机电一体化毕业设计（论文）-FANUC 0id系统变频主轴设计与调试.doc

浙江工业大学博士学位论文毕业设计说明书课题名称： FANUC 0id系统变频主轴设计与调试 学生姓名 学 号 0902013352 二级学院（系） 电气电子工程学院 专 业 机电一体化 班 级 指导教师 起讫时间：2012 年2 月12 日2012 年4 月8 日9浙江机电职业技术学院毕业设计说明书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1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2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 FANUC主轴的定位1简介：车床主轴定位（或成为主轴分度），不同于主轴定向，定向是一点定位，靠 PMC 来完成。 而定位是任意角度定位，且由 NC 来实现的，相当于 C 轴。该功能是车床通过主轴电机 侧的 MZi 传感器或与主轴连接的位置编码器实现的（模拟主轴只能通过编码器来检测 C 轴位置），与 CS 轮廓控制功能相比，其定位分辨率为 0.088 度，且不能与其他轴插补， 但检测器用的电机侧的或是位置编码器，所以安装简单。通常，定位完成后，主轴由机 械夹紧。2系统配置：1）串行主轴使用电机内置 MZI传感器 2）串行主轴使用外置编码器（1024 脉冲）3) 模拟主轴，使用外置编码器（1024 脉冲） 变频器必须能够接受正/负模拟电压（+/-10VDC）3 参数设定： 功能参数参数号意义设定值备注8133#1主轴定位功能有效18130系统控制轴数3X，Z，C 三轴轴名称和显示参数号意义设定值备注1005#0开机后没有返回参考点不报警1C 轴设定1006#0C 轴为旋转轴1C 轴设定1010NC 轴数3C 轴为 NC 轴1020轴名称67C 轴设定1022轴属性0C 轴设定1023伺服轴轴号-1C 轴设定1260旋转轴一转移动量360000C 轴设定速度和加减速时间：参数号意义设定值备注1420快速移动速度2000C 轴设定1421F0 速度600C 轴设定1425回零低速600C 轴为 NC 轴1620快速移动时间常数50-200C 轴设定1621快速移动时间常数 T250-100C 轴设定1816检测倍乘比（4 倍）01110000C 轴设定1820指令倍乘比（1）2C 轴设定1821参考计数器容量10000C 轴设定1826到位宽度20-100C 轴设定1828运动时位置误差限制10000C 轴设定1829停止时位置误差限制200-500C 轴设定1850栅格偏移量200-500C 轴设定3405#4倒角编程不使用 C0位置检测器相关（对于模拟主轴不需要设定）：参数号意义设定值备注4002#1外置编码器1当使用编码器定位时4002#0使用电机内置编码器1当使用电机 MZi内置传感器4010#0使用电机内置编码器1当使用电机 MZi 内置传感器4015定向有效1当使用电机 MZi 内置传感器定位相关参数：参数号意义设定值备注4960指定主轴定向的M代码80可根据自己实际修改4961取消主轴定位方式的 M 代码81可根据自己实际修改4962指定主轴定位角度 M 代码90可根据自己实际修改4963主轴定位基本角度45可根据自己实际修改4964主轴定位 M 代码数量8可根据自己实际修改注：使用 C 或 H 地址指令任意角度定位不需设定以上参数。其他参数的设定参照0IC 连接说明书（功能）的主轴定位部分。4PMC 信号：地址信号名意义备注G28#6SPSTP主轴定位信号F38#1SUCLP主轴松开该信号输出时，在机械上松开主轴抱闸G28#4*SUCPF主轴松开结束确认主轴松开F38#0SCLP主轴夹紧该信号输出时，在机械上夹紧主轴，抱闸起作用G28#5*SCPF主轴夹紧结束主轴夹紧确认F94#3ZP3主轴定向结束假定 C 轴为第三轴X1#0SUCLP_X松开到位检测外部确认开关X1#1SUCLP_X夹紧到位检测外部确认开关Y1#0SCLP_Y主轴松开夹紧输出阀0：松开1：夹紧外部动作6动作过程：实际动作过程，执行 M80，主轴进入 spindle position control (可通过主轴监视画面看出)， 给出松开阀输出，松开到位检测为 1，主轴旋转，找到一转信号停止，主轴电机励磁， 执行 M90（45 度），电机旋转至 45 度，再指令 M90，再转 45 度，到 90 度停。M9097 并不是电机一圈八个位置的定位，而是各自代表 45 度倍数的增量定位指令，譬如M90 是 45 度，每指令一次，就在当前位置走 45 度。同样 M91 就是 90 度，M92 就是135 度，。M96 315 度，M97 360 度。执行 C 或 H 指令时，由于分辨精度是 360/40960.088 度，所以假如指令 C0.001 程序可 以执行，但实际电机并没有移动，定位精度只能到 0.1 度左右。M81 取消定位方式，变为普通的主轴速度控制方式。设参数 4950#0 IOR 1：复位时主轴 定位方式解除。同时 G28.6 中串入 F1.1 复位信号。2.4 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