连接与调试主轴系统.docx
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连接与调试主轴系统
模块三连接与调试主轴系统
课题一连接变频器主线路
一、任务引入
数控机床上主轴系统的变频器接线图，如图3-1所示，认请变频器上主接线端子的功能，试联接主线路。
图3-1（IMS-M2）接线图
二、任务分析
数控机床主轴的速度是由电压频率变换器（即变频器）实现的。
什么是变频器？
变频器是由哪几部分组成？
主接线端子有哪些功能？
下面我们就对这些问题进行讲解。
三、相关知识
1、变频电源的应用
变频器即电压频率变换器，是一种将固定频率的交流电变换成频率、电压连续可调的交流电，以供给电动机运转的电源装置。
交流电动机变频调速与控制技术已经在机床、纺织、印刷、造纸、冶金、矿山以及工程机械等各个领域得到了广泛应用，因此提供进口和国产变频电源产品的单位已经十分普遍。
中小功率变频电源产品由于运行时其散热表面的温度可高达90℃，所以大多数要求壁挂立式安装，并在机壳内配有冷却风扇以保证热量得到充分的散发。
在电气柜中应注意给变频电源的两侧及后部留出足够空间，而且在它的上部不应安排容易受人影响的器件。
多台变频电源安装在一起时要尽量避免竖排安装，如必须竖排则要在两层间配备隔热板。
变频电源工作的环境温度不准超过50℃。
2.变频电源的基本接线
小功率变频电源产品的外形如图3-2所示。
一般三相输入、三相输出变频电源的基本电气接线原理图如图3-3所示。
在图3-3中，主电路接入口R、S、T处应按常规动力线路的要求预先串接符合该电动机功率容量的空气断路器和交流接触器，以便对电动机工作电路进行正常的控制和保护。
经过变频后的三相动力接出口为U、V、W，在它们和电动机之间可安排热继电器以防止电动机过长时间过载或单相运行等问题。
电动机的转向仍然靠外部的线头换相来确定或控制。
B1、B2用来连接外部制动电阻，改变制动电阻值的大小可调节制动的程度。
工作频率的模拟输入端为A11和A12，模拟量地端AGND为零电位点。
电压或电流模拟方式的选择一般通过这些端口的内部跳线来确定。
电压模拟输入也可以从外部接入电位器实现（有的变频电源将此环节设定在内部），电位器的参考电压从REF端获取。
工作频率档位的数字输入由D3、D4、D5的三位二进制数设定，“000”认定为模拟控制方式。
另外三个数字端可分别控制电动机电源的起动、停止，起动及制动过程的加、减速时间选定等功能。
数字量的参考电位点是DGND。
一般变频电源都提供模拟电流输出端IO和数字频率输出端FO，便于建立外部的控制系统。
如需要电压输出可外接频压转换环节获得。
继电器输出KM1和KM2可对外表述诸如变频电源有无故障、电动机是否在运转、各种运转参数是否超过规定极限、工作频率是否符合给定数据等种种状态，便于整个系统的协调和正常运行。
通讯接口可以选择是否将该变频电源作为某个大系统的终端设备，它们的通讯协议一般由变频电源厂商规定，不可改变。
为保证变频电源的正常工作，其外壳PE应可靠地接入大地零电位。
所有与信号相关的接线群都要有屏蔽接点SCR。
图3-2变频电源外形图3-3变频电源基本接线原理
3.变频器主接线端子的介绍
主接线端子是变频器与电源及电动机连接的接线端子。
（1）主接线端子的示意图
主接线端子的示意图如图3-4所示。
图3-4主接线端子的示意图
（2）主接线端子的功能
主接线端子的功能见表3-1。
表3-1主回路端子的功能表
目的
使用端子
主回路电源输入
R、S、T
变频器输出
U、V、W
直流电源输入
-、+
直流电抗器连接
+、B1（去掉短接片）
制动电阻连接
B1、B2
接地
4.变频器的构成
目前，通用变频器几乎都是交—直—交型变频器，因此本节以交—直—交电压型变频器为例，讲述变频器的基本构成。
变频器由主电路和控制电路组成,如图3-5所示。
（1）主电路
