CN103472767B - 用模拟变频器实现刚性攻丝的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用模拟变频器实现刚性攻丝的装置及方法，包括数控系统、主轴控制装置，主轴控制装置是由模拟变频器、主轴电机和主轴电机编码器、Z轴伺服驱动器、Z轴伺服电机和伺服电机编码器连接构成，在数控系统的PLC可编程序控制器中嵌入刚性攻丝梯形图软件，在数控系统插补运算器中设置了刚攻位置指令Pi及通道和Z轴位置指令Pz及通道。使用国产模拟变频器替代进口的数字主轴伺服装置构成的主轴控制装置，通过激活刚性攻丝梯形图软件和插补运算器实现加工中心机床刚性攻丝，并能完成其他主轴功能。模拟主轴变频器造价仅为数字伺服装置的1／2，大大降低了加工中心机床的配套设备成本，解决了加工中心机床依赖进口部件的问题。

Description

用模拟变频器实现刚性攻丝的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种数控机床，特别是一种应用于中高档加工中心机床的用模拟变频器实现刚性攻丝的装置及方法。

背景技术

目前，国内中高档加工中心机床绝大多数都是配置进口的数控系统和数字伺服主轴驱动器及主轴电机，用于实现刚性攻丝功能。但进口设备及关键部件的价格昂贵，导致生产成本增加，且受制于国外。虽然国产的模拟主轴变频器和主轴电机价格低廉，但其仅仅是一个速度控制装置，没有位置控制环节，不具备刚性攻丝功能，不能应用到加工中心机床设备上。因此，应用范围受到了限制。中国专利文献CN102354192A是本发明最接近的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种造价低、性能可靠的用模拟变频器实现刚性攻丝的装置及方法，它是用造价低廉、性能可靠的模拟变频器替代数字伺服，在加工中心机床上完成刚性攻丝和其他主轴功能。

本发明的技术解决方案是：一种用模拟变频器实现刚性攻丝的装置，包括数控系统、主轴控制装置，其特征在于主轴控制装置是由模拟变频器、主轴电机和主轴电机编码器、Z轴伺服驱动器、Z轴伺服电机和Z轴伺服电机编码器构成；数控系统设置有PLC可编程序控制器，刚性攻丝位置指令Pi及PI通道，Z轴位置指令及PI通道，数控系统刚攻位置输出、输入模拟接口CNSC与模拟变频器输入接口连接，模拟变频器输出接口与主轴电机连接，将数控系统插补运算器发出的刚攻位置指令Pz传送到模拟变频器控制主轴电机工作，在数控系统与模拟变频器、主轴电机之间构成用模拟电压控制模拟变频器和主轴电机工作的刚性攻丝位置控制回路；数控系统设置可编程控制器PLC输出、输入接口，分别与模拟变频器控制信号输入和应答信号输出接口连接，将数控系统PLC可编程序控制器发出的主轴使能、加减速切换、紧急停止、报警复位、增益切换信号传送到模拟变频器，同时接收模拟变频器主轴报警、主轴运行的应答信号，在数控系统与模拟变频器之间构成模拟变频器工作方式控制回路；数控系统设置主轴电机编码器反馈输入接口CNSP，与模拟变频器编码器PG-X3速度检测信号端及主轴电机编码器输出端连接，接收由主轴电机编码器发出的速度反馈信号，在数控系统与模拟变频器、主轴电机编码器之间构成位置、速度、电流闭环的主轴位置反馈回路；数控系统设置有Z轴位置输出接口CNSV3，与Z轴伺服驱动器连接，将插补运算器发出的Z轴位置移动信号传送至Z轴伺服驱动器，输出控制Z轴伺服电机工作，数控系统设置有Z轴位置反馈接口CNFB3，与Z轴伺服电机编码器连接，将伺服电机位置信号反馈至数控系统插补运算器，在数控系统与伺服驱动器、伺服电机和编码器之间构成Z轴位置移动、反馈控制回路。

