李惠賢 關(guān)百軍

(沈陽機(jī)床集團(tuán)，遼寧 沈陽 110142)

本文研究的是日本生產(chǎn)的臥式數(shù)控坐標(biāo)鏜，這是一臺FANUC 16M 系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，既可以實現(xiàn)大扭矩加工，又可以實現(xiàn)高速高精加工。在精加工時主軸最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到6 000 r/min。國內(nèi)同類機(jī)床，主軸直徑在φ100 mm 以上正掛箱的臥式加工中心中，由于主軸箱機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，主軸最高轉(zhuǎn)速一般在3 000 r/min，在目前的結(jié)構(gòu)上突破4 500 r/min 是非常困難的，即便如此，在高轉(zhuǎn)速區(qū)加工也可能帶來噪聲、震動，精度差等影響加工質(zhì)量的一系列問題。相比之下，這臺臥式數(shù)控坐標(biāo)鏜機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速在高速高精加工方面更具有優(yōu)勢，從而使這臺機(jī)床的加工范圍更寬。那么制造商是如何實現(xiàn)這一優(yōu)勢的呢?本文重點討論電氣方面的控制原理。

1 機(jī)床主軸傳動結(jié)構(gòu)

主傳動采用了兩套傳動機(jī)構(gòu)，并使用了兩臺交流主軸伺服電動機(jī)進(jìn)行控制。在使用大扭矩加工時，MAIN 主軸電動機(jī)和主軸是通過一套齒輪傳動機(jī)構(gòu)連接的，通過一系列的齒輪嚙合將主軸電動機(jī)的動力傳到主運動，增大主運動的扭矩。

實例:MAIN 電動機(jī)選擇的是以增大機(jī)床的切削能力為前提的，選擇的是αL 15/6000 型主軸電動機(jī)，15 kW。在需要高精加、主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到530 r/min 以上時，切換到SUB 主軸電動機(jī)。SUB 電動機(jī)和主軸是1:1 直連的，選用的是雙繞組αL 26/10000 型電動機(jī)，18.5 kW(如圖1)。

2 主軸運動的機(jī)械特性

主軸轉(zhuǎn)速在20～530 r/min 以下，MAIN 主軸電動機(jī)通過一系列齒輪傳遞將動力傳遞到主運動，531～6 000 r/min 切換到SUB 主軸電動機(jī)，和主軸1:1 連接。其中在530～2 000 r/min 范圍，SUB 主軸電動機(jī)的低速繞組工作;2 001～6 000 r/min 范圍，SUB 主軸電動機(jī)的高速繞組區(qū)工作。主運動的機(jī)械特性如圖2 所示。

3 電氣控制原理

(1)該機(jī)床電氣控制系統(tǒng)采用FANUC 16M 數(shù)控系統(tǒng)。

(2)主傳動的主軸電動機(jī)分別采用αL15/6000 和αL 26/10000 兩種型號主伺服電動機(jī)，其中后者為雙繞組主軸電機(jī)。

(3)采用一臺主軸伺服放大器控制兩臺主軸電動機(jī)。硬件線路進(jìn)行互鎖，保證兩臺電動機(jī)不能同時工作。

(4)利用FANUC 系統(tǒng)主軸切換控制功能，控制切換αL15/6000 和αL 26/10000 兩臺主電動機(jī)的工作。通過兩臺主電動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速區(qū)的工作時段，獲得不同的電動機(jī)特性，來提高機(jī)床的加工能力。進(jìn)行主軸切換時，需要使電動機(jī)停下來。

(5)利用FANUC 系統(tǒng)主軸輸出切換控制功能，控制切換雙繞組αL 26/10000 電動機(jī)的轉(zhuǎn)速區(qū)，實現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速下的扭矩切換。此功能應(yīng)用時要切換離合/齒輪信號(CTH1A、CTH2A)，以便在低速特性和高速特性下分別進(jìn)行速度環(huán)路增益等的設(shè)定。

4 主軸控制電氣系統(tǒng)框圖

主軸控制電氣系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

5 電氣控制中需要解決的關(guān)鍵問題

(1)實現(xiàn)兩臺主電動機(jī)最優(yōu)化運行，在主電動機(jī)切換控制中，應(yīng)考慮避免兩臺主電機(jī)同時得電，在電氣硬件和軟件控制中要進(jìn)行互鎖保護(hù)。

(2)主軸高檔轉(zhuǎn)速控制中，在SUB 主電動機(jī)雙繞組切換控制中，應(yīng)考慮避免雙繞組同時得電，在電氣硬件和軟件控制中要進(jìn)行互鎖保護(hù)。

(3)兩臺主軸電動機(jī)分別驅(qū)動主軸時，M19 的定向位置要一致。

(4)主軸3 個檔位變速的控制。

6 主電動機(jī)連接圖

SPM 主軸放大器，使用與兩臺電動機(jī)對應(yīng)的放大器中容量較大者。通過來自PMC 的切換指令，切換控制MAIN 主軸電動機(jī)和SUB 主軸電動機(jī)。為了更加切實地檢測動力線的狀態(tài)，輸入MAIN 主軸電動機(jī)和SUB 主軸電動機(jī)的電磁接觸器的狀態(tài)，在輸出動力線切換信號(CHPA)后，如果在1 s 內(nèi)沒有輸入電磁接觸器狀態(tài)信號(MCFNA、MFNHGA)，則會有主軸報警15發(fā)出(如圖4、5、6 所示)。

