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        數(shù)控機床主軸串聯(lián)控制功能設(shè)計與實現(xiàn)

        2019-11-06 09:14:36葛阿萍
        綏化學(xué)院學(xué)報 2019年11期
        關(guān)鍵詞:環(huán)路伺服電機串聯(lián)

        葛阿萍 朱 強

        (蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)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(fù)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?xí)龤欧姍C。

        在現(xiàn)有的解決方案中,主要有修改加工工藝、更換設(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)的工作臺,這種方案能保證產(chǎn)品加工的適應(yīng)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(yīng)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(fù)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(yù)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(shè)置的極性來選擇旋轉(zhuǎn)方向,再根據(jù)設(shè)定的齒輪比來換算相應(yīng)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(yīng)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(shè)置,具體設(shè)置如下:

        4352號參數(shù)用來設(shè)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(shè)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(shè)置,還需對系統(tǒng)PMC的G信號與F信號進行相應(yīng)的處理,具體設(shè)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(shè)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(yīng)用于沈陽機床集團VT3立式車銑復(fù)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(yīng)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(yīng)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。

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