SHINKAWA VM-5H3
一、概述
SHINKAWA VM-5H3是五轴联动高精度伺服运动控制器，是面向高端制造领域的核心控制设备，广泛应用于五轴加工中心、精密雕刻机、航空航天零部件加工设备、3D打印设备及半导体晶圆精密加工设备等场景。该设备作为多轴协同控制的核心枢纽，采用多核异构处理器架构与先进的五轴插补算法，可同时驱动五台伺服电机实现高精度位置、速度及转矩的协同控制，通过五轴联动功能精准完成复杂曲面、空间轨迹的加工与运动控制，为高端制造设备的高精密、高效率运行提供坚实的控制保障。
以“五轴联动高精度、高响应协同、强抗干扰、易集成”为核心优势。采用64位多核异构处理器与24位高精度编码器信号采集电路，搭配自主研发的五轴联动插补算法，位置控制精度可达±0.0005mm（搭配线性编码器时），速度响应频率达1.5kHz，能快速响应外部指令变化并实现多轴同步运行。设备支持多种主流通信协议与控制模式，兼容脉冲指令、模拟量指令及高速总线控制，可无缝适配三菱、西门子、发那科、海德汉等品牌的PLC、HMI及伺服电机，同时具备完善的故障诊断与安全保护功能，可在过载、过压、编码器故障、机械超程等异常工况下快速触发保护机制，保障设备、工件及操作人员的安全。其模块化硬件设计与人性化组态界面，简化了系统集成与运维流程，是推动高端制造设备自动化、精密化升级的关键核心组件。
二、技术参数
参数类别 | 规格参数 | 说明 |
|---|
基本控制参数 | 控制轴数 | 5轴独立控制/五轴联动控制，支持轴间同步、复杂轨迹插补及坐标系转换功能 |
控制模式 | 位置控制、速度控制、转矩控制（三种模式可通过参数配置或外部信号实时切换）；支持点对点定位、五轴联动插补（直线、圆弧、螺旋线、NURBS曲面插补）、电子凸轮、电子齿轮、飞剪控制等高级功能 |
位置控制精度 | 脉冲指令控制：±1个脉冲；搭配20位增量式编码器：±0.002mm；搭配26位绝对式编码器：±0.0005mm；搭配线性编码器：±0.0001mm |
速度控制范围 | 0.01rpm-5000rpm（连续可调）；速度波动范围：≤±0.05%（额定速度下）；五轴同步速度误差：≤±0.1rpm |
驱动能力参数 | 适配电机功率 | 单轴适配0.5kW-5.5kW伺服电机；五轴同时工作时总功率≤20kW（380V AC输入） |
输出电压/电流 | 输出电压：0-380V AC（三相）；单轴额定输出电流：20A（有效值）；单轴最大输出电流：40A（峰值，持续时间≤3s） |
转矩输出能力 | 额定转矩：1.59N·m-17.2N·m（对应0.5kW-5.5kW电机）；最大转矩：3.5倍额定转矩（持续时间≤3s） |
响应性能 | 速度响应频率：1.5kHz；位置环带宽：800Hz；转矩响应时间：≤0.5ms；五轴联动插补周期：≤0.1ms |
输入/输出与通信参数 | 指令输入方式 | 脉冲指令：差分信号（A/B相脉冲、脉冲+方向），最高脉冲频率2MHz；模拟量指令：±10V DC（对应速度/转矩指令），精度±0.05% FS；数字量指令：32路隔离数字量输入（干/湿接点兼容） |
反馈信号输入 | 支持增量式编码器（5V差分，最高2MHz）、绝对式编码器（SSI、EnDat 2.2、PROFIBUS协议）、线性编码器（Heidenhain、Fanuc协议）、光栅尺反馈；每轴独立高精度反馈接口，支持双反馈冗余配置 |
数字量输出 | 24路隔离数字量输出（晶体管+继电器混合输出，前16路晶体管NPN型，后8路继电器），晶体管输出最大电流1A，继电器输出容量250V AC/5A；可配置为报警、定位完成、速度到达等状态信号 |
通信接口 | 2路EtherCAT高速总线接口（支持CoE协议，周期通信≤0.1ms，支持冗余）；1路PROFINET接口（支持IRT实时通信）；1路Modbus TCP/IP接口（以太网）；1路USB 3.0接口（参数配置与程序下载）；1路CANopen接口（标配） |