电压型交—直—交变频器的主电路由整流电路、中间直流电路和逆变器电路三部分组成。
主电路的基本结构如图3-6所示
（2）控制电路
图3-5变频器的基本构成
控制电路的基本结构如图3-7所示，它主要由电源板、主控板、键盘与显示板、外接控制电路等构成。
主控板是变频器运行的控制中心，其主要功能如下。
1）接受从键盘输入的各种信号。
2）接受从外部控制电路输入的各种信号。
3）接受内部的采样信号，如主电路中电压与电流的采样信号、各部分温度的采样信号、各逆变管工作状态的采样信号等。
4）完成SPWM调制，将接受的各种信号进行判断和综合运算，产生相应的SPWM调制指令，并分配给各逆变管的驱动电路。
5）发出显示信号，向显示板和显示屏发出各种显示信号。
6）发出保护指令，变频器必须根据各种采样信号随时判断其工作是否正常，一旦发现异常工况，必须发出保护指令进行保护。
7）向外电路发出控制信号及显示信号，如正常运行信号、频率到达信号、故障信号等。
图3-6电压型交一直—交变频器主电路的基本结构。
图3-7通用变频器的控制框图
四、任务实施
1．MCCB接线用断路器
在电源与输入端子之间，先插入适合变频器功率的接线用断路器。
MCCB的时间特性要充分考虑变频器的过热保护的时间特性，一般为达到额定输出电流的150%、且超过1分钟。
2．MC电磁接触器
可以通过断开MC断开主回路电源，电机自由滑行停止，但频繁地开／闭会引起变频器故障。
MC的容量常选为变频器额定电流的1.5～2倍。
3．R制动电阻
在制动力矩不能满足要求时使用，运用于大惯性负载、频繁制动或快速刹车的情况。
4．接地线的设置
接地端子，务必接地。
5．AC电抗器或DC电抗器
连接大功率（600KVA以上）的电源变压器场合时，会有进线电解电容的切换，切换将有很大的峰值电流流入输入电源回路而损坏整流部分元气件的可能。
为避免这样的情况产生，一般在变频器的输入侧接入AC电抗器或者在DC电抗器端子上安装DC电抗器。
接入电抗器后也有改善功率因数的效果，同时除去从电源线入侵变频器的噪声，也可以降低从变频器流出的噪声，提高抗干扰能力。
6．主回路输出侧的接线
变频器与电机的接线如图3-8所示。
绝对禁止将输入电源接入输出端子、将输出端子短路和接地。
7．漏电开关的安装
由于变频器的输出是高频脉冲波，应安装漏电开关，漏电开关请选用变频器专用的漏电开关（动作电流在30MA以上）。
选择通用的漏电开关时，其开关的动作电流在200MA以上。
图3-8主回路的接线
五、知识链接
对交流电机实现变频调速的装置称为变频调速器，其功能是将电网提供的电压与频率固定不变的交流电变换为可变电压和频率VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）的交流电，实现对电机的无级调速。
1.变频器的分类
目前国内外变频器的种类很多，其分类见表3-2。
表3-2变频器的分类方法及类别
序号
分类方法
类别
说明
1
按变
换环
节分
类
交—直—交变频器
交—直—交变频器首先将频率固定的交流电整流成直流电，经过滤波，再将平滑的直流电逆变成频率连续可调的交流电。
由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此在频率的调节范围内，以及改善频率后电动机的特性等方面都有明显的优势，目前，此种变频器已得到普及
交—交变频器
交—交变频器把频率固定的交流电直接变换成频率连续可调的交流电。
其主要优点是没有中间环节，故变换效率高。
它主要用于低速大容量的拖动系统中
2
按电
压的
调制
方式
分类
PAM（脉幅调制）
PAM（PulseAmplitudeModulation的简称）是通过调节输出脉冲的幅值来调节输出电压的一种方式，在调节过程中，逆变器负责调频，相控整流器或直流斩波器负责调压。
这种方式基本不用
PWM（脉宽调制）
PWM（PulseWidthModulation的简称）是通过改变输出脉冲的宽度和占空比来调节输出电压的一种方式，在调节过程中，逆变器负责调频调压。
