基于FANUC 系統(tǒng)的主軸能量斷電回退功能在滾齒機的開發(fā)與應用

楊春蘭，李 娜，徐陽彬

（秦川集團（西安）技術研究院有限公司，陜西 西安 710018）

0 引言

在數控系統(tǒng)領域內，西門子[1]和NUM 系統(tǒng)[2]都是增加電容模塊來提供斷電后需要的回退能量，容量分別為4000μF 和8250 μF，根據回退距離的要求，多數情況下配備了兩個電容模塊，并通過西門子或菲尼克斯UPS 來提供系統(tǒng)、驅動、PLC 所需的DC24V。以往滾齒機FANUC 系統(tǒng)需要配備停電備份模塊PFB-C和電容模塊來實現(xiàn)斷電回退，電容容量25000 μF。這樣會造成成本極大地提升，故需要對這一方面進行技術改進。隨著科技的發(fā)展，制造業(yè)不斷提出“智能·綠色·環(huán)?！す?jié)能”。因此在滾齒機優(yōu)化改進過程中，利用FANUC 系統(tǒng)的主軸能量斷電回退功能和PFB-24 模塊，可實現(xiàn)意外斷電瞬間徑向進給軸的安全回退，保護刀具與工件，避免加工過程中事故的發(fā)生。

1 斷電回退系統(tǒng)

1.1 斷電回退原理

數控滾齒機的斷電回退原理如圖1 所示。在滾齒加工過程中應用FANUC 數控系統(tǒng)EGB 齒輪箱功能，刀具軸和工件軸是嚙合在一起的，因此在加工過程中出現(xiàn)意外斷電時，若未采取一定的防范措施，刀具軸和工件軸的同步關系無法得到保證，在斷電瞬間滾刀軸和工件軸快速停止，就會損壞刀具和工件，基于這點考慮，在出現(xiàn)上述情況時要保證在同步狀態(tài)下脫離工件和刀具[3]。使用PFB-24 模塊提供DC24V，回退軸回退的能量由主軸恒速減速釋放能量提供，即使在斷電時也能保證在同步狀態(tài)下脫離工件和刀具[4]。在滾齒機改進后的方案中，圖1 虛線框中的PFB-C 和電容模塊已被取消。

圖1 斷電回退原理

1.2 系統(tǒng)硬件配置

在前期機床數控系統(tǒng)的設計中，滾齒機采用電子齒輪箱EGB 功能，電源模塊采用AIPS 系列，驅動模塊采用AI 系列。根據機床設計和控制要求參數，對所需的斷電回退能量進行計算，在干切滾齒機實際加工中，根據國產干切滾刀線速度計算，滾刀轉速一般在400 r/min 以上，可以滿足回退距離要求。經過現(xiàn)場的測試驗證結果以及技術討論以后，最終得出可通過主軸能量斷電回退功能和PFB-24 模塊，實現(xiàn)意外斷電瞬間滿足刀具軸和工件軸的同步關系，同時軸回退到安全距離。對此進行論證與分析。

2 斷電能量計算

2.1 主軸動能計算

機床主軸主要包括主軸電機、齒輪箱、刀桿及飛輪，其結構簡圖如圖2 所示。

圖2 結構簡圖

通過表1 的質量與半徑數據計算主軸轉動慣量。

表1 主軸計算參數

主軸旋轉的能量為E= 0.5IW2，其中I為主軸轉動慣量，W為主軸角速度，計算過程如下：

通過公式（1）到公式（5）計算主軸電機、齒輪箱、飛輪、刀桿和滾刀的旋轉慣量，可得出主軸（不包括主軸電機）的旋轉慣量：I=I2+I3+I4+I5= 0.8966 kg/m2。假設干切滾齒機最低主軸轉速為300 r/min，主軸的動能如公式（6）計算可得能量約為1152J。

2.2 回退消耗能量計算

消耗的能量主要由四部分組成：

（1）在斷電后，回退前消耗的能量。能量的大小主要與回退前的功率成正比。刀具軸電機AII 15/8000-B 的額定功率為15 kW，工件軸電機AIF 40/3000 的額定功率為6 kW。假設刀具軸和工件軸都以額定功率工作0.2 s，然后開始回退，則這部分消耗的能量：

（2）回退軸移動所需的能量E2，是達到回退速度前進行加速所需要的能量和對抗摩擦所需要的能量之和?；赝溯S電機AIF 22/3000，電機慣量為0.012 kg/m2，負載慣量為0.0145 kg/m2，當軸回退速度為F5000時，電機轉速為2500 r/min，所以這部分消耗的能量：

（3）維持系統(tǒng)24 V 的能量，能量的大小主要與回退時間成正比。假設維持系統(tǒng)24 V 的需要供應的電流為8 A，回退時間為0.5 s，則這部分消耗的能量：

