1、第 7 单元 西门子 802C 主轴电气系统7.1 主轴线路连接7.1.1 学习目的了解各种电机调速的优缺点；理解主轴控制的基本要求；掌握 802C系统主轴电气系统的接线；掌握 802C系统变频器的接线。7.1.2 案例分析根据图纸连接 802C数控机床的主轴电气系统部分。7.1.2.1 分析从主轴系统的各个部件进行分析：三相电源通过 3相变压器和空气开关 QM2接入变频器的 R、S、T 端。SINUMERIK 802C base line系统接口 X7的引脚 4（AGND4）与变频器的 5G端相连，引脚 37（AO4）与变频器的 V1端相连。电流继电器 KA7、KA8 的常开触点分别将变频器
2、的 FX、RX 端与 CM端相连。KA7 控制主轴正转，KA8 控制主轴反转。变频器 U、V、W 端分别与主轴电机的三相相连。7.1.2.2 操作过程认识 802C数控机床主轴电气系统的各个部件；连接 3相变压器、空气开关及变频器；连接 SINUMERIK 802C base line系统接口 X7的引脚与变频器；连接变频器与主轴电机；根据相关图纸连接与变频器相关的各个开关信号；检查线路；上电试验。7.1.2.3 操作要点及注意事项系统必须接地才能通电，否则可能导致硬件损坏；三相电源输入接入变频器的 R、S、T 端，不需要安排相的次序。如果将三相电源连接到了输出端子(U，V，W)， 变频器的内
3、部将会损坏；驱动器接口 X7的引脚 37和引脚 4与变频器端子严格对应，不可接错；空气开关 QM2常开触点接入数字输入接口 X104的引脚 3，以防变频器供电过载；电机应该连接到端子 U，V，W 。如果正转开关(FX)处于 on，从电机负载的方向看， 电机应该按顺时针方向转动。如果电机处于反转状态， 应该转换 U 和 V 端子的接线；当变频器前面的盖子打开时，不要运行变频器。当输入电源接通时，严格禁止打开前端的盖子。否则会导致电击。7.1.3 训练任务连接主轴线路，包括 Z轴制动器。7.1.4 相关知识点一、数控机床的主轴传动系统数控机床的主轴系统和进给系统有很大的差别。根据机床主传动的工作特
4、点，早期的机床主轴传动全部采用三相异步电动机加上多级变速箱的结构。随着技术的不断发展，机床结构有了很大的改进，从而对主轴系统提出了新的要求，而且因用途而异。为了满足量大面广的前两类数控机床的需要，对主轴传动提出了下述要求：主传动电动机应有 2.2250kW 的功率范围；要有大的无级调速范围，如能在 1：1001000 范围内进行恒转矩调速和 1：10 的恒功率调速；要求主传动有四象限的驱动能力；为了满足螺纹车削，要求主轴能与进给实行同步控制；在加工中心上为了自动换刀，要求主轴能进行高精度定向停位控制，甚至要求主轴具有角度分度控制功能等。主轴传动和进给传动一样，经历了从普通三相异步电动机传动到直
5、流主轴传动，而随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代，目前已很少见到在数控机床上有使用直流主轴伺服系统了。但是国内生产的交流主轴伺服系统的产品尚很少见，大多采用进口产品。交流伺服电动机有永磁式同步电动机和笼型异步电动机两种结构形式，而且绝大多数采用永磁式同步电动机的结构形式。而交流主轴电动机的情况则不同，交流主轴电动机均采用异步电动机的结构形式，这是因为，一方面受永磁体的限制，当电动机容量做得很大时，电动机成本会很高，对数控机床来讲无法接受采用；另一方面，数控机床的主轴传动系统不必像进给伺服系统那样要求如此高的性能，采用成本低的异步电动机进行矢量闭环控制，
6、完全可以满足数控机床主轴的要求。但对交流主轴电动机性能要求又与普通异步电动机不同，要求交流主轴电动机的输出特性曲线（输出功率与转速关系）是在基本速度以下时为恒转矩区域，而在基本速度以上时为恒功率区域。交流主轴控制单元与进给系统一样，也有模拟式和数字式两种，SIEMENS 802C主轴控制单元即为数字式的。 二、主轴性能由 NC控制的模拟量主轴根据不同的机床类型有可能具有如下的功能： 预置主轴方向（M3，M4） 预置主轴转速（S） 主轴无定向准停（M5） 主轴定位（SPOS=） （要求位置控制主轴） 齿轮级转换（M40M45） 切削螺纹/攻丝（G33，G331，G332，G63） 旋转进给（G9