目前普遍应用的是脉宽按正弦规律变化的正弦脉宽调制方式，即SPWM方式。
中小容量的通用变频器几乎全部采用此类型的变频器
3
按滤波方式分类
电压型变频器
在交—直—交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下可以等效成一个内阻抗为零的恒压源，输出的交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫电压型变频器
电流型变频器
在交—直—交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫电流型变频器
4
按输入电源的相数分类
三进三出变频器
变频器的输入侧和输出侧都是三相交流电，绝大多数变频器都属于此类
单进三出变频器
变频器的输入侧为单相交流电，输出侧是三相交流电，家用电器里的变频器都属于此类，通常容量较小
5
按控制方式分类
U/f控制变频器
U/f控制是在改变变频器输出频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的主磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率和功率因数保持不变。
因为是控制电压和频率的比，所以称为U/f控制。
它是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，是目前通用变频器中使用较多的一种控制方式
转差频率控制变频器
转差频率控制需检测出电动机的转速，构成速度闭环。
速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定输出频率。
转差频率控制是指能够在控制过程中保持磁通量Φm的恒定，能够限制转差频率的变化范围，且能通过转差频率调节异步电动机的电磁转矩的控制方式。
速度的静态误差小，适用于自动控制系统
矢量控制方式变频器
U/f控制变频器和转差频率控制变频器的控制思想都建立在异步电动机的静态数字模型上，因此动态性能指标不高。
采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。
基本上可达到和直流电动机一样的控制特性
2．变频器的额定参数
（1）变频器的额定值
1）输入侧的额定值
输入侧的额定值主要是电压和相数。
在我国的中小容量变频器中，输入电压的额定值有以下几种情况（均为线电压）。
①380V／50Hz，三相，用于绝大多数电器中。
②200～230V／50Hz或60Hz，三相，主要用于某些进口设备中。
③200～230V／50Hz，单相，主要用于精细加工和家用电器。
2）输出侧的额定值
①输出电压额定值UN由于变频器在变频的同时也要变压，所以输出电压的额定值是指输出电压中的最大值。
通常，输出电压的额定值总是和输入电压相等的。
②输出电流额定值IN输出电流的额定值是指允许长时间输出的最大电流，是用户在选择变频器时的主要依据。
③输出容量SN（kVA）SN与UN和IN的关系为
④配用电动机容量PN（kW）变频器说明书中规定的配用电动机容量。
变频器铭牌上的“适用电动机容量”是针对四极的电动机而言，若拖动的电动机是六极或其他，那么相应的变频器容量加大。
⑤过载能力变频器的过载能力是指其输出电流超过额定电流的允许范围和时间。
大多数变频器都规定为150%IN，60s或180%IN，0.5s。
（2）变频器的频率指标
1）频率的名词术语
①基底频率fb当变频器的输出电压等于额定电压时对应的最小输出频率，称为基底频率，用来作为调节频率的基准。
图3-9变频器的上下限频率
②最高频率fmax当变频器的频率给定信号为最大值时，变频器的给定频率。
这是变频器的最高工作频率的设定值。