E3=IS× 24 × 1.2 ×T= 8 × 24 × 1.2 × 0.5 = 115.2J

綜上，當回退距離為30 mm 時，消耗的總能量。主軸在減速的過程中可以提供約1152 J 的能量，斷電回退時消耗約1129 J 能量，即。

在干切滾齒機中，從滾刀線速度折算下來，滾刀軸實際加工轉速基本在400 r/min 以上，實際加工最高設置為1000 r/min，設計最高轉速為1200 r/min。干切滾齒機最大模數6 mm，滾齒徑向進給量= 模數×2.25 = 6 × 2.25 = 13.5 mm，安全系數設為1.5，X軸最大回退距離>13.5 × 1.5 = 20.25 mm，才能保證可靠回退距離。測試中設定回退安全距離為30 mm，斷電瞬間能保證在同步狀態(tài)下脫離工件和刀具。

3 斷電回退實驗

3.1 參數設置

對數控系統(tǒng)的斷電回退功能進行參數設置，首先將參數號4353#4（PFBFEN）設置為1，此參數為停電備份功能是否生效，置1 時有效；然后是參數4542#6（PFBTYP）設置為1，使得系統(tǒng)DC 鏈路電壓上升時不進行加速動作，在反復減速/恒速的同時停止；再者將參數號7740 設置為5000，此功能為回退速度設定；最后將參數7741 設置為30，此功能為回退量設定。

利用SERVO GUIDE 軟件采集數據波形，首先需要設置監(jiān)控參數：（1）電壓VDC；（2）X 軸位置POSF；（3）同步誤差ERR；（4）主軸轉速SPEED；（5）斷電回退信號PMC（X4.7）。其次測試過程為：正常斷電時，主軸轉速不斷降低，直流母線的電壓不斷降低，在能量轉化足夠的前提下，又被拉升，主軸和C軸同步過程中，X軸有位置變化，執(zhí)行回退，回退完成后，同步停止。最后對測試數據進行記錄、對比與分析。

3.2 實驗結果

按照上述設置的內容進行實驗，外部模擬意外斷電瞬間：電源總開關在人為斷開時，機床徑向進給軸按照我們系統(tǒng)參數設置的速度及距離實現(xiàn)了緊急回退。為了保證實驗數據的可靠性，選擇在空載和帶負載（切削）的情況下分別測試，線性地改變滾刀的旋轉速度，每個旋轉速度下檢測兩次。

在空載實驗測試中，滾刀轉速為250 r/min 時，主軸恒速減速釋放的能量計算約為1017 J，小于回退所需要的能量，但實際測試可以回退到24 mm 左右，理論計算和實際測試還是稍有差異，最終以實際測試結果為準。在滾刀轉速為300 r/min 時，由文章中計算可得，滿足同步關系的前提下，回退安全距離為30 mm的要求，實際測試回退距離在34 mm 左右。滾刀轉速在350 r/min 時，實際測試回退距離為45 mm 左右，隨著滾刀轉速的升高，主軸恒速釋放的能量不斷增大，回退安全距離也不斷增大，回退的可靠性更高。在系統(tǒng)參數中設定徑向進給軸的回退距離為50 mm，也就意味著限制回退最大距離為50 mm，在滾刀轉速高于400 r/min 以上，實際測試回退距離已達到參數設定值，完全保證可靠回退。

在實際切削測試中，滾刀轉速在400 r/min 和500 r/min 時，分別多次驗證，測得回退安全距離為50 mm，在同步狀態(tài)下脫離了工件和刀具，滿足回退要求。在后續(xù)投產的干切滾齒機也多次測試驗證，均能滿足安全回退。

4 結論

本文通過對主軸能量斷電回退功能方案進行數據計算和實驗驗證，通過計算得知意外斷電瞬間主軸恒速釋放的能量要高于執(zhí)行回退功能所需的能量。在實際測試過程中，當主軸轉速達到300 r/min 時，回退距離約為33 mm，超過了實際加工的最大徑向切深量，滿足斷電回退要求。并且隨著主軸轉速不斷提升，回退距離會不斷增大，完全保證可靠回退。在現(xiàn)有干切滾齒機的生產中，已使用了這套斷電回退方案，作為機床出廠的標配功能，機床出廠前的工藝檢驗環(huán)節(jié)中，也增加了斷電回退功能檢驗工序，目前干切滾齒機已銷售28 臺，用戶使用良好。該功能在很大程度上減少了突然斷電對刀具及工件帶來的損傷，也減少了由于意外斷電造成機床的故障和損壞。因此，該設計方案滿足機床安全使用需求，同時降低設計制造成本和以后維護成本，從而提高企業(yè)經濟效益，取消停電備份模塊PFB-C 和電容模塊，也積極響應了“降本增效”和“綠色·節(jié)能·環(huán)?！钡奶栒佟?/p>