第7单元 西门子802C主轴电气系统.docx

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第7单元西门子802C主轴电气系统

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第7单元西门子802C主轴电气系统

7.1主轴线路连接

7.1.1学习目的

①了解各种电机调速的优缺点；

②理解主轴控制的基本要求；

③掌握802C系统主轴电气系统的接线；

④掌握802C系统变频器的接线。

7.1.2案例分析

根据图纸连接802C数控机床的主轴电气系统部分。

分析

从主轴系统的各个部件进行分析：

①三相电源通过3相变压器和空气开关QM2接入变频器的R、S、T端。

②SINUMERIK802Cbaseline系统接口X7的引脚4（AGND4）与变频器的5G端相连，引脚37（AO4）与变频器的V1端相连。

③电流继电器KA7、KA8的常开触点分别将变频器的FX、RX端与CM端相连。

KA7控制主轴正转，KA8控制主轴反转。

④变频器U、V、W端分别与主轴电机的三相相连。

操作过程

①认识802C数控机床主轴电气系统的各个部件；

②连接3相变压器、空气开关及变频器；

③连接SINUMERIK802Cbaseline系统接口X7的引脚与变频器；

④连接变频器与主轴电机；

⑤根据相关图纸连接与变频器相关的各个开关信号；

⑥检查线路；

⑦上电试验。

操作要点及注意事项

①系统必须接地才能通电，否则可能导致硬件损坏；

②三相电源输入接入变频器的R、S、T端，不需要安排相的次序。

如果将三相电源连接到了输出端子（U，V，W），变频器的内部将会损坏；

③驱动器接口X7的引脚37和引脚4与变频器端子严格对应，不可接错；

④空气开关QM2常开触点接入数字输入接口X104的引脚3，以防变频器供电过载；

⑤电机应该连接到端子U，V，W。

如果正转开关（FX）处于on，从电机负载的方向看，电机应该按顺时针方向转动。

如果电机处于反转状态，应该转换U和V端子的接线；

⑥当变频器前面的盖子打开时，不要运行变频器。

当输入电源接通时，严格禁止打开前端的盖子。

否则会导致电击。

7.1.3训练任务

连接主轴线路，包括Z轴制动器。

7.1.4相关知识点

一、数控机床的主轴传动系统

数控机床的主轴系统和进给系统有很大的差别。

根据机床主传动的工作特点，早期的机床主轴传动全部采用三相异步电动机加上多级变速箱的结构。

随着技术的不断发展，机床结构有了很大的改进，从而对主轴系统提出了新的要求，而且因用途而异。

为了满足量大面广的前两类数控机床的需要，对主轴传动提出了下述要求：

主传动电动机应有2.2～250kW的功率范围；要有大的无级调速范围，如能在1：

100～1000范围内进行恒转矩调速和1：

10的恒功率调速；要求主传动有四象限的驱动能力；为了满足螺纹车削，要求主轴能与进给实行同步控制；在加工中心上为了自动换刀，要求主轴能进行高精度定向停位控制，甚至要求主轴具有角度分度控制功能等。

主轴传动和进给传动一样，经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动，而随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代，目前已很少见到在数控机床上有使用直流主轴伺服系统了。

但是国内生产的交流主轴伺服系统的产品尚很少见，大多采用进口产品。

交流伺服电动机有永磁式同步电动机和笼型异步电动机两种结构形式，而且绝大多数采用永磁式同步电动机的结构形式。

而交流主轴电动机的情况则不同，交流主轴电动机均采用异步电动机的结构形式，这是因为，一方面受永磁体的限制，当电动机容量做得很大时，电动机成本会很高，对数控机床来讲无法接受采用；另一方面，数控机床的主轴传动系统不必像进给伺服系统那样要求如此高的性能，采用成本低的异步电动机进行矢量闭环控制，完全可以满足数控机床主轴的要求。

