1、本文由 万向联轴器 冷镦机 联合整理发布数控加工中心电主轴星三角转换控制技术的开发及应用随着电力电子和数控技术的进步，高速电主轴技术已开始广泛应用于航空、航天以及等行业，由于此项技术不仅可以获得更高的生产率，而且能够获得很高的加工质量，降低生产成本，因此用电主轴高速化已成为目前发展的普遍趋势，正在成为当今金切加工的主流技术。而随着机床技术、高速切削技术的发展和实际应用的需要，对机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求，多数数控机床需要同时满足低速粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求，因此，机床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。现在越来越多的电主轴生产厂家开发出的用电主轴，可以在
2、星形和三角形连接方式下运行，不仅可以满足用户对电主轴的高速加工要求，同时也能满足低速下的大扭矩加工要求，使电主轴的使用范围更加广泛。 作为使用这种星三角转换运行结构的电主轴的机床厂家来说，如何实现电主轴星三角的安全切换，保证数控机床的正常运行，保护电主轴和伺服驱动模块的使用寿命，既能发挥电主轴的高速特性，又能发挥电主轴低速大扭矩加工的特点，是一项关键的控制技术。济南二机床集团有限公司利用西门子 840D 数控系统成功实现了额定转速 12000r/min 的电主轴的星三角转换运行。 电主轴星三角运行特点 常规电主轴使用时，只能限制小进给量加工，使用星三角转换运行技术后，可以在星形运行状态下实现大
3、进给量加工。例如，三角形运行方式下主轴扭矩连续工作能达到 155.9N?m；而星形运行方式下连续工作时的扭矩可达到305.6N?m。 电主轴在星形接法运行时电主轴扭矩高，最高转速达到 3000r/min；在三角形接法运行时扭矩相对小，转速可达到 12000r/min。从图 1 可以看出在不同的接法运行时，速度相同但扭矩是明显不一样的。 在低速阶段，相同的转速时转换为星形接法运行，可以使电主轴产生高扭矩。 电主轴主电路星三角转换电路图 对图 2 电路图中电主轴主电路接触器控制器动作有如下要求： （1）星形时保证 Kx、K2 接触器吸合，K1 不吸。 （2）三角形时保证 Kx、K1 接触器吸合，K
4、2 不吸。 加入 Kx 接触器是为了构成一个可靠的安全回路，因为仅打开 K1 和 K2 并不能确保回路安全。Kx 接触器只有确保 K1、K2 其中一个接触器吸合另一个接触器断开时才能吸合，因此，必须考虑从硬件连接继电器控制回路中设置安全互锁，如图 3 所示。 PLC 控制程序的设计 1 设计控制程序首先满足的因素 本文由 万向联轴器 冷镦机 联合整理发布切换时为了保证数控驱动系统不出故障，切换过程中减少电流冲击和产生，电主轴必须处于停止运转状态，即保证速度为零；必须保证接触器切换的时间不能小于 0.5s。 2 分析西门子 840D 系统星三角转换功能块 FC17 理解 FC17 控制的星三
5、角转换的逻辑动作。如下动作时序图见图 4： ?星形转换为三角形； ?三角形转换为星形。 从图 4 可看出，FC17 功能块控制的逻辑动作分为以下 6 个步骤： （1）通过外接指令向 NC 发出转换指令。 （2）告知 NC 取消主轴“电机选择”接口信号，即 DB34.DBX21.5=0。同时去掉脉冲使能信号。 （3）NC 选择“电机选择 A”接口信号 DB34.DBX21.3=1，系统进入转换过程。 （4）FC17 接到 NC 将 DB34.DBX21.7 置零后 DB34.DBX93.7=0，并告知 PLC。 （5）系统确认驱动已进行电机选择，FC17 等待延时时间到后，将当前的控制转换输出信
6、号复位为零，当前吸合的接触器打开。 （6）系统再次延时后，要求的控制转换输出信号强制为 1，另一个接触器吸合，将电机选择接口信号 DB34.DBX21.5 置为 1，允许电机可以在选择的电机转换方式下运转。 3 编制电主轴星三角切换控制程序 ANDB34.DBX61.4/主轴静止状态 JCSTAR AI7.0/星三角切换键 FPM 99.0 JCNSTAR ANQ5.0/主轴处于星形运转状态指示灯 =Q5.0/主轴处于星形运转状态指示灯 STAR: I7.0/星三角切换键 =DB2.DBX182.1/主轴转速不为零不能进行切换提示。 ANQ5.0/主轴处于星形运转状态指示灯 =M99.1/电机
