转速时两个绕组的切换。具体时序图参考 ai 主轴参数 B-65280输出切换请求信号(RSLA)3 12 位二进制代码控制主轴电机转速的方法第二部分 主轴换档 常用换档控制方式：手动换档、自动换档一手动换档主轴为普通异步电动机控制，主轴在静止时通过手动换档搬把开关来换档，通过不同的齿轮组合来形成主轴电机和主轴不同的转动比，从而换档到加工工艺所需要的转速。主要用于传统结构简单的
13、机床。 11二自动换档1 . S 代码（S2 位数）-电磁离合器方式主轴为电磁离合器控制普通异步电动机方式，电磁离合器的不同组合使主轴电机和主轴之间的传动齿轮形成不同的转动比，从而换档到加工工艺所需要的转速。每一个 S 代码（S2 位数）对应主轴一个固定的转数如主轴转速为 16 档 可以用 S01、S02S16 来对应 16 个档位，不同档位所需要的不同电磁离合器的不同组合在 PMC 中编制。2 带伺服主轴的机床实现（机械设计带有主轴换档机构）主轴换档21 概述由主轴的工作特性我们知道，很多时候需要它在低速时能够提供足够的扭矩，而在高速时能够提供足够的功率，为解决该问题，机械设计时带有主轴的换
14、档机构。也可以使用 FANUC 带有绕组切换功能的电机来取代机械2.2 主轴各档位的最高转速主轴电机的最大转速，自动设定在参数 NO.4020 而对于 M 系列系统,实际电机输出的最高转速和最低转速还和参数 NO.3735 和NO.3736 有关,具体对应关系如下图需要钳制主轴电机速度时,通过参数 NO.3735 和 NO.3736 实现,而 NO.4020 参数使用电机初始化默认设定值,建议不要修改。根据主轴电机的最大转速和高低档位的变速比，就可以确定各档位的主轴最高转速，每一档位的主轴最高转速设定在参数 NO.3741NO.3744 中。例如 ： 一台配置 FANUC 0iMC 的立式加工
15、中心1.主轴分两档 1 档主轴转数 10-555r/min ,传动比 1:6.31(抵挡)2.档主轴转数 556-3500r/min ,传动比 1:1(高挡) 12配置的主轴电机 ai 15/7000 的最高转数是 7000 r/min2.通过计算可知在1 档主轴电机的最高转数 555x6.31=3500r/min2 档主轴电机的最高转数 3500X1=3500r/min参数 NO.3735 P6 （主轴电机的最低嵌制速度）=主轴电机的最低嵌制转速*4095/主轴电机的最高转速 =10*4095/7000 得出 X=6 ,所以含义为主轴 10 r/min 以下的转速嵌制到10r/min参数 N
16、O.3736 P2048（主轴电机的最高嵌制速度） =主轴电机的最高嵌制转速 *4095/主轴电机的最高转速 =3500*4095/7000 得出 X=2048 ,所以含义为主轴 3500r/min 以上的转速嵌制到 3500r/min.注：各档位主轴最高转速设定不准确时，将会造成实际主轴转速不正确。23 换档方式选择及特点M 系列系统 M 型和 T 型换档都可以使用，通过参数 NO.3706#4 进行选择系统使用恒表面切削速度控制功能，则不管该参数的设定如何，都认为是 T 型换档T 系列系统只能使用 T 型换档M 型换档特点如同直接由 S 指令选择一样，CNC 依据事先在参数 NO.3741
17、NO.3744 中定义的各齿轮档的速度范围来选择齿轮档，而且通过使用齿轮选择信号（GR30，GR20，GR10）通知 PMC 选择相应的齿轮档，同时 CNC 根据选择的齿轮档位输出主轴电机速度。T 型换档特点由齿轮档选择信号（GR1，GR2）确定机床当前使用的齿轮档（共 4 个齿轮档） 。有加工者决定如何使用各齿轮档位，CNC 输出与齿轮档位相对应的速度指令。例如：M41、M42、M43 、M44 换 1-4 档NO.3741-3744 中设定其对应的最高主轴速度。M 型换档和 T 型换档的最大区别M 型换档会根据设定各档位的最高转速，发出换档信号（GR30，GR20，GR10） ，结合 PM
18、C 控制外围换档机构（液压、电器驱动件等）来选择合适档位的工作；而 T 型换档，需要在主轴转动之前，人为切换主轴档位机构，并处理与之对应的齿轮档位信号（GR1，GR2） ，使得 CNC 输出与齿轮档位相对应的速度指令。24 M 型换档：A 型换档根据切换档位速度点的不同，M 型换档又可以区别为 A 型换档和 B 型换档。通过参数 NO.3705#2 进行 A 型换档和 B 型换档的设定对于 A 型换档：切换档位的速度点为每一档的最高速度。如下图13上图中：A、B、C 分别为设定在参数 NO.3741NO.3743 中每一档位的最高转速，VMIN为设定在参数 NO.3735 最小速度的钳制数字量
