FANUC系統(tǒng)主軸切換和速度輸出切換控制同時(shí)在臥式加工中心的應(yīng)用
本文研究的是日本生產(chǎn)的臥式精工坐標(biāo)鏜，這是 一臺(tái)FANUC 16M系統(tǒng)的精工機(jī)床，既可以實(shí)現(xiàn)大扭 矩加工，又可以實(shí)現(xiàn)高速高精加工。在精加工時(shí)主軸 最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到6 000 r/min。國(guó)內(nèi)同類機(jī)床，主軸 直徑在"100 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(lái)噪聲、震動(dòng)， 精度差等影響加工質(zhì)量的一系列問(wèn)題。相比之下，這 臺(tái)臥式精工坐標(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(shì)，從而使這臺(tái)機(jī)床的加工范圍更寬。那 么制造商是如何實(shí)現(xiàn)這一優(yōu)勢(shì)的呢？本文重點(diǎn)討論電氣方面的控制原理。1機(jī)床主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主傳動(dòng)采用了兩套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并使用了兩臺(tái)交流 主軸伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。在使用大扭矩加工時(shí), MAIN主軸電動(dòng)機(jī)和主軸是通過(guò)一套齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連 接的，通過(guò)一系列的齒輪嚙合將主軸電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳 到主運(yùn)動(dòng),增大主運(yùn)動(dòng)的扭矩。實(shí)例:MAIN電動(dòng)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aL 15/6000型主軸電動(dòng)機(jī), 15 kW。在需要高精加、主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到530 r/min以上 時(shí),切換到SUB主軸電動(dòng)機(jī)。SUB電動(dòng)機(jī)和主軸是1:1直連的，選用的是雙繞組aL 26 /10000型電動(dòng)機(jī), 18.5 kW(如圖 1)。2主軸運(yùn)動(dòng)的機(jī)械特性主軸轉(zhuǎn)速在20?530 r/min以下,MAIN主軸電動(dòng)機(jī)通過(guò)一系列齒輪傳遞將動(dòng)力傳遞到主運(yùn)動(dòng),531?6 000 r/min切換到SUB主軸電動(dòng)機(jī),和主軸1:1連接。其中在530?2 000 r/min范圍,SUB主軸電動(dòng)機(jī)的低速繞組工作;2 001?6 000 r/min范圍,SUB主軸電動(dòng)機(jī)的高速繞組區(qū)工作。主運(yùn)動(dòng)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精工 系統(tǒng)。(2)主傳動(dòng)的主軸電動(dòng)機(jī)分別采用aL15/6000和 aL26 /10000兩種型號(hào)主伺服電動(dòng)機(jī)，其中后者為雙 繞組主軸電機(jī)。(3)采用一臺(tái)主軸伺服放大器控制兩臺(tái)主軸電動(dòng) 機(jī)。硬件線路進(jìn)行互鎖，保證兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)不能同時(shí)工作。⑷利用FANUC系統(tǒng)主軸切換控制功能，控制切 換aL15/6000和aL 26 /10000兩臺(tái)主電動(dòng)機(jī)的工作。 通過(guò)兩臺(tái)主電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速區(qū)的工作時(shí)段，獲得不 同的電動(dòng)機(jī)特性，來(lái)提高機(jī)床的加工能力。進(jìn)行主軸 切換時(shí)，需要使電動(dòng)機(jī)停下來(lái)。(1)利用FANUC系統(tǒng)主軸輸出切換控制功能，控 制切換雙繞組aL 26 /10000電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速區(qū)，實(shí)現(xiàn)在 高轉(zhuǎn)速下的扭矩切換。