数控机床故障诊断与维修课件任务六 主轴单元控制系统连接

学习情境四数控车床主轴单元故障维修2023/5/5任务六

主轴单元控制系统连接电动机编码器数控系统变频器

任务描述

CJK6132全功能数控车床主轴变频调速系统，数控系统为西门子802C系统，主轴配置为：MM420变频器+三相交流异步电机，试正确连接与调试主轴单元，并能排除调试过程中出现的常见电气故障。任务分析：

数控车床主轴变频调速由变频器驱动电动机，主轴电机主要用于产生车床切削的主运动。本任务将引导你如何完成交流电机与主轴变频器的连接，变频器、编码器与数控装置的连接，并对连接好的主轴单元进行通电检查，为主轴单元的调试和故障维修做好准备。因此，完成本任务的具体步骤为：先了解变频主轴驱动控制系统的组成，查找并学习变频器、编码器相关资料和知识，再掌握变频主轴控制原理，最后进行主要端口的安装连接。学习任务主轴单元控制系统的主要部件的连接知识目标掌握变频主轴控制原理了解编码器、变频器在变频主轴中的作用及接口端子含义了解数控系统模拟主轴接口及接口定义了解主轴编码器的工作原理能力目标能够读懂主轴控制相关电路图能连接数控系统和主轴变频器、电机等能连接数控系统和主轴编码器相关知识6.1变频主轴驱动系统的组成方式

主轴单元部件

一、普通笼型异步电动机配齿轮变速箱

这是最经济的一种主轴配置方式，但只能实现有级调速，由于电动机始终工作在额定转速下，经齿轮减速后，在主轴低速下输出力矩大，重切削能力强，非常适合粗加工和半精加工的要求。如果加工产品比较单一，对主轴转速没有太高的要求，配置在数控机床上也能起到很好的效果；它的缺点是噪音比较大，由于电机工作在工频下，主轴转速范围不大，不适合有色金属和需要频繁变换主轴速度的加工场合。

二、普通笼型异步电动机配简易型变频器

目前进口的通用变频器，除了具有U/f曲线调节，一般还具有无反馈矢量控制功能，会对电动机的低速特性有所改善，配合两级齿轮变速，基本上可以满足车床低速（100—200转/分钟）小加工余量的加工，但同样受最高电动机速度的限制。这是目前经济型数控机床比较常用的主轴驱动系统。三、笼型异步电动机配通用变频器

可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有工作在约500转/分钟以上才能有比较满意的力矩输出，否则，特别是车床很容易出现堵转的情况，一般会采用两挡齿轮或皮带变速，但主轴仍然只能工作在中高速范围，另外因为受到普通电动机最高转速的限制，主轴的转速范围受到较大的限制。

四、专用变频电动机配通用变频器

一般采用有反馈矢量控制，低速甚至零速时都可以有较大的力矩输出，有些还具有定向甚至分度进给的功能，是非常有竞争力的产品。中档数控机床主要采用这种方案，主轴传动两挡变速甚至仅一挡即可实现转速在100—200r/min左右时车、铣的重力切削。一些有定向功能的还可以应用与要求精镗加工的数控镗铣床，若应用在加工中心上，还不很理想，必须采用其他辅助机构完成定向换刀的功能，而且也不能达到刚性攻丝的要求。五、伺服主轴驱动系统

伺服主轴驱动系统具有响应快、速度高、过载能力强的特点，还可以实现定向和进给功能，当然价格也是最高的，通常是同功率变频器主轴驱动系统的2--3倍以上。伺服主轴驱动系统主要应用于加工中心上，用以满足系统自动换刀、刚性攻丝、主轴C轴进给功能等对主轴位置控制性能要求很高的加工。6.2变频器

主轴变频器作什么用的？系统主轴变频器的作用是接受数控系统的正反转和模拟量速度给定信号来控制主轴电机运行。通过零件程序中的编程指令M03、MO4、M05实现主轴正转、主轴反转、主轴停止；通过S指令值的变化，系统输出0-10V的模拟电压，从而实现主轴的无级调速，如S800表示主轴转速为800r/min。1、变频器的组成变频器主要分为两部分，即主电路和控制电路。控制电路又包括控制系统、键盘与显示、内部接口及信号检测与传递、供电电源和外接端子控制等。

