FANUC系統數控車床主軸轉速控制與調整

周蘭

(武漢船舶職業技術學院機械工程學院，湖北武漢430050)

普通車床改造為數控車床，主運動改造是一個重要環節，在主軸箱機械結構及電氣驅動硬件改造完成后，機床調試時必須保證主軸實際轉速與指令速度一致。作者結合機床改造案例，給出了這類問題的完整解決方案。

1 數控車床主軸控制方式

1.1 串行主軸與模擬主軸

根據所使用主軸電機及主軸放大器不同，FANUC 系統數控車床主軸控制分為串行主軸和模擬主軸兩種方式。采用FANUC 公司主軸電機及主軸放大器則為串行主軸;采用非FANUC 公司主軸電機，數控系統通過變頻器控制主軸電機方式則為模擬主軸。串行主軸、模擬主軸硬件連接如圖1 所示。

圖1 串行主軸、模擬主軸硬件連接

1.2 分段無級變速與帶傳動變速

數控車床主軸機械傳動常見有3 種方式，如圖2所示。

圖2 主軸運動機械傳動方式

(1)分段無級變速。主軸電機通過有限級齒輪傳動驅動主軸旋轉，這種傳動方式適用于大型數控機床特別是強力切削的場合;

(2)帶傳動變速。主軸電機通過同步帶傳動方式驅動主軸旋轉，這種傳動方式適用于中小型數控機床特別是對抗振性要求較高的場合;

(3)電機直接驅動。主軸電機通過聯軸器直接驅動主軸旋轉或直接采用電主軸，這種傳動方式適用于小型數控機床特別是高精度加工場合。

其中分段無級變速需要進行主軸換擋操作，根據待加工工件不同材料、不同加工階段將主運動置于不同擋位，滿足主運動速度和轉矩要求。

2 串行主軸調試

2.1 主軸箱變速

原車床數控化改造后主軸箱保留3 個擋位，傳動鏈示意圖如圖3 所示，各擋位齒輪齒數如表1 所示。

圖3 數控車床主軸箱傳動鏈

表1 數控車床主軸箱各擋位齒數及地址

2.2 數控系統串行主軸相關參數設定

串行主軸配置FANUC 電機，型號為βiI3/10000，主軸電機最高轉速為10 000 r/min。為保證主軸正常及準確運轉，須對數控系統主運動相關參數進行計算與設置，如表2 所示。

表2 串行主軸參數設定

2.3 串行主軸轉速調試

MDI 方式下編輯“M03S－;”程序，在低擋、中擋、高擋下分別運行該程序，得到主軸指令轉速與主軸電機轉速實驗數據如表3 所示。

表3 各擋位主軸指令轉速與主軸電機轉速關系

繪制主軸指令轉速與主軸電機轉速關系圖如圖4所示。可以看出:假設將主軸電機最高鉗制速度設定為1 000 r/min 時(PRM3736 設定)，各擋位主軸速度范圍分別是低擋0 ～333 r/min、中擋333 ～739 r/min、高擋739 ～16 667 r/min。

圖4 主軸電機轉速與指令轉速關系圖

關于串行主軸轉速控制，通過分析實驗數據和關系圖，得出以下結論:

(1)正確設定機械傳動比。參數3741 ～3743 設定值是依據電機最高轉速(如10 000 r/min)和各擋位機械傳動比(如i 為30/90、51/69、75/45)進行計算，體現主軸電機和主軸之間機械傳動關系，參數設定不正確導致主軸轉速不正確;

(2)合理選擇主軸擋位。該機床參數3736 設定主軸電機最高鉗制速度為1 000 r/min，當給定主軸轉速S400，主軸電機轉速測試數據低擋時為1 199 r/min，中擋時為542 r/min，高擋時為239 r/min。顯然當主軸指令轉速S400 時如果選擇低擋，電機超出了允許最高轉速范圍。調試數據表明:參數3736 對于車床系統主軸最高速度鉗制無效(對數控銑MD 系統主軸鉗制有效)。無論主軸箱處于哪個擋位，均可通過改變電機轉速來達到主軸指令轉速要求。因此對于分段無級變速手動換擋方式，須根據主軸指令值和各擋位速度范圍合理選擇變速擋位;

