（南京汽車集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210061）

FANUC系統(tǒng)的雙電機(jī)串聯(lián)控制

孫蘭芳

（南京汽車集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210061）

介紹了雙電機(jī)的兩種控制方式：同步控制和串聯(lián)控制，著重分析了FANUC系統(tǒng)串聯(lián)控制的原理、速度補(bǔ)償以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。通過預(yù)載轉(zhuǎn)矩值設(shè)定和調(diào)整，有效地消除齒輪的間隙。

串聯(lián)控制；預(yù)載功能；速度反饋和補(bǔ)償

一、概述

本機(jī)床是一臺凸輪軸凸輪磨床，機(jī)床有兩個加工位，一用一上料，提高了機(jī)床利用率。

機(jī)床使用的是FANUC 16i系統(tǒng)，一共有7根伺服軸：砂輪頭進(jìn)給軸X1，兩個工件主軸C1，C2，兩個內(nèi)部機(jī)械手W1，W2，砂輪頭平移Z1方向是由Z1和VS組成的串聯(lián)軸。如圖1所示。

圖1 機(jī)床各軸示意圖

二、控制方式

在數(shù)控系統(tǒng)中，經(jīng)常使用兩臺電機(jī)聯(lián)動虛擬為一個坐標(biāo)軸，這兩個電機(jī)常采用同步控制或串聯(lián)控制。下面簡單介紹這兩種控制方式的工作原理，并分析本機(jī)床使用的控制方式。

1.同步控制和串聯(lián)控制

（1）同步控制（Synchronous Control）。同步控制是以同樣的位置指令同時送給主軸（main）和從軸（slave），保持主從軸同步。如圖2所示。

①為保持運(yùn)動的均勻，需要兩個電機(jī)同步驅(qū)動。例如大跨距龍門機(jī)床的龍門直線移動、GROB加工中心垂直滑臺。

圖2 同步控制示例

②為保持加工時不扭搓工件，作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時必須同步。如曲軸Boehringer、曲軸磨床的雙頭工件夾持架。

（2）串聯(lián)控制（Tandem Control）。當(dāng)一個伺服電機(jī)軸轉(zhuǎn)矩不夠用，又不便于更換更大的伺服電機(jī)時，可用同樣的轉(zhuǎn)矩指令同時送給主軸（main）和副軸（sub），在下列情況時，選用串聯(lián)控制：一個驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩不夠，可用兩個較小的驅(qū)動電機(jī)代替；兩個較小的驅(qū)動電機(jī)的慣量或體積，比一個較大的驅(qū)動電機(jī)??；機(jī)械具有“反施”（back feed）的能力，也就是說具有“互為主、副軸”的性能。串聯(lián)控制示例如圖3所示。

圖3 串聯(lián)控制示例

2.本機(jī)床選用的控制方式

本磨床Z1軸，需要的大的轉(zhuǎn)矩適合使用兩個電機(jī)的串聯(lián)控制方式。

Z1軸使用是齒輪齒條傳動，為了減少傳動間隙，可以加一個固定的預(yù)載轉(zhuǎn)矩到主、副電機(jī)的轉(zhuǎn)矩指令上。其相反方向的轉(zhuǎn)矩可以一直維持主、副電機(jī)的張力，去除齒輪、齒條傳動間隙。

三、串聯(lián)控制轉(zhuǎn)矩分析

圖4 移動中轉(zhuǎn)矩變化模式圖

由圖4可知，在主軸上設(shè)定+Pre的預(yù)載轉(zhuǎn)矩，在副軸上設(shè)定-Pre預(yù)載轉(zhuǎn)矩，使主軸和副軸總處在保持張力的狀態(tài)。

軸由停止、加速、勻速、減速，再到停止的運(yùn)動過程中，從轉(zhuǎn)矩變化來看，在加、減速過程中需要轉(zhuǎn)矩時，兩臺電機(jī)就會產(chǎn)生相同方向的轉(zhuǎn)矩，工作在負(fù)載分享模式下。在停止中不需要轉(zhuǎn)矩時，通過預(yù)載，使其相互處在保持張力的狀態(tài)工作在防反向間隙方式下，消除反向間隙。

由上述分析可知，按照軸的運(yùn)動狀態(tài)，兩臺電機(jī)可以在負(fù)載分享模式和防反向間隙兩種工作方式下切換。

四、串聯(lián)控制框圖（圖5）

通常串聯(lián)控制中進(jìn)行位置控制的僅限主軸，副軸僅進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，副軸的速度不進(jìn)行控制，但為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定，常通過速度反饋平均功能和衰減補(bǔ)償來實現(xiàn)副周速度控制。

（1）速度反饋平均值功能及速度控制

如果副軸速度不控制，當(dāng)機(jī)械具有較大的間隙時，副軸會在齒輪等齒隙間產(chǎn)生振動而導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定，且機(jī)械會發(fā)生大的沖擊。為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，通過對副軸進(jìn)行速度控制，即把主、副電機(jī)速度的平均值作為速度反饋值來控制。

（2）衰減補(bǔ)償

為了提高串聯(lián)控制的穩(wěn)定性，若主軸和副軸存在速度差，則在副軸端或主、副軸兩端進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以消除主副軸的速度差，特別是在控制彈簧剛性較低的機(jī)床系統(tǒng)中產(chǎn)生振動時具有效果。

五、機(jī)床配置

1.系統(tǒng)硬件連接圖（圖6）

機(jī)床系統(tǒng)配置了MAIN和Sub CPU，構(gòu)成了兩個HEAD，HEAD1中按FSSB連接順序，分別是SDU1，IOU1，X1，Z1，VS，C1，W1，W2。