7、5） 恒定切削速度（G96） 可编程的主轴转速极限（G25,G26,LIMS=） 在主轴或电机上可以安装位置测量编码器 可以监控主轴转速的极大和极小值 主轴暂停旋转（G4 S）如果采用的不是模拟量主轴，而是“级联”主轴，则主轴转速（S）不是通过程序预置，而是通过机床上的手动操作（减速箱）进行控制。这样，也就不能编程设置转速极限。通过程序可以对主轴旋转方向（M3，M4） 、主轴无定向停止（M5）和攻丝（G63）进行设定。如果主轴上还有一个位置编码器，则主轴还具备以下功能： 切削螺纹/攻丝（G33） 旋转进给（G95）对于级联主轴，不能通过设定机床数据给主轴输出给定值，此时，MD：CTRLOUT_
8、TYPE=0。三、主轴电机的调速性能在数控系统中，常用的主轴电机有直流主轴电动机和交流主轴电动机两种。直流主轴电动机在数控机床的主轴驱动中，直流主轴电动机通常采用晶闸管直流调速。直流调速装置是一个电枢可逆逻辑无环流双闭环控制系统。该装置用于将直流电供给他激直流电动机的电枢和磁场。该装置借助于电枢可逆在四个象限内运行。电动机的调速范围分为两个区域，低、低于额定转速采用恒力矩方式调速，高于额定转速采用弱磁方式升速。直流电机主要有定子、转子组成。定子部分由机座、磁极组成。转子部分有时称为电枢，由铁心、绕组、换向器组成。在换向器上通入直流电源后，它将对电枢产生一个逆时针方向的转矩，这个转矩称电磁转矩，
9、在电磁转矩作用下，电枢旋转。从特性曲线看出，转矩升高，转速略有下降。图7-1-1 直流电机特性曲线交流主轴电动机随着交流调速技术的发展，数控主轴驱动大多采用变频器控制交流主轴电动机。变频器的控制方式从最初的电压矢量控制、磁通矢量控制，已经发展为直接转矩控制；变频器件由逆变器到脉宽调制（PWM）技术，又由正弦 PWM技术发展到随机 PWM技术，电流谐波小，电压利用率高、效率高，转矩脉动及噪声强度大幅度削弱；功率器件由 GTO、GTR、IGBT 发展到 IPM三、变频器的使用1、安装检查 检查变频器在运输过程中有可能出现的各种损伤；检查 iS5 变频器的名签，确认是否为正确可以使用的变频器。确认安
10、装地点的环境条件 环境温度不能低于 14F (-10C) 并且不能超过 104F (40C)，相对湿度不能超过 90% (无结露)，高度不能超过 3,300英尺 (1,000m)。不能把变频器安装在阳光直射的地方，产生剧烈振动的物体应该远离变频器。安装 iS5 变频器必须竖直安装在与相邻设备有足够空间的地方。(水平方向距离大于 2“(50mm)，垂直方向距离大于 6“ (150mm)其他 变频器不能放在高温高压、振动大、灰尘多的地方，另外，安装时还需要使用螺钉进行固定。2、变频器的基本配线变频器的基本配线如图 5-1-2。各符号的含义如表 5-1-1。表 5-1-1 变频器配线符号说明符号 功
11、能RST交流电压输入端子 (3 相, 200230V 交流（2 单元）或 380-460V 交流（4 单元）) G 大地P正端直流总线端子DB单元（P-P5）连接端子（当要求完成制动(30%ED),连接 DB单元。 ）P1 外部直流电抗器（P1-P2）和 DB单元（P2- P5）连接端子。P2N 负端直流总线端子 DB单元（N-N5）连接端子B1B2 动态制动电阻（B1-B2）连接端子UVW连接电机的 3-相电源输出端子(3 相, 200 230V 交流（2 单元）或 380 - 460V 交流（4 单元）)230/460 V50/6 Hz UVWGRST N1DB 单 元 (可 选 )4 电
12、 阻 空 开 断 路 器 (可 选 )FXRBXRSTP1P3CMVRV1I5G+FM5GABCAXB输 出 频 率 仪(010V 脉 冲 ) 2电 机电 位 器 (1 kohm, 1/2W)速 度 信 号 输 入 2向 运 行 /停 止反 向 运 行 /停 止变 频 器 急 停 故 障 复 位多 功 能 输 入 1多 功 能 输 入 2多 功 能 输 入 3公 共 端 子 厂 家 设 定 ：速 度 -L速 度 -M速 度 -H速 度 信 号 的 电 源供 应 ：+ 1V, 10mA速 度 信 号 输 入 ：0 10V速 度 信 号 输 入 ：4 20mA (250ohm)公 共VR, V1,
13、 I故 障 输 出 继 电 器l小 于 AC250V, 1Al小 于 D30, 1多 功 能 输 出 继 电 器 1l小 于 AC250V, 1Al小 于 D30, 1厂 家 设 定 : Run注 释 ) 显 示 主 要 电 路 端 子 显 示 控 制 信 号 端 子 1. 根 据 模 型 名 称 的 不 同 ， 端 子 的 构 造 不 同 。 请 参 阅 1.7 电 源 端 子 。2. 模 拟 速 度 命 令 可 以 由 电 压 ， 电 流 或 者 是 它 们 同 时 设 定 。3. 当 安 装 DC 电 抗 器 时 ， 必 须 去 掉 在 P1和 P2之 间 的 公 共 汇 流 排 。4.