③上限频率fH和下限频率fL根据拖动系统的工作需要，变频器可设定上限频率和下限频率，如图3-9所示。
④跳变频率fJ生产机械在运转时总是有振动的，其振动频率和转速有关。
为了避免机械谐振的发生，机械系统必须回避可能引起谐振的转速。
回避转速对应的工作频率就是跳变频率。
⑤点动频率fJOG生产机械在调试过程中，以及每次新的加工过程开始前，常常需要“点一点、动一动”，以便观察各部位的运转情况。
如果每次在点动前后，都要进行频率调整的话，既麻烦，又浪费时间。
因此，变频器可以根据生产机械的特点和要求，预先一次性地设定一个“点动频率fJOG”，每次点动时都在该频率下运行，而不必变动已经设定好了的给定频率。
2）变频器的频率指标
①频率范围频率范围即变频器能够输出的最高频率fmax和最低频率fmin。
各种变频器规定的频率范围不尽一致。
②频率精度频率精度指变频器输出频率的准确程度。
用变频器的实际输出频率和设定频率之间的最大误差与最高工作频率之比的百分数表示。
③频率分辨率频率分辨率指输出频率的最小改变量，即每相邻两挡频率之间的最小差值。
一般分模拟设定分辨率和数字设定分辨率两种。
【思考与练习】
1．变频器的主要功能有哪些？
2．变频器按变频环节分哪几类？
3．简述变频器主控板的功能。
4．画出变频器的控制电路的基本控制框图。
课题二连接主轴变频调速系统
一、任务引入
将Micromaster440型变频器与华中世纪星数控系统相连接，根据Micromaster440型变频器设置其连接电机的参数，由华中世纪星数控系统的主轴控制命令控制变频器的运行。
二、任务分析
在主轴变频调速系统中，变频调不仅接入了主电源（三相电源），而且输出控制、状态信号给数控系统来控主轴电机的正/反转、速度到达等。
变频调与数控系统的哪些接口相连？
变频调与电机联接时是否要进行参数设置？
下面对这些问题进行讲解。
三、相关知识
1．变频调的试运行连接
Micromaster440型变频的外形如图3-10a所示。
当采用电位器作速度的给定模拟量，用开关作为启动／停止和正／反转控制简单试运行的连接方式，如图3-10b所示。
按该图连接以后，确认无误即可进行操作。
a）440型变频器外观图b）440型变频器简单试运行连接图
图3-10变频器外观及运行连接图
2．变频器与华中世纪星数控系统的连接
Micromaster440型变频器与华中世纪星数控系统连接的端子与接口，如图3-11所示。
图3-11变频器与华中世纪星数控系统的连接图
3．变频器中电动机参数的设置
在Micromaster440型变频器的基本操作面板（Bop）进行调试，把变频器所有参数复位为出厂时的缺省设置值。
接通变频器三相（380V）输入电源，然后进行快速调试，将参数P0010设置为“1”，设置参数P0100（=0）和下列电动机参数：
电动机额定电压P0304=380V
电动机额定电流P0305=1.5A
电动机额定功率P0307=0.55kW
电动机额定频率P0310=50Hz
电动机额定转速P0311=1390r／min
再依次设置参数P0700=1（将变频器设置为基本操作面板Bop控制方式）、P1000=1（用Bop控制频率的升降）、P1080=0（电动机最小频率0Hz）、P1082=50（电动机最大频率50Hz）、P1120=10（斜坡上升时间10s）和P1121=10（斜坡下降时间10s）。
完成上述步骤后，将参数P3900设置为“1”，使变频器自动执行必要的电动机其他参数计算；并使其余参数恢复为缺省设置值，自动将POOl0参数设置为“0”。
四、任务实施
1．440型变频器与华中世纪星数控系统的连接
根据图3-11所示的连接图，将Micromaster440型变频器与华中世纪星数控系统进行连接。
为了与华中世纪星数控系统I／O控制逻辑功能配合，需将Micromaster440型变频器的DIN2设置为“反转／停止”控制方式，即将“P0701”设置为“2”（P0701=2）。
2．修改控制信号源参数