电源与功耗参数 | 供电规格 | 主电路电源：三相380V AC（允许波动范围±15%），50/60Hz；控制电路电源：DC 24V（允许波动范围18-30V），电流≤2A；辅助电源：DC 5V/10A（为编码器等外设供电） |
功耗指标 | 空载功耗：≤100W；额定负载功耗：≤22kW（五轴5.5kW电机满负荷运行）；待机功耗：≤15W |
环境与可靠性参数 | 环境适应性 | 工作温度：0℃-45℃（无冷凝）；存储温度：-20℃-70℃；相对湿度：10%-90%（无凝露，IEC 60068-2-30）；海拔高度：≤1000m（超过需降额使用，每升高1000m降额10%） |
可靠性指标 | 平均无故障时间（MTBF）：≥300,000小时；使用寿命：≥15年；抗电磁干扰：IEC 61000-4-2（ESD ±15kV空气放电、±8kV接触放电）、IEC 61000-4-4（EFT ±4kV）、IEC 61000-4-6（射频传导抗扰度±10V/m） |
物理参数 | 尺寸与安装 | 尺寸：300mm×220mm×100mm（长×宽×高）；安装方式：DIN导轨安装/面板安装（带散热片）；机身材质：铝合金（阳极氧化，增强散热）；重量：约4.5kg |
三、功能特点
1. 五轴联动高精度控制，复杂轨迹精准实现
VM-5H3的核心竞争力在于五轴联动高精度控制能力，采用新川自主研发的“多核并行插补算法”与“空间轨迹预测控制技术”，可实现五轴同步运动时的微米级轨迹精度。在航空航天零部件加工场景中，设备可控制X、Y、Z三轴直线运动与A、C两轴旋转运动协同工作，完成复杂曲面的NURBS插补加工，轨迹误差≤0.001mm，满足钛合金叶片等高精度零件的加工需求；在精密雕刻机应用中，通过螺旋线插补功能控制五轴联动，实现三维立体雕刻，表面粗糙度可达Ra0.4μm以下，远超传统三轴设备的加工效果。设备支持多种坐标系转换功能，包括工件坐标系、机床坐标系、刀具坐标系的实时切换与补偿，可通过参数设置消除机械误差（如丝杠间隙、导轨误差），进一步提升控制精度。此外，五轴联动支持“主从轴动态跟随”模式，可设定任意一轴为主轴，其余四轴根据主轴运动状态实时调整运动参数，跟随误差≤0.0005mm，适配流水线多工序协同加工场景。
2. 多模式协同与指令适配，系统集成灵活多样
设备支持位置、速度、转矩三种核心控制模式，且支持“多模式协同运行”，可根据加工流程自动切换模式，提升作业效率与安全性。在3D打印设备中，喷头移动轴（X、Y、Z）采用位置控制模式实现精准定位，送丝轴采用转矩控制模式确保送丝均匀，旋转工作台采用速度控制模式配合打印节奏，三种模式通过内部逻辑无缝切换，保障打印质量。指令输入方式极为丰富，2MHz高速脉冲指令适配高精度PLC的脉冲输出，满足点对点定位的高速响应需求；±10V DC模拟量指令可直接接入模拟量控制器，用于简易速度或转矩调节；32路隔离数字量输入接口可接收启停、急停、模式切换、行程限位等现场信号，适配各类操作按钮与传感器。设备兼容多种高端反馈设备，不仅支持常规编码器，还可接入光栅尺、激光干涉仪等精密测量设备，实现“闭环反馈控制”，通过实时采集运动数据并调整控制参数，消除外部干扰导致的精度偏差，适配超精密制造场景。
3. 高速冗余总线通信，实时控制与数据交互
VM-5H3搭载双路EtherCAT高速总线接口，支持CoE协议与冗余通信功能，通信周期可低至0.1ms，实现与上位运动控制器、HMI及伺服电机的实时数据交互。在多设备协同系统中，上位控制器通过EtherCAT总线同时向多台VM-5H3下发控制指令，各设备同步响应，轴间同步误差≤0.05ms，满足大型生产线多工位协同加工需求；冗余总线设计可在主通信链路故障时，0.1ms内自动切换至备用链路，确保生产不中断，提升系统可靠性。设备配备的PROFINET接口支持IRT（等时实时）通信，可与西门子等品牌的PLC无缝对接，实现参数读取、指令下发、故障报警等功能的实时传输；Modbus TCP/IP接口便于与工厂MES系统通信，上传设备运行数据（如加工进度、故障信息、能耗数据），支撑智能制造管理需求。USB 3.0接口支持与电脑高速连接，通过新川专用组态软件可实现参数配置、程序下载、轨迹仿真、数据备份等功能，下载速度较传统USB 2.0提升5倍以上，大幅缩短调试时间。
