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1、. . . . 3263B数控车床主轴调速系统原理分析 翟 洪 旭 单位 航空职业技术学院 地址 市大东区和睦路12号2012-7-6摘 要本论文重点介绍3263B数控车床主轴调速系统，即SMOREG_V5系统。它是一个电枢可逆的逻辑无环流双闭环控制系统，文中介绍了系统的组成和主要技术指标。SIMOREGV5可控硅调速装置以电流环为环，速度环为外环，它将整流后的直流电供给他励直流电动机的电枢和磁场，该装置具有良好的动态响应和稳态控制性能。分析了SIMOREGV5系统停车、起动、制动、稳态四种运转状态以主轴不转为例，分析了主轴调速系统最常见的故障现象，介绍了主轴调速系统故障诊断的方式、方法。关键
2、词：数控技术、直流调速、主轴系统、原理分析、故障诊断18 / 21目 录摘要II绪论11 3263B数控车床主轴调速系统组成与技术指标21.1 SIMOREG-V5装置组成21.2 SIMOREG-V5系统技术指标32主轴调速系统原理分析52.1转速电流双闭环系统的组成62.2速度调节器62.3电流调节器73 主轴系统控制功能流程103.1停车控制103.2起动控制113.3制动控制124 主轴系统故障诊断14结束语15参考文献16绪论随着科学技术和社会的发展,机械制造技术有了深刻的变化，由于社会对产品多样化的需求更加强烈，多品种中小批生产的比重明显增加，采用传统、普通加工设备已经难于适应高效
3、率、高质量、多样化的加工要求。这样就出现了一种新的加工模式-机床数控技术。机床数控技术的基础原理：首先编程输入数控系统，通过计算机不断计算输出，反馈等控制过程完成机械加工。它是柔性制造系统（FMS），计算机集成制造系统（CIMS）的技术基础之一，是机电一体化的重要组成部分。与其他加工方法相比，机床数控技术具有以下优点：1）数控系统取代了普通机床的手工操纵；2）零件加工精度一致性好；3）生产周期较短；4）可加工复杂形状的零件；5）易于调整机床；车床数控技术的应用，一方面促使机械加工的大量前期准备工作，与机械加工过程连为一体；另一方面，促使机床加工全过程与柔性自动化水平不断提高，即提高了制造系统适
4、应各种生产条件变化的能力。现代数控技术的发展已经从NC（硬线连接数控）升级到CNC（微机数控系统），随着微机技术的发展，又出现了全功能数控系统。本论文重点介绍3263B数控车床主轴调速系统即SMOREG_V5系统,它特别适合机床的主传动和传动装置的机械设备，其特点是调速围宽、调速精度好、体积小、重量轻、尤以可靠性好著称。1 3263B数控车床主轴调速系统组成与技术指标3263B数控车床主轴调速系统是德国西门子公司生产的可控硅直流变换装置，型号是SIMOREG_V5，它是一个电枢可逆的逻辑无环流双闭环控制系统。1.1 SIMOREG-V5装置组成SIMOREG-V5装置由控制板A1,A2,A3,
5、A4,A01,A02和功率单元所组成,各板所包含的线路分述如下:A1控制板1.给定积分器(加速调节器); 2.通报电路.Nset=n*set(加速度为零通报) Ia Ix (过流通报) n nx (欠速通报) A2控制板1.速度调节器,速度限幅器2.电流调节器,电流反馈信号形成电路3.触发脉冲4.切换逻辑5.n Nmax通报电路6.测速机故障监视电路A3控制板:1.控制单元直流稳压电源和回路同步信号2.故障监视,显示和执行信号3.锯齿波和节拍脉冲4.调节器封锁信号A4控制板:12个脉冲变压器(主回路触发部分)A01控制板:1.电势调节器(隔直流变换器)2.磁场调节器3.励磁电源触发脉冲信号形成
6、电路A02 控制板;励磁控制回路直流电源和功率元件(可控硅和二极管)功率单元板: 12只反并联可控硅和阻容吸收单元.1.2 SIMOREG-V5系统技术指标1、额定支流输出电压：380V或220V（必须采用进线电源变压器）；2、额定支流输出电流：35A、65A、130A、190A、250A、360A.、435A.；3、额定输出功率：13 218瓦；4、电网电源：三相380A105% 5060Hz2%；5、速围：1：100（其中调压比：1：33.调磁比：1：3）；6、度稳定性：+4-6%（调速控制围：1：100)）；7、转矩反向零电流间隔时：4 8 毫秒；8、相序：右旋磁场；9、温度稳定性：0.