完成了Micromaster440型变频器与华中世纪星数控系统接线和变频器中电动机参数的设置后，变频器已经进入待命状态。
按下开关，电动机转动，可进行给定频率的增加与减少、电动旋转方向的改变、进行点动（按JOG键）操作等。
接通三相（380V）输入电源后，修改控制信号源参数，使"P0700=2”（由端口输入控制，信号源为模拟输入），使“P1000=2”（这时输入模拟电压从AIN1+③和AIN1-④接入，电压范围为O～10V，单极性，其对应的缺省设置频率范围为O～50Hz；若要扩大控制频率范围，例如扩大至100Hz，则可将基准频率参数设置为P2000=1OOHz）。
缺省设置的I／O功能见表3-3。
上述连接、参数设置确认无误后，接通各部分电源，便可由华中世纪星数控系统的主轴控制命令控制变频器的运行。
表3-3缺省设置的I／O功能表
数字输入端口：
数字输出端口：
DIN1⑤
启动/停止
RELAY1
变频器故障
DIN2⑥
正/反转
RELAY2
变频器报警
DIN3⑦
故障复位
RELAY3
变频器准备就绪
DIN4⑧、DIN5
、DIN6
固定频率选择
五、知识链接
1.数控机床主轴对伺服系统的要求
（1）数控铣床主轴部件
数控铣床主轴电动机通过同步带副将运动传递到主轴，主电动机为变频调速三相异步电动机，由变频器控制其速度的变化，从而使主轴实现无级调速，主轴转速范围为250～6000r／min。
现代数控铣床的主轴开启与停止、主轴正反转与主轴变速等都可以按程序介质上编入的程序自动执行。
不同的机床其变速功能与范围也不同。
有的采用变频机组（目前已很少采用），固定几种转速，可任选一种编入程序，但不能在运转时改变；有的采用变频器调速，将转速分为几档，程编时可任选一档，在运转中可通过控制面板上的旋钮在本档范围内自由调节；有的则不分档，程编可在整个调速范围内任选一值，在主轴运转中可以在全速范围内进行无级调整，但从安全角度考虑，每次只能调高或调低在允许的范围内，不能有大起大落的突变。
在数控铣床的主轴套筒内一般都设有自动拉、退刀装置，能在数秒内完成装刀与卸刀，使换刀显得较方便。
此外，多坐标数控铣床的主轴可以绕X、Y或Z轴作数控摆动，也有的数控铣床带有万能主轴头，扩大了主轴自身的运动范围，但主轴结构更加复杂。
（2）数控机床主轴对伺服系统的要求
数控机床的技术水平依赖于进给和主轴伺服系统的性能，因此，数控机床对伺服系统的位置控制、速度控制及伺服电机主要有下述要求。
1）进给调速范围要宽
调速范围rh是伺服电机的最高转速与最低转速之比，即rh=nmax／nmin。
为适应不同零件及不同加工工艺方法对主轴参数的要求，数控机床的主轴伺服系统应能在很宽的范围内实现调速。
2）位置精度要高
为满足加工高精度零件的需要，关键之一是要保证数控机床的定位精度和进给跟踪精度。
数控机床位置伺服系统的定位精度一般要求达到lμm，甚至0.1μm。
相应地，对伺服系统的分辨率也提出了要求。
伺服系统接受CNC送来的一个脉冲，工作台相应移动的距离称为分辨率。
系统分辨率取决于系统的稳定工作性能和所使用的位置检测元件。
3）速度响应要快
为了保证零件尺寸、形状精度和获得低的表面粗糙度值，要求伺服系统除具有较高的定位精度外，还应有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。
一方面伺服系统加减速过渡过程时间要短；另一方面是恢复时间要短，且无振荡。
4）低速时大转矩输出
数控机床切削加工，一般低速时为大切削量（切削深度和宽度），要求伺服驱动系统在低速进给时，要有大的输出转矩。
2.数控机床主轴驱动系统的特点
（1）随着生产力的不断提高，机床结构的改进，加工范围的扩大，要求机床主轴的速度和功率也不断提高，主轴的转速范围也不断的扩大，主轴的恒功率调速范围更大，并有自动换刀的主轴准停功能等。
（2）为了实现上述要求，主轴驱动要采用无级调速系统驱动。
