串聯控制在重大型機床上的應用

張秀印

沈陽機床（集團）有限責任公司 遼寧沈陽 110142

1 序言

近二十幾年，在發電、冶金、航空航天和造船工業蓬勃發展的推動下，重大型工件加工數量及種類不斷增多，加工質量也不斷提高。數控、數顯、可控硅、補償、伺服驅動及串聯控制等技術不斷應用于重大型機床，使重大型機床的技術發展也得到了不斷進步，增加了機床可靠性，提高了機床精度和無故障工作時間（MTBF），進而不斷滿足機械加工的新需求。

為了滿足加工精度要求，提高加工效率，重大型機床既要保證其主驅動低速大轉矩、高速大功率，又要保證其進給驅動平滑穩定，串聯控制技術在這些領域起到了關鍵作用。下面以沈陽機床一種車銑加工中心主驅動機械結構為例，結合發那科31i數控系統進行簡單介紹。

2 串聯控制主驅動機械結構

工作臺主驅動的基本結構是采用兩個主電動機、兩套齒輪減速箱、一個大齒環驅動工作臺旋轉。通過數控系統串聯控制功能實現工作臺和車削同步控制、銑削負載分享和消隙功能。雙電動機主驅動結構如圖1所示，工作方式為：①車削時，兩個電動機同步工作，實現工作臺的轉動。②銑削時，兩個電動機工作采用負載分享和消隙方式，實現C軸高剛度和高精度。

圖1 雙電動機主驅動結構

旋轉工作臺位置反饋由安裝在底座上的圓光柵對C軸進行檢測。

3 串聯控制框圖

串聯控制包括轉矩串聯控制和同步控制中的位置串聯控制，如圖2所示：①主電動機給從電動機發出速度指令和速度積分項。②轉矩指令是由處理比例項的從電動機速度環、通過比例縮放換算出的相當于主電動機預載量以及主電動機通過速度環發出的速度積分項綜合得來的。

圖2 串聯控制框圖

在進行機床設計時務必選擇合適的控制方式。在機床雙驅軸機械部分具備反向進給（BACK FEED）特性時，以下情形適用轉矩串聯控制：①單個電動機不能提供足夠的轉矩。②從慣量角度考慮使用兩個較小的電動機比使用一個較大的電動機能更好地與機械慣量進行匹配。

其他情形一般使用位置串聯控制。位置串聯控制同樣也適用于為了改善機械部件或裝配所引起的機械偏差而使用雙電動機驅動的情形。

4 轉矩串聯控制

（1）轉矩串聯控制 轉矩串聯控制使用兩個電動機提供雙倍的轉矩去驅動一個軸。這兩個電動機的規格是一樣的。主電動機和副電動機通常有兩種工作方式，一種是負載分享方式，一種是消隙工作方式。

為了實現穩定的轉矩串聯控制，相關的機械部分必須具備反向進給特性。所謂的反向進給是指雙驅電動機在未連接動力電纜時，通過耦合的機械部分可以實現順暢的聯動，即盤動主電動機軸通過機械傳動帶動副電動機隨動，或盤動副電動機軸通過機械傳動使主電動機隨動。如果反向進給特性較差，就需要對機械部分進行適當的調整，可以用以下方法驗證機床的反向進給特性。

1）手動驗證 在未連接主電動機和副電動機的動力電纜的情況下，分別用手盤動主電動機和副電動機的輸出軸（機械部分已耦合），觀察副電動機和主電動機是否相應隨動，過程是否順暢。

2）NC指令驗證 在連接主電動機動力電纜、未連接副電動機動力電纜的情況下，系統上電，給主電動機發出移動指令，觀察主電動機的負載是否低于其額定轉矩的1/3。

（2）速度環路積分器復制功能（見圖3） 由于在轉矩串聯控制中對副電動機軸僅執行轉矩（電流環）控制，不對其執行速度控制，對于具有較大間隙的機床副電動機軸可能會由于這些間隙的影響而產生振動，導致軸扭轉，并發生OVC報警。

