数控机床模拟主轴控制系统设计与分析

宋 健

（四川工程职业技术学院 电气信息工程系，德阳 618000）

0 引言

机械制造业是一个国家国民经济的支柱产业，其现代化程度决定着整个国家的经济发展水平。经过几十年的积累和发展，我国的机械制造业得到了迅猛的发展，但是与欧美国家相比，尚有较大的差距，其中一个很重要的原因是我国数控机床的普及率不高，加工效率、加工精度都比较低的普通机床在机械制造领域所占的比重还很大，从而直接影响我国的机械制造水平。因此，对现有的老旧机床进行技术更新和改造势在必行。本文针对这种需要，介绍了数控机床模拟主轴电气控制系统的设计方法，并给出了设计实例。

1 主轴控制类型

机床主轴常用于给机床加工提供动力；对于最常见的车床和铣床，前者进行车削加工时利用机床主轴驱动被加工工件旋转；而后者进行铣削加工则是由机床主轴驱动切削工件旋转。就电气控制而言，数控机床主轴的控制其实质是对主轴电机的控制。在大多数情况下，数控机床主轴只需要做速度检测和速度控制即可；因此，主轴控制系统一般设计为速度控制系统。

数控机床主轴有模拟主轴和数字主轴之分，数字主轴控制精度高、动态响应好，但是在主轴功率较大，对控制精度和动态响应要求不高的情况下，采用数字主轴则凸显成本偏高；在这种情况下可采用模拟主轴以提高性价比。

2 模拟主轴电气控制系统设计

模拟主轴电气控制系统的设计应在主轴电机和主轴驱动器（一般采用变频器）等硬件设备选配好的基础上进行，在设计时应处理好以下几方面的问题：

2.1 主轴速度信号的处理

NC（数控装置）在执行来自控制面板或者零件加工程序中的主轴运行指令（如M03 S1000）时，先将主轴运行指令进行编译、运算和逻辑处理后从数控装置的主轴驱动接口输出主轴速度信号作为变频器的模拟给定；主轴速度信号大小一般为0～10V的模拟信号。

在设计时应充分考虑数控机床工作环境中存在的复杂电磁现象和噪声干扰，故主轴速度信号的传输应采取一定的抗干扰措施，如图1给出了利用某公司生产的SV055IG5AA-4三相变频器用于主轴控制的一种设计方案，速度信号（0～10V）由数控系统驱动接口发出并通过V1、CM两端口送入变频器。该模拟信号的传输建议采用双绞线或屏蔽电缆进行传输，也可在变频器模拟给定信号输入端V1、CM之间并接滤波电容以消除噪声干扰等。我院几十台采用这种主轴设计方案的数控机床的运行情况证明这种设计方案在实际的生产运行中主轴的控制精度、运行状况都能较好的满足加工的要求。

2.2 主轴方向信号的处理

按照数控装置发出的主轴驱动信号的特点，数控机床模拟主轴可以分为单极性模拟主轴和双极性模拟主轴。采用单极性模拟主轴时，数控装置主轴驱动接口输出的速度信号范围一般为0～10V，这个速度信号的大小直接决定着变频器输出的频率和主轴电机的速度，而主轴电机的旋转方向则由PLC控制；因此对于单极性主轴而言，在对PLC做I/O统计和地址分配时应考虑主轴正转和反转两个输出点，如图1中，KA1、KA2分别由PLC的输出点Y0.0、Y0.1控制；Y0.0输出有效，KA1动作，其常开触点闭合，向变频器送入正转控制信号，Y0.1输出有效时，KA2动作，其常开触点闭合，向变频器送入反转控制信号(此为方向控制的一种形式)。对于双极性模拟主轴，主轴驱动接口输出的速度信号范围一般为-10V～+10V，这个速度信号的大小同样决定着变频器的输出频率和主轴电机速度，而主轴电机的旋转方向不由PLC控制，而是由速度信号的正、负极性决定。

对于单极性和双极性主轴，除了有硬接线连接和控制方式上的区别外，还应注意在数控装置中正确配置相关的主轴极性参数。如表1给出了siemens 802c base line数控装置中单、双极性模拟主轴的参数配置。

2.3 主轴速度、方向检测的处理

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目前主轴速度检测最常用的做法是采用脉冲编码器作为检测元件，其作用有三：其一是用于主轴速度测量；其二是用于主轴与伺服轴配合运行的场合（如车床螺纹切削加工、恒线速加工等）；其三是用于主轴准停。主轴编码器一般采用弹性联轴器与主轴同轴安装或采用1：1同步传动安装方式，使其能准确地向数控系统反映主轴的转速、方向。因此，在做方案设计时一定要合理选配主轴脉冲编码器。