但对交流主轴电动机性能要求又与普通异步电动机不同，要求交流主轴电动机的输出特性曲线（输出功率与转速关系）是在基本速度以下时为恒转矩区域，而在基本速度以上时为恒功率区域。

交流主轴控制单元与进给系统一样，也有模拟式和数字式两种，SIEMENS802C主轴控制单元即为数字式的。

二、主轴性能

由NC控制的模拟量主轴根据不同的机床类型有可能具有如下的功能：

●预置主轴方向（M3，M4）

●预置主轴转速（S）

●主轴无定向准停（M5）

●主轴定位（SPOS=）（要求位置控制主轴）

●齿轮级转换（M40—M45）

●切削螺纹/攻丝（G33，G331，G332，G63）

●旋转进给（G95）

●恒定切削速度（G96）

●可编程的主轴转速极限（G25,G26,LIMS=）

●在主轴或电机上可以安装位置测量编码器

●可以监控主轴转速的极大和极小值

●主轴暂停旋转（G4S）

如果采用的不是模拟量主轴，而是“级联”主轴，则主轴转速（S）不是通过程序预置，

而是通过机床上的手动操作（减速箱）进行控制。

这样，也就不能编程设置转速极限。

通过程序可以对主轴旋转方向（M3，M4）、主轴无定向停止（M5）和攻丝（G63）进行设定。

如果主轴上还有一个位置编码器，则主轴还具备以下功能：

●切削螺纹/攻丝（G33）

●旋转进给（G95）

对于级联主轴，不能通过设定机床数据给主轴输出给定值，此时，MD：

CTRLOUT_TYPE=0。

三、主轴电机的调速性能

在数控系统中，常用的主轴电机有直流主轴电动机和交流主轴电动机两种。

①直流主轴电动机

在数控机床的主轴驱动中，直流主轴电动机通常采用晶闸管直流调速。

直流调速装置是一个电枢可逆逻辑无环流双闭环控制系统。

该装置用于将直流电供给他激直流电动机的电枢和磁场。

该装置借助于电枢可逆在四个象限内运行。

电动机的调速范围分为两个区域，低、低于额定转速采用恒力矩方式调速，高于额定转速采用弱磁方式升速。

直流电机主要有定子、转子组成。

定子部分由机座、磁极组成。

转子部分有时称为电枢，由铁心、绕组、换向器组成。

在换向器上通入直流电源后，它将对电枢产生一个逆时针方向的转矩，这个转矩称电磁转矩，在电磁转矩作用下，电枢旋转。

从特性曲线看出，转矩升高，转速略有下降。

图7-1-1直流电机特性曲线

②交流主轴电动机

随着交流调速技术的发展，数控主轴驱动大多采用变频器控制交流主轴电动机。

变频器的控制方式从最初的电压矢量控制、磁通矢量控制，已经发展为直接转矩控制；变频器件由逆变器到脉宽调制（PWM）技术，又由正弦PWM技术发展到随机PWM技术，电流谐波小，电压利用率高、效率高，转矩脉动及噪声强度大幅度削弱；功率器件由GTO、GTR、IGBT发展到IPM

三、变频器的使用

1、安装

①检查检查变频器在运输过程中有可能出现的各种损伤；检查iS5变频器的名签，确认是否为正确可以使用的变频器。

②确认安装地点的环境条件环境温度不能低于14oF（-10oC）并且不能超过104oF（40oC），相对湿度不能超过90%（无结露），高度不能超过3,300英尺（1,000m）。

