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    【摘要】主軸控制類型、變頻器對模擬主軸的控制原理，參數設定，編碼器設置等。
   
    【關鍵詞】數控系統 模擬主軸 編碼器
 
     機床制造業是一個國家裝備制造業的支柱產業，體現了一個國家現代化和工業化的技術水平。經過幾十年的積累和發展，我國的機床制造業得到了迅猛的發展，但是與發達國家相比，尚有較大的差距，原因是我國數控機床起步晚，很長時間沒有自己的數控系統，完全靠進口配套數控系統，現在市場上存在大量的普通機床，可以對現有的機床進行數控化改造。本文將對主軸的改造進行介紹，提出模擬主軸控制的方案。
 
     機床的主軸作為關鍵的機床動力部分，常見于車床和銑床。裝備刀具后通過主軸旋轉可以進行車削、銑削加工工件。普通主軸控制簡單，直接由傳統繼電器控制。而數控機床主軸需要做速度控制；所以，控制系統一般采用速度控制。
 
     數控機床主軸有模擬主軸和數字主軸分別，數字主軸一般用于精加工領域，特點控制精度高、動態響應好，粗加工、半精加工，對精度和動態響應要求不高的情況下，采用模擬主軸更具實用性。于是市場上有了模擬主軸的改造需要。
 
     1 、模擬主軸電氣控制設計
 
    模擬主軸電氣部分包括主軸電機和變頻器等硬件設備，接下來著重談談以下幾方面的 問題。
 
    1.1 速度信號的設計

    外圍輸入設備，包括面板、觸摸屏、鍵盤等傳輸給 NCU（數控系統中心）零件加工程序比如M03 S200主軸正轉，轉速200轉/分鐘，NCU 將指令進行運算處理輸出一個模擬量信
號可以使電壓、電流，作為變頻器的輸入信號，一般為 0 ～ 10V 的模擬電壓信號。由于信號量程比較小，很容易受到電磁干擾，對數控機床工作環境中信號的傳輸應采取抗干擾措施進行屏蔽，如圖 l 展示的是力士樂公司生產的博世力士樂 G5 系列變頻器對速度信號(0～10V)接線示意圖，源自《FSCG05-A力士樂說明手冊》。由數控系統中心發出電壓
信號通過 V11、GND 兩端口送入變頻器。該模擬信號的傳輸屏蔽電纜近端接地進行傳輸。同時對變頻器配電線路采取加裝電抗器，濾波器加以對電磁干擾，噪音的抑制，如圖 2 所示。通過對采用該方案的數控機床的運行工況進行比對，在實際的生產中能保證主軸變頻器控制的精度、運行穩定。
 

      圖 1：主軸變頻器線路設計
  

     
  
      圖 2：系統配線圖
   

     
  
      圖 3：主軸編碼器與 CNC 連接
 
      1.2 主軸方向信號的處理
 
      不同品牌的數控系統，關于主軸參數設置不盡相同，現通過德國西門子 802 系統進行展示。該系統對主軸分類為單極性模擬主軸和雙極性模擬主軸。采用單極性模擬主軸時，數控裝置主軸驅動接口輸出的速度信號范圍一般為0 ～ 10V，這個速度信號的大小直接決定著變頻器輸出的頻率，因為 n=60f/p，從而調整了主軸電機的速度。而主軸電機的旋轉方向則由可編程控制器（PLC）控制；因此對于單極性主軸而言，在對 PLC 做 I/O 設計時應考慮主軸正轉和反轉兩個輸出點，如表 1 中，I0.3、I0.4 分別控制 PLC 的輸出點 Q1.0、Q1.1；向變頻器送入正反轉控制開關量信號。對于雙極性模擬主軸，主軸驅動接口輸出的速度信號范圍一般為一 10V ～ +10V，這個速度信號的大小同樣決定著變頻器的輸出頻率和主軸電機速度，而主軸電機的旋轉方向不由 PLC 控制，而是由速度信號的正、負極性決定。
 
      單極性和雙極性主軸，還需要在數控裝置中正確設置相關的主軸極性參數。可以查詢《Siemens.AG. Sinumerik 802D 功能說明》，No.30134(IS_UNIPOLAR_OUTPUT) 參數為
siemens802D 數控系統的單、雙極性模擬主軸的關鍵參數設置。
 
