變頻器與數(shù)控車床的連接

變頻器與數(shù)控車床的連接2021/6/271FANUC0i/0iMate主軸驅(qū)動裝置主軸系統(tǒng)主要由主軸驅(qū)動裝置及主軸電動機(jī)組成。FANUC0i/0iMate數(shù)控裝置提供了模擬主軸和串行主軸（Spindleanalogoutput/Spindleserialoutput）接口供用戶選擇。

用模擬量控制的主軸驅(qū)動單元（如變頻器）和電動機(jī)稱為模擬主軸，主軸模擬輸出接口只能控制一個模擬主軸，當(dāng)用戶選擇模擬主軸時，一般選用通用變頻器作為主軸驅(qū)動裝置。按串行方式傳送數(shù)據(jù)（CNC給主軸電動機(jī)的指令）的接口稱為串行輸出接口；主軸串行輸出接口能夠控制兩個串行主軸，當(dāng)用戶選擇串行主軸時，必須使用FANUC0i/0iMate數(shù)控系統(tǒng)提供了SPM系列專用主軸驅(qū)動裝置。2021/6/272系統(tǒng)與主軸相關(guān)的系統(tǒng)接口有：

JA40：模擬量主軸的速度信號接口（0~10V），CNC輸出的速度信號（0-10V）與變頻器的模擬量頻率設(shè)定端連接，控制主軸電機(jī)的運行速度。

JA7A：串行主軸/主軸位置編碼器信號接口，當(dāng)主軸為串行主軸時，與主軸變頻器的JA7B連接，實現(xiàn)主軸模塊與CNC系統(tǒng)的信息傳遞；當(dāng)主軸為模擬量主軸時，該接口又是主軸位置編碼的主軸位置反饋接口。Fanuc0i主軸連接示意圖2021/6/273數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動裝置模擬量主軸驅(qū)動裝置（變頻器）串行數(shù)字主軸驅(qū)動裝置2021/6/274通用變頻器

所謂“通用”包含著兩方面的含義：一是可以和通用的籠型異步配套應(yīng)用；二是具有多種可供選擇的功能，可應(yīng)用于各種不同性質(zhì)的負(fù)載。值得注意的是，變頻器的冷卻方式都采用風(fēng)扇強迫冷卻。如果通風(fēng)不良，器件的溫度將會升高，有時即使變頻器并沒有跳閘，但器件的使用壽命已經(jīng)下降。所以，應(yīng)注意冷卻風(fēng)扇的運行狀況是否正常，經(jīng)常清拭濾網(wǎng)和散熱器的風(fēng)道，以保證變頻器的正常運轉(zhuǎn)。

變頻器的工作原理

交流異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式位：

n＝60f(1－s)/p(1)