此功能應(yīng)用時(shí)要切換離合/齒 輪信號(hào)（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(wèn)題(1)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)主電動(dòng)機(jī)最優(yōu)化運(yùn)行，在主電動(dòng)機(jī) 切換控制中，應(yīng)考慮避免兩臺(tái)主電機(jī)同時(shí)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(dòng)機(jī)雙繞 組切換控制中，應(yīng)考慮避免雙繞組同時(shí)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(tái)主軸電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸時(shí)，M19的定 向位置要一致。(4)主軸3個(gè)檔位變速的控制。6主電動(dòng)機(jī)連接圖SPM主軸放大器，使用與兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的放大 器中容量較大者。通過(guò)來(lái)自PMC的切換指令,切換控 制MAIN主軸電動(dòng)機(jī)和SUB主軸電動(dòng)機(jī)。為了更加 切實(shí)地檢測(cè)動(dòng)力線的狀態(tài)，輸入MAIN主軸電動(dòng)機(jī)和 SUB主軸電動(dòng)機(jī)的電磁接觸器的狀態(tài)，在輸出動(dòng)力線 切換信號(hào)（CHPA)后,如果在1 s內(nèi)沒有輸入電磁接觸 器狀態(tài)信號(hào)（MCFNA、MFNHGA),則會(huì)有主軸報(bào)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(hào)主軸切換控制是利用1臺(tái)主軸放大器來(lái)切換并驅(qū) 動(dòng)2臺(tái)主軸電動(dòng)機(jī)的一種功能。此功能可適用于使用 不同時(shí)驅(qū)動(dòng)的2臺(tái)主軸電動(dòng)機(jī)。7.1G71.2主軸切換請(qǐng)求信號(hào)（SPSLA)(1)本信號(hào)作為選擇主軸電動(dòng)機(jī)的指令信號(hào) 使用。0:選擇MAIN主軸電動(dòng)機(jī)。1:選擇SUB主軸電動(dòng)機(jī)。(2)在停止主軸電動(dòng)機(jī)后，改變本信號(hào)。作為用 來(lái)確認(rèn)主軸電動(dòng)機(jī)停止的輸出信號(hào)，備有速度零信號(hào)(SSTA)。(3)在進(jìn)行切換操作時(shí)，需要斷開電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力， 因此，請(qǐng)將旋轉(zhuǎn)指令（SFRA、SRVA)和定向指令 (ORMCA)設(shè)為 0。7.2G71.3 SUB主軸電動(dòng)機(jī)用電磁接觸器狀態(tài)信號(hào) (MCFNA)⑴輸入SUB主軸電機(jī)用電磁接觸器（MCC)的開閉 狀態(tài)信號(hào)。0:SUB主軸電動(dòng)機(jī)用的電磁接觸器處在斷開(OFF)狀態(tài)1:SUB主軸電動(dòng)機(jī)用的電磁接觸器處在接通 (ON)狀態(tài)(1)通常，原封不動(dòng)地輸入SUB主軸電動(dòng)機(jī)用電 磁接觸器的輔助接點(diǎn)（A接點(diǎn)）狀態(tài)。(2)參數(shù)No. 4014#2 =0時(shí),本信號(hào)作為動(dòng)力線狀 態(tài)確認(rèn)信號(hào)使用，輸入用來(lái)切換主軸電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力線 切換的電磁接觸器選擇狀態(tài)。0:選擇MAIN主軸電動(dòng)機(jī) 1:選擇SUB主軸電動(dòng)機(jī)7.3F46.0動(dòng)力線切換信號(hào)（CHPA)(1)此系用來(lái)選擇主軸電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力線切換的電 磁接觸器的指令信號(hào)。0:選擇MAIN主軸電動(dòng)機(jī)用的電磁接觸器 1:選擇SUB主軸電動(dòng)機(jī)用的電磁接觸器(2)在確認(rèn)輸入主軸切換請(qǐng)求信號(hào)（SPSLA)時(shí), 電動(dòng)機(jī)停止，動(dòng)力被切斷之后，本信號(hào)即被輸出。請(qǐng)根 據(jù)本信號(hào)進(jìn)行電磁接觸器的切換。(3)在從SUB電動(dòng)機(jī)切換至MAIN電動(dòng)機(jī)時(shí)，當(dāng) SUB電動(dòng)機(jī)停止，動(dòng)力被斷開時(shí)，本信號(hào)在接到主軸 切換請(qǐng)求信號(hào)（SPSLA)后，由1變?yōu)?。由此,首先關(guān) 閉SUB電動(dòng)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(dòng)機(jī)用 電磁接觸器。(4)在MAIN電動(dòng)機(jī)切換到SUB電動(dòng)機(jī)時(shí)，當(dāng) MAIN電動(dòng)機(jī)停止,動(dòng)力被切斷時(shí)，本信號(hào)在接到主軸 切換請(qǐng)求信號(hào)（SPSLA)后，由0變?yōu)?。