0 引言

　　主軸是機(jī)床上帶動工件或刀具運(yùn)動的軸，主軸控制的效果將直接影響零件的加工精度。模擬主軸控制是指數(shù)控系統(tǒng)輸出模擬電壓控制主軸，主軸由調(diào)速器控制的主軸電機(jī)驅(qū)動( 常用的調(diào)速器是變頻器、主軸電機(jī)是三相異步電動機(jī)) ，可以實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床主軸的啟停、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速控制。基于 FANUC數(shù)控系統(tǒng)的主軸控制主要有模擬主軸控制和串行主軸控制兩種類型。模擬主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。串行主軸控制是指數(shù)控系統(tǒng)輸出串行數(shù)據(jù)控制主軸，主軸通常由伺服驅(qū)動器控制的伺服電機(jī)驅(qū)動。模擬主軸控制經(jīng)濟(jì)實用、調(diào)試方便，在中低檔的數(shù)控機(jī)床中廣泛使用。

圖 1 模擬主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1 模擬主軸系統(tǒng)的組成

　　基于 FANUC 數(shù)控系統(tǒng)的模擬主軸控制系統(tǒng)的氣原理圖如圖 2 所示。其中，F(xiàn)ANUC 0i-C 數(shù)控系統(tǒng)的 JA40 接口輸出 0 ～ 10 V 模擬電壓; 三菱 E700變頻器的 2、5 端子接收 JA40 接口輸出的模擬電壓信號，STF、STR 端子接收 JD1A 接口輸出的轉(zhuǎn)向信號; 主軸編碼器 PG 的反饋信號輸入 JA7A 接口。

圖 2 模擬主軸控制電氣原理圖

2 模擬主軸的調(diào)試

　　從系統(tǒng)組成的角度，數(shù)控機(jī)床模擬主軸的調(diào)試包括 CNC 中有關(guān)主軸的參數(shù)與信號的調(diào)試，以及變頻器本身的參數(shù)與信號的調(diào)試。調(diào)試的目的是保證數(shù)控系統(tǒng)能夠根據(jù)指令發(fā)出正確的模擬電壓信號，經(jīng)過變頻器調(diào)速后驅(qū)動主軸正確運(yùn)行。

　　2.1 CNC 調(diào)試

　　CNC 調(diào)試時，主要是根據(jù)不同的控制要求，設(shè)置一些參數(shù)，將控制要求反映到主軸轉(zhuǎn)速的模擬量輸出上，使之與控制要求一一對應(yīng)。以基于 FANUC數(shù)控系統(tǒng)的某數(shù)控車床的模擬主軸控制為例，CNC的轉(zhuǎn)速指令輸出極限( 模擬量) 為 10 V，檔位 1 ～ 3對應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速分別為 1 000 r/min、2 000 r/min、4000 r / min，CNC 上設(shè)定的主軸參數(shù)如表 1 所示。設(shè)置 CNC 參數(shù)時，注意要先打開“參數(shù)寫入”功能，所有參數(shù)的設(shè)置完成后，要關(guān)閉“參數(shù)寫入”功能。

表 1 CNC 相關(guān)主軸參數(shù)

　　當(dāng)主軸采用模擬量輸出時，由于溫度、元器件特性的變化，可能會導(dǎo)致實際主軸轉(zhuǎn)速和編程指令轉(zhuǎn)速之間存在較大的誤差。

　　這類偏差包括零點(diǎn)漂移和增益偏差，零點(diǎn)漂移是指編程指令轉(zhuǎn)速為 0 時，CNC 輸出的模擬量電壓≠0 V; 增益偏差是指編程指令轉(zhuǎn)速為最大值時，CNC 輸出的模擬量電壓≠10V。在表 1 的參數(shù)設(shè)定完畢后，可以通過參數(shù) 3731和 3730 進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的方法和步驟是: ①測量CNC 輸出的模擬量電壓。進(jìn)入 MDI 方式，輸入M03S0 指令，用萬用表測得變頻器 2、5 端子上的電壓為 －0． 15 V; 再輸入 M03S4000 指令，測得 2、5 端子上的電壓為 10 V，將數(shù)據(jù)記錄在表 2 中; ②計算參數(shù) 3731 和 3730 的調(diào)整值。根據(jù)公式，計算調(diào)整值 No．3731=0.15100× 216= 98; No．3730 =10/10 － ( － 0． 15)× 1000 = 985; ③ 設(shè)定參數(shù) 3731 和3730。將 3731 和 3730 的調(diào)整值 98，985 分別輸入CNC 系統(tǒng)并使之生效; ④驗證 CNC 輸出的模擬量電壓。重復(fù)步驟①的操作，分別測量 0 轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速時的模擬量電壓，測得的數(shù)據(jù)如表 2 所示，調(diào)整成功。在測量模擬量電壓時，需要注意 2、5 端子的正負(fù)極性，萬用表的表筆是紅對 2，黑對 5。另外，CNC參數(shù)設(shè)置完成后，注意做好數(shù)據(jù)備份工作，以便不時之需。

表 2 增益偏差與零點(diǎn)漂移設(shè)置前后的實驗數(shù)據(jù)

　　2.2 變頻器調(diào)試

　　變頻器調(diào)試時，需要將 CNC 輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為主軸電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。變頻器需要進(jìn)行速度控制系統(tǒng)的速度和電流等調(diào)節(jié)器參數(shù)、電流、功率、上下限頻率、加減速時間等的設(shè)定與調(diào)整，從而使得主軸的實際輸出轉(zhuǎn)速與來自 CNC 的模擬量保持一一對應(yīng)的關(guān)系。以三菱 E700 變頻器為例，變頻器主要參數(shù)的設(shè)定如表 3 所示。對于其他品牌的通用變頻器，設(shè)置內(nèi)容大體相同。

表 3 變頻器相關(guān)參數(shù)

3 模擬主軸的運(yùn)行

　　完成上述調(diào)試后，首先進(jìn)入 FANUC 0i-C 數(shù)控系統(tǒng) MDI 方式，在程序界面輸入M03S1000; 指令，主軸電動機(jī)以 1 000 r/min 的轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn); 輸入M04S1000; 指令，主軸電動機(jī)以 1 000 r/min 的轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn); 輸入M05;指令，主軸電動機(jī)停止運(yùn)行。然后進(jìn)入手動方式，按下操作面板區(qū)的主軸正轉(zhuǎn)、主軸反轉(zhuǎn)和主軸停止按鈕，主軸均能正確動作。值得注意的是，F(xiàn)ANUC 數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行主軸運(yùn)行調(diào)試時，必須先在 MDI 方式下運(yùn)行，通過 S 指令給定 CNC 一個轉(zhuǎn)速后，才能在手動方式下運(yùn)行。

4 結(jié)束語

　　隨著我國機(jī)械制造業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)控加工技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，但是數(shù)控機(jī)床調(diào)試與維修方面的人才比較缺乏。主軸控制系統(tǒng)的調(diào)試是數(shù)控機(jī)床調(diào)試中的重點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)輸入 S 指令和主軸實際轉(zhuǎn)速不一致、零件加工誤差偏大等情況時，都需要進(jìn)行主軸調(diào)試。本文主要闡述了模擬主軸控制系統(tǒng)的硬件組成和調(diào)試方法，在調(diào)試過程中可以多總結(jié)、多積累經(jīng)驗，進(jìn)一步提高調(diào)試與維修技能。