SHINKAWA VM-5Z4
一、概述
SHINKAWA VM-5Z4是五轴联动高端伺服运动控制器，是面向航空航天、精密模具、半导体封装、医疗器械等高端制造领域的核心控制单元，广泛应用于五轴高速加工中心、精密电火花成型机、晶圆级封装设备、骨科植入物加工设备等场景。该设备作为五轴运动协同控制的“大脑”，采用64位多核异构处理器与新一代五轴插补引擎，可实现五台伺服电机的同步驱动与高精度协同控制，通过复杂轨迹插补与动态误差补偿技术，精准完成空间曲面、微型结构等精密加工任务，为高端制造设备的“高精度、高效率、高可靠性”运行提供核心支撑。
以“高速联动精度、强环境适应性、灵活扩展性、智能运维”为显著优势。采用24位高精度信号采集电路与自主研发的“五轴动态耦合控制算法”，位置控制精度可达±0.0005mm（搭配线性光栅尺时），速度响应频率提升至1.8kHz，能快速适配高速加工场景的指令响应需求。设备兼容脉冲、模拟量、高速总线等多类型指令输入，可无缝对接主流品牌PLC、HMI及伺服电机，同时具备模块化扩展设计，支持根据场景需求增配反馈接口、通信模块等。其完善的安全保护与智能诊断系统，可实时监测设备运行状态，在异常工况下快速触发保护机制，降低设备损坏与生产事故风险。紧凑化机身与人性化操作设计，进一步简化了系统集成与运维流程，是高端制造企业实现自动化升级的关键装备。
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、空间轨迹插补及多坐标系转换 |
控制模式 | 位置控制、速度控制、转矩控制（支持模式实时切换）；支持点对点定位、五轴联动插补（直线、圆弧、螺旋线、NURBS插补）、电子凸轮、电子齿轮、飞剪、追剪控制等高级功能 |
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；搭配线性光栅尺：±0.0001mm |
速度控制范围 | 0.01rpm-6000rpm（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：≤±0.08rpm |
驱动能力参数 | 适配电机功率 | 单轴适配0.75kW-7.5kW伺服电机；五轴同时工作时总功率≤25kW（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：25A（有效值）；单轴最大输出电流：50A（峰值，持续时间≤3s） |
转矩输出能力 | 额定转矩：2.39N·m-23.9N·m（对应0.75kW-7.5kW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：1.8kHz；位置环带宽：1000Hz；转矩响应时间：≤0.4ms；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3MHz；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：36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3MHz）、绝对式编码器（SSI、EnDat 2.2、PROFIBUS协议）、线性光栅尺（Heidenhain、Mitutoyo协议）；每轴支持双反馈接口（主从冗余） |
数字量输出 | 28路隔离数字量输出（16路晶体管NPN型+12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，冗余设计）；1路PROFINET IRT接口；1路EtherNet/IP接口；1路USB 3.0接口；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≤2.5A；辅助电源：DC 5V/15A（为编码器等外设供电） |
功耗指标 | 空载功耗：≤120W；额定负载功耗：≤28kW（五轴7.5kW电机满负荷运行）；待机功耗：≤18W |
环境与可靠性参数 | 环境适应性 | 工作温度：-10℃-50℃（无冷凝）；存储温度：-30℃-75℃；相对湿度：10%-95%（无凝露，IEC 60068-2-30）；海拔高度：≤2000m（超过需降额，每升高1000m降额10%） |
可靠性指标 | 平均无故障时间（MTBF）：≥350,000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：320mm×240mm×110mm（长×宽×高）；安装方式：DIN导轨安装/面板安装（带高效散热片）；机身材质：铝合金（阳极氧化）；重量：约5.2kg |
三、功能特点
1. 五轴高速联动，精密轨迹精准可控