7 主軸切換控制相關(guān)的PLC 接口信號

主軸切換控制是利用1 臺主軸放大器來切換并驅(qū)動2 臺主軸電動機(jī)的一種功能。此功能可適用于使用不同時驅(qū)動的2 臺主軸電動機(jī)。

7.1 G71.2 主軸切換請求信號(SPSLA)

(1)本信號作為選擇主軸電動機(jī)的指令信號使用。

0:選擇MAIN 主軸電動機(jī)。

1:選擇SUB 主軸電動機(jī)。

(2)在停止主軸電動機(jī)后，改變本信號。作為用來確認(rèn)主軸電動機(jī)停止的輸出信號，備有速度零信號(SSTA)。

(3)在進(jìn)行切換操作時，需要斷開電動機(jī)的動力，因此，請將旋轉(zhuǎn)指令(SFRA、SRVA)和定向指令(ORMCA)設(shè)為0。

7.2 G71.3 SUB 主軸電動機(jī)用電磁接觸器狀態(tài)信號(MCFNA)

(1)輸入SUB 主軸電機(jī)用電磁接觸器(MCC)的開閉狀態(tài)信號。

0:SUB 主軸電動機(jī)用的電磁接觸器處在斷開(OFF)狀態(tài)

1:SUB 主軸電動機(jī)用的電磁接觸器處在接通(ON)狀態(tài)

(2)通常，原封不動地輸入SUB 主軸電動機(jī)用電磁接觸器的輔助接點(A 接點)狀態(tài)。

(3)參數(shù)No.4014#2=0 時，本信號作為動力線狀態(tài)確認(rèn)信號使用，輸入用來切換主軸電動機(jī)的動力線切換的電磁接觸器選擇狀態(tài)。

0:選擇MAIN 主軸電動機(jī)

1:選擇SUB 主軸電動機(jī)

7.3 F46.0 動力線切換信號(CHPA)

(1)此系用來選擇主軸電動機(jī)的動力線切換的電磁接觸器的指令信號。

0:選擇MAIN 主軸電動機(jī)用的電磁接觸器

1:選擇SUB 主軸電動機(jī)用的電磁接觸器

(2)在確認(rèn)輸入主軸切換請求信號(SPSLA)時，電動機(jī)停止，動力被切斷之后，本信號即被輸出。請根據(jù)本信號進(jìn)行電磁接觸器的切換。

(3)在從SUB 電動機(jī)切換至MAIN 電動機(jī)時，當(dāng)SUB 電動機(jī)停止，動力被斷開時，本信號在接到主軸切換請求信號(SPSLA)后，由1 變?yōu)?。由此，首先關(guān)閉SUB 電動機(jī)用的電磁接觸器。接著，在確認(rèn)SUB 電機(jī)用的電磁接觸器已經(jīng)關(guān)閉后，打開MAIN 電動機(jī)用電磁接觸器。

(4)在MAIN 電動機(jī)切換到SUB 電動機(jī)時，當(dāng)MAIN 電動機(jī)停止，動力被切斷時，本信號在接到主軸切換請求信號(SPSLA)后，由0 變?yōu)?。由此，首先關(guān)閉MAIN 電動機(jī)用的電磁接觸器。接著，在確認(rèn)已經(jīng)關(guān)閉MAIN 電動機(jī)用的電磁接觸器后，打開SUB 電機(jī)用電磁接觸器。

7.4 F46.1 主軸切換結(jié)束信號(CFINA)

(1)主軸切換操作結(jié)束，輸出控制哪個主軸電機(jī)的信息。

0:控制MAIN 主軸電機(jī)

1:控制SUB 主軸電機(jī)

(2)主軸切換請求信號(SPSLA)發(fā)生變化，在確認(rèn)本信號與主軸切換請求信號一致之后，轉(zhuǎn)入下一步操作。

(3)在切換操作中，需要斷開電機(jī)的動力，因此，請事先切斷旋轉(zhuǎn)指令(SFRA、SRVA)以及定向指令(ORCMA)。

7.5 F45.1 速度零信號(SSTA)

(1)輸出主軸電機(jī)速度是否大于等于或者小于等于速度零檢測。

0:電動機(jī)在≥速度檢測水平下旋轉(zhuǎn)

1:電動機(jī)在≤速度檢測水平下停止

(2)進(jìn)行主軸切換時，需要使電動機(jī)停下來。請在確認(rèn)電動機(jī)是否已經(jīng)停止時使用本信號。

7.6 控制時序

實例中僅通過與動力線狀態(tài)確認(rèn)信號(MCFNA)之間的確認(rèn)來進(jìn)行主軸切換操作(參數(shù)No.4014#2=0)，如圖7 所示。