4. 全方位保护与智能诊断，运行安全稳定可控
设备内置“三层安全保护机制”，覆盖电气、机械、工艺全场景，确保运行安全。电气保护方面，具备过压保护（主电路电压＞437V AC时触发）、欠压保护（主电路电压＜323V AC时触发）、过流保护（输出电流＞40A峰值时触发）、过载保护（持续过载180%时2s内触发）、过热保护（散热器温度＞85℃时触发）、绝缘监测（主电路绝缘电阻＜1MΩ时报警）等功能，触发后立即切断电机动力输出并锁定，同时输出报警信号。机械保护方面，支持硬件急停（响应时间≤0.3ms）、软件软限位（可设置各轴正负极限位置）、机械超程检测（接入外部限位开关），避免机械碰撞导致设备或工件损坏；工艺保护方面，可设置转矩上限、速度上限、位置偏差上限，当参数超出阈值时自动减速或停机，防止加工误差超差。诊断功能智能化程度高，通过组态软件可实时监测五轴电流、电压、温度、位置偏差、轨迹精度等200余项运行参数，支持参数趋势分析与异常预警；内置1000条故障日志存储功能，记录故障类型、发生时间、故障时参数曲线，支持故障代码查询、日志导出与故障原因智能分析，如故障代码E08表示过载故障，系统可自动分析是负载突变还是电机老化导致，辅助运维人员快速排查。
5. 模块化设计与便捷运维，安装调试高效省心
设备采用“核心控制模块+扩展接口模块”的模块化设计，核心模块集成五轴控制核心算法与基础接口，扩展模块可根据需求选配（如额外增加数字量I/O模块、通信模块），适配不同场景的功能需求，降低初期投入成本。机身采用铝合金阳极氧化材质，内置高效散热风扇与散热片，散热效率较传统设计提升30%，可在45℃高温环境下长期稳定运行；接口布局分区明确，主电路、控制电路、反馈接口、通信接口独立排列，标识清晰，配备防错插接头（不同接口采用不同规格），避免接线错误导致的设备损坏。运维方面，机身正面配备2.4英寸彩色LCD显示屏与按键组，可直接在设备上查看运行参数、修改基础参数、查询故障代码，无需连接电脑；通过组态软件可实现“离线仿真”功能，在电脑上模拟五轴运动轨迹与加工流程，验证参数配置正确性后再下载至设备，避免现场调试导致的工件报废；支持“远程运维”功能，通过EtherCAT总线或以太网实现远程参数修改、故障诊断、固件升级，减少现场运维工作量。设备支持“一键备份/恢复”功能，可将参数配置、程序文件快速备份至U盘或云端，后续更换设备时直接恢复，大幅缩短调试周期。
四、操作指南
1. 安装操作步骤
- 安装前准备：确认设备型号为SHINKAWA VM-5H3，外观无破损、接口无弯曲氧化，核对配件（散热片、固定螺丝、说明书、组态软件安装包）齐全；准备安装工具（DIN导轨、扭矩扳手、十字螺丝刀、压线钳）、接线图纸、伺服电机、编码器线缆、光栅尺（若需）；检查电控柜内安装空间满足尺寸要求（预留散热间隙≥100mm），通风良好，远离变频器、电焊机等强电磁干扰源，环境温度≤45℃。
- 设备安装：根据安装方式选择DIN导轨安装或面板安装——DIN导轨安装：将散热片固定在设备底部，再将设备卡扣对准导轨推入并卡紧，用扭矩扳手拧紧导轨固定螺丝（扭矩1.0-1.2N·m）；面板安装：在面板预设孔位固定安装支架，将设备与支架对齐，用螺丝紧固（扭矩1.2-1.5N·m）。安装后检查设备无松动，散热风扇转动正常。
