任务导入
图3-1-1为某全功能型数控车床主轴变频调速驱动系统。试正确连接与调试该类主轴的驱动系统，并能准确检测与排除该类主轴驱动系统在调试运行中常见的电气故障。
图3-1-1 数控车床主轴变频调速驱动系统
任务目标
（1）了解编码器、变频器在变频主轴中的作用。
（2）了解编码器接口定义，并能正确安装编码器。
（3）了解模拟主轴接口定义及EV2000型变频器端子接线。
（4）能看懂主轴变频调速系统电气控制电路，根据电气控制原理图进行电气连接。
（5）能调试主轴变频调速驱动系统。
（6）能排除主轴变频调速驱动系统常见的电气故障。
任务分析
数控车床主轴变频调速驱动系统由变频器驱动电动机根据S指令值的变化，CNC相应输出0～10V模拟电压控制主轴变频器，从而实现主轴的无级变速。数控车床主轴一般配有主轴编码器，主轴编码器作为检测元件，可测量主轴的旋转速度，并在主轴定向停止、车削螺纹和刚性攻螺纹时进行实时反馈。不同的应用场合，变频主轴有不同的配置。要能对主轴变频调速驱动系统进行电气安装，就必须了解变频器以及编码器的相关知识，了解变频主轴的驱动方式，懂得变频调速驱动系统电气控制原理。
因此，本任务具体学习步骤为：变频器种类及工作原理→编码器种类及作用→变频主轴驱动方式→主轴变频调速系统的电气控制原理→主轴变频调速系统的电气安装调试→主轴变频调速系统常见的电气故障检修。
任务实施
一、相关知识
1．变频器
实现变频调速的装置称为变频器。变频器是一种将固定频率的交流电变换成频率、电压连续可调的交流电，以供给电动机运转的电源装置。它是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，其功能是将电网电压提供的恒压恒频（CVCF）交流电变换为变压变频（VVVF）交流电。
变频器有交交变频器和交直交变频器两大类，如图3-1-2所示。
在数控机床上，一般采用交直交型的正弦波脉宽（SPWM）变频器和矢量变换控制的SPWM调速系统。先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源，以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得矩形脉冲波形，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，满足变频调速对U／f协调控制的要求。
图3-1-2 两种类型的变频器
（a）交交变频 （b）交直交变频
2．编码器
编码器又称码盘，是一种旋转式测量元件，通常装在被测轴上，跟随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换成增量脉冲形式或绝对值式的代码形式。
1）编码器种类
（1）接触式编码器。它又称为接触式码盘，是一种绝对值式的检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有表示该位置的唯一对应的代码。这种测量方式在断电或切断电源的情况下，也能读出转动角度。
（2）光电式编码器。它又称为增量式编码器，亦称为光电码盘、光电脉冲发生器、光电脉冲编码器等，是一种旋转式脉冲发生器，把机械角转变成电脉冲，是数控机床上常用的一种角位移检测元件，也可用于角速度检测。图3-1-3为光电式编码器实物。
图3-1-3 光电式编码器
（3）电磁式编码器。它又称为磁性编码器，输出的信号形式与光电式编码器一样，都是数字脉冲信号。
2）编码器在数控机床主轴控制中的应用
主轴编码器采用与主轴同步的光电脉冲发生器，主轴控制中采用编码器，则成为具有位置控制功能的主轴控制系统，或者称为“C”轴控制。因此，应用于数控机床主轴驱动系统中的编码器称为主轴位置编码器。
（1）主轴编码器可以实现主轴旋转与坐标轴进给的同步控制。在螺纹加工中，为了保证切削螺纹的螺距，必须有固定的进刀点和退刀点。安装在主轴上的光电编码器在切削螺纹时主要解决以下两个问题：
