用模拟变频器实现刚性攻丝的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种用模拟变频器实现刚性攻丝的装置，包括数控系统、主轴控制装置，其特征在于主轴控制装置是由模拟变频器、主轴电机和主轴电机编码器、Z轴伺服驱动器、Z轴伺服电机和伺服电机编码器连接构成。其特点是通过用国产模拟变频器替代进口的数字主轴伺服装置构成的主轴控制装置，不但能够完成中高档加工中心机床所有的主轴功能，还保证了刚性攻丝特殊加工。由于国产模拟主轴变频器造价仅为数字伺服装置的1／2，因而大大降低了加工中心机床的配套设备成本，同时解决了加工中心机床依赖进口部件的问题。
【专利说明】用模拟变频器实现刚性攻丝的装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种数控机床，特别是一种应用于中高档加工中心机床的用模拟变频器实现刚性攻丝的装置。
【背景技术】
[0002]目前，国内中高档加工中心机床绝大多数都是配置进口的数控系统和数字伺服主轴驱动器及主轴电机，用于实现刚性攻丝功能。但进口设备及关键部件的价格昂贵，导致生产成本增加，且受制于国外。虽然国产的模拟主轴变频器和主轴电机价格低廉，但其仅仅是一个速度控制装置，没有位置控制环节，不具备刚性攻丝功能，不能应用到加工中心机床设备上。因此，应用范围受到了限制。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的在于提供一种造价低、性能可靠的用模拟变频器实现刚性攻丝的装置，它是用模拟变频器替代数字伺服实现加工中心机床所需的刚性攻丝和其他主轴功倉泛。
[0004]本实用新型的技术解决方案是:一种用模拟变频器实现刚性攻丝的装置，包括数控系统、主轴控制装置，其特征在于主轴控制装置是由模拟变频器、主轴电机和主轴电机编码器、Z轴伺服驱动器、Z轴伺服电机和Z轴伺服电机编码器构成；数控系统设置有刚攻位置输出、输入模拟接口 CNSC，与模拟变频器输入接口连接，模拟变频器输出接口与主轴电机连接，将数控系统插补运算器发出的刚攻位置指令Pz传送到模拟变频器控制主轴电机工作，在数控系统与模拟变频器、主轴电机之间构成用模拟电压控制模拟变频器和主轴电机工作的刚性攻丝位置控制回路；数控系统设置可编程控制器PLC输出、输入接口，分别与模拟变频器控制信号输入和应答信号输出接口连接，将数控系统PLC可编程序控制器发出的主轴使能、加减速切换、紧急停止、报警复位、增益切换信号传送到模拟变频器，同时接收模拟变频器主轴报警、主轴运行的应答信号，在数控系统与模拟变频器之间构成模拟变频器工作方式控制回路；
[0005]数控系统设置主轴电机编码器反馈输入接口 CNSP，与模拟变频器编码器PG-X3速度检测信号端及主轴电机编码器输出端连接，接收由主轴电机编码器发出的速度反馈信号，在数控系统与模拟变频器、主轴电机编码器之间构成位置、速度、电流闭环的主轴位置反馈回路；数控系统设置有Z轴位置输出接口 CNSV3，与Z轴伺服驱动器连接，将插补运算器发出的Z轴位置移动信号传送至Z轴伺服驱动器，输出控制Z轴伺服电机工作，数控系统设置有Z轴位置反馈接口 CNFB3，与Z轴伺服电机编码器连接，将伺服电机位置信号反馈至数控系统插补运算器，在数控系统与伺服驱动器、伺服电机和编码器之间构成Z轴位置移动、反馈控制回路。
[0006]本实用新型通过上述控制回路的相互配合，实现用模拟变频器完成刚性攻丝功倉泛。[0007]所述的刚性攻丝位置控制回路，其数控系统主轴模拟输出、输入接口 CNSC包括有5个端子，其中端子GND和SPDA为模拟指令输出端子，分别与模拟变频器输入端子Al和AC连接，将数控系统输出的刚性攻丝位置指令Pi通过CNSC接口转变成±10V的电压信号传送给模拟变频器，端子FG为屏蔽接地端，端子AIN和GND为负载反馈输入端子，分别与模拟变频器输出端子FM和AC连接，接收由模拟变频器反馈的+IOV主轴电机实际运转速度和负载状态信号，实现对控制模拟变频器主轴电机的正转、反转及转速、转角控制和负载监控。
