主從控制主驅(qū)動在數(shù)控車銑上的應(yīng)用

沈陽機床股份有限公司 （遼寧 110142） 張秀印

隨著航天、軍工、船舶裝備等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對金切機床技術(shù)水平、性能指標(biāo)要求越來越高。這些行業(yè)的突出特點是零件基體龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、品種繁多，精度要求高，通常小批量生產(chǎn)，無法采用大規(guī)模流水生產(chǎn)方式來提高效率和降低成本。對車銑加工中心主驅(qū)動的功率和轉(zhuǎn)矩的要求越來越高。我公司開發(fā)設(shè)計的VTC系列車銑中心工作臺主驅(qū)動采用兩個不同規(guī)格的主電動機、兩套齒輪減速箱、兩個小齒輪、一個大齒環(huán)驅(qū)動工作臺旋轉(zhuǎn)。通過數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)雙主電動機的同步控制，實現(xiàn)車削調(diào)速功能和C軸消隙功能。工作臺位置反饋由安裝在底座上的圓光柵進(jìn)行反饋。

不同規(guī)格兩個主電動機驅(qū)動工作臺，既提高了機床的車削功率、銑削轉(zhuǎn)矩，又提高了銑削精度?，F(xiàn)結(jié)合西門子840D系統(tǒng)為例對其進(jìn)行簡單介紹。

1.雙電動機主驅(qū)動

如果單獨一個電動機無法產(chǎn)生足夠的車削功率和銑削轉(zhuǎn)距，使用兩個相同功率的電動機功率很容易達(dá)到，但是要實現(xiàn)大的銑削轉(zhuǎn)矩，必須使用減速機構(gòu)，會增加很多成本，為此使用兩個不同規(guī)格的電動機進(jìn)行驅(qū)動。

工作臺主驅(qū)動采用兩個主電動機、兩套齒輪減速箱、一個大齒環(huán)驅(qū)動工作臺旋轉(zhuǎn)。通過數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)雙主電動機的同步控制，實現(xiàn)車削調(diào)速功能和C軸消隙功能，如圖1所示。

（1）車削時，主電動機通過一個雙擋變速的減速機及一個減速箱驅(qū)動小齒輪帶動齒圈來實現(xiàn)工作臺的轉(zhuǎn)動。

（2）銑削時，兩個電動機工作在電氣預(yù)載操作模式，通過電氣控制實現(xiàn)C軸消隙，由于能通過電氣控制C軸預(yù)緊力，提高了C軸剛度和精度。

圖1 不同規(guī)格電動機主驅(qū)動圖

2.主從控制

主從控制即速度/轉(zhuǎn)矩耦合控制，兩個電動機通過減速機、齒輪、齒圈實現(xiàn)剛性連接，分別對兩個電動機設(shè)置減速比及轉(zhuǎn)矩張力系數(shù)，系統(tǒng)作為一個軸進(jìn)行控制?？刂平Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.預(yù)加載功能

圖2 主從控制結(jié)構(gòu)圖

預(yù)加載功能是通過對于受到位置（速度）反饋控制的轉(zhuǎn)矩施加偏置，在主動軸和從動軸上外加方向相反的轉(zhuǎn)矩，使其總是處在保持張力的狀態(tài)。通過這一功能，即可通過齒輪等來減小兩臺電動機由于串聯(lián)連接而產(chǎn)生的主動軸和從動軸的反沖造成的影響。但是該功能不能減小絲杠和工作臺之間的間隙和其余機床固有間隙的影響。

在加/減速中需要轉(zhuǎn)矩時，兩臺電動機就會產(chǎn)生相同方向的轉(zhuǎn)矩（負(fù)載分享方式）。在停止中等不需要轉(zhuǎn)矩時，通過預(yù)載，使其相互處在保持張力的狀態(tài)（方反沖方式）。在使用該功能時應(yīng)指定盡可能小的預(yù)加值。避免設(shè)定高于額定轉(zhuǎn)矩的預(yù)加載值。如果設(shè)定值較大會出現(xiàn)過載報警。

4.功能調(diào)試步驟

（1）調(diào)試過程 軸名稱定義為YL：主動軸，YF：從動軸。

調(diào)整步驟簡述：①先必須確認(rèn)工作臺潤滑正常。②取消主從關(guān)系，分別單個旋轉(zhuǎn)CM（見表1）或CS（見表2）電動機帶動工作臺旋轉(zhuǎn)（一個電動機生效時，另外一個電動機取消勵磁作為負(fù)載），確認(rèn)電動機旋轉(zhuǎn)方向。并且在單獨旋轉(zhuǎn)的過程中觀察負(fù)載、噪聲等，確認(rèn)機械連接是否正常，同時確認(rèn)轉(zhuǎn)速是否正確。③經(jīng)過單個電動機帶動工作臺旋轉(zhuǎn)后，確定每個電動機機械連接與轉(zhuǎn)速無誤后，激活主從功能，在車銑方式下分別實驗主從動作（見表3）。

表1 CM

表2 CS

表3

（2）調(diào)試前準(zhǔn)備工作 通用參數(shù)設(shè)定如下：

MD30300=1：設(shè)定為旋轉(zhuǎn)軸

MD30310=1：模態(tài)顯示

MD30320=360：360°模態(tài)顯示

MD31050[1]：低擋傳動比（負(fù)載側(cè)）

MD31050[2]：高擋傳動比（負(fù)載側(cè)）

MD31060[1]：低擋傳動比（電動機側(cè)）

MD31060[2]：高擋傳動比（電動機側(cè)）

MD32000：工作臺位置控制方式下，快速移動速度(G00)

MD32010：工作臺位置控制方式下，JOG快速移動速度

MD32020：工作臺位置控制方式下，JOG點動速度

MD35100：最大主軸速度

MD35130[1]：工作臺低擋速度限制

MD35130[1]：工作臺高擋速度限制

MD32300：工作臺最大加速度

MD35000：主軸聲明。

1：第1主軸（CM）

3：第3主軸（CS）只有在主從關(guān)系未生效之前，單獨旋轉(zhuǎn)CS電動機時設(shè)定，主從生效后該參數(shù)置0。

MD35200[1]：工作臺速度控制下，低擋加速度

MD35200[2]：工作臺速度控制下，高擋加速度

MD35210[1]：工作臺位置控制下，低擋加速度

MD35210[2]：工作臺位置控制下，高擋加速度

MD36200：工作臺最高速度閥值。設(shè)定值大于MD35100.

