雙主軸速度串聯功能在臥式車床上的應用
2020-12-3 來源：沈陽機床集團 作者：王麗芳
摘要：本文以數控臥式車床為例，應用FANUC－0iD系統提供的“主軸同步控制”功能，實現兩個主軸（串行）的同步運行，除速度同步回轉外，還可實現回轉相位的同步。利用相位同步，在數控臥式車床上可用兩個主軸夾持一個形狀不規則的工件，可實現一個軌跡內兩個主軸的同步，也可實現兩個軌跡中兩個主軸的同步。
數控機床上同步控制有多種實現方案，有采用單電動機通過錐齒輪等機械結構來實現同步，但這種方法機械結構復雜、傳動效率低且成本較髙；有采用雙軸電動機依靠軸的剛性連接來實現同步，但這種方法由于是開環控制，控制精度較差；還有采用雙軸電動機控制的同時引入位置檢測裝置，與數控系統組成位置閉環來實現同步控制。這種方法在進給軸同步控制中應用較多，控制量和反饋量都是位置指令。目前，國產及國外數控系統均可實現此功能，本文以FANUC－0iD數控系統為例，開發了一款臥式車床產品ＨＴＣ１６０５００，應用“主軸同步控制”實現旋轉過程中工件的對正、抓取，可一次裝夾完成工件兩側的加工，而無需停下來換夾、對刀，因此提高了加工效率。
１．數控臥式車床雙主軸產品介紹
ＨＴＣ１６０５００產品是一種雙主軸同步控制臥式車床，機床上設置有兩個主軸箱體，左側的主軸箱體為固定式箱體，通過固定支座安裝在機床上，右側的主軸箱體為可移動式箱體，通過中間支座安裝在機床上，兩側的主軸箱體內安裝有電動機。兩個主軸箱體均裝有外置分離式編碼器，外置分離式編碼器的測頭安裝在主軸箱體上，齒環固定在連接盤上，連接盤通過鍵固定在主軸上，主軸箱體與主軸之間通過軸承連接和支承。動力卡盤通過螺釘固定在主軸上，回轉液壓缸與連接盤固定在一起，動力卡盤、回轉液壓缸、連接盤與主軸為剛性一體。制動器主體通過制動器連接支架連接在主軸箱體上，兩側的主軸旋轉首先是速度同步，然后是旋轉主軸角相位同步，如圖１所示。
圖１ ＨＴＣ１６０５００雙主軸同步控制產品
２．主軸同步控制時序
主軸同步控制在執行前需要正確檢測一次旋轉信號，所以在給出同步信號后，主、副電動機會旋轉２￣３圈，目的就是檢測一轉信號，為下面的同步做好準備。很多時候，為實現裝夾異形工件需要，同步的主、副電動機帶動的裝夾頭需要在同步前處于某一相位角度。因此在主軸進行同步狀態后開始旋轉前，還需要進入相位同步狀態。時序圖如圖２所示。
根據客戶實際要求，需要兩個主軸在“加／減速同步”期間，依然可以保持兩主軸相對位置同步，即相位同步控制。為了實現這個效果，需要選配“主軸速度串聯”功能，此為ＦＡＮＵＣ系統的選配功能，選購此功能后，通過必要的參數調整，可以保證兩個主軸的轉矩相同，達到工件不受扭轉力的條件。轉速＋同步轉速相位匹配對主軸速度串聯控制進行調試測試，可以觀察主軸速度串聯的特點：①兩個主軸電動機的電流在主軸旋轉和加減速上直接保證了完全相同，通過圖３看出，波動均完全相同，因此保證了兩個主軸在旋轉過程中轉矩相同，裝夾在兩個主軸之間的工件不受力。②在主軸停止之后，主動軸依然保證了一定的電流控制，此時兩主軸電動機電流不同，但是由于主軸已經停止，因此不會影響工件受力情況。
３．主軸同步控制程序設計
處于同步控制狀態下旋轉的主軸，要想使它們停止旋轉，可以指定同步轉速為Ｓ０，但是停止的位置是不固定的。實際生產中，裝載、卸載工件通常都是在某一固定的位置，可以通過下面兩個方法實現.
圖２主軸同步控制時序
圖３ 功率轉矩
（１）主軸相位同步。相位同步即為兩個主軸在同步控制中，相位上始終處于某一固定角度，包括同步旋轉過程和停止時。調整參數ＮＯ．４０３４，即可在３６０°范圍內偏移。根據需要調整合適位置即可作為裝載、卸載的角度。但該方法的缺陷在于，相位同步控制的旋轉方向按照就近原則旋轉，方向不固定。
（２）同步準停。該方法是在不退出同步控制模式的情況下，執行同步準停。準停的基準位置為相位同步停止位置，如果需要在基準位置的基礎上再調試，可使用同步準停位置外部設定信號ＳＨＡ１１￣ＳＨＡ００。相比相位同步，同步準停的方向可以使用信號ＲＯＴＡＡ固定。
現假設第一、第二主軸進行主軸相位同步，執行以下步驟：①在第１主軸旋轉、第２主軸停止的狀態下設置主軸同步控制指令。②主軸同步結束后，制定同步速度指令＝“〇”。③指定主軸相位同步控制指令，進行基準位置設定。④在主軸相位同步結束后，完成主軸同步準停。⑤通過同步準停，使主軸停止在固定位置。在同步準停結束后，可通過手動／自動解除同步準停。⑥主軸同步準停完成后，可以進行工件的裝卸。設計子程序００００１，通電就保持主軸同步控制。
４．結語
本文應用FANUC－0iD數控系統提供的“主軸同步控制”功能，開發了一款臥式車床產品ＨＴＣ１６０５００，實現雙主軸同步控制，提高了加工效率。但是由于主軸齒輪箱可能存在間隙，同步準停的過程中，會有抖動的情況發生，可以通過增加配重塊或者進行參數優化，來保證主軸同步準停的穩定性。
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