式中n———異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；

f———異步電動機(jī)的頻率；

s———電動機(jī)轉(zhuǎn)差率；

p———電動機(jī)極對數(shù)。

由式(1)可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機(jī)電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。2021/6/275變頻器的構(gòu)成—實用原理框圖14325678適用于小功率（<5.5KW)適用于中大功率(5.5KW以上）2021/6/276類別作用主要構(gòu)成器件主回路整流部分1將工頻交流變成直流，輸入無相序要求整流橋逆變部分2將直流轉(zhuǎn)換為頻率電壓均可變的交流電，輸出無相序要求IGBT制動部分3/4消耗過多的回饋能量，保持直流母線電壓不超過最大值單管IGBT和制動電阻,大功率制動單元外置上電緩沖6降低上電沖擊電流，上電結(jié)束后接觸器自動吸合，而后變頻器允許運行限流電阻和接觸器儲能部分5保持直流母線電壓恒定，降低電壓脈動電解電容和均壓電阻控制回路鍵盤7對變頻器參數(shù)進(jìn)行調(diào)試和修改，并實時監(jiān)控變頻器狀態(tài)MCU(單片機(jī)）控制電路8交流電機(jī)控制算法生成，外部信號接收處理及保護(hù)DSP(或兩個MCU）變頻器的構(gòu)成—實用原理框圖2021/6/277類別作用結(jié)構(gòu)件散熱器將整流橋、逆變器產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去溫度傳感器檢測散熱器溫度，確保模塊工作在允許溫度環(huán)境下風(fēng)扇配合散熱器，將變頻器內(nèi)部的熱量帶走，有直流風(fēng)扇（24V)和交流風(fēng)扇兩種變頻器的構(gòu)成—實用原理框圖2021/6/278變頻器的構(gòu)成—控制回路接口接口類型主要特點主要功能開關(guān)量輸入無源輸入，一般由變頻器內(nèi)部24V供電，啟/停變頻器，接收編碼器信號、多段速、外部故障等信號或指令開關(guān)量輸出集電極開路輸出、繼電器輸出變頻器故障、就緒、達(dá)速等，參與外部控制模擬量輸入0-10V/4-20mA頻率給定/PID給定、反饋，接收來自外部的給定或控制模擬量輸出0-10V/4-20mA運行頻率、運行電流的輸出，用于外界顯示儀表和外部設(shè)備控制脈沖輸出PWM波輸出功能同模擬量輸出（只有個別變頻器提供）通訊口RS485/RS232組網(wǎng)控制以上端子均可自由編程2021/6/279變頻器的構(gòu)成—用戶接口主回路接口控制回路接口模擬量輸入模擬量輸出通訊接口控制回路接口開關(guān)量輸入開關(guān)量輸出編碼器接口2021/6/2710變頻器的構(gòu)成—主回路接口工頻電網(wǎng)輸入380V3PH/220V3PH220V1PH制動電阻直流電抗器三相交流電機(jī)M~2021/6/2711變頻器保護(hù)功能由于變頻器大量的使用了各種半導(dǎo)體器件，如整流橋、IGBT、電解電容等，要想保證變頻器長期穩(wěn)定工作，則必須保證各器件工作在其允許條件下。超出條件則必須立刻或延時停止變頻器工作，待異常條件消失后才能重新開始工作，如保護(hù)失效或動作延遲將導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)不可恢復(fù)性損害。保護(hù)類型原因缺相輸入缺相輸入電壓值相差超過允許值輸出缺相輸出電流三相不平衡過流加速/減速/恒速超過變頻器允許的最大電流（2倍額定）過載超過變頻器允許的過載范圍過壓加速/減速/恒速直流母線電壓超過允許值過熱散熱器溫度超過允許值欠壓電網(wǎng)電壓過低2021/6/2712變頻器的選型正確的把握變頻器驅(qū)動的機(jī)械負(fù)載對象的轉(zhuǎn)速——轉(zhuǎn)矩特性，是選擇電動機(jī)

及變頻器容量、決定其控制方式的基礎(chǔ)。機(jī)械負(fù)載包羅萬象，但歸納其轉(zhuǎn)速——轉(zhuǎn)矩特性，主要有以下三大類：1、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載；2、平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載；3、恒功率負(fù)載：機(jī)床主軸等；①驅(qū)動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載③②④⑤⑥驅(qū)動平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載驅(qū)動恒功率負(fù)載驅(qū)動四象限運行的負(fù)載驅(qū)動脈動轉(zhuǎn)矩負(fù)載驅(qū)動沖擊負(fù)載⑨⑦⑧驅(qū)動大慣性負(fù)載驅(qū)動高速運轉(zhuǎn)的設(shè)備驅(qū)動大起動轉(zhuǎn)矩負(fù)載2021/6/2713變頻器的安裝環(huán)境1、環(huán)境溫度：-10~40攝氏度(-20℃～60℃儲存)2、環(huán)境濕度：20~90%RH，無結(jié)露3、振動：<5.9m/s(0.6G)4、氣體雜質(zhì)：無腐蝕性、爆炸性氣體，無金屬粉塵，少塵埃5、海拔高度：<1000m，否則要降額使用2021/6/2714變頻器的距離變頻器的安裝1、變頻器與電動機(jī)的距離2、變頻器與控制室的距離1、采用電壓信號（0~10V）使用屏蔽電纜，也只能在20~30m；用雙絞線距離更短。2、采用電流信號（4~20mA）用屏蔽電纜，可達(dá)80~100m。3、用RS232通訊口距離限制在15~20m以內(nèi)。4、采用RS485通訊口距離可達(dá)1200m（波特率為9600bps）。變頻器的接線1、動力電源線與控制信號線要分開（最好有10cm以上的間隔）或垂直交叉。2、對主回路配線前應(yīng)檢查電纜的線徑是否符合要求。3、信號線必須用屏蔽線或雙絞線。4、在連線時特別注意模擬信號線的極性。5、使用智能輸出端子控制外接繼電器時，要在繼電器線圈兩端加裝浪涌吸收二極管。2021/6/2715電機(jī)的變頻器應(yīng)用總體方案

