FANUC0iD系统变频主轴设计.doc

浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书毕业设计说明书课题名称：FANUC 0id系统变频主轴设计与调试系 别 电气电子工程学院 专 业 机电一体化 班 级 机电 0834 姓 名 吴广州 学 号 0802013435 指导教师 黄文广 许孔杨 袁鑫宏 起讫时间：2010年11月 1日 2011年 1月 14 日（共 10 周）FANUC 0id系统变频主轴设计与调试摘要数字控制和模拟量控制是数控系统配置的两种机床主轴控制方式。由于经济型机床对主轴的功率要求不高，可采用变频器实现模拟量控制。矢量控制、V/F控制，直接转矩控制是变频器控制数控机床主轴的主要方式。在以节能为目的，控制精度及动态响应要求不高的场合，使用变频器V/F控制是经济型数控机床的首选方式。本章结合松下(PANASONIC)VF0变频器在AUNUC 0id系统实训数控车床中的应用介绍调速基本原理、PLC程序的设计。数控机床主轴电机及配套变频器的应用以及使用时数控系统和变频器的基本参数设置。关键字：主轴；模拟量控制；变频器；V/F控制；FANUC 0id system design and debugging Frequency SpindleAbstractDigital control and analog volume control is a system configuration of the two numerical control machine tool spindle. Type of machine because of the economic power of the spindle less demanding, the inverter can be used for analog volume control. Vector control, V / F control, direct torque control is the control of CNC machine tool spindle drive a major way. In the energy for the purpose of control accuracy and dynamic response of less demanding situations, the use of the inverter V / F control is the preferred economical way of CNC machine tools. This chapter combines Panasonic (PANASONIC) VF0 drive system in the AUNUC 0id Training CNC lathe speed to the application of basic principles, PLC program design. CNC machine tool spindle drive motor and associated applications, and use numerical control system and set the basic parameters of the inverter.Keywords: spindle； analog control； drive； V / F control；目录摘要1前言4第一章、绪论51.1 FANUC 0id数控系统简介51.2 数控机床的系统配置51.3 该数控机床的特点61.4 本课题研究的意义6第二章、变频主轴基本工作原理72.1 变频调速基本原理72.2 V/F调速基本原理72.3 变频器工作原理8第三章、松下VF0/400变频器的功能、连接与调试103.1 松下变频器简介103.2变频器的面板及操作说明103.3 端子接线操作说明113.4 工作模式接线及端子说明123.4 变频器参数133.5 变频器主要故障及维修13第四章、基于变频器的主轴控制方案144.1 主轴电气控制电路144.2 模拟主轴的连接图154.3 基于变频器V/F控制的曲线计算15第五章、参数设置175.1 电动机规格175.2 系统参数设置175.3 变频器参数设置17第六章、系统PMC编程186.1 可编程控制器（PLC）186.2 数控机床PMC功能186.3 PMC地址196.4 主轴功能的处理196.5 主轴地址分配20第七章、调试与分析217.1 主轴速度调试217.2 常见主轴故障说明217.3 软件故障22参考文献23总结24附录25附录一：系统主电路图25附录二：主轴控制电路图26附录三：PMC程序27前言随着现代机械制造业水平的发展，数控机床普及率日益提高。