串聯(lián)控制在重大型機床上的應(yīng)用

張秀印

沈陽機床（集團）有限責任公司 遼寧沈陽 110142

1 序言

近二十幾年，在發(fā)電、冶金、航空航天和造船工業(yè)蓬勃發(fā)展的推動下，重大型工件加工數(shù)量及種類不斷增多，加工質(zhì)量也不斷提高。數(shù)控、數(shù)顯、可控硅、補償、伺服驅(qū)動及串聯(lián)控制等技術(shù)不斷應(yīng)用于重大型機床，使重大型機床的技術(shù)發(fā)展也得到了不斷進步，增加了機床可靠性，提高了機床精度和無故障工作時間（MTBF），進而不斷滿足機械加工的新需求。

為了滿足加工精度要求，提高加工效率，重大型機床既要保證其主驅(qū)動低速大轉(zhuǎn)矩、高速大功率，又要保證其進給驅(qū)動平滑穩(wěn)定，串聯(lián)控制技術(shù)在這些領(lǐng)域起到了關(guān)鍵作用。下面以沈陽機床一種車銑加工中心主驅(qū)動機械結(jié)構(gòu)為例，結(jié)合發(fā)那科31i數(shù)控系統(tǒng)進行簡單介紹。

2 串聯(lián)控制主驅(qū)動機械結(jié)構(gòu)

工作臺主驅(qū)動的基本結(jié)構(gòu)是采用兩個主電動機、兩套齒輪減速箱、一個大齒環(huán)驅(qū)動工作臺旋轉(zhuǎn)。通過數(shù)控系統(tǒng)串聯(lián)控制功能實現(xiàn)工作臺和車削同步控制、銑削負載分享和消隙功能。雙電動機主驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖1所示，工作方式為：①車削時，兩個電動機同步工作，實現(xiàn)工作臺的轉(zhuǎn)動。②銑削時，兩個電動機工作采用負載分享和消隙方式，實現(xiàn)C軸高剛度和高精度。

圖1 雙電動機主驅(qū)動結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)工作臺位置反饋由安裝在底座上的圓光柵對C軸進行檢測。

3 串聯(lián)控制框圖

串聯(lián)控制包括轉(zhuǎn)矩串聯(lián)控制和同步控制中的位置串聯(lián)控制，如圖2所示：①主電動機給從電動機發(fā)出速度指令和速度積分項。②轉(zhuǎn)矩指令是由處理比例項的從電動機速度環(huán)、通過比例縮放換算出的相當于主電動機預載量以及主電動機通過速度環(huán)發(fā)出的速度積分項綜合得來的。

圖2 串聯(lián)控制框圖

在進行機床設(shè)計時務(wù)必選擇合適的控制方式。在機床雙驅(qū)軸機械部分具備反向進給（BACK FEED）特性時，以下情形適用轉(zhuǎn)矩串聯(lián)控制：①單個電動機不能提供足夠的轉(zhuǎn)矩。②從慣量角度考慮使用兩個較小的電動機比使用一個較大的電動機能更好地與機械慣量進行匹配。

其他情形一般使用位置串聯(lián)控制。位置串聯(lián)控制同樣也適用于為了改善機械部件或裝配所引起的機械偏差而使用雙電動機驅(qū)動的情形。

4 轉(zhuǎn)矩串聯(lián)控制

（1）轉(zhuǎn)矩串聯(lián)控制 轉(zhuǎn)矩串聯(lián)控制使用兩個電動機提供雙倍的轉(zhuǎn)矩去驅(qū)動一個軸。這兩個電動機的規(guī)格是一樣的。主電動機和副電動機通常有兩種工作方式，一種是負載分享方式，一種是消隙工作方式。

為了實現(xiàn)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩串聯(lián)控制，相關(guān)的機械部分必須具備反向進給特性。所謂的反向進給是指雙驅(qū)電動機在未連接動力電纜時，通過耦合的機械部分可以實現(xiàn)順暢的聯(lián)動，即盤動主電動機軸通過機械傳動帶動副電動機隨動，或盤動副電動機軸通過機械傳動使主電動機隨動。如果反向進給特性較差，就需要對機械部分進行適當?shù)恼{(diào)整，可以用以下方法驗證機床的反向進給特性。

1）手動驗證 在未連接主電動機和副電動機的動力電纜的情況下，分別用手盤動主電動機和副電動機的輸出軸（機械部分已耦合），觀察副電動機和主電動機是否相應(yīng)隨動，過程是否順暢。

2）NC指令驗證 在連接主電動機動力電纜、未連接副電動機動力電纜的情況下，系統(tǒng)上電，給主電動機發(fā)出移動指令，觀察主電動機的負載是否低于其額定轉(zhuǎn)矩的1/3。

（2）速度環(huán)路積分器復制功能（見圖3） 由于在轉(zhuǎn)矩串聯(lián)控制中對副電動機軸僅執(zhí)行轉(zhuǎn)矩（電流環(huán)）控制，不對其執(zhí)行速度控制，對于具有較大間隙的機床副電動機軸可能會由于這些間隙的影響而產(chǎn)生振動，導致軸扭轉(zhuǎn)，并發(fā)生OVC報警。