HMI(控制面板)運動控制系統(tǒng)I/O端口X軸伺服驅(qū)動Z軸伺服驅(qū)動主軸變頻器X軸絲桿Z軸絲桿主軸電機(jī)編碼器位置反饋機(jī)床本體CNC2021/6/2716變頻器接線圖接線說明：FANUC系統(tǒng)控制變頻器正轉(zhuǎn)SF，反轉(zhuǎn)SR，模擬量輸入VRC-GND，和故障輸出端子Tc,Tb，故障復(fù)位端子RST。X1端子控制點動，OUT1端子為頻率到達(dá)信號輸出端，外接中間繼電器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換。注意控制信號的抗干擾處理！模擬主軸連接2021/6/27172021/6/2718FANUC0i/0iMate數(shù)控系統(tǒng)的綜合連接2021/6/2719FANUC0i數(shù)控硬件裝置I/O單元視圖及其接口信號的定義2021/6/2720

SPM系列專用主軸驅(qū)動裝置數(shù)控系統(tǒng)中的主軸驅(qū)動裝置主要用于控制驅(qū)動加工中心中的主軸電動機(jī)。FANUC的α系列主軸模塊主要分為SPM、SPMC、SPM－HV三種。1）α系列FANUC0i主軸驅(qū)動裝置的型號參數(shù)主軸驅(qū)動裝置的型號參數(shù)如下所示。SPM口－口口①②③④①主軸驅(qū)動裝置型號；②電動機(jī)類型，“無”為α系列，C為αC系列；③額定輸出功率；④輸入電壓，“無”為200V，HV為400V。2021/6/2721串行主軸連接2021/6/27222021/6/2723Link:DC300V直流電源CX1A/CX1B:200V交流控制電路的電源輸入/輸出接口。CX2A/CX2B:24V輸入/輸出及急停信號接口。JX4:主軸伺服信號檢測板接口。JX1A/JX1B:模塊之間信息輸入/輸出接口。JY1:外接主軸負(fù)載表和速度表的接口。JA7B:串行主軸輸入信號接口連接器。JA7A:用于連接第二串行主軸的信號輸出接口。JY2:連接主軸電動機(jī)速度傳感器（主軸電機(jī)內(nèi)裝脈沖發(fā)生器和電機(jī)過熱信號）。JY3:作為主軸位置一轉(zhuǎn)信號接口。JY4:主軸獨立編碼器連接器（光電編碼器）。JY5:主軸CS軸（回轉(zhuǎn)軸）控制時，作為反饋信號接口。U、V、W:主軸電動機(jī)的動力電源接口。