不能把变频器安装在阳光直射的地方，产生剧烈振动的物体应该远离变频器。

③安装iS5变频器必须竖直安装在与相邻设备有足够空间的地方。

（水平方向距离大于2"（50mm），垂直方向距离大于6"（150mm））

④其他变频器不能放在高温高压、振动大、灰尘多的地方，另外，安装时还需要使用螺钉进行固定。

2、变频器的基本配线

变频器的基本配线如图5-1-2。

各符号的含义如表5-1-1。

表5-1-1变频器配线符号说明

符号

功能

R

交流电压输入端子

（3相,200–230V交流（2单元）或380-460V交流（4单元））

S

T

G

大地

P

正端直流总线端子

DB单元（P-P5）连接端子

（当要求完成制动（>30%ED）,连接DB单元。

）

P1

外部直流电抗器（P1-P2）和DB单元（P2-P5）连接端子。

P2

N

负端直流总线端子DB单元（N-N5）连接端子

B1

动态制动电阻（B1-B2）连接端子

B2

U

连接电机的3-相电源输出端子

（3相,200–230V交流（2单元）或380-460V交流（4单元））

V

W

图5-1-2变频器的基本配线图

7.2主轴PLC程序编制

7.2.1学习目的

①理解主轴运行方式；

②掌握802C系统主轴PLC编程；

③掌握802C系统主轴系统参数设置；

④掌握变频器参数设置方法

7.2.2案例分析

根据表5-2-1地址说明编制主轴正反转的PLC程序，并且设置主轴系统参数和变频器参数。

表5-2-1主轴控制地址说明

地址

变量类型

数据类型

注释

I0.0

输入

BOOL

电源模块T64状态

I0.1

输入

BOOL

主轴使能

I0.2

输入

BOOL

单模态主轴选择

I0.3

输入

BOOL

主轴正转按钮

I0.4

输入

BOOL

主轴反转按钮

I0.5

输入

BOOL

主轴停止按钮

I0.7

输入

BOOL

系统急停

I4.7

输入

BOOL

电主轴冷却泵过载

Q1.0

输出

BOOL

主轴正转

Q1.1

输出

BOOL

主轴反转

Q1.2

输出

BOOL

主轴停止

Q1.3

输出

BOOL

主轴运行灯

Q1.4

输出

BOOL

报警：

主轴运行未完成

Q0.4

输出

BOOL

主轴冷却泵

M0.0

中间继电器

TEMP

主轴运行状态

M0.1

中间继电器

TEMP

M0.2

中间继电器

TEMP

主轴正转指令

M0.3

中间继电器

TEMP

主轴反转指令

分析

①主轴的控制包括正转、反转、停止、制动、使能等。

控制要求如下：

a．通过M03/M04/M05实现

M03：

主轴正转

M04：

主轴反转

M05：

主轴停止

b．通过MCP按钮实现

按正转按钮时电动机正转；按反转按钮时电动机反转；按停止按钮时电动机停止；电动机过载报警后正／反转按钮无效。

②在电气安全互锁设计方面，主轴正/反转在接触器和继电器分别进行了安全互锁；急停对主轴运转进行了安全互锁。

③相关的参数说明如表5-2-2。

表5-2-2

参数号

定义

备注

V.4

K19主轴左转

来自MCP的信号（按键及倍率）

接口：

MCP→PLC（只读）

V.6

K21主轴右转

V.3

M03

来自NCK的辅助功能

接口：

NCK→PLC（只读）

V.4

M04

V.5

M05

V.1

急停有效

来自NCK的信号，接口：

NCK→PLC（只读）

V.7

