串聯(lián)控制在重大型機(jī)床上的應(yīng)用

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(dòng)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(bǔ)償、伺服驅(qū)動(dòng)及串聯(lián)控制等技術(shù)不斷應(yīng)用于重大型機(jī)床，使重大型機(jī)床的技術(shù)發(fā)展也得到了不斷進(jìn)步，增加了機(jī)床可靠性，提高了機(jī)床精度和無(wú)故障工作時(shí)間（MTBF），進(jìn)而不斷滿足機(jī)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(jī)床既要保證其主驅(qū)動(dòng)低速大轉(zhuǎn)矩、高速大功率，又要保證其進(jìn)給驅(qū)動(dòng)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(yáng)機(jī)床一種車銑加工中心主驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)為例，結(jié)合發(fā)那科31i數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。2串聯(lián)控制主驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)工作臺(tái)主驅(qū)動(dòng)的基本結(jié)構(gòu)是采用兩個(gè)主電動(dòng)機(jī)、兩套齒輪減速箱、一個(gè)大齒環(huán)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)。通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)串聯(lián)控制功能實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)和車削同步控制、銑削負(fù)載分享和消隙功能。雙電動(dòng)機(jī)主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，工作方式為：①車削時(shí)，兩個(gè)電動(dòng)機(jī)同步工作，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。②銑削時(shí)，兩個(gè)電動(dòng)機(jī)工作采用負(fù)載分享和消隙方式，實(shí)現(xiàn)C軸高剛度和高精度。圖1雙電動(dòng)機(jī)主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)位置反饋由安裝在底座上的圓光柵對(duì)C軸進(jìn)行檢測(cè)。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(dòng)機(jī)給從電動(dòng)機(jī)發(fā)出速度指令和速度積分項(xiàng)。②轉(zhuǎn)矩指令是由處理比例項(xiàng)的從電動(dòng)機(jī)速度環(huán)、通過(guò)比例縮放換算出的相當(dāng)于主電動(dòng)機(jī)預(yù)載量以及主電動(dòng)機(jī)通過(guò)速度環(huán)發(fā)出的速度積分項(xiàng)綜合得來(lái)的。圖2串聯(lián)控制框圖在進(jìn)行機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必選擇合適的控制方式。在機(jī)床雙驅(qū)軸機(jī)械部分具備反向進(jìn)給（BACKFEED）特性時(shí)，以下情形適用轉(zhuǎn)矩串聯(lián)控制：①單個(gè)電動(dòng)機(jī)不能提供足夠的轉(zhuǎn)矩。②從慣量角度考慮使用兩個(gè)較小的電動(dòng)機(jī)比使用一個(gè)較大的電動(dòng)機(jī)能更好地與機(jī)械慣量進(jìn)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(jī)械部件或裝配所引起的機(jī)械偏差而使用雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)電動(dòng)機(jī)提供雙倍的轉(zhuǎn)矩去驅(qū)動(dòng)一個(gè)軸。這兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的規(guī)格是一樣的。主電動(dòng)機(jī)和副電動(dòng)機(jī)通常有兩種工作方式，一種是負(fù)載分享方式，一種是消隙工作方式。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩串聯(lián)控制，相關(guān)的機(jī)械部分必須具備反向進(jìn)給特性。所謂的反向進(jìn)給是指雙驅(qū)電動(dòng)機(jī)在未連接動(dòng)力電纜時(shí)，通過(guò)耦合的機(jī)械部分可以實(shí)現(xiàn)順暢的聯(lián)動(dòng)，即盤(pán)動(dòng)主電動(dòng)機(jī)軸通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)副電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)，或盤(pán)動(dòng)副電動(dòng)機(jī)軸通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)使主電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)。如果反向進(jìn)給特性較差，就需要對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可以用以下方法驗(yàn)證機(jī)床的反向進(jìn)給特性。1）手動(dòng)驗(yàn)證在未連接主電動(dòng)機(jī)和副電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力電纜的情況下，分別用手盤(pán)動(dòng)主電動(dòng)機(jī)和副電動(dòng)機(jī)的輸出軸（機(jī)械部分已耦合），觀察副電動(dòng)機(jī)和主電動(dòng)機(jī)是否相應(yīng)隨動(dòng)，過(guò)程是否順暢。2）NC指令驗(yàn)證在連接主電動(dòng)機(jī)動(dòng)力電纜、未連接副電動(dòng)機(jī)動(dòng)力電纜的情況下，系統(tǒng)上電，給主電動(dòng)機(jī)發(fā)出移動(dòng)指令，觀察主電動(dòng)機(jī)的負(fù)載是否低于其額定轉(zhuǎn)矩的1/3。

