摘要：本文介紹了SIEMENS840D數(shù)控系統(tǒng)主-從控制原理，法國(guó)REDEX減速機(jī)的換檔原理，并且重點(diǎn)分析了主-從控制結(jié)構(gòu)換檔時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法。

關(guān)鍵詞：主從控制  REDEX減速機(jī)  換檔

Shift control of master-slave drive structure spindle

1  前言

我公司生產(chǎn)的重型立（臥）式車(chē)削中心，主軸(或工作臺(tái))大多采用雙驅(qū)（或多驅(qū)）主-從結(jié)構(gòu)，即用兩個(gè)（或多個(gè)）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)主軸（或工作臺(tái)）。大大簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)床的分度及定位精度。CHX61315是我公司給國(guó)內(nèi)一大型企業(yè)設(shè)計(jì)制造的重型臥式車(chē)銑復(fù)合加工中心，最大加工工件直徑3.15m，承載最大工件重量150噸。主傳動(dòng)采用主-從雙驅(qū)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。主（從）動(dòng)伺服電機(jī)分別通過(guò)法國(guó)REDEX公司的兩級(jí)減速箱（由一個(gè)具有兩個(gè)檔位的擺線針輪行星變速箱和一個(gè)蝸輪蝸桿變速箱組成），帶動(dòng)齒輪1a(1b),2a(2b),3a(3b)和齒輪4，最后由齒輪4帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。

主要硬件組成及主軸配置：

主(從)伺服電機(jī)： 西門(mén)子 1PH7 224-2ND03-0CA0,71Kw；

兩級(jí)減速箱 ：REDEX公司 MSR656.FP5S.2286M1.60K75.H.5T,i=1:1及1:3.83；

控制系統(tǒng)：西門(mén)子 840D,NCU572.5，軟件版本V7.4；

主軸編碼器： 海登漢 ROD280角度編碼器，18000脈沖/轉(zhuǎn)，測(cè)量步距0.0001度。

主動(dòng)伺服電機(jī)設(shè)定為第1主軸，從動(dòng)伺服電機(jī)設(shè)定為第3主軸（銑頭主電機(jī)為第2主軸），其他軸參數(shù)，包括齒輪比、速度、增益、加速度等兩臺(tái)伺服電機(jī)設(shè)置完全一致。

圖1 主軸主-從驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

2  主-從控制原理介紹

主-從驅(qū)動(dòng)就是通過(guò)兩個(gè)或多個(gè)伺服電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)軸,在兩個(gè)或多個(gè)伺服電機(jī)之間建立主-從的控制關(guān)系,從動(dòng)伺服電機(jī)根據(jù)主動(dòng)伺服電機(jī)設(shè)定的速度運(yùn)動(dòng),主動(dòng)伺服電機(jī)一般采用位置控制方式，而從動(dòng)伺服電機(jī)始終為速度控制方式。首先，PI轉(zhuǎn)矩控制器確保兩個(gè)伺服電機(jī)產(chǎn)生一定大小的輸出轉(zhuǎn)矩，另外，在軸控制（或定位）方式時(shí)，可以指定一個(gè)附加轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)在主-從驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)伺服電機(jī)之間產(chǎn)生一定的張力，來(lái)消除傳動(dòng)系統(tǒng)的間隙。有關(guān)主-從控制功能的主要軸參數(shù)設(shè)置如下（從動(dòng)軸）：

MD37250        3         速度耦合的主要軸號(hào)（主動(dòng)伺服電機(jī)軸號(hào)）

MD37252        3         扭矩控制的主要軸號(hào)（主動(dòng)伺服電機(jī)軸號(hào)）

MD37254        1         扭矩補(bǔ)償控制激活

MD37256        2         扭矩補(bǔ)償控制增益系數(shù)

MD37262        0         固定有效的主從驅(qū)動(dòng)控制

MD37264       10%        主從張力扭矩

MD37268       50%        從動(dòng)軸扭矩系數(shù)

3  REDEX減速機(jī)的換檔原理

圖2 REDEX變速箱換檔電氣原理圖

圖3 換檔過(guò)程邏輯圖

REDEX公司的兩級(jí)減速箱有兩個(gè)機(jī)械檔位，即1:1和1:3.83,通過(guò)變換星形齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。變檔電氣原理如圖2示，M是變檔驅(qū)動(dòng)電機(jī)，KA1、KA2是切換電壓極性的中間繼電器。當(dāng)要求換到1:1側(cè)時(shí)，KA2得電，KA1不得電， M正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)撥叉擺動(dòng)，同時(shí)主動(dòng)伺服電機(jī)開(kāi)始擺動(dòng)（換檔過(guò)程邏輯如圖３所示），撥叉帶動(dòng)星形齒輪移動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到檔位到達(dá)信號(hào)時(shí)，KA2斷電，同時(shí)主電機(jī)停止擺動(dòng)。當(dāng)要求換到1:3.83側(cè)時(shí)，KA1,KA2同時(shí)得電, M反轉(zhuǎn)，換擋過(guò)程和前面相似。

兩臺(tái)減速機(jī)的接線完全一樣，并且只有當(dāng)兩臺(tái)減速機(jī)的檔位檢測(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)全部到達(dá)時(shí)，系統(tǒng)才認(rèn)為換檔過(guò)程完成。

4 調(diào)試

    在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)多數(shù)情況下從動(dòng)側(cè)減速機(jī)的換檔完成不了，既使偶然換檔能夠完成，但在主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候伺服電機(jī)負(fù)載電流特別大，至少在額定電流的８０％以上，連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)幾秒鐘后伺服電源模塊就會(huì)發(fā)生過(guò)熱報(bào)警，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)及分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生以上問(wèn)題的原因主要有兩個(gè)：

