數(shù)控機床主軸串聯(lián)控制功能設計與實現(xiàn)

葛阿萍 朱 強

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學院機械工程學院 安徽蕪湖 241006）

一、引言

生產(chǎn)中，加工的對象處于不斷變化，對于立式車床、加工中心或車銑復合等大型機床，當主軸伺服電機驅(qū)動機械坐標軸轉(zhuǎn)矩不夠用時，往往編程操作人員會使用過切削，造成伺服電機負載過大，時常會發(fā)生過熱報警、過載報警、堵轉(zhuǎn)停車等現(xiàn)象，嚴重時甚至會燒毀伺服電機。

在現(xiàn)有的解決方案中，主要有修改加工工藝、更換設備和更換更大規(guī)格伺服電機三種方法，由于這三種方法具有局限性，實際使用率并不高。[1-3]如修改加工工藝，必將使得加工效率下降，不能保證生產(chǎn)進度的要求；更換設備法，是將產(chǎn)品換到伺服電機規(guī)格更大的機床上去加工，但工廠本身不一定有這樣的設備；而對于更換更大規(guī)格伺服電機的方法，會涉及到驅(qū)動器等眾多元器件的更換，還會出現(xiàn)體積或慣量過大，機床安裝空間有限等局限因素，且成本也高。

基于上述情況，文中提出一種新的解決方案，當現(xiàn)有機床主軸電機扭矩無法滿足使用要求，可采用機床主軸串聯(lián)兩個較小規(guī)格伺服電機取代原有的伺服電機，驅(qū)動機床的坐標軸來控制驅(qū)動相應的工作臺，這種方案能保證產(chǎn)品加工的適應面，提高生產(chǎn)效率，如圖1（a）、（b）所示。

圖1 主軸串聯(lián)控制實施圖例

二、主軸串聯(lián)控制應用范圍

主軸串聯(lián)控制功能主要用于立車、加工中心或車銑復合等大機床。[4-5]主電機用于提供主要的扭矩并提供指令，在立車加工時副電機用于增大主軸的扭矩；在銑加工時主電機做位置控制用，副電機主要用于增大扭矩并減小傳動齒輪間的間隙、提高機床精度。 如圖2 和圖3 所示。

圖2 立式車床主軸串聯(lián)控制實施圖

圖3 加工中心主軸串 聯(lián)控制實施圖

當一臺主軸電機不能產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動一個大工作臺時，可以通過串聯(lián)控制（Tandem Control），[6]由兩個伺服電機相互作用使一個軸運行，其主/副電機使用相同規(guī)格的電機，通過這一功能，可以得到2 倍的轉(zhuǎn)矩。此外，通過預加負荷，可以減小齒輪輪齒間的反向間隙，提高傳動精度。

三、主軸串聯(lián)控制原理

FANUC數(shù)控系統(tǒng)串聯(lián)控制功能是通過數(shù)字伺服控制方式得以實現(xiàn)，當工作臺的負荷超出主軸轉(zhuǎn)矩，可以使用兩個伺服電機通過軟件控制，給主/副電機相同的轉(zhuǎn)矩指令，把主/副電機當作一個“串聯(lián)軸”進行控制處理，其串聯(lián)控制原理如圖4所示[7]。

圖4 主軸串聯(lián)控制原理圖

當執(zhí)行速度指令或位置指令時，主動軸通過向從動軸發(fā)送速度或位置指令，從動軸從主動軸接收速度指令和積分值。在從動軸中，只接收速度環(huán)路控制然后根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)4353#2設置的極性來選擇旋轉(zhuǎn)方向，再根據(jù)設定的齒輪比來換算相應的速度指令，在進行了PID 調(diào)節(jié)后，輸出給電流環(huán)路，電流環(huán)路通過霍爾傳感器來檢測電流環(huán)路的誤差值，速度環(huán)路和位置環(huán)路通過主軸傳感器的反饋值來檢測速度環(huán)路和電流環(huán)路的誤差值，進而再通過位置環(huán)路增益、速度環(huán)路增益、速度環(huán)路和速度積分時間常數(shù)來進行相應的誤差校正，使主軸執(zhí)行指令正確，進而保證電機平穩(wěn)運行。

