吳云忠，唐國(guó)蘭

（1．廣東韶鋼松山股份有限公司，廣東韶關(guān)512122；2.廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東韶關(guān)512126）

FANUC數(shù)控銑床模擬主軸控制設(shè)計(jì)

吳云忠1，唐國(guó)蘭2

（1．廣東韶鋼松山股份有限公司，廣東韶關(guān)512122；2.廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東韶關(guān)512126）

模擬主軸控制廣泛應(yīng)用于中檔數(shù)控銑床，從模擬主軸控制電路、變頻器參數(shù)、數(shù)控系統(tǒng)主軸參數(shù)設(shè)定及轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向控制的PMC程序設(shè)計(jì)等方面詳細(xì)地介紹了模擬主軸控制方案的實(shí)現(xiàn)過程，并在實(shí)訓(xùn)室的數(shù)控銑床上調(diào)試成功。

模擬主軸；變頻器；PMC；速度控制；轉(zhuǎn)向控制

主軸系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床中至關(guān)重要的功能模塊，是切削過程中切削力的主要來源，在機(jī)床中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)。為了保證機(jī)床能夠用不同的刀具來進(jìn)行不同材料工件的金屬切削加工，必須選擇合適的切削速度。機(jī)床的切削速度決定于主軸轉(zhuǎn)速與刀具（或工件）直徑，其換算關(guān)系為：

式中，v為切削速度（m/min）；n為主軸轉(zhuǎn)速（r /min）；D為刀具（或工件）直徑（mm）[1].

因此，作為金屬切削機(jī)床主軸最基本要求是：具備調(diào)速、啟停和轉(zhuǎn)向控制功能即速度控制功能。

1 工作原理

主軸速度控制有兩種方法：模擬主軸控制和串行主軸控制。模擬主軸就是數(shù)控系統(tǒng)輸出模擬電壓信號(hào)，后級(jí)采用普通的交流變頻器和交流變頻電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的主軸控制。THWMZT-1B型數(shù)控銑床，采用FANUC 0i-Mate-MD數(shù)控系統(tǒng)控制，主軸采用日本三菱D700變頻調(diào)速器，主軸電機(jī)為JW7122微型三相異步電機(jī)，主軸電機(jī)通過同步帶傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，主軸未裝編碼器，數(shù)控系統(tǒng)用“模擬主軸”功能控制主軸，旋轉(zhuǎn)方向和模擬電壓是模擬主軸旋轉(zhuǎn)的必要條件。其硬件連接如圖1所示，主軸的轉(zhuǎn)速由數(shù)控系統(tǒng)的JA40接口向三菱D700變頻器的2，5端子輸出單極性的0-10V模擬電壓來控制。旋轉(zhuǎn)方向由數(shù)控機(jī)床內(nèi)PLC輸出Y8.0、Y8.1正反轉(zhuǎn)信號(hào)使對(duì)應(yīng)的KA1、KA2繼電器線圈通電，并用KA1、KA2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)主軸電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

圖1 主軸電氣原理圖

2 主軸速度控制

在數(shù)控機(jī)床中，主軸速度由加工程序編程指定，如M03 S1400中的“S1400”即是給定的轉(zhuǎn)速信號(hào)，此時(shí)S代碼選通輸出F7.2信號(hào)接通，通過圖3 PLC梯形圖程序進(jìn)行處理與控制，得到實(shí)際的主軸速度。PLC先進(jìn)行S代碼處理得到程序指定速度，然后將主軸速度設(shè)定值乘以主軸倍率作為主軸的實(shí)際值，利用PZD方式寫變頻器，將主軸實(shí)際值所對(duì)應(yīng)的模擬電壓送給變頻器。

在表1和圖2中，主軸轉(zhuǎn)速倍率使用的是波段開關(guān)的3位A、B、F即X19.2、X19.4、X19.6二進(jìn)制編碼信號(hào)的不同組合形成圖3 PLC梯形圖CODE指令中數(shù)據(jù)表的地址，通過查表指令得到主軸倍率開關(guān)的8個(gè)不同的倍率值，將其值輸出給地址：G30.0～G30.7（SOV0-SOV7）；倍率的調(diào)節(jié)范圍為0～254%，倍率增量為0.01%.對(duì)于采用變頻驅(qū)動(dòng)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。

表1 主軸倍率組合表

圖2 主軸倍率開關(guān)硬件連接圖（左側(cè)圖為正面，右側(cè)圖為背面）

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2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：

表2 變頻器內(nèi)參數(shù)設(shè)定

表3 數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)主軸參數(shù)設(shè)定

首先，將變頻器參數(shù)P73設(shè)為0，表示變頻器引腳2和5的模擬量輸入電壓范圍為0～10 V，如表2所示；并將主軸參數(shù)3 741設(shè)置為2 800，如表3所示，此參數(shù)說明主軸最高轉(zhuǎn)速是2 800 r/min.主軸電機(jī)通過同步帶1∶1傳送給主軸，當(dāng)編程如“M03 S1400；”，且倍率調(diào)節(jié)到60%，此時(shí)，X19.2=1、X19.4=0、X19.6=0，即得到梯形圖CODE查表指令中存放所需倍率數(shù)的表地址001，執(zhí)行CODE指令就將表地址001中的數(shù)據(jù)0060送給G30，CNC送出給變頻器的電壓為主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速是1 400×0.6=840 r/min.

