數控機床模擬主軸控制系統設計與分析

宋 健

（四川工程職業技術學院 電氣信息工程系，德陽 618000）

0 引言

機械制造業是一個國家國民經濟的支柱產業，其現代化程度決定著整個國家的經濟發展水平。經過幾十年的積累和發展，我國的機械制造業得到了迅猛的發展，但是與歐美國家相比，尚有較大的差距，其中一個很重要的原因是我國數控機床的普及率不高，加工效率、加工精度都比較低的普通機床在機械制造領域所占的比重還很大，從而直接影響我國的機械制造水平。因此，對現有的老舊機床進行技術更新和改造勢在必行。本文針對這種需要，介紹了數控機床模擬主軸電氣控制系統的設計方法，并給出了設計實例。

1 主軸控制類型

機床主軸常用于給機床加工提供動力；對于最常見的車床和銑床，前者進行車削加工時利用機床主軸驅動被加工工件旋轉；而后者進行銑削加工則是由機床主軸驅動切削工件旋轉。就電氣控制而言，數控機床主軸的控制其實質是對主軸電機的控制。在大多數情況下，數控機床主軸只需要做速度檢測和速度控制即可；因此，主軸控制系統一般設計為速度控制系統。

數控機床主軸有模擬主軸和數字主軸之分，數字主軸控制精度高、動態響應好，但是在主軸功率較大，對控制精度和動態響應要求不高的情況下，采用數字主軸則凸顯成本偏高；在這種情況下可采用模擬主軸以提高性價比。

2 模擬主軸電氣控制系統設計

模擬主軸電氣控制系統的設計應在主軸電機和主軸驅動器（一般采用變頻器）等硬件設備選配好的基礎上進行，在設計時應處理好以下幾方面的問題：

2.1 主軸速度信號的處理

NC（數控裝置）在執行來自控制面板或者零件加工程序中的主軸運行指令（如M03 S1000）時，先將主軸運行指令進行編譯、運算和邏輯處理后從數控裝置的主軸驅動接口輸出主軸速度信號作為變頻器的模擬給定；主軸速度信號大小一般為0～10V的模擬信號。

在設計時應充分考慮數控機床工作環境中存在的復雜電磁現象和噪聲干擾，故主軸速度信號的傳輸應采取一定的抗干擾措施，如圖1給出了利用某公司生產的SV055IG5AA-4三相變頻器用于主軸控制的一種設計方案，速度信號（0～10V）由數控系統驅動接口發出并通過V1、CM兩端口送入變頻器。該模擬信號的傳輸建議采用雙絞線或屏蔽電纜進行傳輸，也可在變頻器模擬給定信號輸入端V1、CM之間并接濾波電容以消除噪聲干擾等。我院幾十臺采用這種主軸設計方案的數控機床的運行情況證明這種設計方案在實際的生產運行中主軸的控制精度、運行狀況都能較好的滿足加工的要求。

2.2 主軸方向信號的處理

按照數控裝置發出的主軸驅動信號的特點，數控機床模擬主軸可以分為單極性模擬主軸和雙極性模擬主軸。采用單極性模擬主軸時，數控裝置主軸驅動接口輸出的速度信號范圍一般為0～10V，這個速度信號的大小直接決定著變頻器輸出的頻率和主軸電機的速度，而主軸電機的旋轉方向則由PLC控制；因此對于單極性主軸而言，在對PLC做I/O統計和地址分配時應考慮主軸正轉和反轉兩個輸出點，如圖1中，KA1、KA2分別由PLC的輸出點Y0.0、Y0.1控制；Y0.0輸出有效，KA1動作，其常開觸點閉合，向變頻器送入正轉控制信號，Y0.1輸出有效時，KA2動作，其常開觸點閉合，向變頻器送入反轉控制信號(此為方向控制的一種形式)。對于雙極性模擬主軸，主軸驅動接口輸出的速度信號范圍一般為-10V～+10V，這個速度信號的大小同樣決定著變頻器的輸出頻率和主軸電機速度，而主軸電機的旋轉方向不由PLC控制，而是由速度信號的正、負極性決定。

對于單極性和雙極性主軸，除了有硬接線連接和控制方式上的區別外，還應注意在數控裝置中正確配置相關的主軸極性參數。如表1給出了siemens 802c base line數控裝置中單、雙極性模擬主軸的參數配置。

2.3 主軸速度、方向檢測的處理

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目前主軸速度檢測最常用的做法是采用脈沖編碼器作為檢測元件，其作用有三：其一是用于主軸速度測量；其二是用于主軸與伺服軸配合運行的場合（如車床螺紋切削加工、恒線速加工等）；其三是用于主軸準停。主軸編碼器一般采用彈性聯軸器與主軸同軸安裝或采用1：1同步傳動安裝方式，使其能準確地向數控系統反映主軸的轉速、方向。因此，在做方案設計時一定要合理選配主軸脈沖編碼器。

