CN103488109A - 用模拟变频器实现主轴定向的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用模拟变频器实现主轴定向的装置及方法，包括机床数控系统、由模拟变频器和主轴电机以及编码器连接构成主轴控制装置，机床数控系统设置有主轴定向输出/输入模拟接口CNSC、可编程控制器PLC输出/输入接口，与模拟变频器输入输出接口连接，在数控系统与模拟变频器和主轴电机之间构成三组控制回路。该方法是在数控系统中嵌入主轴定向梯形图软件，插补运算器设置定向位置指令Pi及反馈比较运算环节和PI通道，实现加工中心机床主轴定向。其特点是：用模拟变频器及方法实现主轴定向，不但能够完成中高档加工中心机床所有的主轴功能，还保证了特殊的换刀主轴定向，由于设备造价低，提高了中高档加工中心机床的性价比。

Description

用模拟变频器实现主轴定向的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种数控机床，特别是一种在加工中心机床上用模拟变频器实现主轴定向的装置及方法。

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，用于实现主轴定向功能。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，不具备换刀主轴定向功能，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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用模拟变频器实现主轴定向的装置及方法，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换刀主轴定向和其他主轴功能。

本发明的技术解决方案是：一种用模拟变频器实现主轴定向的装置，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、主轴电机和编码器连接构成；数控系统设置有主轴定向输出、输入模拟接口CNSC，与模拟变频器输入、输出端连接，将数控系统插补运算器发送的主轴定向位置指令Pi通过反馈比较环节、位置、速度、电流调节器和模拟接口送入到模拟变频器，同时接受模拟变频器的负载反馈信号，在数控系统与模拟变频器之间构成主轴定向位置控制回路；数控系统设置可编程控制器PLC，其控制信号输出、输入接口与模拟变频器控制信号输入、输出接口连接，将数控系统PLC发送的主轴使能、加减速切换、紧急停止、报警复位、增益切换信号送入到模拟变频器，同时接受模拟变频器的主轴报警、主轴运行的应答信号，在数控系统与模拟变频器之间构成主轴电机工作方式控制回路；数控系统设置编码器反馈输入接口CNSP，与模拟变频器编码器速度检测信号端相连接，模拟变频器的速度检测信号端还与主轴电机编码器输出端连接，接受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和主轴电机变频器之间构成一组闭环的主轴位置反馈回路，通过三组回路的设置，实现主轴定向功能。

所述的主轴定向位置控制回路，其数控系统主轴定向模拟输出/输入接口CNSC设有5个端子，其中端子GND和SPDA为模拟指令输出端，分别与模拟变频器输入端子A1和AC连接，将数控系统输出的主轴定向命令即主轴正转、反转及转速的数字信号通过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，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。

所述的主轴电机工作方式控制回路，其数控系统可编程控制器PLC输出接口的Y50-54端子即主轴使能、加减速切换、紧急停止、报警复位、增益切换信号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主轴定向时的加减速、增益切换及定向到位的扭矩；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作应答用。

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连接，模拟变频器接收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反馈输入端连接，把编码器反馈的位置脉冲传送给数控系统，构成主轴位置闭环控制。

一种用模拟变频器实现主轴定向的方法，其特征在于编制主轴定向工艺梯形图软件，并将其嵌入到数控系统可编程控制器PLC中，通过主轴定向代码M19激活梯形图产生定向起动，形成主轴使能信号和主轴运转信号，形成位置闭环的加减速切换信号，形成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发出的定向开始信号，激活数控系统的插补运算器，产生主轴定向位置指令Pi，打开反馈比较运算和调节定向位置通道，将定向位置指令与实际反馈位置比较运算得出定向位置命令值，根据定向位置命令pi值发出指令经定向位置PI通道和模拟接口输出模拟电压至模拟变频器控制主轴电机正转、反转、停止，完成由模拟变频器实现主轴定向控制。