本发明通过上述控制回路的相互配合、传送刚性攻丝的控制信号和命令，实现用模拟变频器完成刚性攻丝功能。

所述的刚性攻丝位置控制回路，其数控系统主轴模拟输出、输入接口CNSC包括有5个端子，其中端子GND和SPDA为模拟指令输出端子，分别与模拟变频器输入端子A1和AC连接，将数控系统输出的刚性攻丝位置指令Pi通过CNSC接口转变成±10V的电压信号传送给模拟变频器，端子FG为屏蔽接地端，端子AIN和GND为负载反馈输入端子，分别与模拟变频器输出端子FM和AC连接，接收由模拟变频器反馈的0～10V主轴电机实际运转速度和负载状态信号，实现对控制模拟变频器主轴电机的正转、反转及转速、转角控制和负载监控。

所述的变频器工作方式控制回路，其数控系统可编程控制器PLC输出接口的Y50-54端子与模拟变频器输入接口的S1-5端子一一对应连接，通过输出的Y50、Y51、Y54信号可以控制模拟变频器刚性攻丝时的主轴使能、加减速、增益切换；可编程控制器PLC应答信号输入接口X28、X29端子与模拟变频器应答输出接口M1、MB端子一一对应连接，将模拟变频器输出的主轴运行M1和主轴报警MB信号传送给可编程控制器PLC。

所述主轴位置反馈回路，其模拟变频器转接板PG-X3的TB1端子与主轴电机编码器PG输出端A+、A-、B+、B-、Z+、Z-连接，模拟变频器接收主轴电机编码器反馈的主轴速度信号，模拟变频器的转接板PG-X3的TB2端子即反馈输出端与数控系统的接口CNSP反馈输入端CNSP1-14连接，将主轴电机编码器反馈的位置脉冲信号传送给数控系统，形成主轴位置闭环控制。

所述Z轴位置移动、反馈控制回路是数控系统Z轴数字输出接口CNSV3通过数据总线连接到Z轴驱动器的CNSV3数字输入接口，Z轴伺服电机编码器PG通过电缆连接到数控系统的Z轴位置反馈CNFB3接口，传送Z轴位置Pz移动指令和接收Z轴反馈的当前实际位置信号。

一种用模拟变频器实现刚性攻丝的方法，其特征在于编制刚性攻丝工艺梯形图软件，并将其嵌入到数控系统可编程控制器PLC中，通过刚性攻丝代码M843/844/845激活梯形图产生模拟变频器控制信号和G232刚攻起动命令，形成主轴使能信号和主轴运转信号，形成加减速切换、增益切换信号至模拟变频器，为模拟变频器提供所需的控制方式命令；通过可编程控制器PLC发出刚攻起动信号，激活数控系统的插补运算器，产生刚性攻丝位置指令Pi，打开反馈比较运算和刚攻位置通道，将刚攻位置指令与实际反馈位置比较运算得出刚性攻丝位置指令Pi,刚性攻丝位置指令Pi经PI通道和模拟接口发出±10V电压指令至模拟变频器控制主轴电机正转、反转、停止；通过可编程控制器PLC发出刚攻起动信号，激活数控系统的插补运算器，产生Z轴位置指令Pz，打开反馈比较运算和Z轴位置通道，将Z轴位置指令与实际反馈位置比较运算得出Z轴位置命令值pz，Z轴位置命令pz值经Z轴PI通道和Z轴数字接口、发出命令至Z轴伺服驱动器和伺服电机，使其与主轴电机同步正转、反转、停止运动，完成刚性攻丝的Z轴插补运动。

本发明的特点是：通过采用模拟变频器替代数字主轴伺服装置控制主轴电机，同时由数控系统控制Z轴伺服驱动和Z轴伺服电机，共同执行刚性攻丝的插补运动，不但能够完成中高档加工中心机床所有的主轴功能，还实现了刚性攻丝这种特殊加工功能。由于国产模拟主轴变频器造价仅为数字伺服装置的1／2，因而大大降低了加工中心机床的配套设备成本，解决了加工中心机床依赖进口部件的问题，利用本发明的结构原理和方法还可以实现其他主轴功能。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是本发明的电路图；

