FANUC系統主軸切換和速度輸出切換控制同時在臥式加工中心的應用
本文研究的是日本生產的臥式精工坐標鏜，這是 一臺FANUC 16M系統的精工機床，既可以實現大扭 矩加工，又可以實現高速高精加工。在精加工時主軸 最高轉速可以達到6 000 r/min。國內同類機床，主軸 直徑在"100 mm以上正掛箱的臥式加工中心中，由于 主軸箱機械結構的限制，主軸最高轉速一般在3 000 r/min,在目前的結構上突破4 500 r/min是非常困難 的，即便如此，在高轉速區加工也可能帶來噪聲、震動， 精度差等影響加工質量的一系列問題。相比之下，這 臺臥式精工坐標鏜機床的主軸轉速在高速高精加工方 面更具有優勢，從而使這臺機床的加工范圍更寬。那 么制造商是如何實現這一優勢的呢？本文重點討論電氣方面的控制原理。1機床主軸傳動結構主傳動采用了兩套傳動機構，并使用了兩臺交流 主軸伺服電動機進行控制。在使用大扭矩加工時, MAIN主軸電動機和主軸是通過一套齒輪傳動機構連 接的，通過一系列的齒輪嚙合將主軸電動機的動力傳 到主運動,增大主運動的扭矩。實例:MAIN電動機選擇的是以增大機床的切削 能力為前提的，選擇的是aL 15/6000型主軸電動機, 15 kW。在需要高精加、主軸轉速達到530 r/min以上 時,切換到SUB主軸電動機。SUB電動機和主軸是1:1直連的，選用的是雙繞組aL 26 /10000型電動機, 18.5 kW(如圖 1)。2主軸運動的機械特性主軸轉速在20?530 r/min以下,MAIN主軸電動機通過一系列齒輪傳遞將動力傳遞到主運動,531?6 000 r/min切換到SUB主軸電動機,和主軸1:1連接。其中在530?2 000 r/min范圍,SUB主軸電動機的低速繞組工作;2 001?6 000 r/min范圍,SUB主軸電動機的高速繞組區工作。主運動的機械特性如圖2所示。3電氣控制原理(1)該機床電氣控制系統采用FANUC 16M精工 系統。(2)主傳動的主軸電動機分別采用aL15/6000和 aL26 /10000兩種型號主伺服電動機，其中后者為雙 繞組主軸電機。(3)采用一臺主軸伺服放大器控制兩臺主軸電動 機。硬件線路進行互鎖，保證兩臺電動機不能同時工作。⑷利用FANUC系統主軸切換控制功能，控制切 換aL15/6000和aL 26 /10000兩臺主電動機的工作。 通過兩臺主電動機在不同轉速區的工作時段，獲得不 同的電動機特性，來提高機床的加工能力。進行主軸 切換時，需要使電動機停下來。(1)利用FANUC系統主軸輸出切換控制功能，控 制切換雙繞組aL 26 /10000電動機的轉速區，實現在 高轉速下的扭矩切換。此功能應用時要切換離合/齒 輪信號（CTH1A、CTH2A),以便在低速特性和高速特 性下分別進行速度環路增益等的設定。4主軸控制電氣系統框圖主軸控制電氣系統框圖如圖3所示。5電氣控制中需要解決的關鍵問題(1)實現兩臺主電動機最優化運行，在主電動機 切換控制中，應考慮避免兩臺主電機同時得電,在電氣 硬件和軟件控制中要進行互鎖保護。(2)主軸高檔轉速控制中，在SUB主電動機雙繞 組切換控制中，應考慮避免雙繞組同時得電，在電氣硬 件和軟件控制中要進行互鎖保護。(3)兩臺主軸電動機分別驅動主軸時，M19的定 向位置要一致。(4)主軸3個檔位變速的控制。6主電動機連接圖SPM主軸放大器，使用與兩臺電動機對應的放大 器中容量較大者。通過來自PMC的切換指令,切換控 制MAIN主軸電動機和SUB主軸電動機。為了更加 切實地檢測動力線的狀態，輸入MAIN主軸電動機和 SUB主軸電動機的電磁接觸器的狀態，在輸出動力線 切換信號（CHPA)后,如果在1 s內沒有輸入電磁接觸 器狀態信號（MCFNA、MFNHGA),則會有主軸報警15 發出（如圖4、5、6所示）。7主軸切換控制相關的PLC接口信號主軸切換控制是利用1臺主軸放大器來切換并驅 動2臺主軸電動機的一種功能。此功能可適用于使用 不同時驅動的2臺主軸電動機。7.1G71.2主軸切換請求信號（SPSLA)(1)本信號作為選擇主軸電動機的指令信號 使用。0:選擇MAIN主軸電動機。1:選擇SUB主軸電動機。(2)在停止主軸電動機后，改變本信號。作為用 來確認主軸電動機停止的輸出信號，備有速度零信號(SSTA)。