模擬主軸控制轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)產(chǎn)生速度誤差，速度誤差可通過表3中CNC的模擬量輸出漂移參數(shù)3731和增益參數(shù)3 730的設(shè)定值來調(diào)整或減小[1，3]。設(shè)定前，先分別將pr.3731、pr.3730設(shè)定為0、1 000，再分別測(cè)量CNC模擬電壓輸出值，分別代入

經(jīng)計(jì)算可得到pr.3731、pr.3730的實(shí)際設(shè)定值分別為-14和995.

3 主軸轉(zhuǎn)向控制

根據(jù)數(shù)控加工指令知，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4主軸I/O分配表，設(shè)計(jì)出主軸控制梯形圖如圖3所示，其正轉(zhuǎn)的過程如表4.

表4 主軸IO分配

（1）在MDI、AUTO、DNC方式下，輸入如“M035 S1000；”，按下循環(huán)啟動(dòng)X17.5.

CNC接收到信號(hào)，根據(jù)圖五梯形圖，先將M代碼如M03送給F10，延時(shí)一段時(shí)間（此時(shí)間的長(zhǎng)短是由系統(tǒng)參數(shù)3010設(shè)定）后，F(xiàn)7.0=1，使R250.0為1，同時(shí)執(zhí)行DECB的譯碼指令，譯碼結(jié)果使R10對(duì)應(yīng)的位為1，即若輸入的是M03，則R10.0為1；輸入的是M04，則R10.1為1；輸入的是M05，則R10.2為1.

（2）當(dāng)M功能執(zhí)行完之后，G4.3=1，CNC接收到G4.3=1，主軸電機(jī)執(zhí)行該動(dòng)作，經(jīng)過系統(tǒng)延時(shí)（此時(shí)間的長(zhǎng)短是由系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定），F(xiàn)7.0=0，譯碼指令斷開，G4.3=0，M代碼全部變?yōu)?[2].

（3）正轉(zhuǎn)運(yùn)行，當(dāng)在MDI、AUTO、DNC方式下輸入M03時(shí)，經(jīng)譯碼后R10.0為1，R207.4為1，并自鎖；當(dāng)手動(dòng)時(shí)，按主軸正轉(zhuǎn)X18.1按鍵，R450.0為1，并自鎖。當(dāng)R207.4為1或R450.0為1時(shí)，Y8.0為1，主軸開始正轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)運(yùn)行同理。

（4）停止，當(dāng)輸入M05時(shí)，經(jīng)譯碼后R10.2為1，R207.4為0；當(dāng)手動(dòng)時(shí)，按主軸停止X18.3按鍵，R450.0為0，主軸停止運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

模擬主軸變頻控制廣泛應(yīng)用于數(shù)控銑床、數(shù)控車床，其控制難點(diǎn)主要是速度和方向的PMC程序設(shè)計(jì)及主軸參數(shù)、變頻器參數(shù)的設(shè)定及調(diào)試。其方法也可推廣應(yīng)用在數(shù)控磨床上，通過變頻驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)恒線速度功能[4]。

[1]龔仲華．?dāng)?shù)控系統(tǒng)連接與調(diào)試[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2]徐愚，唐昌松，王建華．M功能在FANUC數(shù)控系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)及具體應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2012，33（07）：218-220.

[3]唐靜.基于FANUC數(shù)控系統(tǒng)的模擬主軸的參數(shù)設(shè)置與調(diào)試[J].常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，13（1）：21-23.

[4]陳眉.數(shù)控磨床模擬主軸控制[J].數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)，2006（06）：126-128.

Control and Design of Analog Spindle FANUC CNC Milling Machine

WU Yun-zhong1，TANG Guo-lan2
（1．Guangdong Shaoguan Iron＆Steel Co.，Ltd.，Shaoguan Guangdong 512122，China；2.Guangdong Songshan Polytechnic College，Shaoguan Guangdong 512126，China）

The control scheme of analog spindle is introduced in detail in this paper，including control circuit design，frequency converter parameter setting，spindle parameter setting and PMC program design on the speed control and the direction control of analog spindle.After running and commissioning，the result is satisfying.

analog spindle；Ffrequency converter；PMC；speed control；direction control

圖3 主軸梯形圖

TG659

A < class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1672-545X（2017）05-0137-03

2017-02-20

吳云忠（1977-），男，重慶銅梁人，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)椋簷C(jī)械電子工程及煤氣管網(wǎng)。