- 接线操作：严格按接线图纸分步骤接线，先接控制电路再接主电路——控制电路：接入DC 24V控制电源（区分正负极），连接急停信号、限位开关信号至数字量输入接口；反馈回路：连接五轴编码器线缆（或光栅尺线缆）至对应轴反馈接口，确保A、B、Z相及电源线接线正确，屏蔽层可靠接地；主电路：接入三相380V AC电源（L1、L2、L3），连接五台伺服电机动力线缆（区分U、V、W相）；通信接口：连接EtherCAT或PROFINET通信线缆至对应接口，总线末端接入终端电阻（120Ω）。接线完成后整理线缆，主电路与控制电路分开绑扎，屏蔽线单端接地（接地电阻≤2Ω）。
- 上电检查：首次上电前，用万用表测量主电路电压（380V AC±15%）、控制电路电压（24V DC±10%），确认无过压、欠压或短路；检查电机相序、编码器接线是否正确；闭合控制电路电源，观察设备电源灯绿色常亮，LCD显示屏正常启动，无报警提示；闭合主电路电源，设备运行灯闪烁后常亮，自检完成，各轴状态显示“就绪”。
- 初始调试：通过USB 3.0接口连接设备与电脑，安装并启动新川组态软件（V4.0及以上版本），建立通信连接；执行“电机自动识别”功能，设备自动读取五台伺服电机型号、额定参数，识别成功后提示“识别完成”，若失败检查电机线缆与反馈线缆连接；进行“轴原点回归”，设置各轴原点位置，执行原点回归操作，确认各轴精准回归原点。
2. 组态配置流程
- 软件启动与项目创建：打开新川组态软件，用管理员账号登录，点击“新建项目”，输入项目名称（如“五轴加工中心控制项目”），选择设备型号“VM-5H3”，设置通信参数（EtherCAT节点ID、PROFINET从站地址），完成项目创建。
- 基础参数配置：进入“系统参数”界面，配置核心参数——控制模式：根据场景选择“五轴联动控制”；编码器/反馈类型：选择接入的反馈设备类型（如“26位绝对式编码器+光栅尺”）；电机参数：确认自动识别的电机参数（功率、额定转速、转矩），手动修正异常参数；坐标系设置：定义工件坐标系、机床坐标系的原点与坐标方向。
- 五轴联动参数配置：进入“五轴配置”界面，选择插补类型（如“NURBS插补”“螺旋线插补”）；设置各轴运动参数——位置控制：定位精度（±0.0005mm）、加速时间（200ms）、减速时间（200ms）、软限位位置；速度控制：额定速度（3000rpm）、速度波动允许值（±0.05%）；转矩控制：额定转矩、最大转矩限制（3.5倍）；配置坐标系转换参数（如A轴旋转角度补偿、C轴分度误差补偿）。
- 轨迹规划与程序编写：进入“轨迹编程”界面，采用G代码或图形化编程绘制五轴运动轨迹，如航空叶片曲面加工轨迹；设置轨迹参数（进给速度、插补周期、刀具补偿值）；支持导入CAD/CAM生成的轨迹文件（如IGES、STEP格式），自动转换为控制程序。
- 通信与I/O配置：进入“通信参数”界面，配置EtherCAT参数（通信周期0.1ms、冗余模式启用）、PROFINET参数（IRT模式、数据交换周期）；进入“I/O参数”界面，配置数字量输入（如DIN1设为“启动”、DIN2设为“急停”、DIN3-DIN7设为“各轴限位”）、数字量输出（如DOUT1设为“定位完成”、DOUT2设为“报警输出”）。
- 离线仿真与参数下载：进入“离线仿真”界面，运行编写的轨迹程序，模拟五轴运动过程，查看轨迹精度、速度曲线、转矩曲线是否正常，若存在轨迹偏差则优化插补参数；仿真通过后点击“参数下载”，将配置参数与程序下发至设备，下载完成后设备重启；进入“在线监控”界面，执行点动测试、单轴运动测试、五轴联动测试，确认各轴运动正常、轨迹精准。
3. 日常操作规范
- 开机操作：每日开机前检查电控柜通风系统、设备散热风扇运行正常，散热片无粉尘堆积；依次闭合控制电路、主电路电源，观察LCD显示屏显示“就绪”，无报警信息；通过组态软件或设备显示屏查看五轴原点位置、反馈信号、电源参数，确认无异常后启动运行程序。