[0008]所述的变频器工作方式控制回路，其数控系统可编程控制器PLC输出接口的Y50-54端子与模拟变频器输入接口的S1-5端子——对应连接，通过输出的Y50、Y51、Y54信号可以控制模拟变频器刚性攻丝时的主轴使能、加减速、增益切换；可编程控制器PLC应答信号输入接口 X28、X29端子与模拟变频器应答输出接口 M1、MB端子一一对应连接，将模拟变频器输出的主轴运行Ml和主轴报警MB信号传送给可编程控制器PLC。
[0009]所述主轴位置反馈回路，其模拟变频器转接板PG-X3的TBl端子与主轴电机编码器PG输出端A+、A-、B+、B-、Z+、Z-连接，模拟变频器接收主轴电机编码器反馈的主轴速度信号，模拟变频器的转接板PG-X3的TB2端子即反馈输出端与数控系统的接口 CNSP反馈输入端CNSP1-14连接，将主轴电机编码器反馈的位置脉冲信号传送给数控系统，形成主轴位置闭环控制。
[0010]所述Z轴位置移动、反馈控制回路是数控系统Z轴数字输出接口 CNSV3通过数据总线连接到Z轴驱动器的CNSV3数字输入接口，Z轴伺服电机编码器PG通过电缆连接到数控系统的Z轴位置反馈CNFB3接口，传送Z轴位置Pz移动指令和接收Z轴反馈的当前实际
位置信号。
[0011]本实用新型的特点是:通过采用模拟变频器替代数字主轴伺服装置控制主轴电机，同时由数控系统控制Z轴伺服驱动和Z轴伺服电机，共同执行刚性攻丝的插补运动，不但能够完成中高档加工中心机床所有的主轴功能，还实现了刚性攻丝这种特殊加工功能。由于国产模拟主轴变频器造价仅为数字伺服装置的I / 2，因而大大降低了加工中心机床的配套设备成本，解决了加工中心机床依赖进口部件的问题，利用该结构原理还可以实现其他主轴功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本实用新型的原理图；
[0013]图2是本实用新型的电路图；
[0014]图3是本实用新型刚性攻丝模拟接口结构示意图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图对本实用新型作进一步详述:
[0016]如图1、2、3所示，本实用新型提供的用模拟变频器实现刚性攻丝的装置主要由数控系统、模拟变频器、主轴电机和编码器、Z轴伺服驱动器、Z轴伺服电机和编码器构成。在数控系统中设置有刚攻位置输出、输入模拟接口 CNSC，它包括模拟指令输出SPDA和AGND端子、负载反馈输入AlN和GND端子、屏蔽地FG端子，其中模拟指令输出SPDA和AGND端子分别与模拟变频器输入A1、AC端子连接，将数控系统插补运算器发出的刚攻位置指令Pi通过与主轴位置反馈Fp的比较运算后产生刚攻位置命令pi，经过刚攻位置输出接口 CNSC转变成± IOV的电信号传送给模拟变频器。负载反馈输入AlN和GND端子分别与模拟变频器输出FM和AC端子连接，接收由模拟变频器发出的+IOV的反馈电信号，端子FG接屏蔽地。通过在数控系统与模拟变频器之间建立刚性攻丝位置控制回路，将数控系统插补运算器发送的刚性攻丝位置指令Pi以模拟电压的形式送到模拟变频器，实现控制模拟变频器主轴电机的正转、反转及转速、转角。
[0017]数控系统设置了可编程控制器PLC刚性攻丝输出、输入接口，其输出接口端子为Y50-54，其中Y50为主轴使能输出端子，Y51为增益切换输出端子，Y52为紧急停止输出端子，Y53为报警复位输出端子，Y54为加减速切换信号输出端子。这五个输出接口端子分别与模拟变频器输入接口端子S1-5 —一对应连接，通过将数控系统可编程控制器产生的主轴使能Y50、增益切换Y51、加减速切换Y54信号输送到模拟变频器，控制主轴电机的起动和刚性攻丝所需的加减速切换、增益切换。数控系统的可编程控制器PLC应答信号输入接口端子X28、X29与模拟变频器应答输出接口端子Ml、MB —一对应连接，可编程控制器接收模拟变频器输出的主轴故障报警MB和主轴运行Ml监测信号，实时监控模拟变频器的工作状态。在数控系统与模拟变频器之间建立变频器工作方式控制回路。