由此,首先關(guān) 閉MAIN電動(dòng)機(jī)用的電磁接觸器。接著，在確認(rèn)已經(jīng) 關(guān)閉MAIN電動(dòng)機(jī)用的電磁接觸器后，打開SUB電機(jī) 用電磁接觸器。7.4F46.1主軸切換結(jié)束信號(hào)（CFINA)(1)主軸切換操作結(jié)束，輸出控制哪個(gè)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(qǐng)求信號(hào)（SPSLA)發(fā)生變化，在確 認(rèn)本信號(hào)與主軸切換請(qǐng)求信號(hào)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(dòng)力，因此， 請(qǐng)事先切斷旋轉(zhuǎn)指令（SFRA、SRVA)以及定向指令 (ORCMA)。7.5F45.1速度零信號(hào)（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(cè)。0:電動(dòng)機(jī)在^速度檢測(cè)水平下旋轉(zhuǎn) 1:電動(dòng)機(jī)在^速度檢測(cè)水平下停止(2)進(jìn)行主軸切換時(shí)，需要使電動(dòng)機(jī)停下來(lái)。請(qǐng) 在確認(rèn)電動(dòng)機(jī)是否已經(jīng)停止時(shí)使用本信號(hào)。7.6控制時(shí)序?qū)嵗袃H通過(guò)與動(dòng)力線狀態(tài)確認(rèn)信號(hào)（MCFNA) 之間的確認(rèn)來(lái)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(hào)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(shí)際電動(dòng)機(jī)速度切換的兩種方法。實(shí)例中采用根 據(jù)速度指令切換繞組的方法。8.1G71.6輸出切換請(qǐng)求信號(hào)（RSLA)(1)本信號(hào)作為選擇輸出特性的指令信號(hào)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(hào)，以便在速度指令小于等于切換速度時(shí)切換 至低速特性，速度指令大于等于切換速度時(shí)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(hào) 由0變?yōu)?時(shí)，會(huì)馬上切換至低速特性。8.2G71.7低速特性用電磁接觸器狀態(tài)信號(hào)(RCHA)(1)輸入主軸電動(dòng)機(jī)的低速特性用電磁接觸器(MCC)的開閉狀態(tài)信號(hào)。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(dòng)地輸入低速特性用電磁接觸 器的輔助接點(diǎn)（A接點(diǎn)）狀態(tài)。(3)參數(shù)No.4014#3 =0時(shí),本信號(hào)作為動(dòng)力線狀 態(tài)確認(rèn)信號(hào)使用，輸入用來(lái)切換主軸電動(dòng)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(dòng)力線切換信號(hào)（RCHPA)(1)此系用來(lái)選擇主軸電動(dòng)機(jī)的輸出特性切換用 的電磁接觸器的指令信號(hào)。表1實(shí)例中的相關(guān)系數(shù)設(shè)置 MAIN電動(dòng)機(jī)S1 SUB電動(dòng)機(jī)S2 4001#0 =1使用MRDY信號(hào) 4177#0 = 1使用MRDY信號(hào) 4001#2 = 1使用位置編碼器信號(hào) 4177#2 = 1使用位置編碼器信號(hào) 4004#1 =1使用BZ傳感器 4179#1 =1使用MZ傳感器 4014#0 =1有主軸切換控制功能 4014#2 =0進(jìn)行基于動(dòng)力線狀態(tài) 信號(hào)（MCFN)的確認(rèn) 4013 =00100110電流靜區(qū)數(shù)據(jù) 4189 =00100110電流靜區(qū)數(shù)據(jù) 4015#0=1有主軸定向功能 4020 =6000電動(dòng)機(jī)******速度 4196 =6000電機(jī)******速度 4077 = 3228定向停止位置位移量 4228 = 3208定向停止位置位移量 4110=815電流變換常數(shù)（高速特 4264 = 855電流變換常數(shù)（高速特 性） 性） 4112 = 500電壓指令飽和判斷水平 4266 = 333電壓指令飽和判斷水平 (高速特性） (高速特性） 4146 = 0電流變換常數(shù)（低速特 4294 =1331電流變換常數(shù)（低速特 性) 性） _ = 10速度控制方式時(shí)的速度 4206 =10速度控制方式時(shí)的速度 環(huán)路比例增益（High) 