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                        FANUC 0iTD系統數控車床的主軸無級調速控制系統設計

                        添加時間:2018/07/25 來源:自動化應用 作者:王勇 董同飛 湯垚
                        主軸驅動系統是數控車床的一個極為重要的組成部分, 主軸旋轉是切削工件的主運動, 根據材料和加工工藝的不同, 實現多種主軸轉速的控制, 以達到最佳切削效果, 因此主軸驅動系統的控制方式和工作特性直接影響加工的效果。
                          以下為本篇論文正文:

                          摘要:針對FANUC 0iTD系統數控車床的主軸無級調速控制進行升級, 解決其低速段輸出扭矩較小、無法滿足機床強力切削的問題。采用主軸分段無級液壓變速控制方式進行解決, 前期主軸變速箱已安裝完成, 重點是基于FANUC PMC的分段無級液壓變速控制系統的設計與實現, 從硬件控制電路、液壓換擋M代碼實現、PMC控制程序等方面進行設計與開發。升級后的分段無級液壓變速控制系統, 能夠自動完成高低擋變速, 達到低速大扭轉和無級調速的控制要求。

                          關鍵詞:數控車床; 主軸; 分段無級變速; 控制系統; PMC;

                          主軸驅動系統是數控車床的一個極為重要的組成部分, 主軸旋轉是切削工件的主運動, 根據材料和加工工藝的不同, 實現多種主軸轉速的控制, 以達到最佳切削效果, 因此主軸驅動系統的控制方式和工作特性直接影響加工的效果。

                          1、問題的提出

                          現有技術中的數控車床采用裝置簡易的無級調速主軸機構, 如圖1所示。采用單獨主軸變頻器控制, 屬于無級調速, 調速范圍較寬[1], 但其低速段輸出扭矩較小, 如圖2所示, 常常無法滿足機床強力切削的要求。如果切削力大的話, 有時會導致主軸停轉, 主電機堵轉, 使得變頻器的通過電流超過一定限度出現變頻器過載報警, 導致不良后果。

                        圖1 無級變速主傳動系統
                        圖1 無級變速主傳動系統

                        圖2 無級變速的轉矩與功率特性曲線
                        圖2 無級變速的轉矩與功率特性曲線

                          2、解決方案

                          如果想要提高低速時的切削扭矩可采用如下兩個方案:

                          方案一:增大主軸電動機的功率, 相應的要選大功率的主軸電動機和變頻器, 從而使主軸電動機與變頻器的體積、重量及成本大大增加。

                          方案二:采用減速箱結構, 通過主軸箱2—3級變速齒輪帶動主軸運轉, 如圖3所示, 這樣主軸的變速就通過主軸電動機無級變速與齒輪的有級變速相配合來實現, 因此, 既可提高主軸的輸出轉矩, 如圖4所示, 又可以擴大主軸的調速范圍, 成本大大減小。

                        無級+有級 (變速箱) 變速主傳動系統
                        圖3 無級+有級 (變速箱) 變速主傳動系統

                          綜合考慮, 方案二比較合適, 主要原因是大大增加了主軸低速切削的扭矩, 提高了生產效率, 實現成本小。

                        圖4 無級+有級 (變速箱) 變速的轉矩與功率特性曲線
                        圖4 無級+有級 (變速箱) 變速的轉矩與功率特性曲線

                          采用方案二的分段變速方式有兩種, 一種是采用與普通車床類似的手動變擋方式, 但是這種變速自動化程度為零, 每次變速都要手工扳變速手柄, 有時加工的工件根據加工的工藝不同, 要5種以上的轉速來進行實現, 大大影響了加工效率。

                          為了體現數控車床的自動化加工程度, 另一種分段變速方式是借鑒液壓尾座與液壓卡盤的驅動原理, 采用液壓缸驅動齒輪換擋實現分段 (高擋、低擋、空擋) 變速[2], 利用FANUC M代碼指令實現換擋的功能, 這樣可以有效地提高自動化程序, 大大節約加工時間, 提高生產效率。

                          數控車床主軸分段無級液壓變速的實現重點和難點是控制系統的設計, 下面以FANUC 0iTD系統的CK6150數控車床為例, 介紹基于PMC控制的數控車床主軸分段無級液壓變速控制系統的設計與實現方法。

                          3、控制要求

                          采用普通交流異步電機 (11kW) 經變頻調速驅動。主電機經主軸變速箱驅動主軸。

                          (1) 數控系統10V模擬量口直接控制富士變頻器, 實現主軸速度的無級調速。

                          (2) 分段變速:高擋、低擋、空擋。高擋減速比1∶1;低擋減速比3∶1, 如圖3所示。

                          (3) 自動方式用M代碼實現主軸換擋控制;手動方式用按鈕實現主軸換擋控制。

                          (4) 自動方式用M代碼實現主軸的啟?刂:手動方式用按鈕實現主軸的啟?刂。

                          4、模擬主軸硬件控制電路設計與分析

                          4.1、主軸三相異步電動機主電路設計

                          如圖5主軸三相異步電動機主電路所示, 三相交流電 (1L1、1L2、1L3) 通過空氣斷路器QF1 (短路、欠壓、過壓保護) 與交流電抗器L1 (濾出輸入端的干擾電壓, 防止電壓突變對變頻器的影響) 供給交流變頻器FRN22G11S-4三相輸入端 (U11、V11、W11) , 變頻器將PWM脈寬調制電壓 (變頻變壓) 輸出給主電機, 變頻器的P與DB端子接制動電阻 (消耗、吸收再生電能) 。