①车螺纹时，要求主轴的旋转运动与工件的进给运动保持严格的同步运动关系，即主轴转一转，工作台移动一个导程。主轴编码器测定主轴的旋转速度信号并传送给CNC，CNC控制进给机构的速度，保证主轴每转一周，刀具准确地移动一个导程，实现车螺纹时的同步控制。
②一般的螺纹加工要经过几次切削才能完成，每次重复切削时，开始进刀的位置必须相同。为了保证螺纹重复切削时不乱牙，数控系统在接收到光电编码器中的一转脉冲（零点脉冲）后才开始螺纹切削的计算。
（2）主轴编码器可以实现主轴定向准停控制。加工中心换刀时，为了使机械手对准刀柄，主轴必须停在固定的径向位置；在固定切削循环中，如精镗孔，要求刀具必须停在某一径向位置才能退出。这都要求主轴能准确地停在某一固定位置上，这就是主轴定向准停功能。
3．变频主轴驱动系统
1）变频主轴驱动方式配置
变频主轴可满足大多数加工要求，容易实现高速、大功率的加工，相对于伺服主轴而言价格较低。因此，目前一般数控车床大多会用变频主轴。如果变频主轴的主轴电动机带编码器、变频器加PG反馈脉冲卡，还可实现对主轴的定位控制、刚性攻螺纹等。不同类型的主轴系统具有不同的特点和使用范围，变频主轴主要有以下几种驱动方式。
（1）普通笼型异步电动机配简易变频器。这类驱动方式下的主轴低速转矩小，主轴电动机只有工作在约500r／min以上才会有比较满意的力矩输出，否则很容易出现堵转的情况（特别是车床中）。它受最高电动机速度的限制，主轴的转速范围受到较大的限制。适用于需要无级调速但对低速和高速都不作特别要求的场合。
（2）普通笼型异步电动机配通用变频器。这类驱动方式再配合两档齿轮变速，基本上可以满足低速（100～200r／min）与小加工余量下的加工，是目前经济型数控机床比较常用的主轴驱动系统。但与普通笼型异步电动机配简易变频器相似，同样受电动机最高速度的限制。
（3）专用变频电动机配通用变频器。中档数控机床主要采用这种主轴变速方式，主传动采用两档甚至仅一档变速，即可使主轴转速达到100～200r／min。
2）GSK218M系统数控变频调速控制系统构成
GSK218M系统数控变频调速控制系统如图3 1 4所示。主轴变频器与数控装置的连接一般只需要两组线，一组是数控装置XS39接口到变频器的正反转信号，一般是三根；另一组是通过XS37接口的速度给定信号，一般为两根。数控装置根据S指令值，输出0～10V模拟电压给变频器，通过模拟电压的变化控制频率的变化，从而控制电动机转速的变化，使主轴转速实现无级调速。主轴编码器一般通过同步齿形带与主轴相连，它测定主轴的旋转速度并通过接口XS32反馈给CNC。
二、准备工作
工具、仪表及器材准备如表3-1-1所示。
表3-1-1 工具、仪表及器材
三、实施步骤
1．分辨GSK218M系统编码器接口、DAP01接口及其信号
XS23接口引脚信号及功能如图3-1-5所示。
图3-1-5 引脚定义
接口信号说明：
（1）A＋、A－、B＋、B－、Z＋、Z－为主轴编码器的脉冲信号。
（2）SVC为主轴模拟电压信号。
（3）SCOM为主轴模拟电源信号地。
（4）SDALM为主轴报警输入信号，注意，编码器的线数为编码器每转输出的脉冲数，单位为p／r。
GSK218M配DAP01控制线，如图3-1-6所示。
图3-1-6 犇犃犘01配线
注：电阻犚为2．2kΩ，0．5W。
2．分辨FR-E740型变频器端子
读FR-E740型变频器端子接线（见图3-1-7），为正确连接变频器做准备。
主要端子功能说明如表3-1-2所示。
图3-1-7 F犚 犈740型变频器端子接线
表3-1-2 主要端子功能说明
3．绘制变频调速系统的电气控制原理图
本数控机床主轴变频调速系统主要配置：FR-E740型变频器、YPNC型电动机。GSK218M系统变频主轴主电路（含控制电路）与信号电路如图3-1-8所示。
4．分析电气控制原理
（1）主电路主要是为了给变频器供电和给负载（电动机）提供电源。合上漏电断路器QF0→三相电源引入变频器FR-E740的R、S、T端。
