SIEMENS主轴定位单元的原理与维修

作者:常州机床总厂 龚仲华

SIEMENS 6RA8261主轴定位装置是和该6RA/6RB系列主轴调速单元配套的主轴定向准停控制装置。具有适用范围广，定位点灵活可调，控制简单可靠，定位精度高等优点。本文就该装置的工作原理、实际线路及维修调试方法作一简介，供同行参考。

1   6RA8261主轴定位装置的工作过程

6RA8261主轴定位装置原理如图1所示，它由电源、输入控制、定位偏移调节等部分组成。其主要技术参数如下：

1.  输入电压 DC±24V或AC22～28V；

2.  定位方式 绝对/增量；

3.  定位精度 ±0.176°(检测元件为1024编码器)；

4.  允许主轴变速 3档(任意减速比)；

5.  定位转速输出 高速≥500r/min，低速≤200r/min；

6.  定位点设置 0～360°。

工作过程如下：

1.  当主轴不需要定位时，由NC或外部给定的转速给定值直接控制主轴调速单元，图1中的n_set=n_NC，定位装置的位置环无效，主轴转速由外部调速单元组成的速度闭环控制。

2.  当主轴实际转速n_act≥600r/min时，输入定位指令，主轴立即减速到定位基准转速(约600r/min)再旋转1.5～3转后达到同步，然后进入位置控制，使主轴定位到预置点并保持位置闭环。

3.  当主轴实际转速60r/min≤n_act＜600r/min时，输入定位指令，主轴以现行转速达到同步，然后进入位置控制(下限60r/min为可调节转速)。

4.  当主轴实际转速为0或＜60r/min时，输入定位指令，主轴以60r/min的转速起动并达到同步，再进入位置控制。

上述情况所对应的主轴转速变化如图2所示。

定位装置对转向具有自动判别功能，即定位转向和原主轴转向始终保持一致。整个定位过程约需1～2s(取决于定位前的初始转速)。

2 定位装置各部分工作原理

定位装置的组成如图1所示。各部分的实际线路及工作原理如下：

1.  电源部分 以LM317K稳压块为核心，组成输出为±12V及+5V独立可调电源回路，供定位装置内部线路用。对输入电源的要求为AC22～28V/300mA或DC±24V/300mA，交、直流均可。

2.  输入控制 由SN75116线驱动、MC14027J•K触发器等组成，作用有3：①对编码器输入的信号(u_a，u_b，u_c)进行整形、放大；②产生两倍频的内部计数脉冲Z；③检测主轴实际转向，并产生转向鉴别信号V/R,V/R，(正转：V/R=1,V/R=0,反之亦然)。

3.  计数控制与D/A转换单元 由计数值预置、脉冲数转换、置数控制、D/A转换四部分组成，产生闭环位置调节所对应的速度给定电压K_vDf(Df为与实际计数脉冲相对应的主轴角度)(图3)。

计数预置的作用是将内部拨码开关设置的定位点偏移值、外部I/O给定的定位点偏移值及编码器脉冲数调整值相加后，作为进入闭环位置调节瞬间的计数器初始值。而后随着主轴的旋转通过输入的计数脉冲对预置值进行加/减运算，其结果送给D/A转换器作数据输入。在实际线路里它由MC14519“与或”选择器、MC14008全加器及MC14516计数器组成，限于篇幅线路图从略。

脉冲数转换是为了使定位装置能适用于不同脉冲的编码器，它是通过设置计数器不同的初始值达到脉冲数变换的目的。例如：对于每转1024脉冲的编码器，计数值预置为2048；对于每转1000脉冲的编码器，计数值预置为2000。这一选择在装置内部是通过短接棒予以设置的。

