【摘要】主軸控製（zhì）類（lèi）型、變頻器對模擬主軸的控製原理，參數（shù）設定（dìng），編碼器設置等。
   
    【關鍵詞（cí）】數控係統 模擬主軸 編碼器
 
     機床製（zhì）造（zào）業是一個（gè）國家裝備製造（zào）業的（de）支柱產業，體現了一個國家現代化和工業化的技術水平。經過幾十年的積累和發展，我國的機床製（zhì）造業得到了迅猛的發展，但是與發達國家相比（bǐ），尚有較大的差距，原因是我國（guó）數控機床（chuáng）起步晚，很長時間沒有自己的數控係統，完全靠進口配套數控係統，現在市場上存在大量的普通機（jī）床，可以對現有（yǒu）的機床進行數控化改造。本文將對主軸的改造進（jìn）行介（jiè）紹，提出模擬主（zhǔ）軸控製的方案。
 
     機床的主軸作為關鍵的機（jī）床動力部分，常見於車床和銑床。裝備刀（dāo）具後通過主軸旋轉可以（yǐ）進行車削、銑削加工工件。普通主（zhǔ）軸控製簡單，直接（jiē）由傳統繼電器控製。而數（shù）控機床主軸需要做速度控製；所以，控製係統（tǒng）一般采用速度控製。
 
     數控機床主軸有模擬主（zhǔ）軸和數字（zì）主（zhǔ）軸分別，數字主軸一般用於精加工領域（yù），特（tè）點控製（zhì）精度高、動態（tài）響應好（hǎo），粗加工（gōng）、半精加工，對精度和動態響應要求不（bú）高的情況下，采用（yòng）模擬主軸更具實用性。於是（shì）市場上有了模擬主軸的改造需（xū）要。
 
     1 、模擬主軸電氣控製設計
 
    模擬主軸電（diàn）氣部分包括主軸電機和變（biàn）頻器等硬件設備，接下（xià）來著重談（tán）談以下幾方麵（miàn）的 問題。
 
    1.1 速度信號的設計

    外圍輸入設備，包括麵板、觸摸屏、鍵盤等傳輸給 NCU（數控係統中心）零（líng）件加工程序比如M03 S200主軸正轉，轉（zhuǎn）速200轉（zhuǎn）/分（fèn）鍾，NCU 將指令進（jìn）行運算處理輸出一個模擬量信
號可以使電壓、電流，作為變頻器的（de）輸入信號（hào），一般（bān）為 0 ～ 10V 的模（mó）擬電壓（yā）信號（hào）。由於信號量程比較小，很容易受到電磁幹擾，對數（shù）控機床工作環境中信（xìn）號的傳輸應采取抗幹擾措施（shī）進行屏蔽，如圖 l 展示的是（shì）力士樂公司生（shēng）產的博世力士樂 G5 係列變頻（pín）器對速（sù）度（dù）信號（hào）(0～10V)接（jiē）線示意圖，源自《FSCG05-A力士樂說明手冊》。由數控係統（tǒng）中心發出電（diàn）壓（yā）
信號通過 V11、GND 兩端口送入變頻器（qì）。該模擬信號的傳（chuán）輸屏蔽電纜近端接地進行傳輸。同時對變頻器配電（diàn）線路采取加裝電抗器，濾波器加以對電磁幹擾，噪音（yīn）的抑製，如圖 2 所示。通過對采用該方案的數控機床的運行工況進行比對，在實（shí）際的生產中能保證主軸變頻器控製的精度、運行穩定。
 

      圖 1：主軸變頻器線路設計
  

     
  
      圖 2：係統配線圖
   

     
  
      圖（tú） 3：主軸編碼器與 CNC 連接
 
      1.2 主軸方（fāng）向信號的處理
 
      不（bú）同品牌的數控（kòng）係統（tǒng），關於主軸參數設置不（bú）盡相同，現通過德（dé）國（guó）西門子 802 係統進行展示。該係統對主軸分類為單極性模（mó）擬主軸和雙極性（xìng）模（mó）擬主軸。采用單極性模擬主軸時（shí），數控裝置主軸（zhóu）驅動（dòng）接（jiē）口輸出的速度信號範圍一般為0 ～ 10V，這個速（sù）度信號的大小直接決定著變頻器輸出的頻率，因為 n=60f/p，從而調整了主軸電機的（de）速度。而主軸電機的旋轉方向則由可編程控製器（PLC）控（kòng）製；因此對於單極性主軸而言（yán），在對（duì） PLC 做 I/O 設計時應（yīng）考慮主軸正轉和反（fǎn）轉兩個輸出點，如表 1 中，I0.3、I0.4 分別控製 PLC 的輸出點 Q1.0、Q1.1；向變頻器送入正反轉控（kòng）製開關量信號。對於雙極性模擬主軸（zhóu），主軸驅動接（jiē）口輸出的速度信號範（fàn）圍一般為一 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 控製，而是由速（sù）度信號的正、負極性決定。
 
      單極性和（hé）雙（shuāng）極性主軸，還需要在數控裝置中正（zhèng）確設置相關的主軸極性參數。可以查詢《Siemens.AG. Sinumerik 802D 功能說明》，No.30134(IS_UNIPOLAR_OUTPUT) 參數為
siemens802D 數控係統的單（dān）、雙（shuāng）極性模擬主軸的關鍵參數設置。
 