FANUC系統(tǒng)α系列主軸模塊的端子功能2021/6/2724DCLink：DC300V輸入，連接到電源模塊的直流電壓輸出JA7B：主軸信息輸入信號，連接到CNC系統(tǒng)的JA7AJY4：主軸位置和速度檢測信號，連接到主軸位置編碼器CX2A：DC24V輸入接口與電源模塊的CX2B相連CX1A：交流200V電壓輸入連接到電源模塊的CX2BJX1A：模塊之間信息接口連接到電源模塊的JX1BJY2：主軸電動機(jī)內(nèi)裝傳感器信號及定子繞組溫度開關(guān)信號CX2B：DC24V輸出，連接到伺服模塊的CX2AFANUC系統(tǒng)α系列主軸模塊的連接U、V、W：連接到主軸電動機(jī)，為動力電源2021/6/27252021/6/2726βi系列伺服放大器2021/6/27272021/6/27282021/6/2729FANUC0i/0iMate電源裝置

FANUC0i/0iMate數(shù)控系統(tǒng)所用的交、直流電源，因數(shù)控機(jī)床的復(fù)雜程度一般采用普通交、直流穩(wěn)壓開關(guān)電源和FANUC專用電源裝置。普通交、直流穩(wěn)壓開關(guān)電源造價低，接線簡單，廣泛用于普通數(shù)控車、銑床；FANUC專用電源裝置則多用于加工中心。普通交、直流穩(wěn)壓開關(guān)電源原理、接線請讀者自行查閱資料。

FAUNC的α系列專用電源裝置主要分為PSM、PSMR、PSM—HV、PSMV—HV四種，輸入電壓分為交流200V和交流400V兩種。2021/6/2730電源裝置作用一、隔離：

１、安全隔離：強電弱電隔離＼IGBT隔離驅(qū)動＼浪涌隔離保護(hù)＼雷電隔離保護(hù)（如人體接觸的隔離保護(hù)）

２、噪聲隔離：（模擬電路與數(shù)字電路隔離、強弱信號隔離）

３、接地環(huán)路消除：遠(yuǎn)程信號傳輸＼分布式電源供電系統(tǒng)

二、保護(hù)：

短路保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、其它保護(hù)

三、電壓變換：

升壓變換＼降壓變換＼交直流轉(zhuǎn)換（AC/DC、DC/AC）＼極性變換

四、穩(wěn)壓：

交流市電供電\遠(yuǎn)程直流供電\分布式電源供電系統(tǒng)\電池供電

五、降噪：

有源濾波

2021/6/27312021/6/2732（1）α系列專用電源裝置的型號參數(shù)專用電源裝置的型號參數(shù)如下所示：PSM口－口口①②③④①電源裝置型號；②制動形式，“無”為再生制動，R：能耗制動，V：電壓轉(zhuǎn)換型再生制動，C：電容制動；③額定輸出功率；④輸入電壓，“無”為200V，HV為400V。（2）專用電源裝置接口信號的定義PSM電源裝置接口信號的定義如下圖2021/6/27332021/6/2734PSM電源裝置接口信號的定義2021/6/2735α系列電源模塊與主軸模塊實際連接圖2021/6/27362021/6/2737FANUC0i/0iMate數(shù)控系統(tǒng)的綜合連接2021/6/2738加工中心結(jié)構(gòu)電氣箱：機(jī)臺電路的控制中心,由NC控制器、電源供應(yīng)器、主軸放大器、伺服放大器、強電板、轉(zhuǎn)接板、小變壓器……等等元氣件組成2021/6/2739加工中心結(jié)構(gòu)NC控制器：類似于電腦的主機(jī)，可進(jìn)行處理、計算、轉(zhuǎn)換、輸入輸出各種信號，以及存儲系統(tǒng)資料、用戶資料……等等

FANUC2021/6/2740加工中心結(jié)構(gòu)電源模塊：過程先將3相220V的交流電源，整流為2相300V直流電源，然后再將300V直流電源通過短接銅片傳輸給下一個伺服單元。（提供伺服驅(qū)動電源及工作電源）2021/6/2741加工中心結(jié)構(gòu)伺服放大器：通過伺服馬達(dá)編碼的脈沖信號經(jīng)伺服放大器放大轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)值信號，再經(jīng)由NC控制器處理，然后再由放大器又轉(zhuǎn)為脈沖信號，以達(dá)到控制伺服軸運動的裝置FANUC2021/6/2742加工中心結(jié)構(gòu)手輪：