(3)在進行切換操作時，需要斷開電動機的動力， 因此，請將旋轉指令（SFRA、SRVA)和定向指令 (ORMCA)設為 0。7.2G71.3 SUB主軸電動機用電磁接觸器狀態信號 (MCFNA)⑴輸入SUB主軸電機用電磁接觸器（MCC)的開閉 狀態信號。0:SUB主軸電動機用的電磁接觸器處在斷開(OFF)狀態1:SUB主軸電動機用的電磁接觸器處在接通 (ON)狀態(1)通常，原封不動地輸入SUB主軸電動機用電 磁接觸器的輔助接點（A接點）狀態。(2)參數No. 4014#2 =0時,本信號作為動力線狀 態確認信號使用，輸入用來切換主軸電動機的動力線 切換的電磁接觸器選擇狀態。0:選擇MAIN主軸電動機 1:選擇SUB主軸電動機7.3F46.0動力線切換信號（CHPA)(1)此系用來選擇主軸電動機的動力線切換的電 磁接觸器的指令信號。0:選擇MAIN主軸電動機用的電磁接觸器 1:選擇SUB主軸電動機用的電磁接觸器(2)在確認輸入主軸切換請求信號（SPSLA)時, 電動機停止，動力被切斷之后，本信號即被輸出。請根 據本信號進行電磁接觸器的切換。(3)在從SUB電動機切換至MAIN電動機時，當 SUB電動機停止，動力被斷開時，本信號在接到主軸 切換請求信號（SPSLA)后，由1變為0。由此,首先關 閉SUB電動機用的電磁接觸器。接著,在確認SUB電 機用的電磁接觸器已經關閉后，打開MAIN電動機用 電磁接觸器。(4)在MAIN電動機切換到SUB電動機時，當 MAIN電動機停止,動力被切斷時，本信號在接到主軸 切換請求信號（SPSLA)后，由0變為1。由此,首先關 閉MAIN電動機用的電磁接觸器。接著，在確認已經 關閉MAIN電動機用的電磁接觸器后，打開SUB電機 用電磁接觸器。7.4F46.1主軸切換結束信號（CFINA)(1)主軸切換操作結束，輸出控制哪個主軸電機 的信息。0:控制MAIN主軸電機 1:控制SUB主軸電機(2)主軸切換請求信號（SPSLA)發生變化，在確 認本信號與主軸切換請求信號一致之后，轉入下一步 操作。(3)在切換操作中，需要斷開電機的動力，因此， 請事先切斷旋轉指令（SFRA、SRVA)以及定向指令 (ORCMA)。7.5F45.1速度零信號（SSTA)(1)輸出主軸電機速度是否大于等于或者小于等 于速度零檢測。0:電動機在^速度檢測水平下旋轉 1:電動機在^速度檢測水平下停止(2)進行主軸切換時，需要使電動機停下來。請 在確認電動機是否已經停止時使用本信號。7.6控制時序實例中僅通過與動力線狀態確認信號（MCFNA) 之間的確認來進行主軸切換操作（參數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主軸切換相關參數設置（表1)8速度切換控制的PLC接口信號速度切換控制的使用方法有根據速度指令切換和 根據實際電動機速度切換的兩種方法。實例中采用根 據速度指令切換繞組的方法。8.1G71.6輸出切換請求信號（RSLA)(1)本信號作為選擇輸出特性的指令信號使用。0:選擇高速特性。1:選擇低速特性。(2)根據速度指令（S指令）設定的方法，輸入本 指令信號，以便在速度指令小于等于切換速度時切換 至低速特性，速度指令大于等于切換速度時切換至高速特性。在大于等于切換速度的旋轉區域，當本信號 由0變為1時，會馬上切換至低速特性。8.2G71.7低速特性用電磁接觸器狀態信號(RCHA)(1)輸入主軸電動機的低速特性用電磁接觸器(MCC)的開閉狀態信號。0:低速特性用的電磁接觸器在斷開（OFF)狀態 1:低速特性用的電磁接觸器在接通（ON)狀態(2)通常，原封不動地輸入低速特性用電磁接觸 器的輔助接點（A接點）狀態。(3)參數No.4014#3 =0時,本信號作為動力線狀 態確認信號使用，輸入用來切換主軸電動機的輸出特 性的電磁接觸器的選擇狀態。0:選擇高速特性1:選擇低速特性8.3 F46.2動力線切換信號（RCHPA)(1)此系用來選擇主軸電動機的輸出特性切換用 的電磁接觸器的指令信號。