在機(jī)床控制中雙軸或多軸同步控制是一種常見(jiàn)的控制方法，如動(dòng)梁式龍門(mén)銑床的橫梁升降控制，龍門(mén)框架移動(dòng)式加工中心的龍門(mén)框架移動(dòng)控制等。雖然在這些情況下可以采用單電動(dòng)機(jī)通過(guò)錐齒輪等機(jī)械機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)雙邊的方案，但是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、間隙較大，容易造成閉環(huán)控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定，而且運(yùn)行噪聲大，維護(hù)困難。另外若用于負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大的場(chǎng)合，由于傳動(dòng)效率低，必然要選用功率很大的電動(dòng)機(jī)，僅僅從經(jīng)濟(jì)性來(lái)考慮，這個(gè)方案就不太理想，因此采用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)雙邊驅(qū)動(dòng)是比較理想的方案，這就產(chǎn)生了雙軸同步控制的問(wèn)題。 1、機(jī)床多軸同步控制方案的比較 1.1普通機(jī)床的同步控制 對(duì)于普通機(jī)床的雙軸電動(dòng)機(jī)同步控制一般有以下解決方案。①由一套直流調(diào)速裝置驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的電樞串聯(lián)，勵(lì)磁線圈并聯(lián)。為了保持速度同步，兩電動(dòng)機(jī)軸必須保持剛性連接。兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)中只有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)提供速度反饋信號(hào)，其控制示意圖見(jiàn)圖1。②由兩套交流變頻調(diào)速系統(tǒng)分別控制作為主從軸的兩臺(tái)交流變頻或伺服電動(dòng)機(jī)，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)各自提供自己的速度反饋信號(hào)。為了保持速度同步，兩電動(dòng)機(jī)軸也須保持剛性連接，其控制示意圖見(jiàn)2。 圖1 直流調(diào)速系統(tǒng)的同步控制 圖2 交流調(diào)速系統(tǒng)的同步控制 這兩種控制系統(tǒng)都屬于位置環(huán)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，只能依靠軸的剛性連接保持電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或位置的同步，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性較高，我們?yōu)橛脩舾?造的B2063銑刨床X軸傳動(dòng)即采用圖2所示的控制方法。這兩種控制系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)所連接的運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置不做檢測(cè)，對(duì)于絲杠螺距、聯(lián)軸節(jié)間隙、絲杠扭轉(zhuǎn)、絲杠軸向變形等因素所產(chǎn)生的誤差無(wú)法補(bǔ)償，控制精度較差，因此不能應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床。 1.2 數(shù)控機(jī)床的同步控制 數(shù)控機(jī)床不同于普通機(jī)床的地方，在于數(shù)控系統(tǒng)具有很強(qiáng)的控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)位置、轉(zhuǎn)矩等不同參的控制。由于位置檢測(cè)裝置的引入，從而組成了位置速度雙閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了位置同步控制。數(shù)控機(jī)床的同步控制方法可以概括為：將同步電動(dòng)機(jī)的給定位置參考量與兩電動(dòng)機(jī)位置反饋差值的調(diào)整量做比較后，作為被同步電動(dòng)機(jī)的位置參考量，從而完成位置同步控制，其控制示意圖見(jiàn)圖3。 圖3 數(shù)控機(jī)床的同步控制 當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)處理器大多采用68020、68040等32位處理器，現(xiàn)正向64位處理器過(guò)渡。正是由于CNC系統(tǒng)具有越來(lái)越強(qiáng)的計(jì)算能力，所以機(jī)床的同步控制將具有更佳的性能。當(dāng)前國(guó)內(nèi)大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)中都具有伺服軸同步功能。