14、 1 10 HP变 频 器 在 电 路 板 上 内 置 制 动 电 路 。 制 动 电 阻 仅 内 置 在 1 5 HP 变 频 器 中 。 15 30 HP 变 频 器 需 要 可 选 的 制 动 单 元 和 电 阻 来 动 态 制 动 。P21P1DC BUS 电 抗 器 (可 选 )3FM动 态 制 动单 元PNB12DC Bus 电 抗 器 DB 电 阻JOG寸 动屏 蔽图 5-1-2 变频器的基本配线图7.2 主轴 PLC 程序编制7.2.1 学习目的理解主轴运行方式；掌握 802C系统主轴 PLC编程；掌握 802C系统主轴系统参数设置；掌握变频器参数设置方法7.2.2 案例分析根
15、据表 5-2-1地址说明编制主轴正反转的 PLC程序，并且设置主轴系统参数和变频器参数。表 5-2-1 主轴控制地址说明地址 变量类型 数据类型 注释I0.0 输入 BOOL 电源模块 T64 状态I0.1 输入 BOOL 主轴使能I0.2 输入 BOOL 单模态主轴选择I0.3 输入 BOOL 主轴正转按钮I0.4 输入 BOOL 主轴反转按钮I0.5 输入 BOOL 主轴停止按钮I0.7 输入 BOOL 系统急停I4.7 输入 BOOL 电主轴冷却泵过载Q1.0 输出 BOOL 主轴正转Q1.1 输出 BOOL 主轴反转Q1.2 输出 BOOL 主轴停止Q1.3 输出 BOOL 主轴运行灯
16、Q1.4 输出 BOOL 报警：主轴运行未完成Q0.4 输出 BOOL 主轴冷却泵M0.0 中间继电器 TEMP 主轴运行状态M0.1 中间继电器 TEMPM0.2 中间继电器 TEMP 主轴正转指令M0.3 中间继电器 TEMP 主轴反转指令7.2.2.1 分析主轴的控制包括正转、反转、停止、制动、使能等。控制要求如下：a通过 M03/M04/M05实现M03：主轴正转M04：主轴反转M05：主轴停止b通过 MCP按钮实现按正转按钮时电动机正转；按反转按钮时电动机反转；按停止按钮时电动机停止；电动机过载报警后正反转按钮无效。在电气安全互锁设计方面，主轴正/反转在接触器和继电器分别进行了安全互
17、锁；急停对主轴运转进行了安全互锁。相关的参数说明如表 5-2-2。表 5-2-2参数号 定义 备注V10000001.4K19 主轴左转V10000001.6K21 主轴右转来自 MCP的信号（按键及倍率）接口：MCPPLC（只读）V25001000.3M03V25001000.4M04V25001000.5M05来自 NCK的辅助功能接口：NCKPLC（只读）V27000000.1急停有效 来自 NCK的信号，接口：NCKPLC（只读）V30000000.7复位 送到 NCK的信号，接口：PLCNCK（可读/可写）V31000001.0有效机床功能 来自 NCK的信号，接口：NCKPLC（只读）V31000001.2有效的机床功能-参考点来自 NCK的信号，接口：NCKPLC（只读）V31000000.2有效的运行方式-手动来自 NCK的信号，接口：NCKPLC（只读）V38030002.1伺服使能 送到主轴的信号，接口：PLCNCK（可读/可写）V38030004. 轴运行键-负 送到主轴的信号，接口：6V38030004.7轴运行键-正 PLCNCK（可读/可写）V38032001.6M3/M4反向 送到主轴的信号，接口：PLCNCK（可读/可写）PLC 控制程序编制如图 5-2-1。