变频器结构组成？2、主电路(l)整流及滤波电路

(2)逆变电路

(3)制动电阻和制动单元

变频器主电路3、控制电路（1）主控制板（2）操作面板（3）电源（4）外部端子主轴编码器作什么用的？6.3主轴编码器

在螺纹加工中，为了保证切削螺纹的螺距，必须有固定的进刀点和退刀点。1、在车螺纹时，要求主轴的旋转运动与工件的进给运动保持严格同步运动关系，即主轴旋转一转，工作台移动一个导程。主轴编码器测定主轴的旋转速度信号并发送给CNC,CNC控制进给机构的速度，保证主轴每转一周，刀具准确地移动一个导程，实现车螺纹时的同步控制。2、一般螺纹加工要经过几次切削才能完成，每次重复切削时，开始进刀的位置必须相同。为了保证螺纹重复切削时不乱牙，数控系统在接收到光电编码器中的一转脉冲（零脉冲）后才开始螺纹切削的计算。

任务实施6.4802C系统主轴单元控制系统连接

一、辨识主轴相关器件接口1）802C系统编码器接口、模拟主轴接口

802C数控系统主轴编码器接口（X6）

15芯D型标准插头与西门子802CCNC的X6口连接，另外一头的A+、A-、B+、B-、R+、R-连接到编码器相应的接线端子上。

模拟量输出接口（X7）:其中A04/AGND4即37/4脚输出0-10V主轴模拟量信号，与变频器的模拟量输入端子相连接。

2）编码器及其接口

采用光洋编码器TRD-2T1024V，其中，A+:BLK黑A-:PRP紫色B+:WHT白B-:GRA灰Z+:ORN橙Z-:YLW黄0V:BLU兰DC5V:BRN棕

这些线与系统的X6口相连接

3）MM420变频器接线端子MM420变频器主电路输入端子有三相或单相可选，为L、N或L1、L2、L3，输出端子为U、V、W。变频器电源接线位于变频器的左下侧，单相交流电AC220V供电时接接线端子L/L1、N/L2及接地PE，三相交流电AC380V

供电时接接线端子L/L1、N/L2、L3及接地PE。（1）变频器主电路（2）变频器控制回路功能及端子接线

西门子变频器控制端子西门子变频器的控制端子有开关量输入控制端子（5、6、7、8），主要用于控制电机的正反向运行等功能；模拟量输入端子（3、4），主要用于控制接受0-10V的模拟量信号；报警信号输出（10、11）。其中多功能端子5、6、7的具体功能是分别由变频器参数P0701、P0702、P0703等设定。二、变频调速系统的电气控制电路原理

主电路：主电路主要为变频器和负载提供电源

主轴转速控制：802C系统通过X7轴接口中的A04/GND4模拟量输出端口可控制主轴转速，当系统接受主轴旋转指令后，在输出口A04/GND4输出0-10V的模拟量电压，送到变频器的3、4端子，主轴电机根据速度指令值的大小进行旋转。

正反转控制：802C系统在接受M03指令后，PLC输出（系统I/O口X100）Q0.0输出高电平，KA5中间继电器得电，KA5触点闭合使得变频器的5号端子和公共端8号连接，变频器接到正转控制信号，主轴电机正转。当数控系统接受M04指令发出反转信号，则Q0.0、Q0.1同时为高电平（高低电平状态按变频器正反转要求，通过PLC程序设定），KA5、KA6得电吸合，这样变频器5、6号端子同时与8号端子连接，变频器接到反转信号，主轴电机开始反转。

三、主轴单元电路器件清单

代号名称型号规格数量用途失效分析M2主轴电机1驱动主轴传动系统主轴不转VVVF变频器MM4203.7KW1驱动主轴电机旋转主轴不转KA2中间继电器1传递主轴正转信号主轴不转KA3中间继电器1传递主轴反转信号只能正转编码器线数1024线1测速、加工螺纹用速度不显示不执行螺纹加工指令四、主要部件的连接1）正反转信号的连接如上图，根据西门子简明安装调试手册，将X100接口的Q0.0\Q0.1正反转控制信号接到KA5\KA6继电器线圈上，将KA5\KA6常开接头接入变频器控制回路。

2）频率给定信号的连接SINUMERIK802Ce进给轴控制信号接X7(图4-16)。四个轴的模拟给定信号6Fx2002—3ADOi—IADo标准配置电缆,连接SINUMERIK802CCNC的X7接口与驱动器的模拟给定和使能接口。主轴控制中，其中4号线的56-14号端子接到MM420变频器的3、4号端子上。2）频率给定信号的连接

3）编码器的安装与连接

主轴编码器与主轴的安装的形式有两种，一种是通过联轴器同轴安装，另外一种是通过同步带连接。

电动机内装位置和速度传感

同步带连接编码器

主轴编码器与系统X6口接线图

五、检查1）断开机床总电源，用万用表检测电源相间电阻值及对地电阻值，断路器、交流接触器、中间继电器等是否有短路或断路。2）检查各回路导线、电缆等是否符合设计要