同步軸的測(cè)量機(jī)構(gòu)，既可以是以光電編碼器為測(cè)量機(jī)構(gòu)的半閉環(huán)系統(tǒng)、也可以是以光柵尺為測(cè)量機(jī)構(gòu)的全閉環(huán)系統(tǒng)。 在軸同步功能中由于控制對(duì)象和參量不同又存在位置同步、轉(zhuǎn)速同步、轉(zhuǎn)矩同步等不同類型，它們適用于不同的場(chǎng)合。在不同的系統(tǒng)中，同步控制方法雖有所不同，但控制機(jī)理是一致的，因此應(yīng)根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床的特點(diǎn)選擇合適的方案。 2、數(shù)控龍門(mén)銑鏜床雙軸同步控制方案 2.1 控制方案 XK2520×40數(shù)控龍門(mén)銑鏜床是我們引進(jìn)法國(guó)Forest-Line公司先進(jìn)技術(shù)，自行研制開(kāi)發(fā)的新型數(shù)控機(jī)床。該機(jī)床采用床身高架式橫梁移動(dòng)結(jié)構(gòu)，橫梁沿床身導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)為X軸，銑頭滑枕沿橫梁左右移動(dòng)為Y軸，銑頭滑枕沿溜板上下移動(dòng)為Z軸。數(shù)控系統(tǒng)選用法國(guó)NUM公司的NUM 1040M系統(tǒng)。該系統(tǒng)可帶8個(gè)數(shù)控軸，其中包括兩個(gè)主軸，具有四軸插補(bǔ)功能。伺服進(jìn)給系統(tǒng)選用西門(mén)子SIMODRIVE 611A交流伺服系統(tǒng)。該機(jī)床X軸采用兩個(gè)5.3kW西門(mén)子1FT5交流伺服電動(dòng)機(jī)，經(jīng)一級(jí)同步皮帶減速后帶動(dòng)滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)。X軸導(dǎo)向方式為滾動(dòng)導(dǎo)軌塊，位置檢測(cè)采用HEIDENHAIN精密光柵尺。 關(guān)于X軸的傳動(dòng)，在一臺(tái)同樣結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床上，我們?cè)?jīng)采用由一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)齒輪箱減速后，由錐齒輪帶動(dòng)兩邊滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)編碼器的安裝位置要求頗高：若裝在絲杠端，由于間隙的原因則會(huì)出現(xiàn)位置環(huán)持續(xù)調(diào)整的情況，造成控制系統(tǒng)極不穩(wěn)定，通常在電動(dòng)機(jī)軸端可以很明顯地觀察到由于控制系統(tǒng)調(diào)整靜態(tài)誤差而產(chǎn)生的振蕩；若裝在電動(dòng)機(jī)端，系統(tǒng)雖穩(wěn)定，但由于傳動(dòng)間隙的原因，控制精度很難保證，因此必須采用折衷方案。最后采用的方案是將編碼器裝在三級(jí)齒輪減速箱的中間一級(jí)上，以獲得較好的精度和穩(wěn)定性，但是這種方案降低了數(shù)控機(jī)床所應(yīng)該具有的運(yùn)行性能。為了使這臺(tái)XK2520達(dá)到應(yīng)有的精度效率，我們決定對(duì)其X軸傳動(dòng)方案進(jìn)行改造。 我們采取的改造方案是將X軸改為雙電動(dòng)機(jī)雙邊驅(qū)動(dòng)，利用NUM 1040M系統(tǒng)的軸同步功能實(shí)現(xiàn)X軸雙邊同步。X軸兩條導(dǎo)軌側(cè)面各裝一條HEIDENHAIN精密光柵尺，兩讀數(shù)頭讀出的位置測(cè)量數(shù)據(jù)分別進(jìn)入X031信號(hào)放大器后，再反饋到數(shù)控系統(tǒng)。X軸作為兩CNC軸占用數(shù)控系統(tǒng)兩軸口，分別定義為X1和X2，并且定義X1為同步軸，X2為X1的被同步軸，兩軸構(gòu)成同步軸對(duì)。具體控制及連線方式受篇幅所限不再詳細(xì)介紹。 2.2 調(diào)試方法與注意事項(xiàng) （1）調(diào)試方法 該機(jī)床所用的NUM 1040M數(shù)控系統(tǒng)中有關(guān)同步控制的機(jī)床參數(shù)有P27/P64/P28/P24。 P27：將數(shù)控軸定義為同步軸，并將被同步軸賦予同步軸，組成軸對(duì)。 P64：定義同步軸對(duì)。 P28：同步軸對(duì)的同步使能位，當(dāng)同步使能位為1時(shí)，同步功能生效。 P24：定義同步軸特性。 被同步軸物理地址@ N0 ｝ 同步閾值1（每軸1個(gè)字）缺省值160µm ... N31 定義同步功能有效時(shí)的最大允許誤差。當(dāng)超過(guò)此閾值時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)誤差，但仍允許同步軸與它的被同步軸同步。 被同步軸物理地址@+32 N32 ｝ 糾正因數(shù)1（每軸1個(gè)字）缺省值250µm ... N63 定義同步誤差的糾正因數(shù)，它是同步誤差的千分比（1/1000）。 