本发明的特点是：用国产模拟变频器替代进口的数字主轴伺服装置实现主轴定向，不但完成了中高档加工中心机床所有的主轴功能，还保证了特殊的换刀主轴定向。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，同时解决了加工中心机床依赖进口部件的问题。利用该结构原理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是本发明主轴定向模拟输出输入接口示意图；

图4是本发明主轴定向控制流程图；

图5是本发明主轴位置指令控制流程图；

图6是本发明主轴定向梯形图。

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，本发明提供用模拟变频器实现主轴定向的装置，主要由数控系统、模拟变频器、主轴电机和编码器四部分构成。在机床数控系统中设置了主轴定向输出、输入模拟接口CNSC，它包括模拟指令输出GND和SPDA端子、负载反馈输入AIN和GND端子、屏蔽地FG端子，其中模拟指令输出GND和SPDA端子分别与模拟变频器输入A1和AC端子连接，FG端子接屏蔽地，负载反馈输入AIN和GND端子分别与模拟变频器输出FM和AC端子连接。通过上述连接结构，将数控系统插补运算器输出的主轴定向命令Pi即主轴正转、反转及转速的数字信号通过CNSC接口转变成±10V的电信号，在以电信号的形式送至模拟变频器，同时接收由模拟变频器发出的0～10V电信号，在数控系统与模拟变频器之间构成主轴定向位置控制回路，实现控制模拟变频器主轴电机的正转、反转及转速、转角。

机床数控系统设置了可编程控制器PLC输出、输入接口，输出接口的Y50-54端子，其Y50为主轴使能输出口，Y51为加减速切换输出口，Y52为紧急停止输出口，Y53为报警复位输出口，Y54为增益切换信号输出口。这五个输出接口端子分别与模拟变频器输入接口S1-5端子一一对应连接，通过将数控系统可编程控制器由主轴定向梯形图产生的主轴使能Y50、加减速切换Y51、增益切换Y54信号输送到模拟主轴变频器，控制主轴电机的起动和主轴定向所需的加减速切换、增益切换。机床数控系统的可编程控制器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，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形成主轴电机工作方式控制回路。

机床数控系统设置反馈输入接口CNSP，模拟变频器转接板PG-X3的TB1输入端子与主轴电机编码器连接，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。模拟变频器转接板PG-X3的TB2输出端子与数控系统的接口CNSP的反馈输入端连接，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，使主轴控制装置具有位置闭环控制功能，当主轴电机到达主轴定向的目标位置时，数控系统将发出主轴定向结束信号，使主轴电机停止转动，完成主轴定向。在数控系统和与模拟变频器、主轴电机之间构成主轴位置反馈回路。

本发明用模拟变频器替代数字伺服主轴实现主轴定向的方法：

1、编制主轴定向加工工艺梯形图软件，并将其嵌入到数控系统可编程控制器PLC中，在数控系统中设置了定向位置指令Pi及PI通道。具体流程为：通过主轴定向代码M19激活主轴定向梯形图软件，见图4、6，使梯形图142行产生R300定向起动，使147行产生G213位置闭环，使148行产生Y54加减速切换，使149行产生Y51增益切换，使146行产生Y50主轴使能和主轴运转信号，使模拟变频器进入主轴使能状态，使144行产生T404延时10毫秒，使145行产生G230定向开始，激活数控系统插补运算器产生定向位置指令Pi，并打开定向位置通道。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控制方式命令全部产生，并由PLC输出给模拟变频器S1~5输入端子，控制主轴电机启动、加减速参数切换、增益参数切换，以调整主轴定向时的位置跟踪误差和扭矩。