      其設置釋疑為 0：正 / 負速度給定值雙極性輸出；
 
     1：單極性輸出（控制使能，負方向進給）；
 
     2：單極性輸出（正反控制使能，負方向進給控制使能）。
 
     1.3 主軸編碼器
 
     現今主軸速度的檢測是依靠脈沖編碼器完成的，其作為最主要的檢測原件，作用如下：
 
    （1）完成對主軸速度的測算；
    （2）實現多種形態加工功能，完成主軸與伺服軸關聯的運行 ( 各種螺紋切削、定速切削、攻牙攻絲要求 )；
    （3）完成準確角度的主軸定位，在換刀具時的旋轉定位功能。光電脈沖發生器是與主軸同速的，連接機構同速一并轉動。機床的主軸與其他幾個物理軸是沒有物理上的關聯的，但要能完成功能化多樣性的加工，就必須讓兩者之間架構出一定的配比關系并運轉，而主軸脈沖編碼器正是為此問題而設計運用的。
   
                                   表 1：主軸控制地址
  
   

     脈沖編碼器是將物理機械角度轉化為電氣角度的脈沖元件，有光電式接觸式和電磁感應等類型；光電式脈沖編碼器無論在各種性能指標上都比較優異，多數廠家采用這類元件。光電式脈沖編碼器分為增量式和絕對式兩種，第一個是能對速度和方向進行測量，便宜，但斷電零點丟失、沒有抗干擾能力、不適合需要記憶零點的工況；絕對樣式的不存在前面的問題，能夠在斷電后記憶零點，精度更高，進而適用于高精度機床。
 
    增量式編碼器可以有正弦波、方波等多種的信號形態。輸入電壓信號一般是直流 5V，通過外部電源提供也可以是plc或者系統本身；采用差分驅動輸出形式 abz 三種通道，每個分為正負兩個，這種方式下，能夠使得電流不減弱、提高傳輸信號的質量和穩定性。A 與 B之間是有 90 度，速度可以依據每秒的秒沖數量來換算，方向能夠憑借 AB 的角度差來規范定義；Z 作為 0 點的標記通道，一轉就輸出一個標記信號，作為定位的標記。
 
     機床設計者在配備編碼器時候會考慮以下幾個方面：一是主軸編碼器反饋接口與編碼器輸出端口要為統一類型定義的；二傳輸線的長度計算；三是屏蔽的設計，優化。
 
    查詢《GSK983M 銑床數控系統連接手冊》，如圖 3 為廣州數控銑床上 CNC 與主軸編碼器的接線圖。
 
     1.4 主軸故障測控
 
     現在的伺服控制器或者變頻裝置都是有故障測控的，在報警時候有相應的輸出功能。變頻器運行時候，發生報警時相應的輸出端子輸出信號給 PLC，再輸出到聲光報警的終端，可以判別機器是否運行正常化，從而決定反饋系統是否繼續運行或者停機保護。
 
     1.5 主軸剎車
 
    比如伺服器或者變頻器都有制動功能，機床各軸高速運轉下剎車制動，如該剎車電阻的功能不夠強大、導致發熱或者制動電路的過壓時，要重新選配大的電阻，保證剎車的完備和安全運行；在設計時候要計算組件的參數，參考電機的轉矩，計算制動電阻阻值，選擇架構類型，選擇功率大小來完成相關設計。
 
     1.6 電氣接地
 
     在工況復雜的工作環境中充不滿了各種電磁干擾，一臺高精密的數控設備，其干擾源為變頻器，必須對其實施屏蔽。變頻器自身是能夠對周邊的電器造成強大的干擾的。必須要進行接地處理；而這樣即是對其本身的保護，也是對其他的設備的防護。
 
    通常接地我們按照下面這樣進行，一變頻器的輸入的 PE 端子接地良好可靠，這樣在源頭的部分就能有效的抑制干擾進出和輸出。接地體必須要參照 GB 進行，才能達到良好的效果，不能簡單的將 PE 接入工況的 PE 公共端了事。二是控制信號線路上進行單端屏蔽層接地處理，有效的減低外界對其信號的干擾。
 
    2 、結束語
 
    我國工業水平的日益提升，裝備制造業也日趨成熟，但是數控機床的改造水平仍然和國外有很大差距；此文簡述了本人對模擬主軸改造時候的一些觀點，綜合了工作中的經驗和心得，希望對廣大的工控從業者有所幫助。