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数控加工中心电主轴星三角转换控制技术的开发及应用

'数控加工中心电主轴星三角转换控制技术的开发及应用'
数控加工中心电主轴星三角转换控制技术的开发及应用随着电力电子和数控技术的进步,高速电主轴技术已开始广泛应用于航空、航天以及等行业,由于此项技术不仅可以获得更高的生产率,而且能够获得很高的加工质量,降低生产成本,因此用电主轴高速化已成为目前发展的普遍趋势,正在成为当今金切加工的主流技术。而随着机床技术、高速切削技术的发展和实际应用的需要,对机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求,多数数控机床需要同时满足低速粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求,因此,机床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。现在越来越多的电主轴生产厂家开发出的用电主轴,可以在星形和三角形连接方式下运行,不仅可以满足用户对电主轴的高速加工要求,同时也能满足低速下的大扭矩加工要求,使电主轴的使用范围更加广泛。 作为使用这种星三角转换运行结构的电主轴的机床厂家来说,如何实现电主轴星三角的安全切换,保证数控机床的正常运行,保护电主轴和伺服驱动模块的使用寿命,既能发挥电主轴的高速特性,又能发挥电主轴低速大扭矩加工的特点,是一项关键的控制技术。济南二机床集团有限公司利用西门子840D数控系统成功实现了额定转速12000r/min的电主轴的星三角转换运行。 电主轴星三角运行特点 常规电主轴使用时,只能限制小进给量加工,使用星三角转换运行技术后,可以在星形运行状态下实现大进给量加工。例如,三角形运行方式下主轴扭矩连续工作能达到155.9N?m;而星形运行方式下连续工作时的扭矩可达到305.6N?m。 电主轴在星形接法运行时电主轴扭矩高,最高转速达到3000r/min;在三角形接法运行时扭矩相对小,转速可达到12000r/min。从图1可以看出在不同的接法运行时,速度相同但扭矩是明显不一样的。 在低速阶段,相同的转速时转换为星形接法运行,可以使电主轴产生高扭矩。 电主轴主电路星三角转换电路图 对图2电路图中电主轴主电路接触器控制器动作有如下要求: (1)星形时保证Kx、K2接触器吸合,K1不吸。 (2)三角形时保证Kx、K1接触器吸合,K2不吸。 加入Kx接触器是为了构成一个可靠的安全回路,因为仅打开K1和K2并不能确保回路安全。Kx接触器只有确保K1、K2其中一个接触器吸合另一个接触器断开时才能吸合,因此,必须考虑从硬件连接继电器控制回路中设置安全互锁,如图3所示。 PLC控制程序的设计 1 设计控制程序首先满足的因素 切换时为了保证数控驱动系统不出故障,切换过程中减少电流冲击和产生,电主轴必须处于停止运转状态,即保证速度为零;必须保证接触器切换的时间不能小于0.5s。 2 分析西门子840D系统星三角转换功能块FC17 理解FC17控制的星三角转换的逻辑动作。如下动作时序图见图4: ?星形转换为三角形; ?三角形转换为星形。 从图4可看出,FC17功能块控制的逻辑动作分为以下6个步骤: (1)通过外接指令向NC发出转换指令。 (2)告知NC取消主轴“电机选择”接口信号,即DB34.DBX21.5=0。同时去掉脉冲使能信号。 (3)NC选择“电机选择A”接口信号DB34.DBX21.3=1,系统进入转换过程。 (4)FC17接到NC将DB34.DBX21.7置零后DB34.DBX93.7=0,并告知PLC。 (5)系统确认驱动已进行电机选择,FC17等待延时时间到后,将当前的控制转换输出信号复位为零,当前吸合的接触器打开。 (6)系统再次延时后,要求的控制转换输出信号强制为1,另一个接触器吸合,将电机选择接口信号DB34.DBX21.5置为1,允许电机可以在选择的电机转换方式下运转。 3编制电主轴星三角切换控制程序 ANDB34.DBX61.4//主轴静止状态 JCSTAR AI7.0//星三角切换键 FPM 99.0 JCNSTAR ANQ5.0//主轴处于星形运转状态指示灯 =Q5.0//主轴处于星形运转状态指示灯 STAR: I7.0//星三角切换键 =DB2.DBX182.1//主轴转速不为零不能进行切换提示。 ANQ5.0//主轴处于星形运转状态指示灯 =M99.1//电机默认是三角形运行方式。 CALL"YDelta"//调用西门子功能块FC17 YDelta:= M99.1//M99.1=1DELTA M99.1=0 STAR SpindleIFNo:=4//主轴号 TimeVal:=S5T#1S//计时时间 TimerNo:=41//计时器号 Y:=Q56.7//星形继电器吸合控制输出点 Delta:=Q48.0//三角形继电器吸合控制输出点 Ref:=MW50 OI34.6//三角形控制接触器使能信号 OI35.0//星形控制接触器使能信号 =Q44.5//电主轴电机安全控制回路接触器控制输出点 AI34.6//三角形控制接触器使能信号 AI34.2//安全控制接触器使能信号 =Q4.6//指示灯提示主轴处于三角形运行状态 4设置电主轴参数 根据电主轴厂家提供的电机参数表,在西门子840D系统中配置电机参数,分5步设置: 第一步:选择电机→将电机1设为电主轴星形运行的参数,输入参数后要求数控系统计算数据,生成与电机匹配的电机参数(注意:1100是代表驱动模块,1150磁通控制P增益)。 第二步:同样方法,将电机2设置为电主轴三角形运行时的参数,注意设置好1062、2062(关闭保持制动转速)参数。 第三步:检查一遍加入数控系统的电机参数。 第四步:激活西门子系统星三角转换功能,设1013=1,激活FC17功能块。 第五步:主轴轴参数的设置要求。 主轴设置参数按三角形的主轴最大参数设置,并且特别注意电主轴无刀夹紧时要激活35160的速度限制,即无刀时不允许主轴高速运转。 电主轴星三角形分别试运转 1接线方式 根据主电路图检查接线,保证接线必须正确。 2接触器动作顺序检查 为安全起见,首先电机不接动力线进行接触器动作顺序试验,确保电主轴星形运行时Kx、K2接触器吸合,K1不吸。切换为三角形时,保证Kx、K1接触器吸合,K2不吸,并且反复试验K1、K2之间切换的间隔时间,力求达到最佳切换。 3试运转 在星形接法下试运转,检验它的最大速度是否符和要求。在星形接法下试运行时,其最大速度不超过由电机参数1146设置的限速值3000r/min。试验证明,与轴参数35100的最大主轴速度值无关。 在三角形接法下试运转,检验它的最大速度是否符和要求。在三角形接法下试运行时,其最大速度不超过由电机参数2146的限速值12000r/min。试验证明,主轴转速在12000r/min范围内运转正常(提示:星三角转换只能在速度模式下转换,不能在轴模式下执行M70或SPOS指令后进行)。 4电主轴电流环、速度环优化 对星形和三角形连接方式下的电主轴进行电流
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