VM-5Z4的核心优势在于五轴高速联动控制能力，搭载新川新一代“多核并行插补引擎”与“动态误差预测补偿算法”，可在高速运行状态下保持微米级轨迹精度。在航空航天发动机涡轮叶片加工场景中，设备控制X、Y、Z三轴直线运动与A、B两轴旋转运动协同，通过NURBS插补技术加工复杂曲面，轨迹误差≤0.001mm，表面粗糙度达Ra0.2μm，满足高精度叶片的气动性能要求；在精密模具加工中，通过螺旋线插补实现五轴联动雕刻，加工效率较传统三轴设备提升40%以上，同时避免多次装夹导致的累计误差。设备支持“五轴动态坐标系补偿”功能，可通过激光干涉仪测量机械误差数据，自动生成补偿参数，消除丝杠间隙、导轨直线度误差等影响，进一步提升控制精度。此外，其高速响应性能可适配高速加工需求，单轴最高运行速度达6000rpm，五轴联动时进给速度达15m/min，大幅缩短加工周期。
2. 多模式协同与灵活适配，系统集成高效便捷
设备支持位置、速度、转矩三种核心控制模式，且支持“工序化模式自动切换”，可根据加工流程预设模式切换逻辑，提升作业效率。在医疗器械骨科植入物加工中，粗加工阶段采用速度控制模式（高速切除余量），半精加工阶段切换为位置控制模式（保证轮廓精度），精加工阶段启用转矩控制模式（避免薄壁件变形），三种模式通过内部逻辑无缝衔接，确保加工质量与效率。指令输入方式极为丰富，3MHz高速脉冲指令适配高精度PLC的高速输出，满足点对点定位的快速响应；±10V DC模拟量指令可直接接入模拟量控制器，用于简易调节；36路隔离数字量输入可接收启停、急停、限位、手自动切换等现场信号，适配各类传感器与操作按钮。设备具备强大的兼容性，可无缝对接三菱、西门子、发那科等品牌的伺服电机，支持增量式、绝对式编码器及线性光栅尺等多种反馈设备，无需更换控制器即可适配不同精度等级的加工需求，降低系统升级成本。
3. 高速冗余总线通信，实时交互与数据互联
VM-5Z4配备双路EtherCAT高速总线接口，支持CoE协议与冗余通信，通信周期可低至0.1ms，实现与上位控制器、HMI及伺服系统的实时数据交互。在多工位协同生产线中，上位系统通过EtherCAT总线同时控制多台VM-5Z4设备，各设备同步响应，轴间同步误差≤0.05ms，满足大型航空结构件的多工序协同加工需求；冗余总线设计可在主链路故障时，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。设备搭载的PROFINET IRT接口支持等时实时通信，可与西门子PLC无缝对接，实现控制指令与状态数据的高速传输；EtherNet/IP接口便于接入工厂MES系统，上传加工进度、设备状态、故障信息等数据，支撑智能制造管理与数据分析。USB 3.0接口支持与电脑高速连接，通过组态软件实现参数配置、程序下载、轨迹仿真等功能，下载速度较传统接口提升5倍以上，大幅缩短调试时间。此外，设备支持“远程运维”功能，通过以太网实现远程参数修改、故障诊断与固件升级，减少现场运维工作量。
4. 全方位安全保护与智能诊断，运行稳定可靠
设备内置“三重安全防护体系”，覆盖电气、机械、工艺全场景。电气保护方面，具备过压、欠压、过流、过载、过热、绝缘监测等功能，主电路电压超出380V AC±15%或输出电流超过50A峰值时，立即切断动力输出并锁定；机械保护方面，支持硬件急停（响应时间≤0.3ms）、软件软限位、外部限位开关接入，避免机械碰撞；工艺保护方面，可设置转矩、速度、位置偏差上限，超限时自动减速或停机，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，记录故障类型、发生时间、故障时参数曲线，支持故障代码查询与智能分析，如故障代码E18表示五轴同步误差超限，系统可自动分析是反馈异常还是负载波动导致，辅助运维人员快速排查。设备配备2.8英寸彩色LCD显示屏，可直接查看运行参数与故障信息，无需连接电脑即可完成基础调试与故障诊断。
5. 模块化设计与智能运维，安装调试高效省心
设备采用“核心控制模块+扩展模块”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数字量I/O、通信接口等，适配不同场景的功能需求，降低初期投入。机身采用铝合金阳极氧化材质，内置高效散热风扇与大面积散热片，散热效率较传统设计提升40%，可在-10℃-50℃宽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，避免接线错误。运维方面，组态软件支持“离线轨迹仿真”功能，在电脑上模拟五轴运动轨迹，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“一键备份/恢复”，可将参数与程序快速备份至U盘或云端，更换设备时直接恢复，缩短调试周期。设备还具备“自校准”功能，定期自动校准各轴定位精度与同步性能，无需专业设备即可维持高精度运行状态。
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-5Z4，外观无破损、接口无弯曲氧化，配件（散热片、固定螺丝、说明书）齐全；准备安装工具（DIN导轨、扭矩扳手、螺丝刀、压线钳）、接线图纸、伺服电机、编码器线缆、光栅尺（若需）；检查电控柜安装空间满足要求（预留散热间隙≥100mm），通风良好，远离强电磁干扰源，环境温度≤50℃。