                        主軸三相異步電動機主電路
                        圖5 主軸三相異步電動機主電路

                          4.2、變頻器單元控制電路設計

                          如圖6變頻器單元控制電路所示, 交流變頻器采用富士Gll系列[4], R、S、T是變頻器三相電的輸入端, U、V、W是變頻器的輸出端外接三相異步電動機, 切記輸入端與輸出端不能互換, 否則會燒壞變頻器。變頻器的SVC與0V兩個端子是接來自CNC上JA40輸出的0~10V模擬量, CNC根據轉速指令的不同輸出不同的模擬電壓量給變頻器, 從而實現變頻調速的目的。FWD是主軸電機正轉信號輸入端, REV是主軸電機反轉信號輸入端, CM是公共端, FWD信號對應的KA4繼電器與REV信號對應的KA5繼電器是由PMC程序控制的, 當KA4觸點閉合, 即FWD與CM導通, 此時主軸電機正轉, 當KA5觸點閉合, 即REV與CM導通, 此時主軸電機反轉。THR與CM是制動單元過熱監測端子[5]。

                        變頻器單元控制電路
                        圖6 變頻器單元控制電路

                          5、模擬主軸控制接口信號定義

                          如表1模擬主軸控制接口信號地址表所示, X信號是送給CNC系統中的PMC輸入信號, Y信號是CNC系統中的PMC輸出信號, G信號是PMC輸出給CNC的信號, F信號是CNC輸出給PMC的信號。FANUC系統中, G和F信號由CNC系統軟件定義其地址, 是固定的, 用戶只可使用不可更改[6]。

                        表1 模擬主軸控制接口信號地址表
                        模擬主軸控制接口信號地址表

                          6、模擬主軸控制PMC程序設計與分析

                          6.1、運行方式控制

                          存儲器運行方式和MDI方式為自動方式, 手搖方式和JOG方式為手動方式。如圖7所示, F3.5是自動運行模式 (AUTO) 信號, F3.3是手動數據輸入 (MDI) 信號, F3.1是手輪進給 (HND) 信號, F3.2是手動連續進給 (JOG) 信號。例如:當模式選擇開關扳到自動 (AUTO) 模式下, F3.5為1, 此時R181.0線圈得電, 梯形圖中的兩個常閉觸點R181.0與R181.1是自動方式與手動方式的互鎖信號。

                        運行方式控制
                        圖7 運行方式控制

                          6.2、主軸高擋控制

                          如圖8所示, 手動方式下, 用按鈕信號發出啟動命令, 按下主軸高擋選擇按鈕X22.1、主軸換擋啟動按鈕X22.0, 線圈R601.0得電并自鎖;自動方式下, 用M代碼發出啟動命令。M40:高擋;M41:低擋;M42:空擋;R600.0~R600.2分別是M40~M42的譯碼結果輸出信號[8]。這里忽略譯碼程序, 例如:當執行M40 (高擋命令) 時, R600.0得電, 使得線圈R601.1得電并自鎖;R600.1、R600.2、X22.0三個常閉觸點為手動高擋與自動高擋的互鎖觸點;當線圈R601.0或R601.1得電時, 線圈R571.6得電, 使得Y10.2 (換擋電磁閥YV3, 見圖11) 得電, 數控車床主軸即換到高擋上。

                        主軸高擋控制
                        圖8 主軸高擋控制

                          6.3、主軸低擋控制

                          如圖9所示, 手動方式下, 按下主軸低擋選擇按鈕X22.3、主軸換擋啟動按鈕X22.0, 線圈R601.2得電并自鎖;自動方式下, 當執行M41 (低擋命令) 時, R600.1得電, 使得線圈R601.3得電并自鎖;R600.0、R600.2、X22.0三個常閉觸點為手動低擋與自動低擋的互鎖觸點;當線圈R601.2或R601.3得電時, 線圈R571.7得電, 使得Y10.0 (換擋電磁閥YV1) 、Y10.1 (換擋電磁閥YV2) 得電, 如圖11所示, 當低擋換到位 (X23.2變為1) 后, Y10.0失電, 數控車床主軸即換到低擋上。