圓光柵參數(shù)設(shè)定（只需設(shè)定CM軸）：

MD30200=2：編碼器個數(shù)

MD30240[1]=1：編碼器類型

MD31020[1]=36000：每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)

MD31040[1]=1：編碼器安裝在機床上

MD34200[1]=3：參考點返回模式

PLC參數(shù)：

CM：DB100.DBX0.4=0 內(nèi)編生效；DB100.DBX0.4=1 外編生效

CS：DB40.DBX1.5=1 內(nèi)編生效(PLC程序內(nèi)已經(jīng)固化為1，無需更改)

確認(rèn)CM、CS電動機旋轉(zhuǎn)方向（單獨旋轉(zhuǎn)CM或CS）。

單獨旋轉(zhuǎn)CM電動機：

取消CS電動機勵磁DB100.DBX1.4=0。激活CM電動機DB100.DBX1.2=1。

執(zhí)行M03 S 旋轉(zhuǎn)CM電動機帶動工作臺運動。記住工作臺旋轉(zhuǎn)方向。

執(zhí)行M04 S 旋轉(zhuǎn)CM電動機帶動工作臺運動。記住工作臺旋轉(zhuǎn)方向。

單獨旋轉(zhuǎn)CS電動機：

取消CM電動機勵磁DB100.DBX1.2=0，激活CS電動機DB100.DBX1.4=1。

執(zhí)行M3=03 S3= 旋轉(zhuǎn)CS電動機帶動工作臺運動。記住工作臺旋轉(zhuǎn)方向。

執(zhí)行M3=04 S3= 旋轉(zhuǎn)CS電動機帶動工作臺運動。記住工作臺旋轉(zhuǎn)方向。

比較執(zhí)行M03指令與M3=03指令工作臺的旋轉(zhuǎn)方向，若方向不同，則取反CS電動機參數(shù)MD37274值。

該步驟的目的是，保證兩電動機的旋轉(zhuǎn)方向相同。

（3）工作臺擋位說明 換擋功能： 工作臺換擋實際是CM軸變擋，CS軸只有一個擋位，工作臺換擋過程中，CS電動機無使能，只是作為負(fù)載跟隨CM電動機轉(zhuǎn)動。工作臺換擋只能在車方式下執(zhí)行，銑方式下?lián)Q擋指令不執(zhí)行。S指令實現(xiàn)自動換擋或指定M代碼進(jìn)行換擋。

M41：工作臺切換低擋

M42：工作臺切換高擋

車銑方式與工作臺擋位關(guān)系：

車方式：高低擋位之間可以任意轉(zhuǎn)換

銑方式：不能執(zhí)行變擋操作，且工作臺必須處于低擋狀態(tài)。方式切換至銑方式時，工作臺擋位自動向低擋變換。

（4）主從功能設(shè)定 功能基本參數(shù)設(shè)定。

PLC參數(shù)：

DB100.DBX1.2=0

DB100.DBX1.4=0

MD3500=0：分配主軸號給機床

只設(shè)定CS軸該參數(shù)，主從生效后，從動軸步分配給機床。

MD37250=4：從動軸的轉(zhuǎn)矩給定值來源

只在CS軸設(shè)定該參數(shù)，設(shè)定主動軸號。

MD37252=4：從動軸的速度定值來源

只在CS軸設(shè)定該參數(shù)，設(shè)定主動軸號。

MD37268：轉(zhuǎn)矩分配比例

通常設(shè)定：

CM：MD37268=80

CS：MD37268=100－MD37268(CM)=20

調(diào)整參數(shù)設(shè)定：

MD37264：主從電動機間張力，設(shè)定額定轉(zhuǎn)矩的百分比

只在CS軸內(nèi)設(shè)定該參數(shù)。通常設(shè)定范圍：0!30。

MD37266：時間常數(shù)

只在CS軸設(shè)定該參數(shù)。該參數(shù)設(shè)定值必須大于0，MD37264內(nèi)設(shè)定的張力不能加載值機床。通常設(shè)定5。

調(diào)整步驟：首先參數(shù)MD37264內(nèi)設(shè)定較小張力，例如10，再設(shè)定時間常數(shù)MD37266=5，觀察主軸負(fù)載以及是否工作臺有振動，此時CS主軸負(fù)載應(yīng)該略微上升。

手動方式下，點動主軸，若負(fù)載值主從軸基本相同，工作臺無振動，工作臺定位旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)即可。若預(yù)載調(diào)試過程中，工作臺有振動產(chǎn)生，則可以適當(dāng)增大時間常數(shù)MD37266。預(yù)載值一般設(shè)定值不要超過電動機額定值的30%，否則電動機會發(fā)熱。

5.結(jié)語

不同規(guī)格雙電動機主驅(qū)動的應(yīng)用, 不但可以產(chǎn)生大功率、大轉(zhuǎn)矩，提高效率、降低成本，還可有效地提高機床C軸定位精度和重復(fù)定位精度。