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本文研究的是日本生產(chǎn)的臥式數(shù)控坐標(biāo)鏜，這是一臺(tái)FANUC 16M系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，既可以實(shí)現(xiàn)大扭矩加工，又可以實(shí)現(xiàn)高速高精加工。在精加工時(shí)主軸最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到6 000 r/min。國(guó)內(nèi)同類機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，主軸最高轉(zhuǎn)速一般在3 000 r/min,在目前的結(jié)構(gòu)上突破4 500 r/min是非常困難的，即便如此，在高轉(zhuǎn)速區(qū)加工也可能帶來噪聲、震動(dòng)，精度差等影響加工質(zhì)量的一系列問題。相比之下，這臺(tái)臥式數(shù)控坐標(biāo)鏜機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速在高速高精加工方面更具有優(yōu)勢(shì)，從而使這臺(tái)機(jī)床的加工范圍更寬。那么制造商是如何實(shí)現(xiàn)這一優(yōu)勢(shì)的呢？本文重點(diǎn)討論電氣方面的控制原理。
1機(jī)床主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)
主傳動(dòng)采用了兩套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并使用了兩臺(tái)交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。在使用大扭矩加工時(shí), MAIN主軸電動(dòng)機(jī)和主軸是通過一套齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接的，通過一系列的齒輪嚙合將主軸電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳到主運(yùn)動(dòng),增大主運(yùn)動(dòng)的扭矩。
實(shí)例:MAIN電動(dòng)機(jī)選擇的是以增大機(jī)床的切削能力為前提的，選擇的是aL 15/6000型主軸電動(dòng)機(jī), 15 kW。在需要高精加、主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到530 r/min以上時(shí),切換到SUB主軸電動(dòng)機(jī)。SUB電動(dòng)機(jī)和主軸是1:1直連的，選用的是雙繞組aL 26 /10000型電動(dòng)機(jī), 18.5 kW(如圖 1)。
2主軸運(yùn)動(dòng)的機(jī)械特性
主軸轉(zhuǎn)速在20?530 r/min以下,MAIN主軸電動(dòng)機(jī)通過一系列齒輪傳遞將動(dòng)力傳遞到主運(yùn)動(dòng),531?6 000 r/min切換到SUB主軸電動(dòng)機(jī),和主軸1:1連接。其中在530?2 000 r/min范圍,SUB主軸電動(dòng)機(jī)的低速繞組工作;2 001?6 000 r/min范圍,SUB主軸電動(dòng)機(jī)的高速繞組區(qū)工作。主運(yùn)動(dòng)的機(jī)械特性如圖2所示。

3電氣控制原理
(1) 該機(jī)床電氣控制系統(tǒng)采用FANUC 16M數(shù)控系統(tǒng)。
(2) 主傳動(dòng)的主軸電動(dòng)機(jī)分別采用aL15/6000和 aL26 /10000兩種型號(hào)主伺服電動(dòng)機(jī)，其中后者為雙繞組主軸電機(jī)。
(3) 采用一臺(tái)主軸伺服放大器控制兩臺(tái)主軸電動(dòng) 機(jī)。硬件線路進(jìn)行互鎖，保證兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)不能同時(shí)工作。
⑷利用FANUC系統(tǒng)主軸切換控制功能，控制切換aL15/6000和aL 26 /10000兩臺(tái)主電動(dòng)機(jī)的工作。通過兩臺(tái)主電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速區(qū)的工作時(shí)段，獲得不同的電動(dòng)機(jī)特性，來提高機(jī)床的加工能力。進(jìn)行主軸切換時(shí)，需要使電動(dòng)機(jī)停下來。