19、， VMAX为设定在参数 NO.3736 最大速度的钳制数字量。上例中： 参数 NO.3735 设定为 50, 参数 NO.3736 设定为 4095参数 NO.3705#2 设定为 0，此时使用 A 型换档，参数 NO.3741 P1109 (齿轮 1 对应的主轴的最大转速)= 主轴电机的最高转速/ 齿轮比7000/6.31=1109参数 NO.3742 P7000 (齿轮 2 对应的主轴的最大转速)= 主轴电机的最高转速/齿轮比 7000/1=7000第二档切换点速度为 555，指定 S 代码和 555 比较，系统自动发出 GR20、GR10，结合该信号，在 PMC 中处理驱动外围换档机构
20、。主轴转速 555 r/min 以下时切换到抵挡位运行主轴转速 10 r/min 以下时嵌位到 10 r/min 在抵挡位运行主轴转速 556 r/min 以上时切换到高挡位运行主轴转速 3500 r/min 以上时嵌位到 3500 r/min 在高挡位运行.25 M 型换档：B 型换档对于 B 型换档：切换档位的速度点低于每一档的最高速度。如下图14上图中：A、B、C、VMIN、 VMAX分和 A 型换档的含义一样， VMAXL为档位 12 切换点速度设定（数字量设定） ，对应参数 NO.3751；VMAXH 为档位 23 切换点速度设定（数字量设定） ，对应参数 NO.3752。 例如：主
21、轴三个档位的机床，主轴低档齿轮传动比为 11:108, 主轴中档齿轮传动比为 260:1071, 主轴高档齿轮传动比为 169: 238, 而机械设计要求主轴低档的转速范围是 O-401r/min, 主轴中挡的转速范围是 402-1109r/min, 主轴高档的转速范围是 1110-3000r/min。选用的主轴电机最高转速为 6000 r/min，主轴电动机 的速度下限为 150r/min。 计算可知 , 主轴低档使用的电动机最高转速为 401 108/11=3937r/min, 主轴中档使用的 电动机最高转速为 1109 1071/260=4568r/min, 主轴高档使用的电动机最高转速
22、为 4000 238/169=5633r/min,3 个档位所对应的主轴电动机最高限定速度各不相同。此时 , 参数 N0.3736 设定为 4095 5633/6000=3844( 以主轴电动机速度最高档位设定 , 此例为高档 ), 参数 NO.3735 设定为 4095 150/6000=102, 选用齿轮换档方式 B , 可以使用参数 NO.3751 和 NO.3752 来限制主轴的转速。 参数 N0.3751( 主轴从低档切换到中档时切换点的主轴电动机速度 ,Vmaxl=4095 低档时主轴电动机速度上限 / 指令电压为 10V 的主轴电动机速度 ) 设定为 4095 3937/6000
23、=2687。 参数 N0.3752( 主轴从中档切换到高档时切换点的主轴电动机速度 ,Vmaxh=4095 高档时主轴电动机速度上限 / 指令电压为 10V 的主轴电动机速度 ) 设定为 4095 4568/6000=3118。 此方式参数的设定 , 合理解决了各档主轴电动机上限速度不同给自动换档带来的麻烦1526 S 代码/SF 信号输出CNC 的主轴控制功能将 S 指令值转换为控制主轴电机转速的输出值（F36F37 R12 位数输出）在不使用齿轮换档和恒表面切削速度控制时，S 代码/SF 信号输出如下：M 系列输出 S 代码。仅在 CNC 指令 PMC 换档时才输出 SF 信号。T 系列
24、S 代码和 SF 信号都不输出。 （当恒表面切削速度控制时， S 代码并不总是主轴转速） ，如果在 PMC 梯形图中使用 S 代码/SF 信号输出，必须定义参数 NO.3705#4 位为 1在 M 系列系统中，往往是利用 SF 信号，结合 GR30、GR20、GR10 在 PMC 中实现换档机构的动作。2 7 齿轮选择信号、离合器/齿轮档信号据上表：T 系列系统只能使用 T 型换档，M 系列系统 M 型和 T 型换档都可以使用，离合器/齿轮档信号 CTH1A、CTH2A 实际的作用为配合选择各齿轮比、增益等参数用，往往将 CTH1A、CTH2A 信号和高抵挡在位检测信号并联。例如如下参数：带有
25、高低档位主轴，每一档位的齿轮比需要在参数 NO.4056NO.4059 中，实际主轴工作在某一档位，同时需要通过信号 CTH1A、CTH2A 选择对应的参数。在有关多档位的参数中，很多都需要通过 CTH1A、CTH2A 进行选择，注意这些信号选择各档参数时，是否和实际选择档位一致2 8 主轴停止信号（*SSTP ） 、主轴定向信号（SOR ）主轴切换档位时，往往固定一个比较低的转速，此时可以使用主轴定向（SOR） ，通过参数 NO.3705#1 为 1，选择将该信号作为换档使用，同时将 主轴停止信号（*SSTP）设定为逻辑 0 状态，则主轴以参数 NO.3732 中设定的速度，以参数 NO.3