- 设备安装：选择DIN导轨或面板安装——DIN导轨安装：将散热片固定在设备底部，对准导轨推入并卡紧，拧紧导轨固定螺丝（扭矩1.0-1.2N·m）；面板安装：固定安装支架，将设备与支架对齐紧固（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：先接控制电路再接主电路——控制电路：接入DC 24V电源（区分正负极），连接急停、限位开关至数字量输入接口；反馈回路：连接五轴编码器/光栅尺线缆至对应接口，确保接线正确，屏蔽层接地；主电路：接入三相380V AC电源，连接伺服电机动力线缆（区分U、V、W相）；通信接口：连接EtherCAT线缆，总线末端接入120Ω终端电阻。接线后整理线缆，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：用万用表测量主电路（380V AC±15%）、控制电路（24V DC±10%）电压；闭合控制电路电源，电源灯亮，LCD显示屏启动无报警；闭合主电路电源，运行灯闪烁后常亮，自检完成，各轴显示“就绪”。
- 初始调试：通过USB 3.0连接设备与电脑，启动组态软件并建立通信；执行“电机自动识别”，确认电机参数；进行“轴原点回归”，设置原点位置并执行回归操作，确认精准回归。
2. 组态配置流程
- 项目创建：打开组态软件，新建项目并命名（如“五轴模具加工项目”），选择“VM-5Z4”型号，配置通信参数（EtherCAT节点ID、PROFINET地址）。
- 基础参数配置：进入“系统参数”界面，选择“五轴联动控制”模式；配置反馈设备类型（如“线性光栅尺”）；确认电机参数，修正异常值；定义工件、机床坐标系原点与方向。
- 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”）；设置各轴参数：位置控制精度±0.0005mm、加速时间200ms，速度控制额定转速3000rpm，转矩控制额定转矩及最大限制；配置坐标系补偿参数。
- 轨迹编程：进入“轨迹编程”界面，通过G代码或图形化编程绘制轨迹，设置进给速度、插补周期；支持导入CAD/CAM生成的IGES/STEP文件，自动转换为控制程序。
- 通信与I/O配置：配置EtherCAT（通信周期0.1ms、冗余启用）、PROFINET参数；设置数字量输入（DIN1启动、DIN2急停等）、输出（DOUT1定位完成等）功能。
- 仿真与下载：离线仿真轨迹程序，优化参数；下载参数与程序至设备，重启后在线测试单轴与五轴联动，确认运动正常、精度达标。
3. 日常操作规范
- 开机操作：每日检查通风与散热系统，依次闭合控制、主电路电源，确认无报警后启动程序；查看各轴原点、反馈信号及电源参数，确认正常。
- 运行监控：每30分钟查看运行参数（电机温度≤70℃、设备温度≤50℃）、轨迹精度与位置偏差；观察电机运行状态，异常时立即急停。
- 参数修改：修改前备份参数，离线编辑并校验；停机下载后空载测试，确认正常再带负载运行；记录修改内容与时间，负责人签字确认。
- 停机操作：正常停机先完成工序，停止程序后断主电路、控制电路电源；紧急停机用急停按钮，故障排除后复位并执行原点回归；长期停机断所有电源，做好防尘保护。
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 |
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LCD显示屏不亮，设备无反应 | 1. 控制电源未接入或线缆松动；2. 电源模块故障；3. 显示屏排线松动 | 1. 检查控制电源接线并紧固；2. 测量电源模块输出，无输出则更换；3. 断电后检查显示屏排线，松动则重新插拔 | 更换配件需用原厂产品；开盖前断电放电，避免触电 |
报警灯亮，报“五轴同步误差超限”（E18） | 1. 某轴反馈信号异常；2. 插补参数不合理；3. 负载过大；4. 通信干扰 | 1. 检查反馈线缆，用示波器测波形，异常则换编码器；2. 延长加速时间至300ms；3. 测运行电流，过大则排查负载卡阻；4. 加强线缆屏蔽接地 | 示波器操作需专业人员；参数调整逐步进行；负载排查需停机 |
某轴精度偏差超差 | 1. 反馈设备精度不足；2. 机械间隙过大；3. 补偿参数错误；4. 负载波动 | 1. 升级高精度反馈设备；2. 调整机械间隙或换磨损部件；3. 重新校准补偿参数；4. 稳定负载避免突变 | 机械调整需专业工程师；校准用激光干涉仪等专业设备 |
EtherCAT通信中断 | 1. 线缆断裂或松动；2. 节点ID冲突；3. 终端电阻未接；4. 主链路故障 | 1. 换备用线缆并紧固；2. 检查节点ID避免重复；3. 接120Ω终端电阻；4. 切换至备用链路排查主链路 | 用原厂屏蔽线缆；终端电阻仅末端接入；测试冗余切换可靠性 |
电机过热报警（E21） | 1. 负载过大；2. 散热风扇故障；3. 电机轴承老化；4. 环境温度过高 | 1. 降低负载或调整加工参数；2. 换散热风扇；3. 换电机并重新识别；4. 改善通风降温 | 换电机用同型号；负载调整兼顾工艺要求；环境温度≤50℃ |
