基于FANUC 系統(tǒng)的主軸能量斷電回退功能在滾齒機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用

楊春蘭，李 娜，徐陽彬

（秦川集團(tuán)（西安）技術(shù)研究院有限公司，陜西 西安 710018）

0 引言

在數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)，西門子[1]和NUM 系統(tǒng)[2]都是增加電容模塊來提供斷電后需要的回退能量，容量分別為4000μF 和8250 μF，根據(jù)回退距離的要求，多數(shù)情況下配備了兩個(gè)電容模塊，并通過西門子或菲尼克斯UPS 來提供系統(tǒng)、驅(qū)動、PLC 所需的DC24V。以往滾齒機(jī)FANUC 系統(tǒng)需要配備停電備份模塊PFB-C和電容模塊來實(shí)現(xiàn)斷電回退，電容容量25000 μF。這樣會造成成本極大地提升，故需要對這一方面進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。隨著科技的發(fā)展，制造業(yè)不斷提出“智能·綠色·環(huán)保·節(jié)能”。因此在滾齒機(jī)優(yōu)化改進(jìn)過程中，利用FANUC 系統(tǒng)的主軸能量斷電回退功能和PFB-24 模塊，可實(shí)現(xiàn)意外斷電瞬間徑向進(jìn)給軸的安全回退，保護(hù)刀具與工件，避免加工過程中事故的發(fā)生。

1 斷電回退系統(tǒng)

1.1 斷電回退原理

數(shù)控滾齒機(jī)的斷電回退原理如圖1 所示。在滾齒加工過程中應(yīng)用FANUC 數(shù)控系統(tǒng)EGB 齒輪箱功能，刀具軸和工件軸是嚙合在一起的，因此在加工過程中出現(xiàn)意外斷電時(shí)，若未采取一定的防范措施，刀具軸和工件軸的同步關(guān)系無法得到保證，在斷電瞬間滾刀軸和工件軸快速停止，就會損壞刀具和工件，基于這點(diǎn)考慮，在出現(xiàn)上述情況時(shí)要保證在同步狀態(tài)下脫離工件和刀具[3]。使用PFB-24 模塊提供DC24V，回退軸回退的能量由主軸恒速減速釋放能量提供，即使在斷電時(shí)也能保證在同步狀態(tài)下脫離工件和刀具[4]。在滾齒機(jī)改進(jìn)后的方案中，圖1 虛線框中的PFB-C 和電容模塊已被取消。

圖1 斷電回退原理

1.2 系統(tǒng)硬件配置

在前期機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，滾齒機(jī)采用電子齒輪箱EGB 功能，電源模塊采用AIPS 系列，驅(qū)動模塊采用AI 系列。根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)和控制要求參數(shù)，對所需的斷電回退能量進(jìn)行計(jì)算，在干切滾齒機(jī)實(shí)際加工中，根據(jù)國產(chǎn)干切滾刀線速度計(jì)算，滾刀轉(zhuǎn)速一般在400 r/min 以上，可以滿足回退距離要求。經(jīng)過現(xiàn)場的測試驗(yàn)證結(jié)果以及技術(shù)討論以后，最終得出可通過主軸能量斷電回退功能和PFB-24 模塊，實(shí)現(xiàn)意外斷電瞬間滿足刀具軸和工件軸的同步關(guān)系，同時(shí)軸回退到安全距離。對此進(jìn)行論證與分析。

2 斷電能量計(jì)算

2.1 主軸動能計(jì)算

機(jī)床主軸主要包括主軸電機(jī)、齒輪箱、刀桿及飛輪，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2 所示。

圖2 結(jié)構(gòu)簡圖

通過表1 的質(zhì)量與半徑數(shù)據(jù)計(jì)算主軸轉(zhuǎn)動慣量。

表1 主軸計(jì)算參數(shù)

主軸旋轉(zhuǎn)的能量為E= 0.5IW2，其中I為主軸轉(zhuǎn)動慣量，W為主軸角速度，計(jì)算過程如下：

通過公式（1）到公式（5）計(jì)算主軸電機(jī)、齒輪箱、飛輪、刀桿和滾刀的旋轉(zhuǎn)慣量，可得出主軸（不包括主軸電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)慣量：I=I2+I3+I4+I5= 0.8966 kg/m2。假設(shè)干切滾齒機(jī)最低主軸轉(zhuǎn)速為300 r/min，主軸的動能如公式（6）計(jì)算可得能量約為1152J。

2.2 回退消耗能量計(jì)算

消耗的能量主要由四部分組成：

（1）在斷電后，回退前消耗的能量。能量的大小主要與回退前的功率成正比。刀具軸電機(jī)AII 15/8000-B 的額定功率為15 kW，工件軸電機(jī)AIF 40/3000 的額定功率為6 kW。假設(shè)刀具軸和工件軸都以額定功率工作0.2 s，然后開始回退，則這部分消耗的能量：

（2）回退軸移動所需的能量E2，是達(dá)到回退速度前進(jìn)行加速所需要的能量和對抗摩擦所需要的能量之和。回退軸電機(jī)AIF 22/3000，電機(jī)慣量為0.012 kg/m2，負(fù)載慣量為0.0145 kg/m2，當(dāng)軸回退速度為F5000時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2500 r/min，所以這部分消耗的能量：

（3）維持系統(tǒng)24 V 的能量，能量的大小主要與回退時(shí)間成正比。假設(shè)維持系統(tǒng)24 V 的需要供應(yīng)的電流為8 A，回退時(shí)間為0.5 s，則這部分消耗的能量：