7、03%（每变化10C）；10、加速时间围：0.2 5秒；11、加速时间扩展：1：11；12、额定励磁电压：310V或220A；13、额定励磁电流：12 22A。2主轴调速系统原理分析SIMOREGV5可控硅调速装置是一个电枢可逆的逻辑无环流双闭环控制系统，电流环为环，速度环为外环。它将整流后的直流电供给他励直流电动机的电枢和磁场，它借助电枢电流反向可在四个象限运行，其中、象限为电动状态，、象限为发电状态。电动机的调速是无级且分为两个区域，低于额定转速采用恒力距方式，高于额定转速采用弱磁升速。该装置具有良好的动态响应和稳态控制性能，使其既适合于对换向和制动的快速性要求较高的场合，如龙门刨床的主传
8、动；也适合于对换向和制动的快速性要求不高的场合，如车床、镗铣床的主传动。所以该装置是一个功能齐全、较理想的可控硅直流拖动装置。系统的方框图如图1所示。图1SIMOREGV5系统方框图2.1转速电流双闭环系统的组成在转速电流双闭环系统中，既要控制转速实现无静差调节，又要控制电流，充分利用电动机过载能力获得快的动态响应。为使在上述两种调节过程中同时具有良好的动态品质，SIMOREGV5系统中设置了转速调节器（ST）和电流调节器（LT），以ST的输出调节电压作为LT的电流给定信号，LT的输出调节电压作为作为可控硅触发装置的移相控制电压。从闭环反馈结构看，转速环在外，电流环在，SIMOREGV5系统的
9、简化框图如图2所示。图2 SIMOREGV5系统简化方框图2.2速度调节器速度调节器是一个带有电压限幅的PI调节器，它主要由主调节器和最大电压限幅环节组成，主调节器又由比例器、积分器和相加器三部分组成。输出信号式中为比例系数，为积分时间常数。图3SIMOREGV5速度调节器框图从上式看出，由比例和积分两部分组成，比例部分迅速反应调节作用，积分部分最终消除静态偏差，使其在动态稳速控制中都具有良好的控制性能。进一步从动态、静态两种工作状态解释速度调节器的作用。1) 动态变化很快，积分电容c相当于短路，放大倍数变为，数值小，调节器增益很低，因而系统稳定，所以又称为动态放大倍数。2) 静态变化很慢，积
10、分电容c相当于开路，积分放大器处于开环放大状态，调节器增益很高，极小的静差也可以放的足够大，加上积分累积效应，使静差减小到几乎为零。这时放大器的开环放大倍数又称作静态放大倍数。2.3电流调节器速度调节器并没有考虑到电动机的启动、制动性能、电网波动、负载波动等因素。电流调节器接受速度调节器的输出信号，并考虑上述因素，最终输出调节信号，经脉冲发生器直接控制电动机的运转。SIMOREGV5的电流调节器也是一个PI调节器，由绝对值放大器、比例放大器、积分放大器、电流反馈信号形成器、电流适应开关、起始通态电流控制开关，和拉信号、W控制开关组成。图4SIMOREGV5电流调节器框图由图4可见，电流调节器接
11、受速度调节器的输出信号，加上电机电流反馈，进行PI控制，其功能与速度调节器类似，但它引入了与电机运转状态有关的控制开关信号，使其控制能力进一步增强，下面分析这些开关的作用。1） 电流适应开关电机轻载运行，开关信号使有关接点动作，增大调节器的比例值和积分时间，使其响应减缓，电机转速平稳；当电机重载运行时，减小比例值、积分时间，调节器响应加快，在重载且负荷变化较大的情况下，使电机尽量变成转速稳定。2） W拉开关电机进行降速、制动和反转运行时，该信号控制有关接点动作，电流调节器立即封锁，使其输出电压为零伏，把触发脉冲推向区，进入本桥逆变。当电枢电流降为零后，该信号被切除，其作用是加速响应过程。3）
12、起始通态电流开关当电枢电压为零时，产生起始通态电流信号，使有关接点动作，该信号直接作用到电流调节器的输出级，加快被打开整流桥的电流建立，使系统的过渡过程缩短、快速性提高。3 主轴系统控制功能流程SIMOREGV5系统的运转状态分为四种，停车、起动、制动、稳态。其中停车、起动、制动受外界信号制约较多，下面给出这三种工作过程控制流程。3.1停车控制初始条件：速度调节器给定值为零，电动机励磁回路得电。“封锁”为高电平“释放”低电平“脉冲释放”低电平速度调节器封锁“w”为低电平“起始通态电流”低电平无选择信号可控硅、低电平速度调节器输出为零伏电流调节器封锁主回路触发脉冲处于区可控硅整流桥整流状态电压U
13、d=0电动机转速n=0图5 停车控制流程方框图结合图5，由流程图可见，当速度调节器给定为零时，由调节器释放单元输出的“封锁”信号、“脉冲释放”信号，将逻辑控制单元、电流调节器、速度调节器封锁，使整个系统处于停车状态。3.2起动控制初始条件：速度给定值为负电压。“封锁”低电平“释放”高电平速度给定值加入“w”高电平“起始通态电流”低电平电流调节器封锁零电流信号为低电平“w”高电平“起始通态电流”高电平速度调节器输出正电压“调节器” 低电平“调节器” 高电平“可控硅组”高电平“可控硅组”低电平电动机启动在时间T200ms内，电动机转速电动机稳速运行图6 起动控制流程方框图3.3制动控制初始条件：速
