李利軍 郭志強 張 超

(①安陽技師學院，河南 安陽455000;②安陽鑫盛機床股份有限公司，河南 安陽455000)

隨著電氣傳動技術(shù)(變頻調(diào)速技術(shù)、電動機矢量控制技術(shù)等)的迅速發(fā)展，高速數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)已有了較大的簡化，基本上取消了帶輪傳動和齒輪傳動，機床主軸由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，即“零傳動”。這種主軸電動機與機床主軸“合二為一”的傳動結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機床的傳動系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中獨立出來，做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”(Electric Spindle，Motor Spindle)，可由專業(yè)廠家生產(chǎn)。電主軸與系統(tǒng)配合時的調(diào)試比較復(fù)雜。本文介紹第三方電主軸在FANUC 0i TD 系統(tǒng)上的調(diào)試過程和遇到的問題及解決方法。所謂第三方，既非FANUC 系統(tǒng)廠家，也不是機床廠家的一方。

1 調(diào)試過程

調(diào)試過程包括硬件連接與參數(shù)調(diào)試兩個方面。

1.1 硬件連接

硬件連接主要有動力線和編碼器反饋兩方面。編碼器的反饋中先檢查安裝，再確認型號(此次為HEIDENHAIN ERM280 1024 線1vpp);反饋線的接法(接JYA2 口):沒有溫度檢測器時，短接THR1 和THR2，否則產(chǎn)生SP9001 報警。編碼器的反饋線如圖1 所示。

同時，編碼器反饋的A/B 信號的接法將會影響主軸的旋轉(zhuǎn)方向。如果PMC 的G70.5 接通的情況下，主軸反轉(zhuǎn)，可以設(shè)定參數(shù)3706#6 和#7 分別為0 和1;也可以改變A/B 信號的接法，同時修改動力線相序。

圖1 編碼器的反饋線

關(guān)于動力線的相序問題，由于第三方電主軸沒有明確規(guī)定三相電源順序，所以初始化后，需要給定指令旋轉(zhuǎn)主軸，以確定三相電源的正確接線。如果相序有問題，主軸會左右擺動。

1.2 主軸參數(shù)初始化及設(shè)定

由于是單線圈繞組，起先使用300(參數(shù)4133)進行主軸電動機的初始化。初始化后，主軸電動機側(cè)應(yīng)該沒有任何報警，此時主軸不旋轉(zhuǎn)。再根據(jù)主軸廠家提供電動機的物理參數(shù)，使用FANUC 提供的軟件進行計算，得出主軸缺失的相應(yīng)參數(shù)，手動輸入即可。

1.3 編碼器相應(yīng)參數(shù)設(shè)定

如果只有一個電動機編碼器的反饋，參數(shù)4002#0為1;如果還有其他的編碼器，根據(jù)其類型進行設(shè)定。

對于參數(shù)4010 的設(shè)定如圖2 所示。

圖2 參數(shù)4010 的設(shè)定

根據(jù)上述兩種設(shè)定，主軸速度控制都正常，但是定向控制時，卻出現(xiàn)SP9081 報警(電動機一轉(zhuǎn)信號顯示錯誤)。分析其主要原因是和反饋的Z 相信號的類型有關(guān)。使用JYA2 口的定向Z 相信號如圖3 所示。

圖3 Z 相信號

使用ERM280 的信號如圖4 所示。

經(jīng)過多次試驗，當Z 相位為此類信號時，參數(shù)4010#3#2#1 設(shè)定為111，速度和定向都正常。同時，還進行了Cs 軸控制測試，也正常。

1.4 主軸的電流環(huán)增益參數(shù)調(diào)整

根據(jù)第三方主軸電動機的電流增益調(diào)試步驟，對電流的比例增益和積分增益進行調(diào)整。調(diào)整結(jié)果如圖5 所示。比例增益參數(shù)4104 =12 600，積分增益參數(shù)4106 =25 000。