7.7 PLC 程序

主軸切換部分PLC 程序如圖8 所示。

7.8 主軸切換相關(guān)參數(shù)設(shè)置(表1)

8 速度切換控制的PLC 接口信號

速度切換控制的使用方法有根據(jù)速度指令切換和根據(jù)實際電動機(jī)速度切換的兩種方法。實例中采用根據(jù)速度指令切換繞組的方法。

8.1 G71.6 輸出切換請求信號(RSLA)

(1)本信號作為選擇輸出特性的指令信號使用。

0:選擇高速特性。

1:選擇低速特性。

(2)根據(jù)速度指令(S 指令)設(shè)定的方法，輸入本指令信號，以便在速度指令小于等于切換速度時切換至低速特性，速度指令大于等于切換速度時切換至高速特性。在大于等于切換速度的旋轉(zhuǎn)區(qū)域，當(dāng)本信號由0 變?yōu)? 時，會馬上切換至低速特性。

8.2 G71.7 低速特性用電磁接觸器狀態(tài)信號(RCHA)

(1)輸入主軸電動機(jī)的低速特性用電磁接觸器(MCC)的開閉狀態(tài)信號。

0:低速特性用的電磁接觸器在斷開(OFF)狀態(tài)

1:低速特性用的電磁接觸器在接通(ON)狀態(tài)

(2)通常，原封不動地輸入低速特性用電磁接觸器的輔助接點(A 接點)狀態(tài)。

(3)參數(shù)No.4014#3=0 時，本信號作為動力線狀態(tài)確認(rèn)信號使用，輸入用來切換主軸電動機(jī)的輸出特性的電磁接觸器的選擇狀態(tài)。

0:選擇高速特性

1:選擇低速特性

8.3 F46.2 動力線切換信號(RCHPA)

(1)此系用來選擇主軸電動機(jī)的輸出特性切換用的電磁接觸器的指令信號。

表1 實例中的相關(guān)系數(shù)設(shè)置

0:選擇高速特性用的電磁接觸器

1:選擇低速特性用的電磁接觸器

(2)本信號在接到輸出切換請求信號(RSLA)的輸入被輸出。請根據(jù)本信號進(jìn)行電磁接觸器的切換。

(3)在從低速特性切換至高速特性時，本信號在接到輸出切換請求信號(RSLA)后，由1 變?yōu)?。此時，電動機(jī)的動力會自動斷開，因此，首先斷開低速特性用的電磁接觸器。接著，在確認(rèn)低速特性用的電磁接觸器已經(jīng)斷開之后，接通高速特性用電磁接觸器。

(4)在從高速特性切換至低速特性時，本信號在接到輸出切換請求信號(RSLA)之后，由0 變?yōu)?。此時，電動機(jī)的動力會自動斷開，因此，首先斷開高速特性用的電磁接觸器。接著，在確認(rèn)高速特性用的電磁接觸器已經(jīng)斷開之后，接通低速特性用電磁接觸器。

8.4 F46.3 動力線切換結(jié)束信號(RCFNA)

(1)主軸電動機(jī)的輸出切換操作結(jié)束，輸出受哪個輸出特性控制的信息。

0:受高速特性控制

1:受低速特性控制

(2)輸出切換請求信號(RSLA)發(fā)生變化，在確認(rèn)本信號與輸出切換請求信號一致之后，轉(zhuǎn)入下一步操作。

8.5 控制時序

實例中僅確認(rèn)動力線狀態(tài)確認(rèn)信號(RCHA)后進(jìn)行輸出切換操作(參數(shù)No.4014#3=0)。

(1)低速特性→高速特性的切換操作，如圖9所示。

(2)高速特性→低速特性的切換操作，如圖10所示。

8.6 實例中的PLC 程序

速度切換部分PLC 程序如圖11 所示。

8.7 實例中相關(guān)參數(shù)設(shè)置

實例中相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 實例中相關(guān)參數(shù)設(shè)置

9 結(jié)語

FANUC 數(shù)控系統(tǒng)中有很多特殊的功能，其中主軸切換控制功能和速度切換控制功能是不太常用的兩個功能，但也是應(yīng)用比較復(fù)雜的功能。在國內(nèi)的機(jī)床中這兩個功能同時應(yīng)用的比較少，甚至沒有。

通過“主軸切換控制功能和速度切換控制功能”在臥式加工中心上同時應(yīng)用的實際案例，說明了充分合理應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)的功能可以大大提高機(jī)床的加工精度和加工范圍，有效地改善機(jī)床的加工切削性能。在數(shù)控機(jī)床設(shè)計中，如果能夠充分將數(shù)控系統(tǒng)功能與機(jī)械結(jié)構(gòu)完美組合，將會大大提高數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用性能。

［1］FANUC a series AC servo amplifer descriptions manual 65162E/03［Z］.

［2］FANUC 16/160/18/180 -Modelb parameter manual 62450E/02［Z］.

［3］FANUC AC spindle motor a series parameter manual 65160EN/02［Z］.

［4］YBM900N 臥式坐標(biāo)鏜床使用說明書［Z］.