（2）正反转控制。数控系统发出正转信号M03→XS14的2号引脚输入低电平→图3-1-4中的中间继电器KA2线圈得电→图3 1 4中的KA1常开触头闭合→变频器接线端子FWD（正转启动）与GND（公共输入端）连接（接通）→主轴正转信号输入给变频器→变频器供电给主轴电动机→主轴正转；数控系统发出正转信号M04→XS41的1引脚输入低电平→图3-1-4中的直流继电器KA3线圈得电→图3-1-4中的KA3常开触头闭合→变频器接线端子REV（反转启动）与GND连接（接通）→主轴反转信号输入给变频器→变频器供电给主轴电动机→主轴反转。
由于电动机是直接接到变频器上的，所以要切换正反转，就要控制变频器，通过变频器切换输出电压的相序而改变电动机的转向。
（3）转速控制。变频器VCI端子接数控系统模拟量接口正信号，GND端子接负信号，信号为0～10V模拟电压信号。经过数控系统调节的主轴速度输出值，通过模拟主轴接口电路，以模拟电压的方式输出至变频器，然后通过变频器变频，控制主轴转速。
5．选择所需用的电气元器件（元器件清单）
除GSK218M～CNC外，变频主轴电气控制所需主要元器件如表3-1-3所示。
表3-1-3 变频主轴电气控制元器件明细
6．安装连接
（1）正反转信号连接。如图3-1-4所示，按XS41引脚对应关系将KA2、KA3接入信号回路。如图3-1-4所示，将KA2、KA3常开触头接入控制回路。
（2）主电路安装。电源线必须接入如图3-1-9所示变频器的R、S、T输入端，绝对不能接入U、V、W端。变频器的输入端不用考虑相序，输出端U、V、W则要考虑相序，否则电动机实际转向可能会与指令转向相反。如果在实际中发现有电动机实际转向与指令转向相反现象，则任意调换两相即可。
图3-1-9 主电路安装
（3）主轴编码器的机械安装。主轴编码器与主轴的安装有两种方式。一种是编码器与主轴通过如图3-1-10所示无键锥环挠性联轴器同轴安装锥环分为内锥环和外锥环，是成对使用的弹性锥形胀套；另一种是编码器与主轴通过同步齿形带连接，图3 1 11为同步齿形带传动方式。
图3-1-10 无键锥环挠性联轴器
图3-1-11 编码器与主轴同步齿形带连接
（4）主轴配线（见图3-1-12）
7．检测调试（调试结果应符合使用要求）
1）自检
（1）检查各回路导线、电缆的规格是否符合设计要求。
（2）将机床总电源插座拔下，用万用表测量各电源的相电阻值及对地电阻值，断路器、交流接触器、熔断器等器件是否有短路或断路现象。
（3）开关电源端子接线正负是否正确，24V电源线路是否有短路现象。
（4）检查电动机的安装是否牢固，用兆欧表检查电动机及线路的绝缘电阻值，电动机电源线相序是否连接正确，连接是否牢靠。
图3-1-13 变频器试运行配线
（5）各继电器线圈控制电源正负连接是否正确，连接是否牢靠。
（6）检查数控系统电缆线连接是否可靠。
2）清理安装现场
3）通电试运行
（1）采用如图3 1 13所示配线对变频器试运行。
（2）接通电源，点动控制各电动机的启动，以检查各电动机的转向是否符合要求。
（3）通电空转试运行。空转试运行时，应认真观察各电气元器件、线路、电动机及传动装置的工作是否正常。若发现异常，应立即切断电源进行检查，待调整或修复后方可再次通电试运行。
4）调速性能试验
在主轴正转和反转方式下输入S150、S900、S1800，观察检测实际转速与指令转速是否相符，相差应在±5％以内。
给定主轴一速度，然后增减主轴倍率，观察检测主轴速度是否按相应比例变化。
注意：电动机和线路的接地要符合要求，严禁采用金属软管作为接地通道；在控制箱外部进行布线时，导线必须穿过导线通道中或穿过敷设在机床底座内的导线通道里，导线的中间不允许有接头；通电检验必须在教师的监护下进行，必须严格遵守安全操作规程。
8．变频主轴常见电气故障及其维修
在主电路、控制电路或信号电路中人为设置故障，让学生观察故障现象，分析故障原因并试着正确排除故障，严禁产生新的故障。变频主轴常见电气故障及维修如表3-1-4所示。
表3-1-4 变频主轴常见电气故障及维修
（续表）
四、评分标准
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