脈沖編碼器是一種能將機械角位移轉換為電脈沖的旋轉式脈沖發生器，有光電式、接觸式和電磁感應三種類型；光電式脈沖編碼器的精度和可靠性最高，因此在數控機床上得到了廣泛應用。光電式脈沖編碼器有增量式和絕對式之分，前者常用于對旋轉體進行測速和測向，性價比較高，但存在零點累計誤差、抗干擾能力差、需斷電記憶和開機找零等缺陷；而后者無需記憶、無需找參考點，編碼器的抗干擾特性和數據的可靠性都得到了極大的提高，故在進給驅動中以選擇絕對式編碼器作檢測反饋元件為宜；而對于主軸驅動，由于在大多數的情況下僅需編碼器做速度、方向檢測，故采用增量式編碼器作檢測元件即可。

增量式編碼器的信號輸出形式有正弦波、方波（TTL、HTL）、集電極開路（PNP、NPN）、推拉式等多種形式。以TTL長線差分驅動輸出形式的編碼器為例，其工作電源一般為DC 5V，由數控系統通過主軸編碼器接口供給；A、B、Z三個信號通道采用差分驅動輸出形式（A、A-，B、B-，Z、Z-），以減小傳輸電流的衰減、提高傳輸信號的抗干擾能力和增大傳輸距離。其中，A、B兩通道的脈沖信號相差90度，數控系統根據兩通道單位時間內的脈沖數來計算主軸速度，根據A、B通道之間的相位差來判別主軸旋轉方向；Z通道為零脈沖信號，主軸每轉一圈，Z通道發一個零脈沖，該通道主要給系統在加工時提供基準信號。

在設計編碼器連接線路時，主要考慮以下幾個方面：一是主軸編碼器反饋接口與編碼器輸出端口的信號是否匹配；二是傳輸距離的大小，以此確定傳輸電纜的長度；三是傳輸電纜應選擇屏蔽電纜，以提高抗干擾能力。

圖2給出了利用國產數控系統hnc-21TD做車床數控改造時主軸編碼器的連接方案。

圖2 主軸編碼器與NC的連接

2.4 主軸驅動器故障監控處理

現在使用的變頻器和交流伺服驅動器一般具有故障自診斷功能并提供有故障監控可編程I/O端口，其輸出形式有繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出等形式。以變頻器控制主軸為例，其I/O端口之間實質上是一種開關關系，開、關的狀態分別對應驅動器正常與否；由于數控機床的M、S、T三大輔助功能都是由PLC來控制的，故可以將這一開關量作為數控系統PLC的一個輸入點，用于監控變頻器是否正常或就緒，系統會以此決定是否向變頻器發速度控制信號（S功能）和方向控制信號（M功能）。如圖1中，3A、3C為變頻器的故障監控可編程I/O端口，3A外接24VG（低電平），3C則作為PLC輸入點X1.0的輸入。

因此，在設計時要充分利用這一功能，將主軸驅動器的運行狀況準確、及時地傳送給數控系統，由數控系統決定是否運行或終止主軸的運動。

2.5 主軸驅動器制動處理

主軸驅動器一般都內置有制動組件，在機床主軸要求快速制動時，若內置的制動單元或電阻不足以消耗、吸收再生電能而導致直流部分過壓時，應考慮外接制動組件，以加快消耗再生電能的速度；因此應正確的選配制動組件。制動組件的計算、選配可采用工程估算的方法，按照估算制動轉矩、計算制動電阻阻值、選擇制動單元、計算制動電阻標稱功率這幾個步驟進行。

2.6 接地處理

數控機床工作環境中的電磁和噪聲干擾是很嚴重的，作為精密加工設備的數控機床，其主軸驅動器必須采取有效的抗干擾措施。對變頻器而言，其自身就是一個較強的干擾源同時也受其他電氣設備的電磁干擾。接地是抑制電磁干擾，提高電氣設備電磁兼容性的重要手段；因此對變頻器采取正確的接地措施，不僅可以有效抑制外來干擾，同時能降低變頻器本身對外界的干擾。

變頻器的接地處理主要做好兩個方面，一是對變頻器主回路PE端子正確接地，以提高變頻器抑制噪聲干擾的能力并減小變頻器對外界電氣設備的干擾；為保證接地的可靠性和效果，變頻器主回路PE端子必須嚴格地接入PE線，若無公共PE線，可采用就近接地的方式，但是應保證接地體導電性能良好及與大地接觸可靠。二是將變頻器的控制信號線（采用雙絞線或屏蔽線）屏蔽層接地，以減小外界對控制信號傳輸的干擾。

3 結束語

隨著我國機械制造行業的發展和壯大，數控加工技術也日趨成熟，但是數控改造、維修方面的人才仍較欠缺；本著拋磚引玉的思想，本文重點研究和分析了數控機床模擬主軸的設計思路和分析方法，以期為廣大的數控技術人員提供一定的參考和借鑒。

[1] 白恩遠.現代數控機床伺服及檢測技術[M].北京:國防工業出版社,2002.

[2] 卓迪仕.數控技術及應用[M].北京:國防工業出版社,1994.