复位

送到NCK的信号，接口：

PLC→NCK（可读/可写）

V.0

有效机床功能

来自NCK的信号，接口：

NCK→PLC（只读）

V.2

有效的机床功能-参考点

来自NCK的信号，接口：

NCK→PLC（只读）

V.2

有效的运行方式-手动

来自NCK的信号，接口：

NCK→PLC（只读）

V.1

伺服使能

送到主轴的信号，接口：

PLC→NCK（可读/可写）

V.6

轴运行键-负

送到主轴的信号，接口：

PLC→NCK（可读/可写）

V.7

轴运行键-正

V.6

M3/M4反向

送到主轴的信号，接口：

PLC→NCK（可读/可写）

④PLC控制程序编制如图5-2-1。

图5-2-1主轴控制PLC程序

操作过程

①编制主轴控制PLC程序；

②根据编制程序调试主轴；

③设置主轴参数；

④设置变频器参数。

操作要点及注意事项

①程序编制过程中注意常开触点、常闭触点的设计与应用。

②程序严格按照编程软件的语法要求编制，否则会出现编译错误。

7.2.3训练任务

①增加报警、复位等要求重新编制主轴控制PLC程序；

②设置主轴相关参数；

③根据表5-2-5设置变频器参数。

表5-2-5设置变频器参数条件

主轴最高转速r/min

传动比

电机同步转速r/min

第1组

3000

1：

1.5

1500

第2组

4500

1：

2

2000

7.2.4相关知识点

一、主轴运行方式

1、种类

NC控制的模拟主轴可以有如下三种运行方式：

①控制方式

②摆动方式

③定位方式

2、方式转换

主轴运行方式转换如图5-2-2所示。

图5-2-2主轴运行方式转换

①控制方式转换为摆动方式

通过齿轮级自动选择（M40）及S功能，或者通过M41—M45变档为一个新的齿轮级，主轴可以从控制方式变换为摆动方式。

②摆动方式转换为控制方式

如果齿轮已经换挡，接口信号IS“摆动方式”复位，并发出接口信号IS“齿轮级已经换挡”使运行方式转换，最后编程的S功能再次生效。

③控制方式转换为定位方式

如果要使主轴由旋转状态（M3或M4）定位停止，或者从停止状态（M5）获得新的方向，则用SPOS使运行方式变换（要求位置控制主轴）。

④定位方式转换为控制方式

如果主轴定位完成，则用M3、M4或M5转换到控制方式。

最后编程的S功能再次生效。

⑤定位方式转换为摆动方式

可以采用M41—M45转换方式。

换挡结束后，最后编程的S功能和M5再次生效。

3、主轴的控制方式

①在执行下列功能时主轴处于控制方式：

a.恒定主轴转速S，M3/M4/M5和G94、GG95、G97；

b.恒定切削速度G96S，M3/M4/M5；

c.恒定主轴转速S，M3/M4/M5和G33。

②控制方式的前提条件

a.主轴不需要同步；

b.进给率F，单位为mm/min或inch/min，并按照M3/M4/M5指令运行时不需要主轴位置实际值编码器。

c.在转进给按M3/M4/M5运行时，或者使用G96，G97及G33时，必须具备主轴位置实际值编码器。

③主轴复位

a.普通主轴可以通过接口信号“剩余行程复位/主轴复位”制动。

但如果G94有效时，不采取其他措施程序会继续运行下去。

b.主轴自身复位主轴在复位以后或程序结束以后具有的特性可以通过机床数据MD:

SPIND_ACTIVE_AFTER_RESET的设定来改变。

MD:

SPIND_ACTIVE_AFTER_RESET=0：

主轴立即以有效的加速度制动到停止，最后编程的主轴转速和方向被清除。

MD:

SPIND_ACTIVE_AFTER_RESET=1：

最后编程的主轴转速和方向继续保持。

如果在复位之前或程序结束之前G96有效，则当前的主轴转速（主轴修调为100%）在内部作为最后编程的主轴转速。

4、主轴的定位方式

在选择了可编程的功能SPOS时主轴处于定位方式。

主轴以最短的位移定位到某一绝对位置（0—360°，由SPOS设定）。

主轴旋转时以当前方向进行定位，主轴停止时通过设定机床数据由控制器自动确定定向方向。

①程序段转换当一个程序段中所有的功能都已经实现，并且主轴到位，通过接口信号V.7（“主轴准停”）传递，此时可以接受下一个程序段，进行程序段转换。

②前提条件

a.主轴不需要同步；

b.具有主轴实际位置编码器。

③主轴从运行状态进行定位

主轴开始定位时可能处于速度调节状态，会出现超出编码器极限频率和没有超出编码器极限频率两种情况。

如图5-2-3和5-2-4所示。

a.主轴转速>编码器极限频率

阶段1：

主轴以大于编码器极限频率的转速运行，没有同步。

阶段2：

SPOS指令生效，主轴开始制动，直至达到位置编码器接通速度。

一旦低于编码器极限频率，主轴进行同步。

同步时激活定位运行方式。

阶段3：

到达MD：

SPIND_POSCTRL_VELO中设定的位置控制接通速度后：

●接通位置控制

●计算到达目标位置的剩余行程

●加速度转换到GEAR_STEP_POSCTRL_ACCEL中设定的加速度

阶段4：

主轴计算得到“制动点”开始按照GEAR_STEP_POSCTRL_ACCEL中设定的加速度制动，直至达到目标位置。

阶段5：

位置控制有效，主轴保持在编程位置。

一旦主轴实际位置与编程位置之间的距离小于精准停和粗准停时，设定接口信号IS“精准停”和“粗准停”。

图5-2-3旋转状态下定位，编码器转速超出主轴编码器极限频率（特殊情况）

图5-2-4旋转状态下定位，编码器转速没有超出主轴编码器极限频率（正常方式），位置控制方式关闭

b.主轴转速<编码器极限频率

阶段1：

主轴以低于编码器极限频率的转速同步运行。

阶段2：

SPOS指令生效，主轴按照MD：

GEAR_STEP_POSCTRL_ACCEL中设定的加速度开始制动，直至达到位置编码器接通速度。

阶段3—阶段5与前一种情况下完全一致。

④主轴从停止状态进行定位

主轴从停止状态定位有主轴没有同步和已经同步两种情况。

⑤主轴复位

主轴复位可以通过接口信号IS“清除剩余行程/主轴复位”终止，但对主轴运行方式下的“定位方式”无效。

5、主轴的摆动方式

在摆动方式时，主轴电机交替进行顺时针和逆时针方向旋转。

通过摆动方式可以使齿轮换挡变的更方便。

在执行功能时，根据接口信号“通过PLC摆动”（V.4）可以分为通过NCk摆动和通过PLC摆动两种方式。

①前提条件

a.主轴不需要同步；

b.不要求主轴编码器。

②启动方式

主轴摆动方式运行通过接口信号IS“摆动速度”（V.5）启动。

但是如果仅设置接口信号而不预置一个新的齿轮级，则不会转换到摆动方式。

二、主轴回参考点/同步

为了使系统在通电以后能够精确地识别出零度位置，系统必须与主轴位置测量系统进行同步。

只有同步的主轴才可以进行螺纹切削和定位。

系统上电以后，主轴按照以下过程进行同步：

①主轴以一速度（S功能）和方向（M3或M4）启动，并与位置测量系统的下一个零标记同步。

②主轴用SPOS从停止状态定位。

主轴不断旋转直至定位速度，并与位置测量系统的下一个零标记同步，然后定位到编程位置。

三、单极主轴

用±10V电压中的正电压及单独的二进制符号信号来控制主轴的方式称为单极主轴控制，主要用于变频器或直流控制器带动的主轴。

可以通过MD：

30134（IS_UNIPOLAR_OUTPUT）来设定“单极主轴”控制方式。

●MD输入值为0：

正负极速度设定值的双极输出“10V”，伺服使能PLC可以使用00和01输出位。

●MD输入值为1：

单极输出0~+10V，使能和方向信号，不允许PLC输出位00和01。

PLC输出位00=伺服使能

PLC输出位01=主轴反转

●MD输入值为2：

主轴反转，单极输出0~+10V，具有连接使能和转动信号，不允许PLC输出位00和01。

PLC输出位00=伺服使能主轴正转

PLC输出位01=伺服使能主轴反转

使用单极主轴控制过程中，主轴必须是第4轴，同时要保证二进制输出不能被PLC使用。