数控车床是数控机床的主要品种之一，他在数控机床中占有非常重要的位置，一直受到世界各国的普遍重视，并得到了迅速的发展。主轴是车床构成中的一个重要的部分，气功率消耗约占机床总功率70%80%，其性能直接影响到机床的加工效率、加工材料范围。加工质量等。数控系统需要控制主轴的转速、转矩、位置等。通常中高档机床使用变频器矢量控制主轴，具有控制精度高、低速时转矩大、动态响应好的特点。但在主轴功率不大、对控制进度和动态响应要求不是很高的情况下，数字主轴就显得成本太高。这时可采用数控系统的模拟主轴控制，用普通的交流变频器以V/F方式控制交流变频电机来实现对主轴控制，由于其优越的性价比得到广泛应用。第一章、绪论1.1 FANUC 0id数控系统简介该系统源自于FANUC目前在国际市场上销售的高端CNC 30i/31i/32i系列，性能上比0i-C系列提高了许多，包括：硬件上采用了更高速的CPU，提高了CNC的处理速度；标配了以太网；控制软件根据用户的需要增加了一些控制与操作功能，特别是一些适于模具加工和汽车制造行业应用的功能，如：纳米插补、用伺服电动机做主轴控制、电子齿轮箱、存储卡上程序编辑、PMC的功能块等。该系统是高性价比、高可靠性、高集成度的小型化系统。代表了目前国内常用CNC的最高水平。1.2 数控机床的系统配置车床主要硬件连接如图1.1：图1.1 系统配置图其中主轴采用松下（PANASONIC）VF0型变频器，主轴电机采用高可靠性、高性能的交流伺服电机ai系列电机。主板模块包括主CPU、内存、PMC控制、I/Olink控制、伺服控制、主轴控制、内存卡I/F、LED显示等。I/O模块包括电源、I/O接口、通信接口、MDI控制、显示控制、手摇脉冲发生器控制和高速串行总线等。1.3 该数控机床的特点（1）系统在设计中大量采用模块化结构。这种结构易于拆装，各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。 （2）具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力。其工作环境温度为045，相对湿度为75。（3）有较完善的保护措施。FANUC对自身的系统采用比较好的保护电路。 （4）FANUC系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能。对于一般的机床来说，基本功能完全能满足使用要求。 （5）提供大量丰富的PMC信号和PMC功能指令。这些丰富的信号和编程指令便于用户编制机床侧PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。 （6）具有很强的DNC功能。系统提供串行RS232C传输接口，使通用计算机PC和机床之间的数据传输能方便、可靠地进行，从而实现高速的DNC操作。 （7）提供丰富的维修报警和诊断功能。FANUC维修手册为用户提供了大量的报警信息，并且以不同的类别进行分类。 1.4 本课题研究的意义通过这次毕业设计，可以达到以下目的：（1）培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际应用问题；（2）强化工程实践能力和意识，提高本人综合素质和创新能力；（3）使本人提高工程绘图、计算、数据处理、使用文献资料和手册以及表达等各方面的能力。第二章、变频主轴基本工作原理2.1 变频调速基本原理变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，而变频器作为变频调速系统的核心，其性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素。从交流变频调速系统结构上看交流变频系统可分为交交直接变频系统和交直交间接变频系统，本系统设计采用了交直交间接变频，其中又采用PWM型逆变器可以减少输出谐波。由异步电动机工作原理可知异步电机的转速方程是：式中：电动机的极对数；转差率；电源的频率；电动机转速；所以从这个公式就可以看出，要想改变电动机的转速，可以改变f，s，p这三个量中的任意一个，就能够实现调速，其中改变电源频率f是比较方便和有效的方法，只要改变了电源频率f就能够改变电动机的转速。 2.2 V/F调速基本原理异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。l异步电动机气隙中的磁场旋转时，钉子绕组相对切割该磁场，在定子绕组中将感应电动势。根据推导感应电动势公式如下：（1） . .（2）式中： 每级基波磁通（wb）；电源频率（Hz）；每相串联数；基波绕组因数；转矩常数；由以上两式可知，若不改变电压值，只改变频率来调速，由公式（2）可以看出，随着的升高，电机磁通将减少，的减小势必会导致电机的输出转矩下降，是点击的利用率恶化，严重时会使电机堵转。若在维持电压值不变条件下，减小。