圖3 速度環(huán)路積分器復制功能框圖

這種情況下，該功能將速度環(huán)路的積分器從主動軸復制到從動軸上，防止主動軸/從動軸之間的積分器的偏移。

（3）預加載功能 對主電動機和副電動機施加極性相反的偏置轉(zhuǎn)矩，可以始終維持雙驅(qū)機械耦合部分的張力，減小這部分的間隙。在雙驅(qū)軸加、減速時，副電動機提供和主電動機同極性的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩（負載分享方式），而在雙驅(qū)軸靜止時，施加給主電動機和副電動機的偏置轉(zhuǎn)矩（預加載）維持雙驅(qū)機械耦合部分的張力（消隙工作方式）。

（4）阻尼補償功能 要實現(xiàn)平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩串聯(lián)控制，如圖4所示，可以只對副電動機軸或同時對主電動機軸和副電動機軸添加偏置轉(zhuǎn)矩，以消除兩者速度的偏差。該功能對驅(qū)動部分采用彈性連接或具有類似特性的低剛性機床可能出現(xiàn)的振動（頻率從幾赫茲到40Hz）非常有效。

圖4 阻尼補償功能框圖

（5）伺服報警兩軸同時監(jiān)控功能 該功能同時監(jiān)控處于位置串聯(lián)控制或轉(zhuǎn)矩串聯(lián)控制的兩個電動機軸的報警狀態(tài)，如果其中一個電動機軸出現(xiàn)伺服報警，就立即切斷未報警的另一個電動機軸的激磁，以防止機床扭曲變形。

5 位置串聯(lián)控制

（1）位置串聯(lián)控制 在同步控制中，數(shù)控系統(tǒng)僅對主動電動機軸發(fā)出移動指令，從動電動機軸也按此移動指令與主動電動機軸同步移動。而當主動電動機軸和從動電動機軸是由一個DSP控制時，這種配置稱為位置串聯(lián)控制。

（2）串聯(lián)擾動消除功能 該功能可以消除位置串聯(lián)控制時主動電動機軸和從動電動機軸之間的干擾。

（3）同步自動補償功能（見圖5） 在行程較長的同步軸中，有時會發(fā)生由于直線尺的絕對精度和機械的熱膨脹而引起的機械性扭力。在這種情況下，同步軸的主動電動機和從動電動機會產(chǎn)生相互拉伸的現(xiàn)象，當相互拉伸的電流值較大時，就會出現(xiàn)發(fā)熱和OVC報警等問題。

圖5 同步自動補償功能構(gòu)成

發(fā)生這種現(xiàn)象的根本原因在于測量位置中存在誤差，但是，在螺距誤差補償中，即使可以覆蓋直線尺的誤差，但是尚不能對應(yīng)由于溫度變化而引起的熱膨脹。

該功能在這種情況下有效。同步自動補償功能監(jiān)視主動軸和從動軸之間的轉(zhuǎn)矩誤差，以使轉(zhuǎn)矩誤差逐漸變小的方式慢慢地補償從動側(cè)的位置，減小轉(zhuǎn)矩誤差。

6 功能調(diào)試

（1）相關(guān)參數(shù) 見表1。

表1 功能調(diào)試相關(guān)參數(shù)

（2）調(diào)試過程 在激活串聯(lián)控制功能前，首先進行單個電動機的調(diào)試，測試運轉(zhuǎn)速度、方向等，然后根據(jù)現(xiàn)場機械安裝情況，決定是否激活串聯(lián)控制功能位，即1817#6 TANDEM，注意主動軸和從動軸要同時設(shè)定。

當機械處于脫開狀態(tài)時，務(wù)必確認預加載轉(zhuǎn)矩參數(shù)2087設(shè)定為0，否則從動軸電動機可能高速旋轉(zhuǎn)。這是由于從動軸電動機僅處于電流環(huán)控制，速度環(huán)和位置環(huán)完全開環(huán)，因此，此時主動軸側(cè)的負載狀態(tài)決定從動軸的狀態(tài)。

當機械側(cè)嚙合后，進行正反轉(zhuǎn)、高低速測試，運行均平穩(wěn)正常，負載完全一致時，進行預加載設(shè)定，使機床處于預載消隙工作方式。

根據(jù)電動機額定轉(zhuǎn)矩適當設(shè)定預加載轉(zhuǎn)矩值，可以通過測量反向間隙值來修正參數(shù)2087的設(shè)定值，盡量不要超過額定值的30%，設(shè)定值過大，電動機會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。

調(diào)試過程中，如果軸在移動時振動，可使用阻尼補償功能，參數(shù)2008#7=1，參數(shù)2036調(diào)整合適數(shù)值，使機床軸在移動過程中平穩(wěn)正常。

7 結(jié)束語

串聯(lián)控制不僅可以應(yīng)用在主軸驅(qū)動部分，還可以應(yīng)用在伺服軸的進給驅(qū)動部分，不僅可以產(chǎn)生大功率、大轉(zhuǎn)矩，提高加工效率，還可以有效地提高機床定位精度和重復定位精度，從而提高工件加工精度。