26、706#5 设定的方向旋转，实现高低档位齿轮的咬合。2 9 有关参数当主轴存在高低档位时，需要正确设定各档位工作参数，根据主轴控制结构的不同，需要设定的参数不一样，具体的主轴配置结构，请参考 B65280CM-04 的 P19 页，有关检测16器配置结构。这里重点说明以下几个参数使用一转信号时，需要正确设定 NO.4171NO.4174该参数总共设计了两档，设定含义为在电机轴转动P 次时主轴转动Q 次时(P,Q 为相互间没有公约数的整数)，两档参数通过信号 CTH1A的状态来区分设定值为No.4171(CTH1A=1 时No.4173) = PNo.4172(CTH1A=1 时 No.4174
27、) = Q注：该参数设定不正确，定向位置将会不固定，主轴速度显示不准等问题。 NO.4056NO.4059；只要存在换档结构，该参数就要正确设定该参数总共设计了四档，设定含义为主轴转一圈，电机转动的圈数 X100（如果参数参数 NO.4006#1 为 1 时，则电机转动的圈数 X1000） 。四档参数通过信号CTH1A、CTH2A 的组合进行选择。注：在没有为本参数设定适当的值时，会导致在定向时主轴持续旋转不停，刚性攻丝误差大等问题2 10 梯形图例174024 数据单位： 0.1%18数据范围： 01000标准设定： 30设定速度检测信号(SDTA)的检测范围。当电机转速小于等于最高转速的（
28、设常数据/10）时，速度检测信号(SDTA)的状态就成为“1”。第三部分主轴定向主轴定向是对主轴位置的简单控制，该功能使得主轴准确停止在某一固定位置，一般用在主轴换刀的情况下。主轴定向也叫主轴准停。一 主轴机械定向早期的主轴没有位置控制或则变频器控制的异步电机不能带位置反馈元件，通过主轴在低速旋转时，机械上有液压控制的销钉，打进主轴上的销孔上，有位置到位开关确认动作到位后，主轴停止旋转。使主轴停在固定的一个位置上，这种主轴定向方式叫做机械定向。二 主轴电子定向1主轴电子定向实际上是主轴的一个位置控制，需要在主轴上加位置传感器的元件可以选用以下几种元件作为位置信号外部接近开关+主轴速度传感器主轴
29、位置编码器（编码器和主轴 1：1 连接）主轴或内装主轴的内置传感器（MZ！，BZ ！CZi） ，电机与主轴之间直连或者通过1：1连接。由于第一种方法使用方便，成本低，在任何情况下都可以使用。所以现在被很多厂家所采用，下面以i/i 放大器为例详细介绍一下使用方法2使用接近开关（一转信号）定向21 使用接近开关（一转信号）的连接1920注：对于主轴电机和主轴之间不是：的情况，一定要正确设定齿轮比（参数4056-4059 和4171-4174）212.2 对于主轴电机和主轴之间不是：的情况，采用外部一转信号定向，需要正确设定参数 NO.4171- NO.4174） ,该参数分位两档,通过信号CTH1
30、A选择.具体如下该参数总共设计了两档，设定含义为在电机轴转动P 次时主轴转动Q 次时(P,Q 为相互间没有公约数的整数)，两档参数通过信号 CTH1A的状态来区分设定值为No.4171(CTH1A=1 时No.4173) = PNo.4172(CTH1A=1 时 No.4174) = Q本参数设定为 0 时,被认为设定为 1.注：该参数设定不正确，定向位置将会不固定，主轴速度显示不准等问题此外还要设定参数 NO.4056- NO.4059设定方法:主轴转一圈，电机转动的圈数 X100（如果参数参数 NO.4006#1 为 1 时，则电机转动的圈数 X1000） 。例如,当主轴转动 1 转,电机
31、转动 2.5 转时,本参数设定为 250.四档参数通过信号 CTH1A、 CTH2A 的组合进行选择。2.3 .外部开关类型参数说明22接近开关的检测方式在实际调试中，由于只有0/1 两种设定情况，可以分别设定0/1 试验一下（注意，尽量使用突起结构，如果使用凹槽，则开口不能太大）。2) 对于主轴电机和主轴之间不是：的情况，一定要正确设定齿轮比（参数4056-4059 和4500-4503），否则会定向不准（每次不是定在同一个地方）。24 接近开关定向整体硬件连接图233使用位置编码器定向3.1 使用位置编码器参数设定243.2 编码器定向硬件连接示意图4使用内置传感器定向4.1 使用内置传感器参数设定254.2 使用内置传感器硬件连接示意图2627有关信号地址SSTA(F45.1)主轴停止检测信号，当速度小于参数 4024 的值时为 1。参数 NO.4038 为串行主轴的定向速度常用主轴控制方式：普通电机的控制方式、变频器控制方式、伺服控制方式、电主轴方式等（铣头及动力 Y 轴部分）常用换档控制方式：手动换档、自动换档、M 代码换档、 （S 代码- 离合器调节方式常用主轴定向方式：机械方式、磁传感器方式、主轴位置编码器方式、接近开关方式（一转信号）