（2）速度環(huán)路積分器復(fù)制功能（見(jiàn)圖3）由于在轉(zhuǎn)矩串聯(lián)控制中對(duì)副電動(dòng)機(jī)軸僅執(zhí)行轉(zhuǎn)矩（電流環(huán)）控制，不對(duì)其執(zhí)行速度控制，對(duì)于具有較大間隙的機(jī)床副電動(dòng)機(jī)軸可能會(huì)由于這些間隙的影響而產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致軸扭轉(zhuǎn)，并發(fā)生OVC報(bào)警。圖3速度環(huán)路積分器復(fù)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(dòng)軸復(fù)制到從動(dòng)軸上，防止主動(dòng)軸/從動(dòng)軸之間的積分器的偏移。（3）預(yù)加載功能對(duì)主電動(dòng)機(jī)和副電動(dòng)機(jī)施加極性相反的偏置轉(zhuǎn)矩，可以始終維持雙驅(qū)機(jī)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(shí)，副電動(dòng)機(jī)提供和主電動(dòng)機(jī)同極性的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩（負(fù)載分享方式），而在雙驅(qū)軸靜止時(shí)，施加給主電動(dòng)機(jī)和副電動(dòng)機(jī)的偏置轉(zhuǎn)矩（預(yù)加載）維持雙驅(qū)機(jī)械耦合部分的張力（消隙工作方式）。（4）阻尼補(bǔ)償功能要實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩串聯(lián)控制，如圖4所示，可以只對(duì)副電動(dòng)機(jī)軸或同時(shí)對(duì)主電動(dòng)機(jī)軸和副電動(dòng)機(jī)軸添加偏置轉(zhuǎn)矩，以消除兩者速度的偏差。該功能對(duì)驅(qū)動(dòng)部分采用彈性連接或具有類似特性的低剛性機(jī)床可能出現(xiàn)的振動(dòng)（頻率從幾赫茲到40Hz）非常有效。圖4阻尼補(bǔ)償功能框圖（5）伺服報(bào)警兩軸同時(shí)監(jiān)控功能該功能同時(shí)監(jiān)控處于位置串聯(lián)控制或轉(zhuǎn)矩串聯(lián)控制的兩個(gè)電動(dòng)機(jī)軸的報(bào)警狀態(tài)，如果其中一個(gè)電動(dòng)機(jī)軸出現(xiàn)伺服報(bào)警，就立即切斷未報(bào)警的另一個(gè)電動(dòng)機(jī)軸的激磁，以防止機(jī)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(duì)主動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸發(fā)出移動(dòng)指令，從動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸也按此移動(dòng)指令與主動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸同步移動(dòng)。而當(dāng)主動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸和從動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸是由一個(gè)DSP控制時(shí)，這種配置稱為位置串聯(lián)控制。（2）串聯(lián)擾動(dòng)消除功能該功能可以消除位置串聯(lián)控制時(shí)主動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸和從動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸之間的干擾。（3）同步自動(dòng)補(bǔ)償功能（見(jiàn)圖5）在行程較長(zhǎng)的同步軸中，有時(shí)會(huì)發(fā)生由于直線尺的絕對(duì)精度和機(jī)械的熱膨脹而引起的機(jī)械性扭力。在這種情況下，同步軸的主動(dòng)電動(dòng)機(jī)和從動(dòng)電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生相互拉伸的現(xiàn)象，當(dāng)相互拉伸的電流值較大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱和OVC報(bào)警等問(wèn)題。圖5同步自動(dòng)補(bǔ)償功能構(gòu)成發(fā)生這種現(xiàn)象的根本原因在于測(cè)量位置中存在誤差，但是，在螺距誤差補(bǔ)償中，即使可以覆蓋直線尺的誤差，但是尚不能對(duì)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(dòng)補(bǔ)償功能監(jiān)視主動(dòng)軸和從動(dòng)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(bǔ)償從動(dòng)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(jiàn)表1。

表1功能調(diào)試相關(guān)參數(shù)（2）調(diào)試過(guò)程在激活串聯(lián)控制功能前，首先進(jìn)行單個(gè)電動(dòng)機(jī)的調(diào)試，測(cè)試運(yùn)轉(zhuǎn)速度、方向等，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械安裝情況，決定是否激活串聯(lián)控制功能位，即1817#6TANDEM，注意主動(dòng)軸和從動(dòng)軸要同時(shí)設(shè)定。當(dāng)機(jī)械處于脫開(kāi)狀態(tài)時(shí)，務(wù)必確認(rèn)預(yù)加載轉(zhuǎn)矩參數(shù)2087設(shè)定為0，否則從動(dòng)軸電動(dòng)機(jī)可能高速旋轉(zhuǎn)。這是由于從動(dòng)軸電動(dòng)機(jī)僅處于電流環(huán)控制，速度環(huán)和位置環(huán)完全開(kāi)環(huán)，因此，此時(shí)主動(dòng)軸側(cè)的負(fù)載狀態(tài)決定從動(dòng)軸的狀態(tài)。當(dāng)機(jī)械側(cè)嚙合后，進(jìn)行正反轉(zhuǎn)、高低速測(cè)試，運(yùn)行均平穩(wěn)正常，負(fù)載完全一致時(shí)，進(jìn)行預(yù)加載設(shè)定，使機(jī)床處于預(yù)載消隙工作方式。根據(jù)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩適當(dāng)設(shè)定預(yù)加載轉(zhuǎn)矩值，可以通過(guò)測(cè)量反向間隙值來(lái)修正參數(shù)2087的設(shè)定值，盡量不要超過(guò)額定值的30%，設(shè)定值過(guò)大，電動(dòng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。調(diào)試過(guò)程中，如果軸在移動(dòng)時(shí)振動(dòng)，可使用阻尼補(bǔ)