用于慢速控制軸向移動的裝置,最小移動單位是0.001mm。2021/6/2743加工中心結(jié)構(gòu)主軸馬達(dá)：受主軸放大器控制,來實現(xiàn)主軸正反轉(zhuǎn)的功能2021/6/2744加工中心結(jié)構(gòu)伺服馬達(dá)：受伺服放大器控制，來實現(xiàn)伺服軸X、Y、Z、B軸移動的功能

2021/6/2745主軸定位\主軸定向1、主軸定位（Spindlepositioning）這是車床主軸的一種工作方式（位置控制方式），用FANUC主軸電動機(jī)和裝在主軸上的位置編碼器實現(xiàn)固定角度間隔的圓周上的定位或主軸任意角度的定位。2、主軸定向（Orientation）為了執(zhí)行主軸定位或者換刀，必須將機(jī)床主軸在回轉(zhuǎn)的圓周方向定位與于某一轉(zhuǎn)角上，作為動作的基準(zhǔn)點。CNC的這一功能就稱為主軸定向。FANUC系統(tǒng)提供了以下3種方法：用位置編碼器定向、用磁性傳感器定向、用外部一轉(zhuǎn)信號（如接近開關(guān)）定向。2021/6/2746數(shù)控系統(tǒng)一般均提供4擋自動變速功能，而數(shù)控機(jī)床通常使用兩檔即可滿足要求。在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)區(qū)設(shè)置M41~M44四檔對應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速后，即可用M41~M44指令控制齒輪自動換擋?？刂七^程中，數(shù)控系統(tǒng)將根據(jù)當(dāng)前S指令值，自動判斷檔位，向PLC輸出相應(yīng)的M41~M44指令，由PLC控制變換齒輪位置，數(shù)控裝置同時輸出相應(yīng)的模擬電壓或數(shù)字信號設(shè)定對應(yīng)的速度。

例如M41對應(yīng)的最高主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min,M42對應(yīng)的最高主軸轉(zhuǎn)速為3500r/min,主軸電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為3500r/min.當(dāng)S指令在0~1000r/min單位內(nèi)時,M41對應(yīng)的齒輪嚙合;當(dāng)S指令在1000~3500r/min范圍內(nèi)時,M42對應(yīng)齒輪嚙合.M42對應(yīng)的齒輪傳動比為1:1,M41對應(yīng)的傳動比為1:3.5,此時主軸輸出的最大轉(zhuǎn)矩為主軸電動機(jī)最大輸出的最大轉(zhuǎn)矩的3.5倍.不同機(jī)床主軸變擋所用的方式不同,控制具體實現(xiàn)可由可編程控制器完成.目前常采用液壓撥叉或電磁離合器帶動不同齒輪的嚙合.對變速時出現(xiàn)的頂齒現(xiàn)象,現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)均采用由數(shù)控系統(tǒng)控制主軸電動機(jī)低速轉(zhuǎn)動或振動的方法,實現(xiàn)齒輪的順利嚙合.而變擋時主軸電動機(jī)低速轉(zhuǎn)動或振動的速度可在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)區(qū)中設(shè)定.自動變擋控制2021/6/2747自動變速動作控制時序圖M代碼輸出