置数控制的作用是在编码器0脉冲到达的瞬间对计数器进行预置控制，保证内部同步。

D/A转换单元在维修和调试时要注意三点。首先，该装置为了提高转换精度，采用正负输出叠加输出方式，D/A转换器最终输出的模拟量为-K_vDf，SIEMENS取K_v=2。其次，是在实际线路里计数器的输出并不是直接作为D/A转换器的输入，而是将计数器输出的第10位(Z₁₀)取反后输入D/A转换器，目的是当计数器被减(或加)到1024时，D/A转换器的输出K_vDf=0。如前所述，输入脉冲是被输入控制线路两倍频后作计数脉冲的，所以事实上最终定位点是在180°的点上，而不在脉冲编码器的0位。第三，当编码器为1000脉冲/r时，计数器被预置2000，第10位(Z₁₀)取反后D/A转换器的初始值为976；这是因为对D/A转换器来说，输入为1024时恒有K_vDf=0，在这种情况下只要再输入976个脉冲，计数器即被减到1024，结果是使用1000脉冲/r编码器的定位点成了176°，而不再是180°，见图4。

4.  给定值转换与传动级交换 控制要求有3点：①根据定位开始时的不同初始转速，输出图2所示的速度给定电压；②给定电压应随主轴传动级的不同而改变，以保证主轴转速严格和图2相一致，而不是电机转速与之对应；③主轴转速在60r/min＜nact≤600r/min时，保证系统从速度环切换到位置环瞬间，速度给定不产生突跳。

其中第②点实际处理比较方便，只须将速度给定电压根据不同传动级进行相应放大或缩小即可。

第①点是由图5所示的特殊线路保证的。图中u₀为经传动级变换后的同步搜索转速给定。线路原理如下：

1.                          定位前u₀=0，n_gr=0,|n_NC|≥0,A1负饱和，D1截止。

2.                          定位开始时，同步搜索转速u₀＞0，这时分两种情况：

a.                                                  |n_NC|＞K₂u₀ (K₂:A2环节的闭环增益)，D1仍截止，n_gr=K₂u₀不变，主轴被降至搜索转速n_gr。

b.                                                  |n_NC|＜K₂u₀,D1导通，各点电压计算如下：

u₁=(1+K₁)n_gr-|n_NC|•K₁≈K₁(n_gr-|n_NC|) (K₁>>1)

n_gr=K₂[u₀-(n_gr-|n_NC|)•K₁] (K₁：A1闭环增益)

得：

3.                          由此可知：若定位前|n_NC|=0，则n_gr=； 若

4.                          |n_NC|≠0，则n_gr≈|n_NC|(因很小)，也就是说调节K₂就可以改变定位搜索转速的上限，调节u₀可以改变搜索转速的下限，并满足了图2给定值的要求。

第③点是由图6所示的特殊线路保证的。

如前所述，进入位置环的瞬间，D/A转换器的输出为：-K_vDf=V_Ref。因此只要保证V_Ref=n_gr，即可以保证系统从速度环切换成位置环时的平稳过渡。图6的原理如下：

正转时，-K_vDf＜0，D3截止，A4输出为

V_Ref=K₅(u₀-u₄)=K₅[u₀-K₄Df+K₄n_gr]

在进入位置环的瞬间K_vDf=V_ref代入后得

满足了平稳过渡的要求。

5.  定位控制单元 这一部分的作用是根据控制的各阶段选择不同的速度给定。即：在正常旋转时选择来自NC的速度给定、在同步阶段选择同步搜索速度n_gr、在进入位置环后选择闭环位置调节输入K_vDf作为速度给定输入(图7)。

6.  到位判别单元 到位判别单元的作用是在主轴进入闭环调节后将计数器的剩余脉冲数和设定的值相比较，当小于设定值即认为到位，并输出相应的触点信号，位置环继续保持闭环调节。

3 主轴定位单元的调试

调试分以下几步进行：

1.  设置到位信号宽度 由定位板内部拨码开关设置，最大为：±5.45°，最小为±0.176°。

2.  调整传动级变换回路的电阻(本文未画出)R₂₂、R₃₃、R₄₄(实际电阻号)，计算公式为

式中i为减速比，R₁₀在定位板内已固定为10kW。如对应传动级I的减速比为i=2，则取R₃₃=10kW即可。

3.  根据要求的定位转速上、下限值，调节图5中的R₅改变上限搜索转速(n_gr)，改变u₀(在传动级变换回路，本文未画出)即可改变下限转速。

在以上调整完成后定位装置即可正常工作。对照本文所画出的波形，可方便地完成维修调试。