[0018]数控系统设置反馈输入接口 CNSP，模拟变频器电路板PG-X3的速度检测信号端子TBl与主轴电机编码器PG输出端A+、A-、B+、B-、Z+、Z-连接，接收主轴电机编码器发出的A+、A-、B+、B-、Z+、Z-脉冲频率，检测主轴电机的旋转速度。模拟变频器电路板PG-X3的输出端子TB2与数控系统的接口 CNSP反馈输入端CNSP1-14连接，将主轴电机转动后的位置脉冲AO、IG、B0、IG、Z0、IG实时反馈至数控系统中，形成包含位置、速度、电流的主轴位置反馈回路，实现主轴电机位置闭环控制，当主轴电机到达刚性攻丝的目标位置时，数控系统将发出刚性攻丝结束信号，使主轴电机和Z轴电机停止转动，完成刚性攻丝。
[0019]数控系统还配制有Z轴位置输出数字接口 CNSV3，经数据总线与Z轴伺服驱动器连接，Z轴伺服驱动器与Z轴伺服电机连接，将数控系统插补运算器发出的Z轴电机位置指令Pz经Z轴位置P1、数字接口 CNSV3、数据总线电缆传送至Z轴伺服驱动器，控制Z轴伺服电机转动，构成Z轴位置移动控制回路。数控系统配置的反馈输入接口 CNFB3与Z轴电机编码器连接、接收Z轴的当前实际反馈位置，构成Z轴位置反馈回路。由这两个回路控制完成Z轴与主轴的插补运动，实现刚性攻丝。
[0020]本实用新型利用模拟变频器和Z轴伺服驱动器相结合实现刚性攻丝的控制工作过程是:
[0021 ] a、数控系统的可编程序控制器PLC根据加工程序发出刚性攻丝M/843/844/845指令，产生主轴使能Y50、加减速切换Y51、增益切换Y54控制信号通过变频器工作方式控制回路输出给模拟变频器，控制主轴电机启动、加减速参数切换、增益参数切换，以调整刚性攻丝时与Z轴的插补跟踪误差。
[0022]b、将数控系统发出的刚性攻丝位置指令Pi经过与主轴位置反馈Fp的比较运算后产生刚攻位置命令Pi，经过刚攻位置输出接口 CNSC转变成±10V的电信号通过刚性攻丝位置控制回路传送给模拟变频器，用来控制主轴电机刚性攻丝时的正转或反转以及转角转速。
[0023]C、数控系统发出的刚性攻丝Z轴位置指令Pz通过CNSV3数字接口和总线发送到Z轴伺服驱动器的CNSV3数字接口，控制Z轴伺服电机与主轴电机的插补移动。
[0024]d、发出刚攻位置Pi指令，主轴转动，通过同步旋转的主轴编码器将当前的主轴电机转动角度位置经反馈接口 CNSP转变成主轴位置反馈信号Fp给数控系统的比较运算环节，并与刚攻位置指令Pi比较运算后产生刚攻位置命令Pi，本系统为负反馈，所以会有以下比较运算:
[0025](刚攻位置指令Pi)— (Fp主轴反馈位置)=(pi刚攻位置命令)。
[0026]经过刚攻位置指令Pi与主轴位置反馈Fp的比较运算，得出刚攻位置命令pi使主轴模拟输出0-± 10V，控制模拟变频器驱动主轴电机做正转、到位、停止、反转、到位的刚性攻丝运动。
[0027]e、与主轴刚攻位置控制原理相同，Z轴位置指令Pz通过数控系统数字接口 CNSV3、数据总线传送给Z轴伺服驱动器的CNSV3接口，控制伺服电机按照指令移动，而编码器PG同步转动并把Z轴实际位置经过反馈接口 CNFB3的Fz位置反馈传送给数控系统。遵照位置闭环控制原理，Z轴位置指令Pz —位置反馈Fz = Z轴位置命令pz，使Z轴位置输出并通过数据总线传送给Z轴伺服驱动，根据pz输出数字信号的大、小、正、负控制Z轴伺服电机转动的快、慢、停止和方向，只有当Z轴位置反馈Fz等于Z轴位置指令Pz，使Z轴位置输出pz等于0，Z轴在刚性 攻丝方式下与主轴插补的移动才结束。
【权利要求】