7、默认是三角形运行方式。 CALL“YDelta“/调用西门子功能块 FC17 YDelta:= M99.1/M99.1=1DELTA M99.1=0 STAR SpindleIFNo:=4/主轴号 TimeVal:=S5T#1S/计时时间 TimerNo:=41/计时器号 Y:=Q56.7/星形继电器吸合控制输出点 Delta:=Q48.0/三角形继电器吸合控制输出点 本文由 万向联轴器 冷镦机 联合整理发布Ref:=MW50 OI34.6/三角形控制接触器使能信号 OI35.0/星形控制接触器使能信号 =Q44.5/电主轴电机安全控制回路接触器控制输出点 AI34.6/三角形控制接触器使
8、能信号 AI34.2/安全控制接触器使能信号 =Q4.6/指示灯提示主轴处于三角形运行状态 4 设置电主轴参数 根据电主轴厂家提供的电机参数表，在西门子 840D 系统中配置电机参数，分 5步设置： 第一步：选择电机将电机 1 设为电主轴星形运行的参数，输入参数后要求数控系统计算数据，生成与电机匹配的电机参数（注意：1100 是代表驱动模块，1150 磁通控制 P 增益）。 第二步：同样方法，将电机 2 设置为电主轴三角形运行时的参数，注意设置好1062、2062（关闭保持制动转速）参数。 第三步：检查一遍加入数控系统的电机参数。 第四步：激活西门子系统星三角转换功能，设 1013=1，激活
9、FC17 功能块。 第五步：主轴轴参数的设置要求。 主轴设置参数按三角形的主轴最大参数设置，并且特别注意电主轴无刀夹紧时要激活 35160 的速度限制，即无刀时不允许主轴高速运转。 电主轴星三角形分别试运转 1 接线方式 根据主电路图检查接线，保证接线必须正确。 2 接触器动作顺序检查 为安全起见，首先电机不接动力线进行接触器动作顺序试验，确保电主轴星形运行时 Kx、K2 接触器吸合，K1 不吸。切换为三角形时，保证 Kx、K1 接触器吸合，K2 不吸，并且反复试验 K1、K2 之间切换的间隔时间，力求达到最佳切换。3 试运转 在星形接法下试运转，检验它的最大速度是否符和要求。在星形接法下试运
10、行时，其最大速度不超过由电机参数 1146 设置的限速值 3000r/min。试验证明，与轴参数 35100 的最大主轴速度值无关。 在三角形接法下试运转，检验它的最大速度是否符和要求。在三角形接法下试本文由 万向联轴器 冷镦机 联合整理发布运行时，其最大速度不超过由电机参数 2146 的限速值 12000r/min。试验证明，主轴转速在 12000r/min 范围内运转正常（提示：星三角转换只能在速度模式下转换，不能在轴模式下执行 M70 或 SPOS 指令后进行）。 4 电主轴电流环、速度环优化 对星形和三角形连接方式下的电主轴进行电流环和速度环优化，优化电主轴运转后，电主轴的运转达到
11、最佳的静态特性和动态特性。 应用 面对航空航天等产品的零件加工的复杂化和整体化，电主轴星三角转换运行技术的应用发挥了巨大作用。大型飞机的机身、机翼是飞机上的关键零部件，具有尺寸大、曲折面多的特点，加工起来难度很大，留有的加工余量大小不一，用普通机床加工时周期长，磨损严重且加工振动明显，加工零件表面存在大量振纹。飞机零件加工厂家使用了电主轴星三角转换技术，对加工零件余量大的部位，将电主轴转换成星形接法运行，采用大切削深加工, 充分发挥了电主轴低转速大扭矩的优点。加工过程中电主轴的温升正常，噪音符合要求，有效延长了电主轴及刀具的使用寿命。使用三角形接法运行，能满足电主轴高转速、宽调速范围、高速瞬间
12、准停的动态特性和静态特性的要求，刀具进给持续，运动轨迹光滑，确保了加工出来的零部件表面质量一致性。加工的零件在满足技术指标要求的同时，效率提高了 200%，生产周期由原计划的 30 天提前到 15 天。总之通过电主轴星三角转换运行技术的使用，实现了大型零部件一次装夹完成多次的切削加工，解决了该类零件加工中存在的周期长，成本高，精度难以控制等问题。通过用户对该技术的实际应用，验证了该技术的有效性。 结论 目前，单纯通过增加数控设备和设备种类，并没有带来产品制造能力明显的提升，数控加工中心通过使用电主轴星三角转换运行技术后，满足了不同的加工要求，扩大了数控加工中心的加工范围，满足了航空航天制造领域高速、高效切削为特征的高性能切削加工的要求，提高了数控加工中心的利用率。(end) 文章内容仅供参考 () ()(2012-5-24)