圖5 串聯(lián)控制框圖

圖6 系統(tǒng)連接圖

HEAD2中按FSSB連接順序，分別是SDU1、IOU1、C2。

SDU1為分離式檢測器的接口模塊；IOU1為FSSB輸入/輸出模塊；SVM1為單軸伺服放大器；SVM2為雙軸伺服放大器。

2.FSSB配置（HEAD1）（圖7）

圖7 HEAD1伺服放大器設(shè)置

六、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

1.通用參數(shù)

（1）各軸軸名設(shè)定。

①程序軸名稱參數(shù)：No.1020（表1），軸名稱標(biāo)注：No.3131（表2）。

表1

表2

②POSITION界面顯示的絕對坐標(biāo)軸名設(shè)定參數(shù)：No.3132。POSTION界面如（圖8）所示。

圖8

（2）位置顯示。參數(shù)No.3115#0= 1，坐標(biāo)中不顯示該軸位置。

（3）CNC控制軸數(shù)。參數(shù)No.1010，串聯(lián)軸副軸和PMC軸不計算在其中。

（4）伺服軸排列。參數(shù)No.1023，主軸設(shè)定奇數(shù)，副軸設(shè)定為相連的偶數(shù)，需將串聯(lián)的副軸分配在CNC控制軸的后面。若軸沒有配置，設(shè)定值為-128。

（5）電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。參數(shù)No.2022，從電機(jī)軸看按CCW方向旋轉(zhuǎn)，設(shè)定為111，按CW旋轉(zhuǎn)，設(shè)定為-111。

（6）位置反饋的設(shè)定。參數(shù)No.1815#1，是否使用分離式檢測器；參數(shù)No.1815#5，是否是絕對編碼器

2.串聯(lián)設(shè)定

（1）串聯(lián)功能設(shè)定。參數(shù)No.1817#6=1主副軸均進(jìn)行設(shè)定。

（2）平均速度反饋（僅設(shè)定主軸）。參數(shù)No.2008#2=1，速度平均反饋功能有效。

（3）衰減補(bǔ)償（僅設(shè)定主軸）。參數(shù)No.2008#7=1，衰減補(bǔ)償主軸和副軸均有效，No.2008#7=0衰減補(bǔ)償僅副軸有效。

（4）衰減補(bǔ)償相位系數(shù)（僅設(shè)定副軸）。參數(shù)No.2036，設(shè)定范圍是51-512。

（5）預(yù)載轉(zhuǎn)矩的設(shè)定。預(yù)載值Preload在參數(shù)No.2087中設(shè)定。

七、預(yù)載轉(zhuǎn)矩

預(yù)載轉(zhuǎn)矩（Preload）的設(shè)定具體數(shù)值，與電機(jī)和伺服放大器有關(guān)。

本機(jī)床主軸Z1與副軸VS選用的電機(jī)和伺服如下：

電機(jī)型號：AIF 30/3000

伺服型號：AISV 160/160。

根據(jù)電機(jī)說明書，可知電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)：

Torque constant Kt=0.77Nm/Arms（有效值），

因此轉(zhuǎn)矩常數(shù)峰值：Kt=0.545 Nm/Ap，則1Nm對應(yīng)的電流值即I=1.83 Ap，放大器的極限AISV 160/160為160 Ap，放大器最大電流對應(yīng)的設(shè)定值為7 282，則1Nm對應(yīng)的設(shè)定值×7 282=83。

在調(diào)試時，先選用1/4的Stall Torque（30Nm），即為1/4×30×83=623，確認(rèn)停止中是否保持張力的狀態(tài)，若未在該狀態(tài)時，逐漸調(diào)大該值。在調(diào)試優(yōu)化后，最后該值設(shè)為700。

主副軸旋轉(zhuǎn)方向一致時，PRELOAD設(shè)定方向相反，主副軸旋轉(zhuǎn)方向不同時，PRELOAD設(shè)定方向相同。

作為一個大概標(biāo)準(zhǔn)，PRELOAD設(shè)定一般設(shè)定為靜額定轉(zhuǎn)矩1/3的值。

主軸Z1與副軸VS在機(jī)床中設(shè)定的旋轉(zhuǎn)方向是一致的，則預(yù)載轉(zhuǎn)矩參數(shù)Z1：No.2087= 700，VS：No.2087= -700。

在尚未連接兩臺電機(jī)的狀態(tài)下，務(wù)須將預(yù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)為0，否則主軸電機(jī)有可能在非常高的速度下旋轉(zhuǎn)，十分危險。

八、結(jié)語

雙電機(jī)串聯(lián)控制，在負(fù)載分享模式和防反向間隙兩種工作方式下切換，即可提供雙倍轉(zhuǎn)矩，又可消除反向間隙。為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，常會啟用速度反饋平均和衰減補(bǔ)償功能，并且施加合理的預(yù)載轉(zhuǎn)矩，消除反向間隙，有效的保證機(jī)床的精度。

[1] FANUC AC SERVO MOTORαiS/αiF/βiS PARAMETER MANUAL 2009.

[2] FANUC Series 16i/160i/160is-MODEL B MAINTENANCE MANUAL 2005.

[3] 梁任，方強(qiáng).基于轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)碾p電機(jī)驅(qū)動消隙控制系統(tǒng)[J].機(jī)電工程2010.

[4] 孫秀娥，苗松.FANUC串聯(lián)轉(zhuǎn)矩控制和簡易同步控制在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用[J].科技傳播2011.

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