數控機床主軸串聯控制功能設計與實現

葛阿萍 朱 強

（蕪湖職業技術學院機械工程學院 安徽蕪湖 241006）

一、引言

生產中，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，當主軸伺服電機驅動機械坐標軸轉矩不夠用時，往往編程操作人員會使用過切削，造成伺服電機負載過大，時常會發生過熱報警、過載報警、堵轉停車等現象，嚴重時甚至會燒毀伺服電機。

在現有的解決方案中，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，不能保證生產進度的要求；更換設備法，是將產品換到伺服電機規格更大的機床上去加工，但工廠本身不一定有這樣的設備；而對于更換更大規格伺服電機的方法，會涉及到驅動器等眾多元器件的更換，還會出現體積或慣量過大，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兩個較小規格伺服電機取代原有的伺服電機，驅動機床的坐標軸來控制驅動相應的工作臺，這種方案能保證產品加工的適應面，提高生產效率，如圖1（a）、（b）所示。

圖1 主軸串聯控制實施圖例

二、主軸串聯控制應用范圍

主軸串聯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 立式車床主軸串聯控制實施圖

圖3 加工中心主軸串 聯控制實施圖

當一臺主軸電機不能產生足夠的轉矩來驅動一個大工作臺時，可以通過串聯控制（Tandem Control），[6]由兩個伺服電機相互作用使一個軸運行，其主/副電機使用相同規格的電機，通過這一功能，可以得到2 倍的轉矩。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、主軸串聯控制原理

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

圖4 主軸串聯控制原理圖

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

需要注意的是，主軸串聯控制是以同樣的轉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、主軸串聯控制的參數與信號處理

對于FANUC30i系統的主軸串聯控制，需要對4352號和4009號參數進行設置，具體設置如下：

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

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

對于FANUC30i系統的主軸串聯控制，除了以上兩個參數需要設置，還需對系統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，說明主從軸已經進入了主軸串聯控制方式。

五、主軸串聯控制速度控制效果

將主軸串聯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控制的主主軸電機，左端為從主軸電機。主軸串聯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

打開系統主軸監控畫面，在速度控制方式下，不使用主軸串聯功能時，旋轉主軸的負載情況如圖6所示。

圖6 不使用主軸串聯功能轉主軸的負載圖

在速度控制方式下，使用主軸串聯控制功能時，旋轉主主軸負載情況如圖7所示。

圖7 使用主軸串聯功能主主軸的負載圖

在速度控制方式下，使用主軸串聯控制功能時，旋轉副主軸負載情況如圖8所示。

圖8 使用主軸串聯功能副主軸的負載圖

經比較可知，采用主軸串聯控制功能，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，通過主軸串聯控制來驅動相應的工作臺。

六、結論

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

（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）主主軸可以執行位置環路和速度環路，并將速度指令和速度環路積分發送給從主軸。