- 运行监控：运行过程中每30分钟查看设备运行状态——LCD显示屏显示的五轴电流、电压、温度（电机温度≤70℃、设备温度≤45℃）；组态软件中的轨迹精度曲线、位置偏差（≤0.0005mm）；现场电机运行是否平稳，无异常噪音、振动或异味；发现异常立即按下急停按钮，记录异常参数后排查原因。
- 参数修改：修改参数前必须备份当前项目文件与参数配置（备份至U盘与云端）；在“离线编辑”模式下修改参数，执行“参数校验”功能，确认无逻辑错误（如速度上限＞电机额定速度）；选择设备停机、工件取出时段下载参数，下载后执行空载测试，确认运动正常、精度达标后再投入加工；记录修改内容、原因、时间及操作人员，由负责人签字确认。
- 停机操作：正常停机时先完成当前加工工序，停止运行程序，待五轴完全停止后，依次断开主电路、控制电路电源；紧急停机时直接按下硬件急停按钮，故障排除后顺时针旋转急停按钮复位，重新开机前需执行原点回归操作；长时间停机（超过15天）需断开所有电源，拆除电机与反馈线缆接头并做好防尘保护，关闭电控柜柜门并张贴“停机维护”标识。
4. 常见故障处理操作
故障现象 | 可能原因 | 处理步骤 | 注意事项 |
|---|
LCD显示屏不亮，设备无反应 | 1. 控制电路电源未接入或线缆松动；2. 电源模块故障；3. 显示屏故障或排线松动 | 1. 检查控制电路电源接线，重新插拔线缆并紧固；2. 用万用表测量电源模块输出电压（24V DC），无输出则更换电源模块；3. 断电后打开设备外壳，检查显示屏排线连接，松动则重新插拔，故障依旧则更换显示屏 | 更换电源模块或显示屏需使用新川原厂配件；开盖操作前必须断电并放电，避免触电 |
报警灯亮，报“五轴同步误差超限”（代码E15） | 1. 某轴编码器反馈信号异常；2. 插补参数配置不合理（如加速时间过短）；3. 某轴负载过大；4. 通信链路干扰 | 1. 检查各轴编码器线缆连接，用示波器测量反馈信号波形，异常则更换编码器；2. 进入组态软件优化插补参数（延长加速时间至300ms）；3. 测量各轴运行电流，电流过大则检查负载是否卡阻；4. 检查通信线缆屏蔽接地，增加抗干扰磁环 | 示波器测量需专业人员操作；优化参数需逐步调整，避免一次性大幅修改；负载卡阻需停机后机械排查 |
某轴运动时精度偏差超差，轨迹异常 | 1. 编码器或光栅尺精度不足；2. 机械间隙过大；3. 坐标系补偿参数错误；4. 负载波动 | 1. 确认编码器/光栅尺精度等级，不足则升级至更高精度型号；2. 检查机械传动机构（丝杠、导轨），调整间隙或更换磨损部件；3. 重新校准坐标系补偿参数，执行“精度校准”功能；4. 稳定负载，避免加工过程中负载突变 | 机械调整需由专业机械工程师操作；精度校准需使用激光干涉仪等专业设备；升级反馈设备后需重新配置参数 |
通信中断，上位系统无法连接（EtherCAT） | 1. 通信线缆断裂或接头松动；2. 节点ID配置冲突；3. 总线终端电阻未接或损坏；4. 总线冗余功能未启用（主链路故障） | 1. 更换备用EtherCAT线缆，重新插拔接头并紧固；2. 进入组态软件检查各设备节点ID，确保无重复；3. 检查总线末端终端电阻（120Ω），损坏则更换；4. 启用总线冗余功能，切换至备用链路，排查主链路故障点 | EtherCAT线缆需使用新川原厂屏蔽线缆；终端电阻仅需在总线末端设备接入；冗余功能启用后需测试切换可靠性 |
电机过热报警（代码E20） | 1. 电机负载过大，长期过载运行；2. 散热风扇故障，散热不良；3. 电机轴承老化；4. 环境温度过高 | 1. 降低负载运行，检查加工参数是否合理（如进给速度过快）；2. 检查电机散热风扇，故障则更换；3. 断开电机与负载连接，空载运行测试，若仍过热则电机轴承老化，需更换电机；4. 改善电控柜通风，增加散热风扇 | 更换电机需为同型号并重新执行电机识别；负载调整需结合加工工艺，避免影响加工质量；环境温度需控制在45℃以内 |
