变频器与数控车床的连接.ppt

1、变频器与数控车床的连接,FANUC 0i/0i Mate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。FANUC 0i/0i Mate数控装置提供了模拟主轴和串行主轴（Spindle analog output/Spindle serial output）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FANUC 0i/0

2、i Mate数控系统提供了SPM系列专用主轴驱动装置。,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（010V），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。,Fanuc 0i主轴连接示意图,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,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

3、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： n60 f(1s)/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050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变

4、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。,变频器的构成实用原理框图,1,4,3,2,5,6,7,8,适用于小功率（5.5KW),适用于中大功率(5.5KW以上）,变频器的构成实用原理框图,变频器的构成实用原理框图,变频器的构成控制回路接口,以上端子均可自由编程,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,变频器的构成主回路接口,工频电网输入 380V 3PH/220V 3PH 220V 1PH,制动电阻,直流电抗器,三相交流电机,M ,变频器保护功能,由于变频器大

5、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。,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；,驱动恒转矩负载,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

6、,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,变频器的安装环境,1、环境温度：-1040摄氏度(-2060储存) 2、环境湿度：2090%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,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（010V） 使用屏蔽电缆，也只能在2030m； 用双绞线距离更短。 2、采用电流信号（420mA） 用屏蔽电缆，可达80100m。 3、用RS232通讯口 距离限制在1520m以内。 4、采用RS485

7、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。,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,编码器,位置反馈,机 床 本 体,CNC,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

8、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,FANUC 0i/0i Mate数控系统的综合连接,FANUC 0i数 控硬件装置I/O单 元视图及其 接口信号的 定义,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的系列主轴模块主要分为SPM、SPMC、SPMHV三种。 1）系列FANUC 0i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 主轴驱动装置型号； 电动机类型，“无”为系列，C为C系列； 额定输出功率； 输入电压，

9、“无”为200 V，HV为400 V。,串行主轴连接,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

10、）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系统系列主轴模块的端子功能,DC Link：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JA7A,JY4：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CX2B,JX1A：模块之间信息接口连接到电源模块的JX1B,JY2：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CX2A,FANUC系统系列主轴模块的连接,U、V、W：

11、连接到主轴电动机，为动力电源,i系列伺服放大器,FANUC 0i/0i Mate电源装置 FANUC 0i/0i Mate 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的系列专用电源装置主要分为PSM、PSMR、PSMHV、PSMVHV四种，输入电压分为交流200 V和交流400 V两种。,电源装置作用,一、隔离： 、安全隔离：强电弱电隔离IGBT隔离驱动浪涌隔

12、离保护雷电隔离保护（如人体接触的隔离保护） 、噪声隔离：（模拟电路与数字电路隔离、强弱信号隔离） 、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,（1）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 电源装置型号； 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； 额定输出功率； 输入电压，“无”为200 V，HV

13、为400 V。 （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,PSM电源装置接口信号的定义,系列电源模块与主轴模块实际连接图,FANUC 0i/0i Mate数控系统的综合连接,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,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,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

14、伺服单元 。（提供伺服驱动电源及工作电源）,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,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。,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,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,主轴定位主轴定向,1、主轴定位（Spindle positioning） 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

15、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。,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M41M44四档对应的最高转速后，即可用M41M44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M41M4

16、4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01000r/min单位内时,M41对应的齿轮啮合;当S指令在10003500r/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

17、. 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,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,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(M41M44),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. 2 50ms后,CNC发出M选通信号M strobe,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

18、据正确。 3 可编程控制器接受到M strobe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。 5 M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,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

19、，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。,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

20、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。,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。,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M19时，数控系统只需发出准停起动命令ORT，主轴驱动完成准