(1) 利用FANUC系統(tǒng)主軸輸出切換控制功能，控制切換雙繞組aL 26 /10000電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速區(qū)，實(shí)現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速下的扭矩切換。此功能應(yīng)用時(shí)要切換離合/齒輪信號(hào)（CTH1A、CTH2A),以便在低速特性和高速特性下分別進(jìn)行速度環(huán)路增益等的設(shè)定。
4主軸控制電氣系統(tǒng)框圖
主軸控制電氣系統(tǒng)框圖如圖3所示。
5電氣控制中需要解決的關(guān)鍵問題
(1) 實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)主電動(dòng)機(jī)最優(yōu)化運(yùn)行，在主電動(dòng)機(jī) 切換控制中，應(yīng)考慮避免兩臺(tái)主電機(jī)同時(shí)得電,在電氣硬件和軟件控制中要進(jìn)行互鎖保護(hù)。
(2) 主軸高檔轉(zhuǎn)速控制中，在SUB主電動(dòng)機(jī)雙繞組切換控制中，應(yīng)考慮避免雙繞組同時(shí)得電，在電氣硬件和軟件控制中要進(jìn)行互鎖保護(hù)。
(3) 兩臺(tái)主軸電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸時(shí)，M19的定向位置要一致。
(4) 主軸3個(gè)檔位變速的控制。
6主電動(dòng)機(jī)連接圖
SPM主軸放大器，使用與兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)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(dòng)機(jī)和SUB主軸電動(dòng)機(jī)。為了更加切實(shí)地檢測(cè)動(dòng)力線的狀態(tài)，輸入MAIN主軸電動(dòng)機(jī)和 SUB主軸電動(dòng)機(jī)的電磁接觸器的狀態(tài)，在輸出動(dòng)力線切換信號(hào)（CHPA)后,如果在1 s內(nèi)沒有輸入電磁接觸器狀態(tài)信號(hào)（MCFNA、MFNHGA),則會(huì)有主軸報(bào)警15 發(fā)出（如圖4、5、6所示）。
7主軸切換控制相關(guān)的PLC接口信號(hào)
主軸切換控制是利用1臺(tái)主軸放大器來切換并驅(qū) 動(dòng)2臺(tái)主軸電動(dòng)機(jī)的一種功能。此功能可適用于使用不同時(shí)驅(qū)動(dòng)的2臺(tái)主軸電動(dòng)機(jī)。
7.1 G71.2主軸切換請(qǐng)求信號(hào)（SPSLA)
(1) 本信號(hào)作為選擇主軸電動(dòng)機(jī)的指令信號(hào) 使用。
0:選擇MAIN主軸電動(dòng)機(jī)。
1:選擇SUB主軸電動(dòng)機(jī)。
(2) 在停止主軸電動(dòng)機(jī)后，改變本信號(hào)。作為用來確認(rèn)主軸電動(dòng)機(jī)停止的輸出信號(hào)，備有速度零信號(hào)
(SSTA)。
(3) 在進(jìn)行切換操作時(shí)，需要斷開電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，因此，請(qǐng)將旋轉(zhuǎn)指令（SFRA、SRVA)和定向指令 (ORMCA)設(shè)為 0。
7.2 G71.3 SUB主軸電動(dòng)機(jī)用電磁接觸器狀態(tài)信號(hào) (MCFNA)
⑴輸入SUB主軸電機(jī)用電磁接觸器（MCC)的開閉狀態(tài)信號(hào)。
0:SUB主軸電動(dòng)機(jī)用的電磁接觸器處在斷開
(OFF)狀態(tài)
1:SUB主軸電動(dòng)機(jī)用的電磁接觸器處在接通 (ON)狀態(tài)
(1) 通常，原封不動(dòng)地輸入SUB主軸電動(dòng)機(jī)用電磁接觸器的輔助接點(diǎn)（A接點(diǎn)）狀態(tài)。