(3)要正確設定主軸電機編碼器和主軸位置編碼器類型和傳動比，反映編碼器和所測量軸(電機轉子、主軸)傳動關系。

3 模擬主軸轉速調試

對于采用變頻驅動模擬主軸控制，為了使主軸實際轉速與指令轉速一致，應對數控系統參數和變頻器參數進行調整。

3.1 數控系統參數調整

(1)參數3730 設定。參數3730 用于設定主軸速度模擬輸出增益調整數據。在數控車床調試時，根據所使用主軸電機技術指標和機械傳動比，將體現主軸最高轉速1 400 r/min 數據設定于參數3741 中，該參數對應于數控系統輸出最高模擬電壓10 V，按照以下步驟進行參數3730 設定和計算:

①先將參數3730 設定為標準設定值1000;

②MDI 方式下運行程序“M03S1400;”，指定主軸速度模擬輸出最大電壓(10 V)時速度;

③測量此轉速下變頻器模擬電壓輸入接口處電壓，測量值為9.86 V;

④參數3730 設定值計算。按照下式進行計算:

將該值重新設定于參數3730 中;

⑤MDI 方式下重新運行程序“M03S1400;”，觀察主軸實際轉速為1 400 r/min 左右，測量變頻器實際模擬電壓為10.11 V，在允許范圍內浮動。

(2)參數3731 設定。參數3731 設定值為主軸速度模擬輸出偏置電壓補償量。機床調整時將電機最低轉速(如為0 r/min)對應系統輸出模擬電壓為0 V，按照以下步驟進行參數3731 設定和計算:

①將參數3731 設定為標準設定值0;

②MDI 方式下運行程序“M03S0;”，指定成為主軸速度模擬輸出最小電壓(0 V)時的主軸速度;

③測量此時變頻器模擬電壓輸入接口處電壓，測量值為－0.11 V;

④參數3731 設定值計算。按照下式進行計算:

將該值設定于參數3731 中;

⑤MDI 方式下重新運行程序“M03S0;”，觀察主軸實際轉速為0 r/min，測量變頻器實際電壓為0 V，符合要求。

3.2 變頻器參數調整

所改造車床使用歐姆龍3G3JZ 變頻器，根據三相電源和電機技術參數設置變頻器參數，需設置參數如下:

(1)設定變頻器工作頻率。根據所使用電網三相交流電頻率，將變頻器最高工作頻率設定為50 Hz，變頻器參數n0.02 設定為9;

(2)設定電機額定電流。根據數控車床工況可將電機額定電流輸出范圍控制在30% ～120%范圍內，對應參數n7.00 設定范圍0.6 ～1.9，調試此機床時將參數n7.00 設定為1.5。

(3)V/f 模式設定。V/f 模式設定是指變頻器參數n1.00 ～n1.06 設定，用于電機變頻調速基本設定，使電機輸出轉矩、速度能符合加工要求，設定V/f 模式時各參數之間對應關系及設定值要求如圖5 所示。參數含義及此機床設定值如表4 所示，該組數據需要調試確定。

圖5 變頻器V/f 模式的設定

表4 V/f 模式參數含義及其設定

4 結論

數控車床串行主軸、模擬主軸硬件結構不同，控制方式不同，參數設置與計算也不同。對于串行主軸，要根據各擋位機械傳動比計算并設定參數3741～3743，為保證電機在最高允許轉速下運行，按照各擋位速度范圍選定合適工作擋位;對于模擬主軸，通過正確設置數控系統參數3730/3731，正確反映主軸最高、最低轉速與數控系統輸出最高、最低模擬電壓之間關系，同時要對變頻器參數進行合理設置。

［1］FANUC Series 0i-MODEL D 維修說明書［M］．

［2］FANUC Series 0-MODEL D/FANUC Series 0 Mate-MODEL D 參數說明書［M］．

［3］周蘭，陳少艾．FANUC 0i-D/0i Mate-D 數控系統連接調試與PMC 編程［M］．北京:機械工業出版社，2012．

［4］歐姆龍3G3JZ 變頻器操作說明書［M］．