变频器与数控车床的连接

变频器与数控车床的连接当前1页，总共58页。FANUC0i/0iMate主轴驱动装置主轴系统主要由主轴驱动装置及主轴电动机组成。FANUC0i/0iMate数控装置提供了模拟主轴和串行主轴（Spindleanalogoutput/Spindleserialoutput）接口供用户选择。

用模拟量控制的主轴驱动单元（如变频器）和电动机称为模拟主轴，主轴模拟输出接口只能控制一个模拟主轴，当用户选择模拟主轴时，一般选用通用变频器作为主轴驱动装置。按串行方式传送数据（CNC给主轴电动机的指令）的接口称为串行输出接口；主轴串行输出接口能够控制两个串行主轴，当用户选择串行主轴时，必须使用FANUC0i/0iMate数控系统提供了SPM系列专用主轴驱动装置。当前2页，总共58页。系统与主轴相关的系统接口有：

JA40：模拟量主轴的速度信号接口（0~10V），CNC输出的速度信号（0-10V）与变频器的模拟量频率设定端连接，控制主轴电机的运行速度。

JA7A：串行主轴/主轴位置编码器信号接口，当主轴为串行主轴时，与主轴变频器的JA7B连接，实现主轴模块与CNC系统的信息传递；当主轴为模拟量主轴时，该接口又是主轴位置编码的主轴位置反馈接口。Fanuc0i主轴连接示意图当前3页，总共58页。数控机床主轴驱动装置模拟量主轴驱动装置（变频器）串行数字主轴驱动装置当前4页，总共58页。通用变频器

所谓“通用”包含着两方面的含义：一是可以和通用的笼型异步配套应用；二是具有多种可供选择的功能，可应用于各种不同性质的负载。值得注意的是，变频器的冷却方式都采用风扇强迫冷却。如果通风不良，器件的温度将会升高，有时即使变频器并没有跳闸，但器件的使用寿命已经下降。所以，应注意冷却风扇的运行状况是否正常，经常清拭滤网和散热器的风道，以保证变频器的正常运转。

变频器的工作原理

交流异步电动机的同步转速表达式位：

n＝60f(1－s)/p(1)

式中n———异步电动机的转速；

f———异步电动机的频率；

s———电动机转差率；

p———电动机极对数。

由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。当前5页，总共58页。变频器的构成—实用原理框图14325678适用于小功率（<5.5KW)适用于中大功率(5.5KW以上）当前6页，总共58页。类别作用主要构成器件主回路整流部分1将工频交流变成直流，输入无相序要求整流桥逆变部分2将直流转换为频率电压均可变的交流电，输出无相序要求IGBT制动部分3/4消耗过多的回馈能量，保持直流母线电压不超过最大值单管IGBT和制动电阻,大功率制动单元外置上电缓冲6降低上电冲击电流，上电结束后接触器自动吸合，而后变频器允许运行限流电阻和接触器储能部分5保持直流母线电压恒定，降低电压脉动电解电容和均压电阻控制回路键盘7对变频器参数进行调试和修改，并实时监控变频器状态MCU(单片机）控制电路8交流电机控制算法生成，外部信号接收处理及保护DSP(或两个MCU）变频器的构成—实用原理框图当前7页，总共58页。类别作用结构件散热器将整流桥、逆变器产生的热量散发出去温度传感器检测散热器温度，确保模块工作在允许温度环境下风扇配合散热器，将变频器内部的热量带走，有直流风扇（24V)和交流风扇两种变频器的构成—实用原理框图当前8页，总共58页。变频器的构成—控制回路接口接口类型主要特点主要功能开关量输入无源输入，一般由变频器内部24V供电，启/停变频器，接收编码器信号、多段速、外部故障等信号或指令开关量输出集电极开路输出、继电器输出变频器故障、就绪、达速等，参与外部控制模拟量输入0-10V/4-20mA频率给定/PID给定、反馈，接收来自外部的给定或控制模拟量输出0-10V/4-20mA运行频率、运行电流的输出，用于外界显示仪表和外部设备控制脉冲输出PWM波输出功能同模拟量输出（只有个别变频器提供）通讯口RS485/RS232组网控制以上端子均可自由编程当前9页，总共58页。变频器的构成—用户接口主回路接口控制回路接口模拟量输入模拟量输出通讯接口控制回路接口开关量输入开关量输出编码器接口当前10页，总共58页。变频器的构成—主回路接口工频电网输入380V3PH/220V3PH220V1PH制动电阻直流电抗器三相交流电机M~当前11页，总共58页。变频器保护功能由于变频器大量的使用了各种半导体器件，如整流桥、IGBT、电解电容等，要想保证变频器长期稳定工作，则必须保证各器件工作在其允许条件下。超出条件则必须立刻或延时停止变频器工作，待异常条件消失后才能重新开始工作，如保护失效或动作延迟将导致变频器出现不可恢复性损害。保护类型原因缺相输入缺相输入电压值相差超过允许值输出缺相输出电流三相不平衡过流加速/减速/恒速超过变频器允许的最大电流（2倍额定）过载超过变频器允许的过载范围过压加速/减速/恒速直流母线电压超过允许值过热散热器温度超过允许值欠压电网电压过低当前12页，总共58页。变频器的选型正确的把握变频器驱动的机械负载对象的转速——转矩特性，是选择电动机