E3=IS× 24 × 1.2 ×T= 8 × 24 × 1.2 × 0.5 = 115.2J

綜上，當(dāng)回退距離為30 mm 時(shí)，消耗的總能量。主軸在減速的過程中可以提供約1152 J 的能量，斷電回退時(shí)消耗約1129 J 能量，即。

在干切滾齒機(jī)中，從滾刀線速度折算下來，滾刀軸實(shí)際加工轉(zhuǎn)速基本在400 r/min 以上，實(shí)際加工最高設(shè)置為1000 r/min，設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速為1200 r/min。干切滾齒機(jī)最大模數(shù)6 mm，滾齒徑向進(jìn)給量= 模數(shù)×2.25 = 6 × 2.25 = 13.5 mm，安全系數(shù)設(shè)為1.5，X軸最大回退距離>13.5 × 1.5 = 20.25 mm，才能保證可靠回退距離。測試中設(shè)定回退安全距離為30 mm，斷電瞬間能保證在同步狀態(tài)下脫離工件和刀具。

3 斷電回退實(shí)驗(yàn)

3.1 參數(shù)設(shè)置

對數(shù)控系統(tǒng)的斷電回退功能進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，首先將參數(shù)號4353#4（PFBFEN）設(shè)置為1，此參數(shù)為停電備份功能是否生效，置1 時(shí)有效；然后是參數(shù)4542#6（PFBTYP）設(shè)置為1，使得系統(tǒng)DC 鏈路電壓上升時(shí)不進(jìn)行加速動作，在反復(fù)減速/恒速的同時(shí)停止；再者將參數(shù)號7740 設(shè)置為5000，此功能為回退速度設(shè)定；最后將參數(shù)7741 設(shè)置為30，此功能為回退量設(shè)定。

利用SERVO GUIDE 軟件采集數(shù)據(jù)波形，首先需要設(shè)置監(jiān)控參數(shù)：（1）電壓VDC；（2）X 軸位置POSF；（3）同步誤差ERR；（4）主軸轉(zhuǎn)速SPEED；（5）斷電回退信號PMC（X4.7）。其次測試過程為：正常斷電時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速不斷降低，直流母線的電壓不斷降低，在能量轉(zhuǎn)化足夠的前提下，又被拉升，主軸和C軸同步過程中，X軸有位置變化，執(zhí)行回退，回退完成后，同步停止。最后對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、對比與分析。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照上述設(shè)置的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，外部模擬意外斷電瞬間：電源總開關(guān)在人為斷開時(shí)，機(jī)床徑向進(jìn)給軸按照我們系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的速度及距離實(shí)現(xiàn)了緊急回退。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，選擇在空載和帶負(fù)載（切削）的情況下分別測試，線性地改變滾刀的旋轉(zhuǎn)速度，每個(gè)旋轉(zhuǎn)速度下檢測兩次。

在空載實(shí)驗(yàn)測試中，滾刀轉(zhuǎn)速為250 r/min 時(shí)，主軸恒速減速釋放的能量計(jì)算約為1017 J，小于回退所需要的能量，但實(shí)際測試可以回退到24 mm 左右，理論計(jì)算和實(shí)際測試還是稍有差異，最終以實(shí)際測試結(jié)果為準(zhǔn)。在滾刀轉(zhuǎn)速為300 r/min 時(shí)，由文章中計(jì)算可得，滿足同步關(guān)系的前提下，回退安全距離為30 mm的要求，實(shí)際測試回退距離在34 mm 左右。滾刀轉(zhuǎn)速在350 r/min 時(shí)，實(shí)際測試回退距離為45 mm 左右，隨著滾刀轉(zhuǎn)速的升高，主軸恒速釋放的能量不斷增大，回退安全距離也不斷增大，回退的可靠性更高。在系統(tǒng)參數(shù)中設(shè)定徑向進(jìn)給軸的回退距離為50 mm，也就意味著限制回退最大距離為50 mm，在滾刀轉(zhuǎn)速高于400 r/min 以上，實(shí)際測試回退距離已達(dá)到參數(shù)設(shè)定值，完全保證可靠回退。

在實(shí)際切削測試中，滾刀轉(zhuǎn)速在400 r/min 和500 r/min 時(shí)，分別多次驗(yàn)證，測得回退安全距離為50 mm，在同步狀態(tài)下脫離了工件和刀具，滿足回退要求。在后續(xù)投產(chǎn)的干切滾齒機(jī)也多次測試驗(yàn)證，均能滿足安全回退。

4 結(jié)論

本文通過對主軸能量斷電回退功能方案進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過計(jì)算得知意外斷電瞬間主軸恒速釋放的能量要高于執(zhí)行回退功能所需的能量。在實(shí)際測試過程中，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到300 r/min 時(shí)，回退距離約為33 mm，超過了實(shí)際加工的最大徑向切深量，滿足斷電回退要求。并且隨著主軸轉(zhuǎn)速不斷提升，回退距離會不斷增大，完全保證可靠回退。在現(xiàn)有干切滾齒機(jī)的生產(chǎn)中，已使用了這套斷電回退方案，作為機(jī)床出廠的標(biāo)配功能，機(jī)床出廠前的工藝檢驗(yàn)環(huán)節(jié)中，也增加了斷電回退功能檢驗(yàn)工序，目前干切滾齒機(jī)已銷售28 臺，用戶使用良好。該功能在很大程度上減少了突然斷電對刀具及工件帶來的損傷，也減少了由于意外斷電造成機(jī)床的故障和損壞。因此，該設(shè)計(jì)方案滿足機(jī)床安全使用需求，同時(shí)降低設(shè)計(jì)制造成本和以后維護(hù)成本，從而提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，取消停電備份模塊PFB-C 和電容模塊，也積極響應(yīng)了“降本增效”和“綠色·節(jié)能·環(huán)保”的號召。