1. 由主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及主-從控制的原理可知,從動(dòng)伺服電機(jī)是隨著主動(dòng)伺服電機(jī)而旋轉(zhuǎn),由于開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí)主-從伺服電機(jī)之間要產(chǎn)生一定的張力，所以?xún)烧咧g會(huì)存在時(shí)間差,即當(dāng)主伺服電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí),從動(dòng)伺服電機(jī)還沒(méi)有轉(zhuǎn)。而REDEX公司的減速機(jī)換檔過(guò)程非常短，在從動(dòng)伺服電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)之前主動(dòng)側(cè)減速機(jī)已經(jīng)換檔完成，此時(shí)主伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)會(huì)沿著傳動(dòng)鏈逆?zhèn)鞯綇膭?dòng)伺服電機(jī)側(cè)的減速機(jī)，此時(shí)，從動(dòng)側(cè)減速機(jī)需要嚙合的兩個(gè)行星齒輪便以相同的速度及相同的方向旋轉(zhuǎn)，因此不容易嚙合。
2. 根據(jù)西門(mén)子840D數(shù)控系統(tǒng)的主-從控制原理可知,從動(dòng)軸始終跟隨主動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，因此程序中執(zhí)行主軸換檔指令的M代碼，是輸出給主動(dòng)伺服電機(jī)（即第一主軸的）的。PLC通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)減速機(jī)檔位開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，判斷當(dāng)前實(shí)際檔位，當(dāng)實(shí)際檔位和要求的檔位一致時(shí)換檔完成。由于NC始終處理的是主動(dòng)伺服電機(jī)的換檔信號(hào)，既使從動(dòng)伺服電機(jī)和主動(dòng)伺服電機(jī)處在相同的檔位上，但NC并不處理從動(dòng)伺服電機(jī)（即第三主軸）的換檔信號(hào)，而是認(rèn)為從動(dòng)伺服電機(jī)仍然處在原來(lái)的檔位上。NC在處理程序中的S值時(shí)，會(huì)根據(jù)不同的檔位選擇不同的參數(shù)組（傳動(dòng)比），一旦選擇的參數(shù)組不一致就會(huì)輸出不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致嚴(yán)重的不同步和逆?zhèn)鲃?dòng)，從而產(chǎn)生很大的電流，致使電源模塊過(guò)熱。

針對(duì)上述產(chǎn)生問(wèn)題的原因，我們提出了相應(yīng)的解決方法：

（1）在換檔時(shí)取消主-從關(guān)系。當(dāng)主軸開(kāi)始換檔前，首先斷開(kāi)主-從關(guān)系，延時(shí)關(guān)斷從動(dòng)伺服電機(jī)的控制使能信號(hào)，使從動(dòng)伺服電機(jī)處于自由狀態(tài)。然后開(kāi)始換檔，主動(dòng)伺服電機(jī)間歇左右擺動(dòng)便于齒輪嚙合，當(dāng)主動(dòng)側(cè)減速機(jī)換檔到位后，通過(guò)逆?zhèn)鲃?dòng)帶動(dòng)從動(dòng)側(cè)的減速機(jī)的星形齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)側(cè)減速機(jī)開(kāi)始換檔。當(dāng)兩個(gè)減速機(jī)都換檔到位后，主伺服電機(jī)停止擺動(dòng)。最后激活從動(dòng)伺服電機(jī)的控制使能信號(hào)，激活主-從控制，至此，整個(gè)換檔過(guò)程完成。下面是此過(guò)程的PLC程序：

     ……

          AN   DB33.DBX82.3       //主伺服電機(jī)換檔信號(hào)

          =    M13.3

          A   M13.3

          =   DB34.DBX24.7        //從動(dòng)伺服電機(jī)主從控制激活/關(guān)斷信號(hào)

         AN   M13.3

         L    S5T#4S

         SD   T36

        AN    T36

        =     DB34.DBX2.1       //從動(dòng)伺服電機(jī)控制使能信號(hào)

    ……

（2） 改變從動(dòng)伺服電機(jī)的參數(shù)組，每次主軸換檔完成后，根據(jù)主動(dòng)伺服電機(jī)的實(shí)際檔位信號(hào)來(lái)選擇從動(dòng)伺服電機(jī)的參數(shù)組，使兩者當(dāng)前參數(shù)組保持一致。

 需修改的從動(dòng)伺服電機(jī)的軸參數(shù)：MD35590     修改值2（參數(shù)組設(shè)定可改變）

 賦值參數(shù)組的PLC程序：

    A    DB33.DBX16.0       //主動(dòng)伺服電機(jī)實(shí)際齒輪級(jí)A

    =    DB34.DBX9.0        //從動(dòng)伺服電機(jī)參數(shù)組A

    A    DB33.DBX16.1       //主動(dòng)伺服電機(jī)實(shí)際齒輪級(jí)B

    =    DB34.DBX9.1        //從動(dòng)伺服電機(jī)參數(shù)組B

    A    DB33.DBX16.2       //主動(dòng)伺服電機(jī)實(shí)際齒輪級(jí)C

    =    DB34.DBX9.2        //從動(dòng)伺服電機(jī)參數(shù)組C

  ……

通過(guò)以上措施，解決了前面提到的問(wèn)題，在長(zhǎng)期的跟蹤服務(wù)過(guò)程中，該機(jī)床運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

5 結(jié)論

    由于這種主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用尚屬首次，通過(guò)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)主-從控制原理及減速機(jī)變檔原理的分析，采取了相應(yīng)的措施，解決了在調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，為應(yīng)用及推廣這類(lèi)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)積累了經(jīng)驗(yàn)。