                        主軸低擋控制
                        圖9 主軸低擋控制

                          6.4、主軸空擋控制

                          因為有時候要用手旋轉卡盤裝夾工件和測量工件尺寸, 所以要將主軸箱內的齒輪脫開, 使主軸處于空擋位置, 這樣有利于旋轉卡盤。

                          如圖10所示, 手動方式下, 按下主軸空擋選擇按鈕X22.2、主軸換擋啟動按鈕X22.0, 線圈R601.4得電并自鎖;自動方式下, 當執行M42 (空擋命令) 時, R600.2得電, 使得線圈R601.5得電并自鎖;R600.0、R600.1、X22.0三個常閉觸點為手動空擋與自動空擋的互鎖觸點;當線圈R601.4或R601.5得電時, 線圈R572.0得電, 使得Y10.0 (換擋電磁閥YV1) 、Y10.1 (換擋電磁閥YV2) 得電, 數控車床主軸即換到空擋上。

                        主軸空擋控制
                        圖10 主軸空擋控制

                          6.5、主軸換擋電磁閥控制

                          如圖11主軸換擋電磁閥控制梯形圖所示, 主軸換高擋時, R571.6得電 (圖8中已經介紹) , YV3得電;主軸換低擋時, R571.7得電 (圖9中已經介紹) , 先YV1+YV2得電, 主軸抵擋符合信號X23.2變為1以后, 僅YV2得電;主軸換空擋時, R572.0得電 (圖10中已經介紹) , YV1+YV2得電, 主軸空擋符合信號X23.1變為1以后, 到位后YV1+YV2失電。

                        主軸換擋電磁閥控制
                        圖11 主軸換擋電磁閥控制

                          6.6、主軸換擋到位控制

                          如圖12所示, X23.0是主軸高擋到位信號, X23.1是主軸空擋到信號, X23.2是主軸低擋到位信號, 只要三個到位信號中的一個為1, R566.0線圈就為1, 才能讓主軸正轉或反轉。

                        圖12 主軸換擋到位控制
                        圖12 主軸換擋到位控制

                          6.7、齒輪擋位選擇接口信號GR1控制

                          通過對接口信號GR1和GR2編碼得到4個擋位, 其每個擋位的速度值在PRM3741~3744中進行設定。擋位與接口信號和參數的對應關系如表2所示, 齒輪擋位選擇接口信號GR1 (G28.1) 控制梯形圖如圖13所示。

                        表2 T型換擋擋位接口信號和參數
                        表2 T型換擋擋位接口信號和參數

                          由表1可知, 不論是低擋還是高擋G28.0始終為0, 因此不需要編此線圈的梯形圖, 而低擋時線圈G28.1為0, 高擋時線圈G28.1為1, 因此是高擋到位信號X23.0常開觸點與低擋到位信號X23.2常閉觸點串聯控制線圈G28.1, 如圖13所示。

                        圖13 齒輪擋位選擇接口信號GR1控制
                        圖13 齒輪擋位選擇接口信號GR1控制

                          6.8、主軸正轉控制

                          如圖14所示, 自動方式 (R181.0) 下, 通過M03 (R120.0) 指令啟動主軸正轉;手動方式 (R181.1) 下, 通過開關按鈕 (X20.5) 啟動主軸正轉。Y10.4常閉觸點是主軸反轉互鎖觸點, R181.2常閉觸點是主軸停止信號, 一旦Y10.4或R181.2線圈得電, 此時主軸就停止運轉。主軸啟動的前提條件是卡盤壓力SQ14信號 (X21.5) 必須為l, 即卡盤一定處于夾緊狀態, 這是一個非常重要的安全保護功能。R566.0是換擋到位信號, 只有換擋到位了才能允許主軸旋轉, 防止換擋齒輪還沒有嚙合好主軸就開始轉動, 這樣會將齒輪的齒打掉。

                        圖14 主軸正轉控制
                        圖14 主軸正轉控制

                          6.9、主軸反轉控制

                          如圖15所示, 自動方式 (R181.0) 下, 通過M04 (R120.1) 指令啟動主軸反轉;手動方式 (R181.1) 下, 通過開關按鈕 (X20.6) 啟動主軸反轉, 其他控制條件同主軸正轉控制。

                        圖15 主軸反轉控制
                        圖15 主軸反轉控制

                          6.1 0 主軸停止控制

                          如圖16所示, 自動方式 (R181.0) 下, 通過M05 (R120.2) 指令停止主軸;手動方式下, 通過開關按鈕 (X20.7) 停止主軸。此外急停*ESP (G8.4) 、復位RST (F1.1) 、M02、M30也使主軸停止運轉。

                        圖16 主軸停止控制
                        圖16 主軸停止控制

                          7、結語

                          對FANUC 0iTD系統數控車床的主軸無級調速控制系統進行升級改造的實踐證明, 采用這種無級+有級 (液壓缸推動齒輪) 變速主軸傳動系統, 既提高了主軸的輸出轉矩, 又擴大了主軸的調速范圍, 特別是采用了液壓自動換擋的M代碼功能, 提高了數控車床的自動化程度, 進一步節省了換擋時間, 提高了生產效率, 同時也可以為其他數控機床主軸分段無級變速控制的實現提供技術支撐。

                          參考文獻
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                          [8]陳芳.FANUC PMC軸控制功能在回轉工作臺中的應用[J].機床與液壓, 2014, 42 (16) :155-158.

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