四、主轴及变频器相关参数

1、主轴相关参数说明如表5-5-2。

表5-2-2主轴参数

参数号

参数名

单位

数据类型

举例值

参数定义

30130

CTRLOUT_TYPE[AX4]给定值输出类型

—

BYTE

0~4

MD30130=1表示CNC系统使用主轴

30200

NUM_ENCS[AX4]编码器个数

—

BYTE

1

0：

主轴不带编码器；

1：

主轴带编码器

30240

ENC_TYPE[AX4]编码器类型

—

BYTE

0~5

MD30240=2表示方波发生器，标准编码器（脉冲倍率）

35040

SPIND_ACTIVE_AFTER_RESET主轴复位有效

—

BYTE

0/1

根据主轴不同的运行方式定义

35100

SPIND_MAX_VELO_LIMIT最大主轴转速

rad/min

DOUBLE

500

带工件或带刀具时主轴的最大转速

35150

SPIND_DES_VELO_TOL主轴转速公差

系数

DOUBLE

0/1

主轴控制方式运行时，主轴编程速度的修调值

2、变频器参数设定

IS5系列变频器根据它们的应用不同分成5个参数组，具体如表5-2-3。

IS5系列变频器提供了2种不同的键盘。

一种是32个包括文字和数字字符的LCD键盘（采用），另外一种是7-段LED键盘。

表5-2-3变频器参数说明

参数组

LCD键盘

（左上角）

7-段键盘

（LED）

描述

驱动组

DRV

‘DRV’LED变亮

指令频率，加速/减速时间等

基本参数

功能1组

FU1

‘FU1’LED变亮

最大频率，转矩补偿量等

基本功能相关参数

功能2组

FU2

‘FU2’LED变亮

频率跳跃，频率最大/最小限定等

应用功能相关参数

输入/输出组

I/O

‘I/O’LED变亮

多功能端子设定，自动运行等顺序运行所需要的参数。

外部可选组

EXT

‘EXT’LED变亮

当安装了扩展板或者是子板时显示。

选项组

COM

‘I/O’+‘EXT’LED

当安装了通讯板时显示。

应用组

APP

‘FU2’+‘I/O’+

‘EXT’LED

三角波，MMC（多泵控制），曳引等应用参数设置。

需要设定的变频器参数如表5-2-4。

表5-2-4设定参数

代码

描述

LCD键盘显示

LCD设定范围

单位

默认值

调整值

备注

DRV-01

加速时间

ACC.时间

0-6000

0.1

10.0[秒]

3.0[秒]

驱动组参数

DRV-02

减速时间

Dec.时间

0-6000

0.1

20.0[秒]

3.0[秒]

I/O-02

V1输入最小电压

V1voltx1

0-V1伏特×2[V]

0.01

0.00[V]

0.01[V]

输入/输出组参数

I/O-03

V1输入最小电压的相应频率

V1freqy1

0-FU1-20

0.01

0.00[Hz]

0.01[Hz]

I/O-04

V1输入最大电压

V1voltx2

V1伏特×1-10[V]

0.01

10.00[V]

10.0[V]

I/O-05

V1输入最大电压的相应频率

V1freqy2

0-FU1-20

0.01

60.00[Hz]

根据实际电机转速及传动比设定

其他变频器参数均可采用默认值。

7.3主轴换档及参数设置

7.3.1学习目的

①理解主轴换挡的作用；

②掌握主轴换档参数的设置；

③掌握主轴换挡的PLC程序编制。

7.3.2案例分析

根据表5-3-1中变量地址说明编制主轴换挡PLC程序，并对主轴换挡相关参数进行设置。

表5-3-1变量地址说明

名称

变量类型

数据类型

注释

I0.0

输入

BOOL

主轴停止

I0.1

输入

BOOL

主轴报警

I0.2

输入

BOOL

低速齿轮到位

I0.3

输入

BOOL

高速齿轮到位

Q0.1

输出

BOOL

低速齿轮到位输出

Q0.2

输出

BOOL

高速齿轮到位输出

Q0.3

输出

BOOL

低速齿轮到位指示

Q0.4

输出

BOOL

高速齿轮到位指示

M0.5

输出位置

TEMP

中间状态的临时变量，输出位置

SM0.0

特殊标记位

BOOL

定义常“1