1.一种用模拟变频器实现刚性攻丝的装置，包括数控系统、主轴控制装置，其特征在于主轴控制装置是由模拟变频器、主轴电机和主轴电机编码器、Z轴伺服驱动器、Z轴伺服电机和Z轴伺服电机编码器构成；数控系统设置有刚攻位置输出、输入模拟接口 CNSC，与模拟变频器输入接口连接，模拟变频器输出接口与主轴电机连接，将数控系统插补运算器发出的刚攻位置指令Pz传送到模拟变频器控制主轴电机工作，在数控系统与模拟变频器、主轴电机之间构成用模拟电压控制模拟变频器和主轴电机工作的刚性攻丝位置控制回路；数控系统设置可编程控制器PLC输出、输入接口，分别与模拟变频器控制信号输入和应答信号输出接口连接，将数控系统PLC可编程序控制器发出的主轴使能、加减速切换、紧急停止、报警复位、增益切换信号传送到模拟变频器，同时接收模拟变频器主轴报警、主轴运行的应答信号，在数控系统与模拟变频器之间构成模拟变频器工作方式控制回路；数控系统设置主轴电机编码器反馈输入接口 CNSP，与模拟变频器编码器PG-X3速度检测信号端及主轴电机编码器输出端连接，接收由主轴电机编码器发出的速度反馈信号，在数控系统与模拟变频器、主轴电机编码器之间构成位置、速度、电流闭环的主轴位置反馈回路；数控系统设置有Z轴位置输出接口 CNSV3，与Z轴伺服驱动器连接，将插补运算器发出的Z轴位置移动信号传送至Z轴伺服驱动器，输出控制Z轴伺服电机工作，数控系统设置有Z轴位置反馈接口CNFB3，与Z轴伺服电机编码器连接，将伺服电机位置信号反馈至数控系统插补运算器，在数控系统与伺服驱动器、伺服电机和编码器之间构成Z轴位置移动、反馈控制回路。
2.根据权利要求1所述的一种用模拟变频器实现刚性攻丝的装置，其特征在于所述的刚性攻丝位置控制回路，其数控系统主轴模拟输出、输入接口 CNSC包括有5个端子，其中端子GND和SPDA为模拟指令输出端子，分别与模拟变频器输入端子Al和AC连接，将数控系统输出的刚性攻丝位置指令Pi通过CNSC接口转变成±10V的电压信号传送给模拟变频器，端子FG为屏蔽接地端，端子AIN和GND为负载反馈输入端子，分别与模拟变频器输出端子FM和AC连接，接收由模拟变频器反馈的+IOV主轴电机实际运转速度和负载状态信号，实现对控制模拟变频器主轴电机的正转、反转及转速、转角控制和负载监控。
3.根据权利要求1所述的一种用模拟变频器实现刚性攻丝的装置，其特征在于所述的变频器工作方式控制回路，其数控系统可编程控制器PLC输出接口的Y50-54端子与模拟变频器输入接口的S1-5端子一一对应连接，通过输出的Y50、Y51、Y54信号可以控制模拟变频器刚性攻丝时的主轴使能、加减速、增益切换；可编程控制器PLC应答信号输入接口 X28、X29端子与模拟变频器应答输出接口 Ml、MB端子一一对应连接，将模拟变频器输出的主轴运行Ml和主轴报警MB信号传送给可编程控制器PLC。
4.根据权利要求1所述的一种用模拟变频器实现刚性攻丝的装置，其特征在于所述主轴位置反馈回路，其模拟变频器转接板PG-X3的TBl端子与主轴电机编码器PG输出端A+、A-、B+、B-、Z+、Z-连接，模拟变频器接收主轴电机编码器反馈的主轴速度信号，模拟变频器的转接板PG-X3的TB2端子即反馈输出端与数控系统的接口 CNSP反馈输入端CNSP1-14连接，将主轴电机编码器反馈的位置脉冲信号传送给数控系统，形成主轴位置闭环控制。
5.根据权利要求1所述的一种用模拟变频器实现刚性攻丝的装置，其特征在于所述Z轴位置移动、反馈控制回路是数控系统Z轴数字输出接口 CNSV3通过数据总线连接到Z轴驱动器的CNSV3数字输入接口，Z轴伺服电机编码器PG通过电缆连接到数控系统的Z轴位置反馈CNFB3接口，传送Z轴位置Pz移动指令和接收Z轴反馈的当前实际位置信号。
【文档编号】G05B19/414GK203444288SQ201320576043
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】郭峰功, 黄贤鸿, 李洪波, 徐宗华, 童阿琴, 李庆国, 崔长振, 殷振杰, 陈洪宝, 冯丹 申请人:大连大森数控技术发展中心有限公司