图3是本发明刚性攻丝模拟输出输入接口示意图；

图4是本发明刚性攻丝控制流程图；

图5是本发明主轴和Z轴位置指令控制流程图；

图6是本发明刚性攻丝梯形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述：

如图1、2、3所示，本发明提供的用模拟变频器实现刚性攻丝的装置主要由数控系统、模拟变频器、主轴电机和编码器、Z轴伺服驱动器、Z轴伺服电机和编码器构成。在数控系统中设置有刚攻位置输出、输入模拟接口CNSC，它包括模拟指令输出SPDA和AGND端子、负载反馈输入A1N和GND端子、屏蔽地FG端子，其中模拟指令输出SPDA和AGND端子分别与模拟变频器输入A1、AC端子连接，将数控系统插补运算器发出的刚性攻丝位置指令Pi通过与主轴位置反馈Fp的比较运算后产生刚性攻丝位置指令Pi，经过刚攻位置输出接口CNSC转变成±10V的电信号传送给模拟变频器。负载反馈输入A1N和GND端子分别与模拟变频器输出FM和AC端子连接，接收由模拟变频器发出的0～10V的反馈电信号，端子FG接屏蔽地。通过在数控系统与模拟变频器之间建立刚性攻丝位置控制回路，将数控系统插补运算器发送的刚性攻丝位置指令Pi以模拟电压的形式送到模拟变频器，实现控制模拟变频器主轴电机的正转、反转及转速、转角。

数控系统设置了可编程控制器PLC及刚性攻丝输出、输入接口，其输出接口端子为Y50-54，其中Y50为主轴使能输出端子，Y51为增益切换输出端子，Y52为紧急停止输出端子，Y53为报警复位输出端子，Y54为加减速切换信号输出端子。这五个输出接口端子分别与模拟变频器输入接口端子S1-5一一对应连接，通过将数控系统可编程控制器产生的主轴使能Y50、增益切换Y51、加减速切换Y54信号输送到模拟变频器，控制主轴电机的起动和刚性攻丝所需的加减速切换、增益切换。数控系统的可编程控制器PLC应答信号输入接口端子X28、X29与模拟变频器应答输出接口端子M1、MB一一对应连接，可编程控制器接收模拟变频器输出的主轴故障报警MB和主轴运行M1监测信号，实时监控模拟变频器的工作状态。在数控系统与模拟变频器之间建立变频器工作方式控制回路。

数控系统设置反馈输入接口CNSP，模拟变频器电路板PG-X3的速度检测信号端子TB1与主轴电机编码器PG输出端A+、A-、B+、B-、Z+、Z-连接，接收主轴电机编码器发出的A+、A-、B+、B-、Z+、Z-脉冲频率，检测主轴电机的旋转速度。模拟变频器电路板PG-X3的输出端子TB2与数控系统的接口CNSP反馈输入端CNSP1-14连接，将主轴电机转动后的位置脉冲A0、IG、B0、IG、Z0、IG实时反馈至数控系统中，形成包含位置、速度、电流的主轴位置反馈回路，实现主轴电机位置闭环控制，当主轴电机到达刚性攻丝的目标位置时，数控系统将发出刚性攻丝结束信号，使主轴电机和Z轴电机停止转动，完成刚性攻丝。

数控系统还配制有Z轴位置输出数字接口CNSV3，经数据总线与Z轴伺服驱动器连接，Z轴伺服驱动器与Z轴伺服电机连接，将数控系统插补运算器发出的Z轴电机位置指令Pz经Z轴位置PI、数字接口CNSV3、数据总线电缆传送至Z轴伺服驱动器，控制Z轴伺服电机转动，构成Z轴位置移动控制回路。数控系统配置的反馈输入接口CNFB3与Z轴电机编码器连接、接收Z轴的当前实际反馈位置，构成Z轴位置反馈回路。由这两个回路控制完成Z轴与主轴的插补运动，实现刚性攻丝。