2、通过可编程控制器PLC发出的G230定向开始信号，见图5，激活在数控系统插补运算器中设置的主轴定向位置指令及反馈比较运算和定向位置PI通道，产生主轴定向位置指令Pi，打开反馈比较运算和调节定向位置通道，将定向位置指令与实际反馈位置比较运算得出定向位置命令pi，定向位置命令pi经定向位置PI通道、模拟接口CNSC输出产生±10V的模拟电压，供给模拟变频器的A1、AC端子，用来控制主轴电机主轴定向时的正/反转和转动角度，具体流程为：定向指令Pi经过定向位置反馈比较、判别环节，执行Pi－Fp＝pi的数学模型运算，定向位置指令Pi减去实际反馈位置Fp等于定向位置命令pi，经过运算判别的定向位置命令pi，经定向位置PI通道，由模拟接口输出±10V的电压。当pi位置命令＞0时，模拟接口CNSC输出0~10V的正值，主轴电机正转。当pi位置命令＜0时，模拟接口CNSC输出0~－10V的负值，主轴电机反转。当pi位置命令＝0时，模拟接口CNSC输出0V，主轴电机停止，定向指令完成。

Claims (5)

1.一种用模拟变频器实现主轴定向的装置，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、主轴电机和编码器连接构成；数控系统设置有主轴定向输出输入模拟接口CNSC，与模拟变频器输入输出端连接，将数控系统插补运算器发送的主轴定向位置指令Pi送入到模拟变频器，同时接受模拟变频器的负载反馈信号，在数控系统与模拟变频器之间构成主轴定向位置控制回路；数控系统设置可编程控制器PLC，其控制信号输出输入接口与模拟变频器控制信号输入、输出接口连接，将数控系统PLC发送的主轴使能、加减速切换、紧急停止、报警复位、增益切换信号送入到模拟变频器，同时接受模拟变频器的主轴报警、主轴运行的应答信号，在数控系统与模拟变频器之间构成主轴电机工作方式控制回路；数控系统设置编码器反馈输入接口CNSP，与模拟变频器编码器速度检测信号端相连接，模拟变频器的速度检测信号端还与主轴电机编码器输出端连接，接受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和主轴电机变频器之间构成一组闭环的主轴位置反馈回路。

2.根据权利要求1所述的一种用模拟变频器实现主轴定向的装置，其特征在于所述的主轴定向位置控制回路，其数控系统主轴定向模拟输出/输入接口CNSC设有5个端子，其中端子GND和SPDA为模拟指令输出端，分别与模拟变频器输入端子A1和AC连接，FG为屏蔽接地端子，将数控系统输出的主轴定向命令即主轴正转、反转及转速的数字信号通过CNSC接口转变成±10V的电压信号传送给模拟变频器，端子AIN和GND为负载反馈输入口，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，实现控制模拟变频器主轴电机的正转、反转及转速控制和负载监控。

3.根据权利要求1所述的一种用模拟变频器实现主轴定向的装置，其特征在于所述的主轴电机工作方式控制回路，其数控系统可编程控制器PLC输出接口的Y50-54端子即主轴使能、加减速切换、紧急停止、报警复位、增益切换信号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主轴定向时的加减速、增益切换及定向到位的扭矩；可编程控制器PLC应答信号输入接口X28／29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报警和主轴运行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主轴定向的装置，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连接，模拟变频器接收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反馈输入端连接，把编码器反馈的位置脉冲传送给数控系统，构成主轴位置闭环控制。

5.一种用模拟变频器实现主轴定向的方法，其特征在于编制主轴定向加工工艺梯形图软件，并将其嵌入到数控系统可编程控制器PLC中，在数控系统的插补运算器中设置了定向位置Pi指令及PI通道，起动过程包括：通过主轴定向代码M19激活梯形图，形成加减速切换信号，增益切换信号，主轴使能和主轴运转信号及定向开始信号，为模拟变频器提供所需的控制方式命令和激活插补运算器的定向开始命令；由可编程控制器PLC发出的定向开始信号，激活数控系统的插补运算器，产生主轴定向位置指令Pi，打开反馈比较运算和定向位置通道，将定向位置指令与实际反馈位置比较运算得出定向位置命令pi；定向位置命令pi经定向位置PI通道、模拟接口发出模拟电压指令至模拟变频器控制主轴电机正转、反转、停止，完成由模拟变频器实现主轴定向的控制。

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