需要注意的是，主軸串聯(lián)控制是以同樣的轉(zhuǎn)矩指令同時送給主電機和副電機，為了防止機械間隙對傳動精度的影響，其速度反饋是把主/副電機速度的平均值作為速度反饋值。

四、主軸串聯(lián)控制的參數(shù)與信號處理

對于FANUC30i系統(tǒng)的主軸串聯(lián)控制，需要對4352號和4009號參數(shù)進行設置，具體設置如下：

4352號參數(shù)用來設置主從軸放大器之間的通信參數(shù)，注意不能將兩個位的參數(shù)均設為1，否則將出現(xiàn)SP9038報警。

對于4009 號參數(shù)，如果此參數(shù)不為1，從動軸將出現(xiàn)SP9037 報警。如果在串聯(lián)控制方式時產(chǎn)生報警，主從軸的動力一定要同時關(guān)閉以阻止機床被損壞。

對于FANUC30i系統(tǒng)的主軸串聯(lián)控制，除了以上兩個參數(shù)需要設置，還需對系統(tǒng)PMC的G信號與F信號進行相應的處理，具體設置如下：

以上信號被切換之前主軸一定要停止。主軸旋轉(zhuǎn)時這些信號不起作用。切換這些信號需在速度控制模式下進行，如不是速度控制模式，這些信號將不起作用。當主從軸被機械脫開時，將以上信號設置為0。

如果以上信號均為1，說明主從軸已經(jīng)進入了主軸串聯(lián)控制方式。

五、主軸串聯(lián)控制速度控制效果

將主軸串聯(lián)控制功能應用于沈陽機床集團VT3立式車銑復合中心機床，如圖5所示。圖中右端伺服電機為本次串聯(lián)控制的主主軸電機，左端為從主軸電機。主軸串聯(lián)控制功能在銑削方式下和車削方式下均生效；車削方式下主主軸提供主要扭矩并提供指令，從主軸提供次要扭矩；銑削方式下主主軸和車削方式的作用一樣，從主軸提供次要扭矩并起到消除齒輪間隙的作用。

圖5 應用案例

打開系統(tǒng)主軸監(jiān)控畫面，在速度控制方式下，不使用主軸串聯(lián)功能時，旋轉(zhuǎn)主軸的負載情況如圖6所示。

圖6 不使用主軸串聯(lián)功能轉(zhuǎn)主軸的負載圖

在速度控制方式下，使用主軸串聯(lián)控制功能時，旋轉(zhuǎn)主主軸負載情況如圖7所示。

圖7 使用主軸串聯(lián)功能主主軸的負載圖

在速度控制方式下，使用主軸串聯(lián)控制功能時，旋轉(zhuǎn)副主軸負載情況如圖8所示。

圖8 使用主軸串聯(lián)功能副主軸的負載圖

經(jīng)比較可知，采用主軸串聯(lián)控制功能，可有效降低主軸負載，提高機床工作效率，滿足當僅僅依靠一個電機不足以提供足夠的扭矩的時候，通過主軸串聯(lián)控制來驅(qū)動相應的工作臺。

六、結(jié)論

（一）可以靠PMC 信號將這個功能開通或關(guān)閉，功能無效后兩個電機可以獨立地旋轉(zhuǎn)。

（二）在主從軸的分配上沒有限制。但是主主軸一定要連接于第一主軸放大器，從主軸一定要連接于第二主軸放大器。

（三）主主軸可以執(zhí)行位置環(huán)路和速度環(huán)路，并將速度指令和速度環(huán)路積分發(fā)送給從主軸。