M選通M代碼確認(rèn)M代碼執(zhí)行主軸蠕動換擋完成轉(zhuǎn)速設(shè)定2021/6/27481當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)讀到有擋變化的S指令時,輸出響應(yīng)的M代碼(M41~M44),代碼由BCD碼輸出或由而進(jìn)制輸出(由數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)確定),輸出信號送至可編程控制器.250ms后,CNC發(fā)出M選通信號Mstrobe,指示可編程控制器讀取并執(zhí)行M代碼,選通信號持續(xù)100ms。保證50ms后讀取是為了使M代碼穩(wěn)定，保證讀取得數(shù)據(jù)正確。3可編程控制器接受到Mstrobe信號后，立即使M完成信號無效，通知數(shù)控系統(tǒng)M代碼正在執(zhí)行。4可編程控制器開始對M代碼進(jìn)行譯碼，并執(zhí)行相應(yīng)的變擋控制邏輯。5M代碼輸出200ms后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)設(shè)置輸出一定的主軸蠕動量，使主軸慢速轉(zhuǎn)動或振動，以解決齒輪頂齒問題。6可編程控制器完成變速后，置M完成信號有效，通知數(shù)控系統(tǒng)變擋工作已經(jīng)完成。7數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)設(shè)置的每擋主軸最高轉(zhuǎn)速，自動輸出新的模擬電壓使主軸轉(zhuǎn)速為給定的S值

2021/6/2749主軸準(zhǔn)?？刂浦鬏S準(zhǔn)停功能指控制主軸準(zhǔn)確停在固定位置的功能，又稱為主軸定位功能，是數(shù)控加工過程中自動換刀所必需的功能。在自動換刀的鏜、銑加工中心上，切削扭矩通常是通過刀桿的端面鍵傳遞的，因此，要求主軸具有準(zhǔn)確的定位于圓周特定角度的功能（見圖5.6）；當(dāng)加工階梯孔或精鏜孔后退刀時，為防止刀具與小階梯孔碰撞或拉毛已精加工過的孔表面，必須先讓刀，再退刀。即使讓刀，刀具也必須能夠準(zhǔn)確定位。2021/6/2750主軸準(zhǔn)?？刂浦鬏S準(zhǔn)停功能分為機(jī)械準(zhǔn)停和電氣準(zhǔn)停。機(jī)械準(zhǔn)停：端面螺旋凸輪準(zhǔn)停裝置1—主軸2—定位滾子3—凸輪4—活塞桿5—液壓缸在主軸1上固定有一個定位滾子2，主軸上空套有一個雙向端面凸輪3，該凸輪和液壓缸5中活塞桿4相連接，當(dāng)活塞帶動凸輪3向下移動時（不轉(zhuǎn)動），通過撥動定位滾子2并帶動主軸承轉(zhuǎn)動，當(dāng)定位銷落入端面凸輪的V形槽內(nèi)，便完成了主軸準(zhǔn)停。因為是雙向端面凸輪，所以能從兩個方向撥動主軸轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)準(zhǔn)停。這種雙向端面凸輪準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)，動作迅速可靠，但是凸輪制造較復(fù)雜。2021/6/2751采用磁傳感器準(zhǔn)停時，接受到數(shù)控系統(tǒng)發(fā)來的準(zhǔn)停開關(guān)量信號ORT，主軸立即加速或減速至某一準(zhǔn)停速度（可在主軸驅(qū)動裝置中設(shè)定）。主軸到達(dá)準(zhǔn)停速度且準(zhǔn)停位置到達(dá)時（即磁發(fā)體與磁傳感器對準(zhǔn)），主軸即減速至某一爬行速度（可在主軸驅(qū)動位置中設(shè)定）。然后當(dāng)磁傳感器信號出現(xiàn)時，主軸驅(qū)動立即進(jìn)入磁傳感器作為反饋元件的閉環(huán)控制，目標(biāo)位置即為準(zhǔn)停位置。準(zhǔn)停完成后，主軸驅(qū)動裝置輸出準(zhǔn)停完成ORE停號給數(shù)控系統(tǒng)，從而可進(jìn)行自動換刀（ATC）或其他動作。2021/6/2752電氣準(zhǔn)停1）磁傳感器準(zhǔn)停磁傳感器主軸準(zhǔn)停控制由主