本发明利用模拟变频器和Z轴伺服驱动器相结合实现刚性攻丝的工作过程是：

a、根据加工程序发出刚性攻丝M843/844/845代码，如图4、６所示，激活数控系统可编程序控制器梯形图的142/143行产生H87F/H87E刚性攻丝正转、反转信号，此信号又使147行产生Y51增益切换信号和144行Y50主轴使能信号。而H87F/H87E刚性攻丝正转、反转信号又使145行产生G213位置闭环信号，此位置闭环信号使146行产生Y54加减速切换信号，此加减速切换信号使144行产生G231刚攻开始命令。至此，模拟变频器所需的主轴使能Y50、加减速切换Y51、增益切换Y54变频器控制信号已产生，通过变频器工作方式控制回路输出给模拟变频器，控制主轴电机启动、加减速参数切换、增益参数切换。而发出的G232刚攻开始命令则去激活数控系统插补运算器产生刚性攻丝位置指令Pi打开其通道，同时产生Z轴位置指令Pz打开其位置通道。

b、激活数控系统插补运算器产生刚性攻丝位置指令Pi及通道后，见图5，数控系统发出的刚性攻丝位置指令Pi经过与主轴位置反馈Fp的比较运算后产生刚性攻丝位置指令Pi，其经过刚攻位置PI通道及输出接口CNSC转变成±10V的电信号通过刚性攻丝位置控制回路传送给模拟变频器，用来控制主轴电机刚性攻丝时的正转或反转以及转角转速。

c、激活数控系统插补运算器产生Z轴位置指令Pz及通道后，数控系统发出的刚性攻丝Z轴位置指令Pz经过与主轴位置反馈Fp的比较运算后产生Z轴位置命令pz，其通过Ｚ轴位置PI通道及CNSV3数字接口和总线发送到Z轴伺服驱动器的CNSV3接口，控制Z轴伺服电机与主轴电机的插补移动。

d、当G232刚攻开始指令激活刚性攻丝位置指令Pi及通道后，主轴电机开始转动，通过同步旋转的主轴编码器将当前的主轴电机转动角度位置经反馈接口CNSP转变成主轴位置反馈信号Fp给数控系统的比较运算环节，并与刚性攻丝位置指令Pi比较运算后产生刚性攻丝位置指令Pi，数控系统进行以下比较运算：（刚性攻丝位置指令Pi）－（Fp主轴反馈位置）＝（pi刚攻位置命令）。经过刚性攻丝位置指令Pi与主轴位置反馈Fp的比较运算，得出刚性攻丝位置指令Pi。根据pi刚攻位置命令大于0、小于0、等于0，使模拟输出±10V电压信号，控制模拟变频器驱动主轴电机做正/反转、停止、的刚性攻丝插补运动。

e、当G232刚攻开始指令激活Z轴位置指令Pz及通道后，Z轴电机开始转动，通过同步旋转的Z轴编码器将当前的Z轴电机转动角度位置经反馈接口CNFB3转变成Z轴位置反馈信号Fz给数控系统的比较运算环节，并与Z轴位置指令Pz比较运算后产生Z轴位置命令pz，进行以下比较运算：（Z轴位置指令Pz）－（FzZ轴反馈位置）＝（pzZ轴位置命令），Z轴位置指令Pz与Z轴位置反馈Fz的比较运算，得出Z轴位置命令pz，根据pz输出数字信号的大、小、正、负控制Z轴伺服电机转动的快、慢、停止和方向，只有当Z轴位置反馈Fz等于Z轴位置指令Pz，使Z轴位置命令输出pz等于0，Z轴在刚性攻丝方式下与主轴插补的移动才结束。

Claims (5)