表1實例中的相關系數設置 MAIN電動機S1 SUB電動機S2 4001#0 =1使用MRDY信號 4177#0 = 1使用MRDY信號 4001#2 = 1使用位置編碼器信號 4177#2 = 1使用位置編碼器信號 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進行基于動力線狀態 信號（MCFN)的確認 4013 =00100110電流靜區數據 4189 =00100110電流靜區數據 4015#0=1有主軸定向功能 4020 =6000電動機最大速度 4196 =6000電機最大速度 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（高速特 4264 = 855電流變換常數（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（低速特 4294 =1331電流變換常數（低速特 性) 性） _ = 10速度控制方式時的速度 4206 =10速度控制方式時的速度 環路比例增益（High) 環路比例增益（High) 4041 =10速度控制方式時的速度 4207 =5速度控制方式時的速度環 環路比例增益（Low) 路比例增益（Low) 4042 = 10定向時速度環路比例增 4208 =10定向時速度環路比例增 益( High) 益（High) 4043 =7定向時速度環路比例增益 4209 = 5定向時速度環路比例增益 ( 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定向時位置增益(Low) 4219 =1000定向時位置增益(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)本信號在接到輸出切換請求信號（RSLA)的 輸入被輸出。請根據本信號進行電磁接觸器的切換。(3)在從低速特性切換至高速特性時，本信號在 接到輸出切換請求信號（RSLA)后，由1變為0。此 時，電動機的動力會自動斷開，因此，首先斷開低速特 性用的電磁接觸器。接著，在確認低速特性用的電磁 接觸器已經斷開之后，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，本信號在 接到輸出切換請求信號（RSLA)之后，由0變為1。此時，電動機的動力會自動斷開，因此，首先斷開高速特 性用的電磁接觸器。接著，在確認高速特性用的電磁 接觸器已經斷開之后，接通低速特性用電磁接觸器。 8.4 F46.3動力線切換結束信號（RCFNA)(1)主軸電動機的輸出切換操作結束，輸出受哪 個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)輸出切換請求信號（RSLA)發生變化,在確認 本信號與輸出切換請求信號一致之后，轉入下一步 操作。8.5控制時序實例中僅確認動力線狀態確認信號（RCHA)后進 行輸出切換操作（參數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實例中的PLC程序速度切換部分PLC程序如圖11所示。 8.7實例中相關參數設置實例中相關參數設置見表2。表2實例中相關參數設置 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 進行基于動力線狀態確認信號（RCH)的確認 4019#4 =0 與速度檢測信號（SDT)無關地切換 9結語FANUC精工系統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 功能,但也是應用比較復雜的功能。在國內的機床中 這兩個功能同時應用的比較少，甚至沒有。通過“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應用的實際案例，說明了充分 合理應用精工系統的功能可以大大提高機床的加工精 度和加工范圍，有效地改善機床的加工切削性能。在 精工機床設計中，如果能夠充分將精工系統功能與機 械結構完美組合，將會大大提高精工機床的應用性能。參考文獻[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臥式坐標鏜床使用說明書[Z].第一作者:李惠賢，女，1964年生，高級工程師，長 期從事精工機床電氣設計、調試等工作,具有豐富的實 踐經驗，已發表論文5篇。(編輯劉文元）(收稿日期:2015 -03 -18)海天精工相關產品：加工中心,鉆攻中心,高速加工中心,立式加工中心,雕銑機