      其設置釋疑為 0：正 / 負速度給定值雙極性輸（shū）出；
 
     1：單極性輸出（控製使能，負方向進給）；
 
     2：單極性輸出（正反控製使（shǐ）能，負方向進給控製使（shǐ）能）。
 
     1.3 主軸編碼器
 
     現今主軸速度的檢測是依靠脈衝編碼（mǎ）器完成的，其作為最主要的檢測原件，作用如下：
 
    （1）完成對主軸速度的測算；
    （2）實現（xiàn）多種形態加工功能，完成主軸與伺服軸關聯的（de）運行 ( 各（gè）種螺紋切削、定速切削、攻牙攻絲要求 )；
    （3）完成準確角（jiǎo）度的（de）主軸定位，在（zài）換刀具時的旋轉定位功能。光電脈衝發生器是與主軸同速的，連（lián）接機構同（tóng）速一並轉動。機床的主軸與其他幾個物（wù）理軸是沒有物理上的關聯的，但要能完成功能（néng）化多樣性的加工，就必須讓兩者之間架構出一定的配比關係並運轉，而主軸脈衝編碼器（qì）正是為此問題而設計運用的。
   
                                   表（biǎo） 1：主軸控製地址
  
   

     脈衝編碼器是將物理機械（xiè）角度轉化為電氣角（jiǎo）度的脈衝（chōng）元件，有光電式接觸式和電磁感應等類型；光電式（shì）脈衝編碼器無論在各種性能指標上都比較優異，多數廠家采用這（zhè）類元件。光電式脈衝編碼器分為增量式和絕對式兩種，第一個是能對速度和方向進（jìn）行測量，便宜，但斷電（diàn）零點丟失、沒有抗幹擾能力、不適合需要記憶零點的工況；絕對樣式的不（bú）存在前麵的問題，能夠在斷電後記憶零點，精（jīng）度更高，進而適用於高精度機床。
 
    增量式編碼（mǎ）器可以有（yǒu）正弦波、方波等多種的信（xìn）號形（xíng）態。輸入電壓（yā）信號一般是直流 5V，通過外部電源提供也可以是plc或者係統（tǒng）本身；采用差分驅（qū）動輸出形式（shì） abz 三種（zhǒng）通道，每個分為（wéi）正（zhèng）負兩個（gè），這種方式下，能夠使得電流不減弱、提高傳輸信號的質量和穩定性。A 與 B之（zhī）間是有 90 度，速（sù）度可以依據每秒的秒衝數量來換算，方（fāng）向（xiàng）能夠憑借 AB 的角度差來規範定義；Z 作為 0 點的標記通道，一轉就輸（shū）出一個標記信號，作為定位（wèi）的標記。
 
     機床設計者在（zài）配備編碼器時候會考慮以下幾個（gè）方（fāng）麵：一是主軸編碼器（qì）反饋接口與編碼器輸出端口要為統一類型定義的；二傳輸線的（de）長度計算；三（sān）是屏蔽的設計，優（yōu）化。
 
    查詢《GSK983M 銑床（chuáng）數控係統連接手冊》，如圖 3 為廣州數控銑床上 CNC 與主軸編碼器的接線（xiàn）圖。
 
     1.4 主軸故障測控（kòng）
 
     現在（zài）的伺服控製器或者變頻裝置都是有故障測控（kòng）的，在報警時候有相應的輸出功能。變頻器運行時候，發生（shēng）報（bào）警時相應的輸出（chū）端子輸出信號（hào）給 PLC，再輸出（chū）到聲（shēng）光報警的（de）終端，可以判別機器是否（fǒu）運行正常化，從（cóng）而（ér）決定反饋係統是否繼（jì）續運行或者停機保護。
 
     1.5 主軸（zhóu）刹車
 
    比如伺服器或者變頻（pín）器都有製動功能，機床各軸高速運轉下刹車製動，如該刹（shā）車電阻的功能不夠強大、導致發熱或者製動電路的過壓時，要重（chóng）新選配大的電阻，保證（zhèng）刹車的完備和安全運行；在設計時候要計算組件的（de）參數，參考電機的轉矩，計算製動電阻阻值，選擇架（jià）構類型，選擇功率大小來完成相（xiàng）關設計。
 
     1.6 電氣接地
 
     在工況複雜的工作環境中充（chōng）不滿了（le）各種電磁幹擾，一台高精密的數控設備，其幹擾源為變頻器（qì），必須對其實施屏蔽。變頻（pín）器自身是能夠對（duì）周（zhōu）邊的電器造成強大的幹擾的。必須要進行接地處理；而這樣即（jí）是對其本身的保護，也是對（duì）其他的設備的防護。
 
    通常接地我們按照下麵這樣進行，一變頻器的輸入的 PE 端子（zǐ）接地（dì）良好可靠，這樣在源頭的部分就能有效的抑（yì）製幹擾進出和輸出（chū）。接地體必須（xū）要參照 GB 進行，才能達到良好的效果，不能簡單的將 PE 接入工況的 PE 公共端了事（shì）。二是控製信（xìn）號線路上（shàng）進（jìn）行單端屏蔽層接地處理，有效的減低（dī）外界（jiè）對其信號的幹擾。
 
    2 、結束語
 
    我國工業水平的日益提升，裝備製造（zào）業也日（rì）趨成熟，但是數控（kòng）機床（chuáng）的改造水平（píng）仍然和（hé）國外有很（hěn）大差（chà）距；此文簡述了（le）本（běn）人對模（mó）擬主軸改造時候（hòu）的一些（xiē）觀點，綜合了工作中的經驗和心得，希望（wàng）對廣大的工控從業者有所幫助。