一般情况下主轴驱动只有速度控制要求，少量有位置控制要求，所以主轴控制系统只有速度控制环。
（3）由于主轴需要恒功率调速范围大，采用永磁式电动机就不合理，往往采用他励式直流伺服电动机和笼型感应交流伺服电动机。
（4）数控机床主旋转运动无需丝杠或其他直线运动的机构，机床的主轴驱动与进给驱动有很大的差别。
（5）早年的数控机床多采用直流主轴驱动系统，但由于直流电动机的换向限制，大多数系统恒功率调速范围都非常小。
随着微处理器技术和大功率晶体管技术的发展，20世纪80年代初期开始，数控机床的主轴驱动应用了交流主轴驱动系统。
目前，国内外新生产的数控机床基本都采用交流主轴驱动系统，交流主轴驱动系统将完全取代直流主轴驱动系统。
这是因为交流电动机不像直流电动机那样在高转速和大容量方面受到限制，而且交流主轴驱动系统的性能已达到直流驱动系统的水平，甚至在噪声方面还有所降低，价格也比直流主轴驱动系统低。
3.直流主轴伺服系统
直流主轴伺服系统由他励式直流电动机和直流主轴速度控制单元组成。
直流主轴速度单元是由速度环和电流环构成的双闭环速度控制系统，用于控制主轴电动机的电枢电压，进行恒转矩调速。
控制系统的主回路采用反并联可逆整流电路，因为主轴电动机的容量大，所以主回路的功率开关元件大都采用晶闸管元件。
主轴直流电动机调速还包括恒功率调速，由励磁控制回路完成。
因为主轴电动机为他励式电动机，励磁绕组需要有另一直流电源供电，用减弱励磁控制回路电流方式使电动机升速。
采用直流主轴速度控制单元之后，只需2～3级机械变速，即可满足数控机床主轴调速要求。
4.交流主轴伺服系统
交流主轴伺服系统由交流主轴速度控制单元和交流主轴伺服电动机组成。
交流主轴速度控制单元一般是数字式控制形式，由微处理器担任的转差频率矢量控制器和晶体管逆变器控制感应电动机速度，速度传感器一般采用脉冲编码器或旋转变压器。
在伺服系统中，直流伺服电动机能获得优良的动态与静态性能，其根本原因是被控量只有电动机磁场和电枢电流，且这两个量是独立的，如果完满的补偿电枢反应，两量互不影响。
此时，电磁转矩与磁通和电枢电流分别成正比关系，因此控制简单，特性为线性。
而交流感应电动机没有独立的励磁回路，转子电流时刻影响着磁通的变化，而且交流感应电动机的输入量是随时间交变的量，磁通也是空间的交变矢量，仅仅控制定子电压和电源频率，其输出特性显然不是线性。
如果能够模拟直流电动机，求出交流电动机与此对应的磁场与电枢电流，分别而独立的加以控制，就会使交流电动机具有与直流电动机近似的优良调速特性。
为此，必须将三相交流变量（矢量）转换为与之等效的直流量（标量），建立起交流电动机的等效数学模型，然后按直流电动机的控制方法对其进行控制，再将控制信号等效转变为三相交流电量，驱动感应交流电动机，完成对交流电动机的速度控制。
这种矢量-标量-矢量的过程就是矢量变换控制过程。
在矢量变换控制中，首先是将三相交流量（三相交流电动机）等效为两相交流量（二相交流电动机），再将二相交流量（二相交流电动机）旋转后等效为模拟直流量（直流电动机），控制后，再将调制好的模拟直流量转换为三相交流量输出。
在这个过程中要进行复杂的运算和坐标变换计算，所以矢量控制往往由微处理器系统来完成，如图3-12所示。
图3-12交流主轴驱动原理框图
5.数控装置与主轴装置的连接
华中HNC-21数控装置通过XS9主轴控制接口和PLC输入/输出接口，连接各种主轴驱动器，实现正反转、定向、调速等控制，还可以外接主轴编码器，实现螺纹车削和铣床上的刚性攻丝功能。
（1）主轴启停
主轴启停控制由PLC承担，标准铣床PLC程序和标准车床PLC程序中关于主轴启停控制的信号如表3-4。
利用Y1.0、Y1.1输出即可控制主轴装置的正、反转及停止，一般定义接通有效；当Y1.0接通时，可控制主轴装置正转；Y1.1接通时,主轴装置反转
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