1.一种用模拟变频器实现刚性攻丝的装置，包括数控系统、主轴控制装置，其特征在于主轴控制装置是由模拟变频器、主轴电机和主轴电机编码器、Z轴伺服驱动器、Z轴伺服电机和Z轴伺服电机编码器构成；数控系统设置有PLC可编程序控制器，刚攻位置Pi指令及PI通道，Z轴位置指令及PI通道，数控系统刚攻位置输出、输入模拟接口CNSC与模拟变频器输入接口连接，模拟变频器输出接口与主轴电机连接，将数控系统插补运算器发出的刚攻位置指令Pz传送到模拟变频器控制主轴电机工作，在数控系统与模拟变频器、主轴电机之间构成用模拟电压控制模拟变频器和主轴电机工作的刚性攻丝位置控制回路；数控系统设置可编程控制器PLC输出、输入接口，分别与模拟变频器控制信号输入和应答信号输出接口连接，将数控系统PLC可编程序控制器发出的主轴使能、加减速切换、紧急停止、报警复位、增益切换信号传送到模拟变频器，同时接收模拟变频器主轴报警、主轴运行的应答信号，在数控系统与模拟变频器之间构成模拟变频器工作方式控制回路；数控系统设置主轴电机编码器反馈输入接口CNSP，与模拟变频器编码器PG-X3速度检测信号端及主轴电机编码器输出端连接，接收由主轴电机编码器发出的速度反馈信号，在数控系统与模拟变频器、主轴电机编码器之间构成位置、速度、电流闭环的主轴位置反馈回路；数控系统设置有Z轴位置输出接口CNSV3，与Z轴伺服驱动器连接，将插补运算器发出的Z轴位置移动信号传送至Z轴伺服驱动器，输出控制Z轴伺服电机工作，数控系统设置有Z轴位置反馈接口CNFB3，与Z轴伺服电机编码器连接，将伺服电机位置信号反馈至数控系统插补运算器，在数控系统与伺服驱动器、伺服电机和编码器之间构成Z轴位置移动、反馈控制回路。

2.根据权利要求1所述的一种用模拟变频器实现刚性攻丝的装置，其特征在于所述的刚性攻丝位置控制回路，其数控系统主轴模拟输出、输入接口CNSC包括有5个端子，其中端子GND和SPDA为模拟指令输出端子，模拟指令输出端子GND与模拟变频器输入端子AC连接，模拟指令输出端子SPDA与模拟变频器输入端子Al连接,将数控系统输出的刚性攻丝位置指令Pi通过CNSC接口转变成±10V的电压信号传送给模拟变频器，端子FG为屏蔽接地端，端子AIN和GND为负载反馈输入端子，负载反馈输入端子AIN与模拟变频器输出端子FM连接，负载反馈输入端子GND与模拟变频器输出端子AC连接，接收由模拟变频器反馈的0～10V主轴电机实际运转速度和负载状态信号，实现控制模拟变频器主轴电机的正转、反转及转速、转角和负载监控。

3.根据权利要求1所述的一种用模拟变频器实现刚性攻丝的装置，其特征在于所述的变频器工作方式控制回路，其数控系统可编程控制器PLC输出接口的Y50-54端子与模拟变频器输入接口的S1-5端子依次序一一对应连接，通过输出的Y50、Y51、Y54信号可以控制模拟变频器刚性攻丝时的主轴使能、加减速、增益切换；可编程控制器PLC应答信号输入接口X28与模拟变频器应答输出接口MB端子连接，可编程控制器PLC应答信号输入接口X29端子与模拟变频器应答输出接口M1端子连接，将模拟变频器输出的主轴运行M1和主轴报警MB信号传送给可编程控制器PLC。

4.根据权利要求1所述的一种用模拟变频器实现刚性攻丝的装置，其特征在于所述主轴位置反馈回路，其模拟变频器转接板PG-X3的TB1端子与主轴电机编码器PG输出端A+、A-、B+、B-、Z+、Z-连接，模拟变频器接收主轴电机编码器反馈的主轴速度信号，模拟变频器的转接板PG-X3的TB2端子即反馈输出端与数控系统的接口CNSP反馈输入端CNSP1-14连接，将主轴电机编码器反馈的位置脉冲信号传送给数控系统，形成主轴位置闭环控制。

5.根据权利要求1所述的一种用模拟变频器实现刚性攻丝的装置，其特征在于所述Z轴位置移动、反馈控制回路是数控系统Z轴数字输出接口CNSV3通过数据总线连接到Z轴驱动器的CNSV3数字输入接口，Z轴伺服电机编码器PG通过电缆连接到数控系统的Z轴位置反馈CNFB3接口，传送Z轴位置Pz移动指令和接收Z轴反馈的当前实际位置信号。