1.5 加減速參數(shù)調(diào)整

根據(jù)第三方主軸電動機的調(diào)整手冊，調(diào)整參數(shù)4080L 和參數(shù)4080H 即可解決主軸顫動問題。

圖4 Z 相為峰值信號

圖5 電流環(huán)增益參數(shù)調(diào)整

此次在調(diào)試過程中，起先的調(diào)試過程比較順利，主軸的速度控制、定向和Cs 軸控制都經(jīng)過了測試，一切正常。但是在進行電流環(huán)的增益調(diào)整時，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定現(xiàn)象，在給定轉(zhuǎn)速1 000 r/min 時，主軸速度在1 000 r/min左右顫動，幅度在40 r/min 左右。此時，采用以下步驟進行調(diào)試:

(1)對參數(shù)進行檢查。進行相關(guān)調(diào)整后沒有任何效果。接著對主軸參數(shù)進行了全清，并再次初始化，還是沒有效果。

(2)檢查硬件方面?，F(xiàn)場正好有兩套硬件設(shè)備，對第三方電主軸、主軸放大器、電源放大器、系統(tǒng)都進行了更換，仍然沒有效果。

(3)經(jīng)過多方面的測試和問題分析，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因主要集中到參數(shù)不匹配、編碼器的反饋異常、第三方主軸電動機這幾方面的問題。

(4)參數(shù)方面，對可能引起問題的參數(shù)(速度環(huán)增益、電流環(huán)增益等)經(jīng)過了不斷調(diào)試，沒有效果，只對控制電流產(chǎn)生一定的影響。

(5)考慮編碼器反饋，這時測試主軸編碼器的反饋A/B 信號。由于指令主軸速度時，主軸速度顫動，編碼器的反饋波動較嚴重，所以分析究竟是由于控制電流的不穩(wěn)定引起速度顫動，從而導(dǎo)致編碼器的反饋波動，還是由于編碼器的反饋問題導(dǎo)致控制電流的波動。

所以在測試編碼器反饋波形時，用手動旋轉(zhuǎn)主軸來測試，測試效果如圖6a 所示。

圖6 編碼器的波形

與正常設(shè)備中測試的FANUC ais 編碼器的反饋波形對比發(fā)現(xiàn)，速度從0 開始時是正常的，但是在速度上升后，有些差距。從理論分析，速度的快慢只會引起正弦波頻率變化，而幅度變化應(yīng)該不大，如圖6b 所示?，F(xiàn)場主軸100 r/min 時編碼器波形(在其它設(shè)備上測試AIS 編碼器時，不斷改變主軸倍率，測得的波形同樣有較大波動)如圖7 所示。

(6)將讀數(shù)頭拆下后，使其靠近或接觸主軸，發(fā)現(xiàn)主軸的速度會有反饋(接觸其他物體時，也有反饋但是沒有這么大)。判斷應(yīng)該是主軸內(nèi)部的磁場或者感應(yīng)電壓對編碼器的反饋干擾非常大。臨時采用讓讀數(shù)頭與主軸絕緣的措施，再次測試，速度反饋正常，顫動現(xiàn)象消失，主軸運轉(zhuǎn)非常穩(wěn)定。這一現(xiàn)象，可能是主軸電動機在通電后，主軸電動機感應(yīng)電壓較大，感應(yīng)磁場較強，編碼器的讀數(shù)頭在接觸主軸時被磁化，干擾了其正常的讀數(shù)。將被磁化的讀數(shù)頭進行處理，主軸速度正常，問題得到解決。

圖7 編碼器的波形

在調(diào)試過程中應(yīng)首先檢查主軸電動機三相電的順序，其次利用參數(shù)與輔助軟件進行測試，經(jīng)過以上調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題，最后再將問題的位置進行實際實驗，然后通過正確的方法解決問題。

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［5］FANUC 操作說明書、維修說明書、主軸參數(shù)說明書［Z］.