環(huán)路比例增益（High) 4041 =10速度控制方式時(shí)的速度 4207 =5速度控制方式時(shí)的速度環(huán) 環(huán)路比例增益（Low) 路比例增益（Low) 4042 = 10定向時(shí)速度環(huán)路比例增 4208 =10定向時(shí)速度環(huán)路比例增 益( High) 益（High) 4043 =7定向時(shí)速度環(huán)路比例增益 4209 = 5定向時(shí)速度環(huán)路比例增益 ( Low) ( Low) 4056 =100 齒輪比(High) 4216 =1W 齒輪比(High) 4057 =100 齒輪比(Medium High) 4058 =100 齒輪比(Medium Low) 4059 =1007 齒輪比(Low) 4217 =100 齒輪比(Low) 4063 = 700定向時(shí)位置增益(Low) 4219 =1000定向時(shí)位置增益(Low) 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(hào)在接到輸出切換請(qǐng)求信號(hào)（RSLA)的 輸入被輸出。請(qǐng)根據(jù)本信號(hào)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(shí)，本信號(hào)在 接到輸出切換請(qǐng)求信號(hào)（RSLA)后，由1變?yōu)?。此 時(shí)，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力會(huì)自動(dòng)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(shí)，本信號(hào)在 接到輸出切換請(qǐng)求信號(hào)（RSLA)之后，由0變?yōu)?。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力會(huì)自動(dòng)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(dòng)力線切換結(jié)束信號(hào)（RCFNA)(1)主軸電動(dòng)機(jī)的輸出切換操作結(jié)束，輸出受哪 個(gè)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(qǐng)求信號(hào)（RSLA)發(fā)生變化,在確認(rèn) 本信號(hào)與輸出切換請(qǐng)求信號(hào)一致之后，轉(zhuǎn)入下一步 操作。8.5控制時(shí)序?qū)嵗袃H確認(rèn)動(dòng)力線狀態(tài)確認(rèn)信號(hào)（RCHA)后進(jìn) 行輸出切換操作（參數(shù)N〇.4014#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(shí)例中的PLC程序速度切換部分PLC程序如圖11所示。 8.7實(shí)例中相關(guān)參數(shù)設(shè)置實(shí)例中相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表2。表2實(shí)例中相關(guān)參數(shù)設(shè)置 4015#0 =1 有主軸定向功能 4015#2 =1 有輸出切換控制功能 4014#3 =0 進(jìn)行基于動(dòng)力線狀態(tài)確認(rèn)信號(hào)（RCH)的確認(rèn) 4019#4 =0 與速度檢測(cè)信號(hào)（SDT)無(wú)關(guān)地切換 9結(jié)語(yǔ)FANUC精工系統(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(gè) 功能,但也是應(yīng)用比較復(fù)雜的功能。在國(guó)內(nèi)的機(jī)床中 這兩個(gè)功能同時(shí)應(yīng)用的比較少，甚至沒有。通過(guò)“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(shí)應(yīng)用的實(shí)際案例，說(shuō)明了充分 合理應(yīng)用精工系統(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 精工機(jī)床設(shè)計(jì)中，如果能夠充分將精工系統(tǒng)功能與機(jī) 械結(jié)構(gòu)完美組合，將會(huì)大大提高精工機(jī)床的應(yīng)用性能。參考文獻(xiàn)[l] 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(shuō)明書[Z].第一作者:李惠賢，女，1964年生，高級(jí)工程師，長(zhǎng) 期從事精工機(jī)床電氣設(shè)計(jì)、調(diào)試等工作,具有豐富的實(shí) 踐經(jīng)驗(yàn)，已發(fā)表論文5篇。(編輯劉文元）(收稿日期:2015 -03 -18)海天精工相關(guān)產(chǎn)品：加工中心,鉆攻中心,高速加工中心,立式加工中心,雕銑機(jī)