及变频器容量、决定其控制方式的基础。机械负载包罗万象，但归纳其转速——转矩特性，主要有以下三大类：1、恒转矩负载；2、平方转矩负载；3、恒功率负载：机床主轴等；①驱动恒转矩负载③②④⑤⑥驱动平方转矩负载驱动恒功率负载驱动四象限运行的负载驱动脉动转矩负载驱动冲击负载⑨⑦⑧驱动大惯性负载驱动高速运转的设备驱动大起动转矩负载当前13页，总共58页。变频器的安装环境1、环境温度：-10~40摄氏度(-20℃～60℃储存)2、环境湿度：20~90%RH，无结露3、振动：<5.9m/s(0.6G)4、气体杂质：无腐蚀性、爆炸性气体，无金属粉尘，少尘埃5、海拔高度：<1000m，否则要降额使用当前14页，总共58页。变频器的距离变频器的安装1、变频器与电动机的距离2、变频器与控制室的距离1、采用电压信号（0~10V）使用屏蔽电缆，也只能在20~30m；用双绞线距离更短。2、采用电流信号（4~20mA）用屏蔽电缆，可达80~100m。3、用RS232通讯口距离限制在15~20m以内。4、采用RS485通讯口距离可达1200m（波特率为9600bps）。变频器的接线1、动力电源线与控制信号线要分开（最好有10cm以上的间隔）或垂直交叉。2、对主回路配线前应检查电缆的线径是否符合要求。3、信号线必须用屏蔽线或双绞线。4、在连线时特别注意模拟信号线的极性。5、使用智能输出端子控制外接继电器时，要在继电器线圈两端加装浪涌吸收二极管。当前15页，总共58页。电机的变频器应用总体方案

HMI(控制面板)运动控制系统I/O端口X轴伺服驱动Z轴伺服驱动主轴变频器X轴丝杆Z轴丝杆主轴电机编码器位置反馈机床本体CNC当前16页，总共58页。变频器接线图接线说明：FANUC系统控制变频器正转SF，反转SR，模拟量输入VRC-GND，和故障输出端子Tc,Tb，故障复位端子RST。X1端子控制点动，OUT1端子为频率到达信号输出端，外接中间继电器进行信号转换。注意控制信号的抗干扰处理！模拟主轴连接当前17页，总共58页。当前18页，总共58页。FANUC0i/0iMate数控系统的综合连接当前19页，总共58页。FANUC0i数控硬件装置I/O单元视图及其接口信号的定义当前20页，总共58页。

SPM系列专用主轴驱动装置数控系统中的主轴驱动装置主要用于控制驱动加工中心中的主轴电动机。FANUC的α系列主轴模块主要分为SPM、SPMC、SPM－HV三种。1）α系列FANUC0i主轴驱动装置的型号参数主轴驱动装置的型号参数如下所示。SPM口－口口①②③④①主轴驱动装置型号；②电动机类型，“无”为α系列，C为αC系列；③额定输出功率；④输入电压，“无”为200V，HV为400V。当前21页，总共58页。串行主轴连接当前22页，总共58页。当前23页，总共58页。Link:DC300V直流电源CX1A/CX1B:200V交流控制电路的电源输入/输出接口。CX2A/CX2B:24V输入/输出及急停信号接口。JX4:主轴伺服信号检测板接口。JX1A/JX1B:模块之间信息输入/输出接口。JY1:外接主轴负载表和速度表的接口。JA7B:串行主轴输入信号接口连接器。JA7A:用于连接第二串行主轴的信号输出接口。JY2:连接主轴电动机速度传感器（主轴电机内装脉冲发生器和电机过热信号）。JY3:作为主轴位置一转信号接口。JY4:主轴独立编码器连接器（光电编码器）。JY5:主轴CS轴（回转轴）控制时，作为反馈信号接口。U、V、W:主轴电动机的动力电源接口。