N64 同步閾值2（各軸共用1個(gè)字） 缺省值600µm 定義同步功能有效時(shí)的最大允許誤差。當(dāng)超過(guò)此閾值時(shí)，系統(tǒng)取消同步功能，并強(qiáng)制停車。 在同步控制中此參數(shù)對(duì)調(diào)整同步特性非常重要，而且使用方便。通過(guò)調(diào)整同步閾值，可使機(jī)床運(yùn)行達(dá)到理想的性能。但在設(shè)置此參數(shù)時(shí)，必須根據(jù)機(jī)床的機(jī)械剛性等要求時(shí)進(jìn)行估算。若閾值太高，有可能會(huì)對(duì)機(jī)床精度造成損害；若閾值太低，則機(jī)床在正常運(yùn)行時(shí)就有可能超出同步誤差閾值而造成停車，影響機(jī)床的正常使用。 雙軸同步控制部分的調(diào)試步驟如下：在數(shù)控系統(tǒng)接入之前，必須先調(diào)節(jié)好伺服系統(tǒng)，即由速度環(huán)和電流環(huán)組成內(nèi)環(huán)，使內(nèi)環(huán)達(dá)到理想性能。方法是：將伺服系統(tǒng)與電動(dòng)機(jī)連接，通過(guò)短線等方法接入使能信號(hào)，使系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的條件滿足；進(jìn)給使能后，用電池接入給定信號(hào)；加給定信號(hào)，觀察電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向，調(diào)整跳線，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向正確；逐漸增加給定電壓，調(diào)整伺服參數(shù)，使電動(dòng)機(jī)達(dá)到理想性能。這一部分可在調(diào)試電氣控制柜時(shí)完成。 接入數(shù)控系統(tǒng)后，連接好位置環(huán)，系統(tǒng)構(gòu)成位置、速度雙閉環(huán)系統(tǒng)。這時(shí)系統(tǒng)位置反饋極性尚未確定，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確認(rèn)。在進(jìn)行這一步時(shí)，應(yīng)考慮同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的匹配問(wèn)題，這是同步控制中必須重視的問(wèn)題。在單軸電動(dòng)機(jī)反饋方向確定后，還要考慮接入給定信號(hào)后電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向與期望值相同，這需要綜合考慮數(shù)控系統(tǒng)中的給定信號(hào)極性、反饋極性、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向、伺服系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向設(shè)定以及滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)方向等因素。如在調(diào)試時(shí)忽略這些因素，就有可能對(duì)機(jī)床造成毀滅性的破壞。 至于，雙軸同步設(shè)定初步完成，接著將編寫(xiě)好的自動(dòng)控制程序傳入數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行綜合調(diào)試，仔細(xì)調(diào)整同步參數(shù)，以獲得理想的性能。 （2）注意事項(xiàng) 在調(diào)試過(guò)程中應(yīng)注意以下幾方面： ①確保液壓、潤(rùn)滑系統(tǒng)工作正常，這是機(jī)床運(yùn)動(dòng)前的必須條件。 ②移動(dòng)軸時(shí)，以低速為佳。此時(shí)同步特性尚未達(dá)到最佳，需對(duì)伺服系統(tǒng)加速、減速、定位帶寬、放大系數(shù)等進(jìn)行細(xì)調(diào)，直到系統(tǒng)穩(wěn)定工作，并能夠達(dá)到理想的定位精度和重復(fù)定位精度。 ③在調(diào)試雙軸同步時(shí)，一定要安排好調(diào)試計(jì)劃，盡量避免盲目開(kāi)車，以免造成事故。例如，我們?cè)谡{(diào)試伺服系統(tǒng)時(shí)，機(jī)械人員將橫梁從X軸一側(cè)移到另一側(cè)，而此時(shí)電氣調(diào)試人員在數(shù)控系統(tǒng)沒(méi)有接入的情況下，通過(guò)電池給伺服系統(tǒng)加給定信號(hào)移動(dòng)X軸。由于X軸移動(dòng)時(shí)沒(méi)有加位置檢測(cè)，在移動(dòng)過(guò)程中，橫梁發(fā)生傾斜，造成一軸模塊過(guò)載，電動(dòng)機(jī)停車；而另一軸電動(dòng)機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)造成X軸導(dǎo)軌精度發(fā)生變化，由于發(fā)現(xiàn)及時(shí)，后經(jīng)機(jī)械人員調(diào)整恢復(fù)了精度。