基于机床数控系统的电主轴控制技术

随着机床工业的不断发展，电主轴的应用越来越广泛。电主轴上安装星角切换装置后，不仅具有低速大扭矩，还具有高速大功率的特点。高速电主轴的主轴型式是主轴电机的定子和转子直接安装在主轴组件中，即高速电机放在精密主轴中，电主轴的电机转子是主轴，主轴的外壳是电机的底座，实现了变频电机和主轴的一体化，电机直接驱动主轴形成电主轴。

电主轴取消了从电机到主轴的传动链中的齿轮、皮带等中间环节，动力源直接驱动主轴。传动链长度为零，实现了机床主轴系统的“零传动”。它具有高速、高精度、低噪声、低温升、体积小、安装方便等特点，是现代高档数控机床的主要关键部件。与早年内圆磨床使用的内置电机主轴不同的是，它采用变频调速技术，主轴具有更大的驱动功率和扭矩，并有一系列传感器及其检测控制系统，用于监测主轴振动、轴承温升等参数。因此，电主轴及驱动系统是一种技术含量很高的机电一体化产品，涉及机械、电机、驱动与控制、支撑、润滑、材料热处理、振动等多个领域，是一套相对独立、完整的智能功能部件。

本文以机床数控系统的研究为背景，研究了两种控制电主轴星角切换的方法。第一种方法是通过PLC逻辑控制程序，在加工程序中编辑相应的M代码，实现电主轴的星角切换。第二种方式是通过数控系统的SINAMICS BICO连接技术实现电主轴的星角切换。

1.逻辑程序控制的星角切换

首先绘制电气原理图(见图1)通过逻辑控制控制电主轴的星角切换，然后调用数控系统的星角切换功能块，最后编辑数控系统主轴部分星角切换的电机参数。

(1)星角切换原理

接触器K2.46合上，电主轴角度接通；K2.47接触器闭合，电主轴星形连接。

(2)逻辑控制程序

控制星角切换的功能块FC17集成在CNC系统中，编辑功能块生效的条件如下:

一把DB20。DBX 140.0调用星角转换功能块？

JC M00320.dbx140.0 = 1星角转换生效。

综上所述，在MDA或AUTO模式下，执行M54时，切换到星形连接；执行M55时，切换刀角连接。其特点是操作简单。执行M代码可以切换电主轴的星角，但切换时需要主轴停止。这降低了机床的工作效率。

(3)星角切换主轴的参数设置

由于参数设置与数控系统SINAMICS BICO连接技术基本相同，在此不再赘述。

2.数控系统SINAMICS BICO连接技术控制星角切换。

(1)控制原理

图2和图3示出了星角切换控制的示意图。接触器Q120A接合，数控系统NCU上的X122.9输出继电器K120A接合，使接触器Q120A接合，主轴星形连接。接触器Q120A的反馈触点向X122.4反馈星形连接的状态；数控系统NCU上的X122.10输出继电器K120B接合，使接触器Q120B接合，电主轴呈三角形连接。接触器Q120B的反馈触点将角度连接的状态反馈给X122.3

(2)X122功能设置

如星形角度转换示意图所示，X122.3为角度连接的接触器反馈，X122.4为星形连接的接触器反馈；X122.9为星形连接接触器的吸合输出，X122.10为角形连接接触器的吸合输出。然后要把数控系统的X122.3/4设置为输入端口(默认)，X122的9/10设置为输出端口(需要把要改变的控制单元数据设置为输出端口)。

因为X122是控制单元NCU上的接口，为了设置控制单元数据，根据电气原理图的要求设置控制单元参数p728(CU数字输入和输出状态)。X122.3/4为数据输入点(默认)，9/10为数据输出点(对应位置1，表示改为输出端口)。

(3)添加驱动数据组/电机数据组。

配置时，电主轴星角对应的参数要单独配置，因为星角切换相当于电主轴有两套驱动数据(DDS)，低速大扭矩时切换到星形连接，高速大功率时切换到三角形连接。因此，在配置星角两套电机数据时，先添加数据组(见表2)，然后分别配置星接电机和角接电机的参数，分配电机编码器的数据。

数据组展开后，主轴驱动参数中的以下参数将被自动设置:

(4)配置电主轴的星形/三角形连接参数。

根据星角的两组数据集，增加两组星角切换的电机参数，以星角切换为18000r/min的凯斯勒牌电主轴电机驱动数据为例，如表3所示。

在每个参数的[0]中输入星形连接的电机参数，在[1]中输入角度电机参数。另外，从上表可以看出，星角切换的临界转速为4700r/min。

(5)星角切换相关参数

主轴驱动数据:p820[0]为驱动数据组选择DDS位1/ DDS位1。设置为63:2197.2，即当主轴实际转速小于等于转速阈值p2155中的设定值时，p820[0]=0，DDS0([0])数据组生效；当主轴的实际转速大于转速阈值p2155中设定的值时，p820[0]=1，DDS1([1])数据组生效。

注意:更改上述参数时，只需将参数p922更改为999自定义消息，不能将原136消息改回来，否则参数p820参数更改将失败。

星角切换延时时间建议为100ms，只有在有星角切换时间报警时才能设置，否则不能设置。

P2155[0]电主轴星角切换速度阈值从凯斯勒电主轴参数表显示，应设定4700 r/min；

p 2155[1]KESSLER电主轴参数表显示电主轴星角切换速度阈值为4700 r/min；

P2140[0]转速阈值侧隙，迟滞转速，不宜过小，推荐为90r/min；

P2140[1]转速阈值侧隙和迟滞转速不能太小，建议为90r/min；

根据KESSLER电主轴参数表，p2000电主轴的最大速度应设置为18000 r/min。组态完成后，该参数应自动写入最大转速18000转/分。如果不是自动写的，可以手工输入。

3.结束语

综上所述，由PLC逻辑控制程序控制的星角开关，每进行一次开关，主轴转速就会降到0，然后开关进行机床加工需要时间，降低了机床的工作节奏和效率；数控SINAMICS BICO连接技术控制电主轴的星角切换，实现了切换时的无级变速，节省了时间，提高了机床的工作效率。建议使用这种开关模式。