FANUC系统α系列主轴模块的端子功能当前24页，总共58页。DCLink：DC300V输入，连接到电源模块的直流电压输出JA7B：主轴信息输入信号，连接到CNC系统的JA7AJY4：主轴位置和速度检测信号，连接到主轴位置编码器CX2A：DC24V输入接口与电源模块的CX2B相连CX1A：交流200V电压输入连接到电源模块的CX2BJX1A：模块之间信息接口连接到电源模块的JX1BJY2：主轴电动机内装传感器信号及定子绕组温度开关信号CX2B：DC24V输出，连接到伺服模块的CX2AFANUC系统α系列主轴模块的连接U、V、W：连接到主轴电动机，为动力电源当前25页，总共58页。当前26页，总共58页。βi系列伺服放大器当前27页，总共58页。当前28页，总共58页。当前29页，总共58页。FANUC0i/0iMate电源装置

FANUC0i/0iMate数控系统所用的交、直流电源，因数控机床的复杂程度一般采用普通交、直流稳压开关电源和FANUC专用电源装置。普通交、直流稳压开关电源造价低，接线简单，广泛用于普通数控车、铣床；FANUC专用电源装置则多用于加工中心。普通交、直流稳压开关电源原理、接线请读者自行查阅资料。FAUNC的α系列专用电源装置主要分为PSM、PSMR、PSM—HV、PSMV—HV四种，输入电压分为交流200V和交流400V两种。当前30页，总共58页。电源装置作用一、隔离：

１、安全隔离：强电弱电隔离＼IGBT隔离驱动＼浪涌隔离保护＼雷电隔离保护（如人体接触的隔离保护）

２、噪声隔离：（模拟电路与数字电路隔离、强弱信号隔离）

３、接地环路消除：远程信号传输＼分布式电源供电系统

二、保护：

短路保护、过压保护、欠压保护、过流保护、其它保护

三、电压变换：

升压变换＼降压变换＼交直流转换（AC/DC、DC/AC）＼极性变换

四、稳压：

交流市电供电\远程直流供电\分布式电源供电系统\电池供电

五、降噪：

有源滤波

当前31页，总共58页。当前32页，总共58页。（1）α系列专用电源装置的型号参数专用电源装置的型号参数如下所示：PSM口－口口①②③④①电源装置型号；②制动形式，“无”为再生制动，R：能耗制动，V：电压转换型再生制动，C：电容制动；③额定输出功率；④输入电压，“无”为200V，HV为400V。（2）专用电源装置接口信号的定义PSM电源装置接口信号的定义如下图当前33页，总共58页。当前34页，总共58页。PSM电源装置接口信号的定义当前35页，总共58页。α系列电源模块与主轴模块实际连接图当前36页，总共58页。当前37页，总共58页。FANUC0i/0iMate数控系统的综合连接当前38页，总共58页。加工中心结构电气箱：机台电路的控制中心,由NC控制器、电源供应器、主轴放大器、伺服放大器、强电板、转接板、小变压器……等等元气件组成当前39页，总共58页。加工中心结构NC控制器：类似于电脑的主机，可进行处理、计算、转换、输入输出各种信号，以及存储系统资料、用户资料……等等

FANUC当前40页，总共58页。加工中心结构电源模块：过程先将3相220V的交流电源，整流为2相300V直流电源，然后再将300V直流电源通过短接铜片传输给下一个伺服单元。（提供伺服驱动电源及工作电源）当前41页，总共58页。加工中心结构伺服放大器：通过伺服马达编码的脉冲信号经伺服放大器放大转变为数值信号，再经由NC控制器处理，然后再由放大器又转为脉冲信号，以达到控制伺服轴运动的装置FANUC当前42页，总共58页。加工中心结构手轮：

用于慢速控制轴向移动的装置,最小移动单位是0.001mm。当前43页，总共58页。加工中心结构主轴马达：受主轴放大器控制,来实现主轴正反转的功能当前44页，总共58页。加工中心结构伺服马达：受伺服放大器控制，来实现伺服轴X、Y、Z、B轴移动的功能