14、度调节器给定值负电压速度给定值由负电压降为零伏速度调节器输出电压“调节器” 为高电平 “调节器” 为低电平“释放”低电平“”低电平触发脉冲处于区，本桥逆变“零电流”为高电平延时器动作， 可控硅桥关断，可控硅桥关断“”高电平 “起始通态电流”高电平“释放”高电平“”高电平，“起始通态电流”低电平“零电流”为低电平延时器动作， 233可控硅桥关断，可控硅桥开放 可控硅桥开放、零电流信号为低电平、电机转速电流调节器封锁解除电动机保持不转动，n=0=0“”高电平“起始通态电流”高电平电流调节器输出为零伏“零电流”由高变为低电平“”高电平“起始通态电流”低电平“释放”变为高电平可控硅桥开放，可控硅桥关断
15、可控硅桥关断，可控硅桥开放断关断关断延时器动作， 233可控硅桥关断，可控硅桥关断延时器动作， “零电流”变为高电平“”低电平“释放”低电平“调节器” 为低电平“调节器” 为高电平电动机转速n=0速度调节器输出电压为零伏电动机进行降速，再生制动电流调节器封锁解除，电动机进行降速，再生制动电动机转速n=0速度调节器输出电压为零伏“调节器” 为低电平 “调节器” 为高电平“释放”低电平 “”低电平“零电流”变为高电平延时器动作， T10.4可控硅桥关断，可控硅桥关断延时器动作， 233可控硅桥开放，可控硅桥关断可控硅桥关断，可控硅桥开放断关断关断“释放”变为高电平“”高电平 “起始通态电流”低电平
16、“零电流”由高变为低电平“”高电平 “起始通态电流”高电平电流调节器输出为零伏电动机保持不转动，n=0=0图7 制动控制流程方框图4 主轴系统故障诊断主轴调速系统.故障诊断通常从以下几个方面着手：（1） CRT或操作面板上显示的报警容或报警信息；（2） 主轴驱动装置上的报警灯；（3） 机床强电控制；（4） PLC与I/O接口状态；（5） 机械连接主轴不转是主轴调速系统最常见的故障现象，但造成这一故障的原因却是多种多样的。例一：主轴不转。检查CRT与操作面板无报警信息；检查主轴驱动装置上的报警灯，指示故障。通过检查发现可控硅主回路的U、V两相熔断器熔断，说明U、V两相短路，检查外围强电线路无短路
17、，换新熔断器，重新上电，CNC控制系统、主轴驱动系统均正常，启动主轴仍不转，检查发现可控硅主回路仍为两相熔断器熔断，据此现象分析，可控硅回路在工作过程中有两相被同时触发的嫌疑。用示波器检查可控硅触发脉冲，发现组触发脉冲正常，组触发脉冲不正常，恒为高电平，一旦启动主轴，组可控硅时刻都处于导通状态，当组可控硅被触发，就形成短路，造成U、V两相熔断器熔断。处理方法：修复可控硅触发脉冲电路板。例二、主轴不转。检查CRT与操作面板无报警信息，检查主轴驱动装置上的报警灯，指示故障。通过检查发现可控硅主回路的U、V两相熔断器熔断，说明U、V两相短路，检查外围强电线路有短路，检查发现主接触器触点烧结粘连，处理
18、后外围强电短路现象消失。换新熔断器重新送电，主轴仍不转。再查，仍是两相主回路熔断器熔断，而且是不启动主轴情况下熔断器熔断，据此情况分析，不是驱动器装置控制电路问题，检查可控硅，发现可控硅模块击穿，更换后故障解除。例三：主轴不转，检查CRT与操作面板无报警信息，检查主轴驱动装置无报警信息，检查PLC I/O口信号正常，测量主轴驱动装置输出，输出正常。据此情况分析，CNC系统、主轴驱动系统与外围机床电气无问题。检查机械连接，发现主轴电机与机床主轴之间的传送皮带断裂，更换新皮带后故障解除。此外，电磁阀损坏；油缸运动不到位，档位检测开关压不上；档位检测开关损坏；驱动系统使能信号没有；电机励磁没有等等都
19、能造成主轴不转故障，所以对故障诊断要视情况具体分析。结束语本文分析的3263B数控车床主轴调速系统在自动控制与电机拖动理论中，叫做直流调速系统，当今，虽然自动控制技术已进入交流调速时代，但作为直流调速，毕竟引领工业自动化几十年，我们工厂尚存有相当数量的直流调速设备，所以掌握直流调速技术，对工业生产仍具有实际指导意义。参考文献1 王侃夫.数控机床控制技术与系统.：机械工业出版，2007.2 吴国经.数控机床故障诊断与维护.：电子工业，2004.3 小年.数控机床故障诊断与维修.：华中科技大学，2005.4 乔玉清.3263B数控车床技术文件.：第三机床厂技术研究所，1992.5 徐衡.数控机床故障诊断技术.：西南交通大学，2006.6 史国生.交直流调速系统.: 化学工业,2002.