则根据公式（2）知，这会使磁路饱和，激磁电流上升，导致铁损急剧增加，这也是不允许的。若在调频的同时改变定子电压，则可以维持磁通接近不变，即。这就是所谓的V/F控制方式。2.3 变频器工作原理变频器主电路如下图2.1所示。主电路的功能是把固定频率为50Hz交流电转换为频率连续可调的三相交流电，主要包括交直电路汇总，三相交流电源通过变频器的电源接线端（R、S、T）输入到变频器内，利用整流器VS把交流电转换为直流电。当电容CF电压达到基准时，辅助电源动作，输出直流控制电压。直流继电器MCC获电，常开触点闭合，限流电阻RF被短路，完成交直电路转换。直交电路中，由VS转换的直流电压经过短路保护熔断器F1加到逆变模块VT，在通过SPWM正弦波脉宽调制驱动电路控制VT输出频率可调的三相调制波Ua、Ub、Uc（如图2.2）至U、V、W端子。制动单元电路由制动开关管VB、二极管DB及B1、B2端子之间外接制动电阻组成，外接制动电阻的功率与阻值需根据电动机的额定电流及工作情况进行选择。图 2.1 变频主电路示意图目前较为广泛使用的变频调速系统是恒幅值PWM型变频。SPWM就是调制解调波（调频和调压叠加后一个波型)。是用来控制变频器内部的可控硅的（逆变桥）。从而得到一个可以等效为正弦波而的一输出电压来控制电机。由二极管整流器、滤波电路和逆变器组成。交流电压经过二极管整流器整流作用后，将恒定不变的直流电压输入逆变器，通过调节逆变器的脉冲宽度和输出交流电的频率实现调压调频，最后将得到的交流电供给负载。该方法的实现主要有两种方法：（1）等面积法.该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间隔,并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算 出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不 能实时控制的缺点。（2）硬件调制法。硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作为载波,当调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形.其实现方法简单,可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路,用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进行控制,就可以生成SPWM波.但是,这种模拟电路结构复杂,难以实现精确的控制。下图是SPWM调制信号示意图。图2.2 SPWM调制信号示意图第三章、松下VF0/400变频器的功能、连接与调试3.1 松下变频器简介松下变频器的全称是“松下交流变频调速器”，是由松下集团研发、生产、销售的，主要用于控制和调节三相交流异步电动机的速度。松下变频器VFO系列特点 ：1、小巧：为了满足各类机器小型化的需要，我们实现了同类产品中最小型化；体积仅是我公司过去产品的4056； 2、操作简单：采用了新设计的调频电位器，使调频操作简单轻松；而且用操作盘就可容易地操作正转/反转； 3、可由PLC直接调节频率：可直接接收PLC的PWM信号并可控制电动机频率；同时可与我公司PLC(FP0等)配套使用，无需模拟I/O单元； 4、功能齐全的小型产品：8段速控制制动功能；再试功能；根据外部SW调整频率增减和记忆功能；再生制动功能的充实；400V系列型:内置制动电路；200V系列型:内置0.4-1.5kW电阻；0.2kW电路没有制动电阻；0.4kW是外部设置的同包装电阻。3.2变频器的面板及操作说明变频器的面板见图3.1：图3.1 变频器操作面板变频器操作说明见下表：RUN（运行）键是变频器运行的键STOP（停止）键是变频器停止运行的键MODE（模式）键切换“输出频率”、“电流显示”、“频率设定”、“监控”、“旋转方向设定”、“功能设定”等各种模式以及将数据显示切换为模式显示所用的键SET（设定）键切换模式和数据显示以及存储数据所用建。在“输出频率”、“电流显示模式”下，进行频率显示和电流显示的切换UP（上升）键改变数据或输出频率以及利用操作板使其反转运行时，用于设定正转方向DOWN（下降）键改变数据或输出频率以及利用操作板使其正转运行时，用于设定反转方向频率设定钮用于操作板设定运行频率而使用的数据显示部位显示输出频率，电流，线速度，异常内容，设定功能是的数据及其参数表3.1 变频器操作说明3.3 端子接线操作说明变频器的接线操作说明见下图3.2：图3.2 变频器接线图其中断路器的过电流自动跳闸为完全电磁式时，会产生高谐波过热，必须将负荷率选择到50%以下。