当前45页，总共58页。主轴定位\主轴定向1、主轴定位（Spindlepositioning）这是车床主轴的一种工作方式（位置控制方式），用FANUC主轴电动机和装在主轴上的位置编码器实现固定角度间隔的圆周上的定位或主轴任意角度的定位。2、主轴定向（Orientation）为了执行主轴定位或者换刀，必须将机床主轴在回转的圆周方向定位与于某一转角上，作为动作的基准点。CNC的这一功能就称为主轴定向。FANUC系统提供了以下3种方法：用位置编码器定向、用磁性传感器定向、用外部一转信号（如接近开关）定向。当前46页，总共58页。数控系统一般均提供4挡自动变速功能，而数控机床通常使用两档即可满足要求。在数控系统参数区设置M41~M44四档对应的最高转速后，即可用M41~M44指令控制齿轮自动换挡。控制过程中，数控系统将根据当前S指令值，自动判断档位，向PLC输出相应的M41~M44指令，由PLC控制变换齿轮位置，数控装置同时输出相应的模拟电压或数字信号设定对应的速度。

例如M41对应的最高主轴转速为1000r/min,M42对应的最高主轴转速为3500r/min,主轴电动机的最高转速为3500r/min.当S指令在0~1000r/min单位内时,M41对应的齿轮啮合;当S指令在1000~3500r/min范围内时,M42对应齿轮啮合.M42对应的齿轮传动比为1:1,M41对应的传动比为1:3.5,此时主轴输出的最大转矩为主轴电动机最大输出的最大转矩的3.5倍.不同机床主轴变挡所用的方式不同,控制具体实现可由可编程控制器完成.目前常采用液压拨叉或电磁离合器带动不同齿轮的啮合.对变速时出现的顶齿现象,现代数控系统均采用由数控系统控制主轴电动机低速转动或振动的方法,实现齿轮的顺利啮合.而变挡时主轴电动机低速转动或振动的速度可在数控系统参数区中设定.自动变挡控制当前47页，总共58页。自动变速动作控制时序图M代码输出M选通M代码确认M代码执行主轴蠕动换挡完成转速设定当前48页，总共58页。1当数控系统读到有挡变化的S指令时,输出响应的M代码(M41~M44),代码由BCD码输出或由而进制输出(由数控系统的参数确定),输出信号送至可编程控制器.250ms后,CNC发出M选通信号Mstrobe,指示可编程控制器读取并执行M代码,选通信号持续100ms。保证50ms后读取是为了使M代码稳定，保证读取得数据正确。3可编程控制器接受到Mstrobe信号后，立即使M完成信号无效，通知数控系统M代码正在执行。4可编程控制器开始对M代码进行译码，并执行相应的变挡控制逻辑。5M代码输出200ms后，数控系统根据参数设置输出一定的主轴蠕动量，使主轴慢速转动或振动，以解决齿轮顶齿问题。6可编程控制器完成变速后，置M完成信号有效，通知数控系统变挡工作已经完成。7数控系统根据参数设置的每挡主轴最高转速，自动输出新的模拟电压使主轴转速为给定的S值

当前49页，总共58页。主轴准停控制主轴准停功能指控制主轴准确停在固定位置的功能，又称为主轴定位功能，是数控加工过程中自动换刀所必需的功能。在自动换刀的镗、铣加工中心上，切削扭矩通常是通过刀杆的端面键传递的，因此，要求主轴具有准确的定位于圆周特定角度的功能（见图5.6）；当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时，为防止刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工过的孔表面，必须先让刀，再退刀。即使让刀，刀具也必须能够准确定位。当前50页，总共58页。主轴准停控制主轴准停功能分为机械准停和电气准停。机械准停：端面螺旋凸轮准停装置1—主轴2—定位滚子3—凸轮4—活塞杆5—液压缸在主轴1上固定有一个定位滚子2，主轴上空套有一个双向端面凸轮3，该凸轮和液压缸5中活塞杆4相连接，当活塞带动凸轮3向下移动时（不转动），通过拨动定位滚子2并带动主轴承转动，当定位销落入端面凸轮的V形槽内，便完成了主轴准停。因为是双向端面凸轮，所以能从两个方向拨动主轴转动以实现准停。这种双向端面凸轮准停机构，动作迅速可靠，但是凸轮制造较复杂。当前51页，总共58页。采用磁传感器准停时，接受到数控系统发来的准停开关量信号ORT，主轴立即加速或减速至某一准停速度（可在主轴驱动装置中设定）。主轴到达准停速度且准停位置到达时（即磁发体与磁传感器对准），主轴即减速至某一爬行速度（可在主轴驱动位置中设定）。然后当磁传感器信号出现时，主轴驱动立即进入磁传感器作为反馈元件的闭环控制，目标位置即为准停位置。准停完成后，主轴驱动装置输出准停完成ORE停号给数控系统，从而可进行自动换刀（ATC）或其他动作。当前52页，总共58页。电气准停1）磁传感器准停磁传感器主轴准停控制由主轴驱动自身完成。当执行M