脉冲编码器是一种能将机械角位移转换为电脉冲的旋转式脉冲发生器，有光电式、接触式和电磁感应三种类型；光电式脉冲编码器的精度和可靠性最高，因此在数控机床上得到了广泛应用。光电式脉冲编码器有增量式和绝对式之分，前者常用于对旋转体进行测速和测向，性价比较高，但存在零点累计误差、抗干扰能力差、需断电记忆和开机找零等缺陷；而后者无需记忆、无需找参考点，编码器的抗干扰特性和数据的可靠性都得到了极大的提高，故在进给驱动中以选择绝对式编码器作检测反馈元件为宜；而对于主轴驱动，由于在大多数的情况下仅需编码器做速度、方向检测，故采用增量式编码器作检测元件即可。

增量式编码器的信号输出形式有正弦波、方波（TTL、HTL）、集电极开路（PNP、NPN）、推拉式等多种形式。以TTL长线差分驱动输出形式的编码器为例，其工作电源一般为DC 5V，由数控系统通过主轴编码器接口供给；A、B、Z三个信号通道采用差分驱动输出形式（A、A-，B、B-，Z、Z-），以减小传输电流的衰减、提高传输信号的抗干扰能力和增大传输距离。其中，A、B两通道的脉冲信号相差90度，数控系统根据两通道单位时间内的脉冲数来计算主轴速度，根据A、B通道之间的相位差来判别主轴旋转方向；Z通道为零脉冲信号，主轴每转一圈，Z通道发一个零脉冲，该通道主要给系统在加工时提供基准信号。

在设计编码器连接线路时，主要考虑以下几个方面：一是主轴编码器反馈接口与编码器输出端口的信号是否匹配；二是传输距离的大小，以此确定传输电缆的长度；三是传输电缆应选择屏蔽电缆，以提高抗干扰能力。

图2给出了利用国产数控系统hnc-21TD做车床数控改造时主轴编码器的连接方案。

图2 主轴编码器与NC的连接

2.4 主轴驱动器故障监控处理

现在使用的变频器和交流伺服驱动器一般具有故障自诊断功能并提供有故障监控可编程I/O端口，其输出形式有继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出等形式。以变频器控制主轴为例，其I/O端口之间实质上是一种开关关系，开、关的状态分别对应驱动器正常与否；由于数控机床的M、S、T三大辅助功能都是由PLC来控制的，故可以将这一开关量作为数控系统PLC的一个输入点，用于监控变频器是否正常或就绪，系统会以此决定是否向变频器发速度控制信号（S功能）和方向控制信号（M功能）。如图1中，3A、3C为变频器的故障监控可编程I/O端口，3A外接24VG（低电平），3C则作为PLC输入点X1.0的输入。

因此，在设计时要充分利用这一功能，将主轴驱动器的运行状况准确、及时地传送给数控系统，由数控系统决定是否运行或终止主轴的运动。

2.5 主轴驱动器制动处理

主轴驱动器一般都内置有制动组件，在机床主轴要求快速制动时，若内置的制动单元或电阻不足以消耗、吸收再生电能而导致直流部分过压时，应考虑外接制动组件，以加快消耗再生电能的速度；因此应正确的选配制动组件。制动组件的计算、选配可采用工程估算的方法，按照估算制动转矩、计算制动电阻阻值、选择制动单元、计算制动电阻标称功率这几个步骤进行。

2.6 接地处理

数控机床工作环境中的电磁和噪声干扰是很严重的，作为精密加工设备的数控机床，其主轴驱动器必须采取有效的抗干扰措施。对变频器而言，其自身就是一个较强的干扰源同时也受其他电气设备的电磁干扰。接地是抑制电磁干扰，提高电气设备电磁兼容性的重要手段；因此对变频器采取正确的接地措施，不仅可以有效抑制外来干扰，同时能降低变频器本身对外界的干扰。

变频器的接地处理主要做好两个方面，一是对变频器主回路PE端子正确接地，以提高变频器抑制噪声干扰的能力并减小变频器对外界电气设备的干扰；为保证接地的可靠性和效果，变频器主回路PE端子必须严格地接入PE线，若无公共PE线，可采用就近接地的方式，但是应保证接地体导电性能良好及与大地接触可靠。二是将变频器的控制信号线（采用双绞线或屏蔽线）屏蔽层接地，以减小外界对控制信号传输的干扰。

3 结束语

随着我国机械制造行业的发展和壮大，数控加工技术也日趋成熟，但是数控改造、维修方面的人才仍较欠缺；本着抛砖引玉的思想，本文重点研究和分析了数控机床模拟主轴的设计思路和分析方法，以期为广大的数控技术人员提供一定的参考和借鉴。

[1] 白恩远.现代数控机床伺服及检测技术[M].北京:国防工业出版社,2002.

[2] 卓迪仕.数控技术及应用[M].北京:国防工业出版社,1994.