葛阿萍 朱 強(qiáng)

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 安徽蕪湖 241006）

一、引言

生產(chǎn)中，加工的對(duì)象處于不斷變化，對(duì)于立式車床、加工中心或車銑復(fù)合等大型機(jī)床，當(dāng)主軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)矩不夠用時(shí)，往往編程操作人員會(huì)使用過切削，造成伺服電機(jī)負(fù)載過大，時(shí)常會(huì)發(fā)生過熱報(bào)警、過載報(bào)警、堵轉(zhuǎn)停車等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤欧姍C(jī)。

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(jī)三種方法，由于這三種方法具有局限性，實(shí)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(jìn)度的要求；更換設(shè)備法，是將產(chǎn)品換到伺服電機(jī)規(guī)格更大的機(jī)床上去加工，但工廠本身不一定有這樣的設(shè)備；而對(duì)于更換更大規(guī)格伺服電機(jī)的方法，會(huì)涉及到驅(qū)動(dòng)器等眾多元器件的更換，還會(huì)出現(xiàn)體積或慣量過大，機(jī)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(dāng)現(xiàn)有機(jī)床主軸電機(jī)扭矩?zé)o法滿足使用要求，可采用機(jī)床主軸串聯(lián)兩個(gè)較小規(guī)格伺服電機(jī)取代原有的伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的坐標(biāo)軸來控制驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的工作臺(tái)，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(shí)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(jī)床。[4-5]主電機(jī)用于提供主要的扭矩并提供指令，在立車加工時(shí)副電機(jī)用于增大主軸的扭矩；在銑加工時(shí)主電機(jī)做位置控制用，副電機(jī)主要用于增大扭矩并減小傳動(dòng)齒輪間的間隙、提高機(jī)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(shí)施圖

圖3 加工中心主軸串 聯(lián)控制實(shí)施圖

當(dāng)一臺(tái)主軸電機(jī)不能產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動(dòng)一個(gè)大工作臺(tái)時(shí)，可以通過串聯(lián)控制（Tandem Control），[6]由兩個(gè)伺服電機(jī)相互作用使一個(gè)軸運(yùn)行，其主/副電機(jī)使用相同規(guī)格的電機(jī)，通過這一功能，可以得到2 倍的轉(zhuǎn)矩。此外，通過預(yù)加負(fù)荷，可以減小齒輪輪齒間的反向間隙，提高傳動(dòng)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(shí)現(xiàn)，當(dāng)工作臺(tái)的負(fù)荷超出主軸轉(zhuǎn)矩，可以使用兩個(gè)伺服電機(jī)通過軟件控制，給主/副電機(jī)相同的轉(zhuǎn)矩指令，把主/副電機(jī)當(dāng)作一個(gè)“串聯(lián)軸”進(jìn)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(dāng)執(zhí)行速度指令或位置指令時(shí)，主動(dòng)軸通過向從動(dòng)軸發(fā)送速度或位置指令，從動(dòng)軸從主動(dòng)軸接收速度指令和積分值。在從動(dòng)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?yè)Q算相應(yīng)的速度指令，在進(jìn)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(cè)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(cè)速度環(huán)路和電流環(huán)路的誤差值，進(jìn)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(shí)間常數(shù)來進(jìn)行相應(yīng)的誤差校正，使主軸執(zhí)行指令正確，進(jìn)而保證電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)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(shí)送給主電機(jī)和副電機(jī)，為了防止機(jī)械間隙對(duì)傳動(dòng)精度的影響，其速度反饋是把主/副電機(jī)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(hào)處理

對(duì)于FANUC30i系統(tǒng)的主軸串聯(lián)控制，需要對(duì)4352號(hào)和4009號(hào)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，具體設(shè)置如下：

4352號(hào)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(gè)位的參數(shù)均設(shè)為1，否則將出現(xiàn)SP9038報(bào)警。

對(duì)于4009 號(hào)參數(shù)，如果此參數(shù)不為1，從動(dòng)軸將出現(xiàn)SP9037 報(bào)警。如果在串聯(lián)控制方式時(shí)產(chǎn)生報(bào)警，主從軸的動(dòng)力一定要同時(shí)關(guān)閉以阻止機(jī)床被損壞。

對(duì)于FANUC30i系統(tǒng)的主軸串聯(lián)控制，除了以上兩個(gè)參數(shù)需要設(shè)置，還需對(duì)系統(tǒng)PMC的G信號(hào)與F信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，具體設(shè)置如下：

以上信號(hào)被切換之前主軸一定要停止。主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)這些信號(hào)不起作用。切換這些信號(hào)需在速度控制模式下進(jìn)行，如不是速度控制模式，這些信號(hào)將不起作用。當(dāng)主從軸被機(jī)械脫開時(shí)，將以上信號(hào)設(shè)置為0。

如果以上信號(hào)均為1，說明主從軸已經(jīng)進(jìn)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(yáng)機(jī)床集團(tuán)VT3立式車銑復(fù)合中心機(jī)床，如圖5所示。圖中右端伺服電機(jī)為本次串聯(lián)控制的主主軸電機(jī)，左端為從主軸電機(jī)。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(shí)，旋轉(zhuǎn)主軸的負(fù)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(fù)載圖

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

圖7 使用主軸串聯(lián)功能主主軸的負(fù)載圖

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

圖8 使用主軸串聯(lián)功能副主軸的負(fù)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(fù)載，提高機(jī)床工作效率，滿足當(dāng)僅僅依靠一個(gè)電機(jī)不足以提供足夠的扭矩的時(shí)候，通過主軸串聯(lián)控制來驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的工作臺(tái)。

六、結(jié)論

（一）可以靠PMC 信號(hào)將這個(gè)功能開通或關(guān)閉，功能無效后兩個(gè)電機(jī)可以獨(dú)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。