圖3 速度環路積分器復制功能框圖

這種情況下，該功能將速度環路的積分器從主動軸復制到從動軸上，防止主動軸/從動軸之間的積分器的偏移。

（3）預加載功能 對主電動機和副電動機施加極性相反的偏置轉矩，可以始終維持雙驅機械耦合部分的張力，減小這部分的間隙。在雙驅軸加、減速時，副電動機提供和主電動機同極性的驅動轉矩（負載分享方式），而在雙驅軸靜止時，施加給主電動機和副電動機的偏置轉矩（預加載）維持雙驅機械耦合部分的張力（消隙工作方式）。

（4）阻尼補償功能 要實現平穩的轉矩串聯控制，如圖4所示，可以只對副電動機軸或同時對主電動機軸和副電動機軸添加偏置轉矩，以消除兩者速度的偏差。該功能對驅動部分采用彈性連接或具有類似特性的低剛性機床可能出現的振動（頻率從幾赫茲到40Hz）非常有效。

圖4 阻尼補償功能框圖

（5）伺服報警兩軸同時監控功能 該功能同時監控處于位置串聯控制或轉矩串聯控制的兩個電動機軸的報警狀態，如果其中一個電動機軸出現伺服報警，就立即切斷未報警的另一個電動機軸的激磁，以防止機床扭曲變形。

5 位置串聯控制

（1）位置串聯控制 在同步控制中，數控系統僅對主動電動機軸發出移動指令，從動電動機軸也按此移動指令與主動電動機軸同步移動。而當主動電動機軸和從動電動機軸是由一個DSP控制時，這種配置稱為位置串聯控制。

（2）串聯擾動消除功能 該功能可以消除位置串聯控制時主動電動機軸和從動電動機軸之間的干擾。

（3）同步自動補償功能（見圖5） 在行程較長的同步軸中，有時會發生由于直線尺的絕對精度和機械的熱膨脹而引起的機械性扭力。在這種情況下，同步軸的主動電動機和從動電動機會產生相互拉伸的現象，當相互拉伸的電流值較大時，就會出現發熱和OVC報警等問題。

圖5 同步自動補償功能構成

發生這種現象的根本原因在于測量位置中存在誤差，但是，在螺距誤差補償中，即使可以覆蓋直線尺的誤差，但是尚不能對應由于溫度變化而引起的熱膨脹。

該功能在這種情況下有效。同步自動補償功能監視主動軸和從動軸之間的轉矩誤差，以使轉矩誤差逐漸變小的方式慢慢地補償從動側的位置，減小轉矩誤差。

6 功能調試

（1）相關參數 見表1。

表1 功能調試相關參數

（2）調試過程 在激活串聯控制功能前，首先進行單個電動機的調試，測試運轉速度、方向等，然后根據現場機械安裝情況，決定是否激活串聯控制功能位，即1817#6 TANDEM，注意主動軸和從動軸要同時設定。

當機械處于脫開狀態時，務必確認預加載轉矩參數2087設定為0，否則從動軸電動機可能高速旋轉。這是由于從動軸電動機僅處于電流環控制，速度環和位置環完全開環，因此，此時主動軸側的負載狀態決定從動軸的狀態。

當機械側嚙合后，進行正反轉、高低速測試，運行均平穩正常，負載完全一致時，進行預加載設定，使機床處于預載消隙工作方式。

根據電動機額定轉矩適當設定預加載轉矩值，可以通過測量反向間隙值來修正參數2087的設定值，盡量不要超過額定值的30%，設定值過大，電動機會出現過熱現象。

調試過程中，如果軸在移動時振動，可使用阻尼補償功能，參數2008#7=1，參數2036調整合適數值，使機床軸在移動過程中平穩正常。

7 結束語

串聯控制不僅可以應用在主軸驅動部分，還可以應用在伺服軸的進給驅動部分，不僅可以產生大功率、大轉矩，提高加工效率，還可以有效地提高機床定位精度和重復定位精度，從而提高工件加工精度。