3.4 工作模式接线及端子说明模式接线如下图3.3：图3.3 模式接线图端子功能说明如下表3.2：表3.2 变频器工作模式接线3.4 变频器参数变频器主要参数如下表3.1：表3.3 变频器主要参数表3.5 变频器主要故障及维修变频器维修中，经常会碰到的故障就是上电无显示，排除外部电源，显示器等因素，多数情况下是开关电源的损坏，在维修中我们可以注意到变频器的脉冲变压器是较易损坏的器件，由于受到高频导磁材料，带负载能力，开关电源短路过流保护电路设计等一些因素的影响，在脉冲变压器的初级绕组侧易出现烧坏现象，由于脉冲变压器的骨架设计不同于一般的升/降压变压器，不易拆开，往往在拆开后也会出现导磁材料裂开，连接处闭合磁场出现间隙，脉冲变压器不能正常工作。一般情况下更换脉冲变压器。 在变频器中，有时也会碰到逆变模块的损坏。较常见的现象就是变频器在正常运行中突然失电，导致变频器在重新上电后无法启动电机。经检查逆变模块损坏，究其原因主要是由于停电后变频器还在运行指令的控制下，而此时由于电机所带负载的消耗及变频器自身的消耗导致中间直流电压急剧下降，容易引起PWM调制波信号发生变化，导致功率模块的损坏，一般在这种情况下，驱动电路是不容易损坏的。更换逆变模块，变频器就能恢复正常运行。碰到此类情况，最好能够在控制电路上采取措施，停电瞬间封锁变频器输出。 第四章、基于变频器的主轴控制方案4.1 主轴电气控制电路如图4.1为主轴控制主电路，其中包括变频器，交流伺服电机、编码器。主要控制轴的正反转以及电动机的转速。图4.1 主轴控制电路其中编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。 编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者成为码盘，后者称码尺按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”，通过“1”和“0”的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通讯、传输和储存。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，器作用有三：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动。其三是用于主轴准停。4.2 模拟主轴的连接图如图4.2，使用系统的模拟主轴控制方式，即通过JA40端口链接变频器控制电动机，位置编码器通过JA41端口反馈电动机的转速。图4.2 主轴连接4.3 基于变频器V/F控制的曲线计算任何特性的 U f 线选用，都必须通过功能参数的设置来实现。松下VF0400变频器的有关参数如下表：参数设定值名称备注P040恒定转矩用于机械等1平方转矩用于风扇等P05040力矩提升数值越大，转矩越大表4.1 模式参数4.3.1 恒转矩模式： 4.3.2 平方转矩模式： 图4.3 横转矩模式 图4.4 平方转矩模式 4.3.3 可设定与符合特性相应的力矩提升图4.5 可设定力矩提升恒转矩负载的特点是负载转矩与转速无关，任何转速下转矩总保持恒定或基本恒定。通用变频器（V/F控制），利用恒转矩模式提升功能（如图4.5），既能满足低俗启动和低速稳定运行的需要，又不会过励磁。平方转矩模式随着转速的降低，它所需要的转矩以平方的比例减小，所以低频时的负责电流很小，即使使用普通异步电动机也不会发生过热现象。由以上三图可知，当经济型数控机床经过计算选择好电动机转矩时，可通过改变变频器才参数设置，对其进行很好的控制。第五章、参数设置5.1 电动机规格该系统使用ai系列FANUC内装主轴电机，该电机的特点如表5.1：aiS系列电动机 特点 使用钕铁磁，更大转矩，体积更小优化的磁路设计，减少扭矩波动使用子模块SM，实现高速和高功率使用树脂铸造和冷却环（选择功能），有效散热，可获得更大转矩和更高功率表5.1 电动机特点5.2 系统参数设置系统主要参数设置如表5.2：名称设定值3716#00（模拟主轴）37171（第一主轴）374110V（电压对应主轴转速=主轴电机转速*变速比）3720主轴编码器线数：10243721位置编码器侧齿数：203722主轴侧齿数：20表5.2 系统主要参数5.3 变频器参数设置变频器主要参数设置如表5.3：名称设定值P082P094P011（加速时间1秒）P021（减速时间1秒）P03FF（自由模式）P15（最大输出频率）P16（基底频率）表5.3 变频器参数设置第六章、系统PMC编程6.1 可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种数字运算电子系统，专为工业环境下运用而设计，它采用可编程序的存储器，用于执行逻辑运算、顺序可能告知、定时、计数和算数运算等特定功能的用户指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各类机械生产过程。PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，CRT 模块。PLC 具有如下特点： （1）高可靠性 （2）丰富的I/O 接口模块（3）采用模块化结构（4）编程简单易学（5）安装简单维修方便6.2 数控机床PMC功能数控机床所受控制可分为两类：一类是最终实现对各轴运动进行的“数字控制”；另一类是“顺序控制”。数控机床的PMC功能：（1）机床操作面板控制；（2）机床外部开关输入信号控制；（3）输出信号控制；（4）伺服控制；（5）报警处理控制；（6）转换控制；FANUC 系统的 PMC 轴控制指令都是由 PMC 指令控制的 , 而PMC 指令的执行是按先进先执行的固定格式运行的。我们的控制程序设计就要按照这一规律 , 根据控制要求编制符合动作顺序要求的满足 先进先执行 规律的控制程序。FANUC 系统可以分为两部分 : 控制伺服电动机和主轴电动机动作的系统部分和控制辅助电气部分的 PMC 。PMC 与 PLC 非常相似 , 因为专用于机床 , 所以称为可编程序机床控制器。与传统的继电器控制电路相比较 ,PMC 的优点有 : 时间响应快 , 控制精度高 , 可靠性好 , 控制程序可随应用场合的不同而改变 , 与计算机的接口及维修方便。另外 , 由于 PMC 使用软件来实现控制 , 可以进行在线修改 , 所以有很大的灵活性 , 具备广泛的工业通用性。FANUC0i系统使用的 PMC 有 PMC-L 和 PMC-M 两种型号 , 它们所需硬件不同 , 性能也有所区别 。PMC-M 需要一块专门的电路板 , 地址范围也有所扩大 , 使用时请注意。6.3 PMC地址地址用来区分信号。不同的地址分别对应机床侧的输入，输出信号，CNC侧的输入输出信号，内部继电器，计数器，保持型继电器和数据表。下表6.1为地址字母与信号的对应关系：字母信号的种类X机床向PMC的输入信号YPMC向机床的输出信号FNC向PMC的输入信号GPMC向NC的输出信号R内部继电器C计数器表6.1 PMC地址地址G和F的信号，由CNC控制软件决定其地址。例如，自动运转启动信号ST的地址是G0007.2。急停信号（*ESP）和跳转信号（SKIP）等，由于受PMC扫描时间的影响使处理缓慢，故而由CNC直接进行读取。这些地址输入信号的X地址确定的。6.4 主轴功能的处理图6.1 主轴功能的处理作为主轴的控制分两类（如图6.1）：一类是串行总线；一类是模拟主轴控制。模拟主轴就是数控系统输出模拟电压信号，后级采用普通的交流变频器和交流变频电机来实现主轴控制。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010V的模拟信号。6.5 主轴地址分配主轴的主要地址分配如表6.2：名称地址主轴急停*G71.1机床准备好*G70.7主轴停止*G29.6主轴倍率*G30表6.2 主轴地址分配 在输入程序的过程中，要注意程序的级别和输入输出的信号处理。程序的开头到END1命令之间为第一级程序。系统每隔8毫秒进行读取的程序，主要是处理急停、跳转、超程等紧急动作。在PMC程序中，使用的编程语言是梯形图（LADDER），对于PMC程序的执行，可以简单的总结为，从梯形图的第一行程序开始，由上到下，由左到右的原则执行程序。到达梯形图结尾后在返回到梯形图的开头，循环往复。第七章、调试与分析7.1 主轴速度调试设置好相应的参数以及写好PMC程序后可以进行速度误差的调整。当主轴的实际速度和理论速度存在误差时，往往是由于主轴倍率不正确或者输出电压存在零点漂移而引起的。如是后者的原因则可通过相关参数进行调整。先将指令转速设为“0”，测量JA40电压输出端，调整参数3731（主轴速度偏移补偿值）使得万用表上的显示值为0mv。设定值=再将指令速度设为主轴最高转速（参数3741设定的值），测量JA40电压的输出端，调整参数3730（主轴速度增益），先设定为1000，然后测量输出电压，调整的设定值=使得万用表上的显示值为10v。再次执行S指令，确认输出电压是否正确。7.2 常见主轴故障说明主轴控制系统发生故障时，通常有三种表现形式：（1）CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息（2）在主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示（3）主轴工作不正常但五任何报警信息按故障发生的部位可分为两类 ： 主机故障 数控机床的主机通常指组成数控机床的机械、润滑、冷却、排屑、液压、气动与防护等部分。主机故障主要表现为传动噪声大、加工精度差、运行阻力大、机械部件动作不进行、机械部件损坏等等。润滑不良、液压、气动系统的管路堵塞和密封不良，是主机发生故障的常见原因。数控机床的定期维护、保养控制和根除“三漏”现象