(2) 參數(shù)No. 4014#2 =0時(shí),本信號(hào)作為動(dòng)力線狀態(tài)確認(rèn)信號(hào)使用，輸入用來切換主軸電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力線切換的電磁接觸器選擇狀態(tài)。
0:選擇MAIN主軸電動(dòng)機(jī) 1:選擇SUB主軸電動(dòng)機(jī)
7.3 F46.0動(dòng)力線切換信號(hào)（CHPA)
(1) 此系用來選擇主軸電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力線切換的電磁接觸器的指令信號(hào)。
0:選擇MAIN主軸電動(dòng)機(jī)用的電磁接觸器 1:選擇SUB主軸電動(dòng)機(jī)用的電磁接觸器
(2) 在確認(rèn)輸入主軸切換請(qǐng)求信號(hào)（SPSLA)時(shí), 電動(dòng)機(jī)停止，動(dòng)力被切斷之后，本信號(hào)即被輸出。請(qǐng)根據(jù)本信號(hào)進(jìn)行電磁接觸器的切換。
(3) 在從SUB電動(dòng)機(jī)切換至MAIN電動(dòng)機(jī)時(shí)，當(dāng) SUB電動(dòng)機(jī)停止，動(dòng)力被斷開時(shí)，本信號(hào)在接到主軸切換請(qǐng)求信號(hào)（SPSLA)后，由1變?yōu)?。由此,首先關(guān) 閉SUB電動(dòng)機(jī)用的電磁接觸器。接著,在確認(rèn)SUB電機(jī)用的電磁接觸器已經(jīng)關(guān)閉后，打開MAIN電動(dòng)機(jī)用電磁接觸器。
(4)在MAIN電動(dòng)機(jī)切換到SUB電動(dòng)機(jī)時(shí)，當(dāng) MAIN電動(dòng)機(jī)停止,動(dòng)力被切斷時(shí)，本信號(hào)在接到主軸切換請(qǐng)求信號(hào)（SPSLA)后，由0變?yōu)?。由此,首先關(guān) 閉MAIN電動(dòng)機(jī)用的電磁接觸器。接著，在確認(rèn)已經(jīng) 關(guān)閉MAIN電動(dòng)機(jī)用的電磁接觸器后，打開SUB電機(jī) 用電磁接觸器。
7.4 F46.1主軸切換結(jié)束信號(hào)（CFINA)
(1) 主軸切換操作結(jié)束，輸出控制哪個(gè)主軸電機(jī) 的信息。
0:控制MAIN主軸電機(jī) 1:控制SUB主軸電機(jī)
(2) 主軸切換請(qǐng)求信號(hào)（SPSLA)發(fā)生變化，在確認(rèn)本信號(hào)與主軸切換請(qǐng)求信號(hào)一致之后，轉(zhuǎn)入下一步操作。
(3) 在切換操作中，需要斷開電機(jī)的動(dòng)力，因此，請(qǐng)事先切斷旋轉(zhuǎn)指令（SFRA、SRVA)以及定向指令 (ORCMA)。
7.5 F45.1速度零信號(hào)（SSTA)
(1) 輸出主軸電機(jī)速度是否大于等于或者小于等于速度零檢測(cè)。
0:電動(dòng)機(jī)在^速度檢測(cè)水平下旋轉(zhuǎn) 1:電動(dòng)機(jī)在^速度檢測(cè)水平下停止
(2) 進(jìn)行主軸切換時(shí)，需要使電動(dòng)機(jī)停下來。請(qǐng) 在確認(rèn)電動(dòng)機(jī)是否已經(jīng)停止時(shí)使用本信號(hào)。
7.6控制時(shí)序
實(shí)例中僅通過與動(dòng)力線狀態(tài)確認(rèn)信號(hào)（MCFNA) 之間的確認(rèn)來進(jìn)行主軸切換操作（參數(shù)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(guān)參數(shù)設(shè)置（表1)
8速度切換控制的PLC接口信號(hào)
速度切換控制的使用方法有根據(jù)速度指令切換和根據(jù)實(shí)際電動(dòng)機(jī)速度切換的兩種方法。實(shí)例中采用根據(jù)速度指令切換繞組的方法。
8.1 G71.6輸出切換請(qǐng)求信號(hào)（RSLA)
(1) 本信號(hào)作為選擇輸出特性的指令信號(hào)使用。
0:選擇高速特性。
1:選擇低速特性。
(2) 根據(jù)速度指令（S指令）設(shè)定的方法，輸入本指令信號(hào)，以便在速度指令小于等于切換速度時(shí)切換至低速特性，速度指令大于等于切換速度時(shí)切換至高速特性。在大于等于切換速度的旋轉(zhuǎn)區(qū)域，當(dāng)本信號(hào) 由0變?yōu)?時(shí)，會(huì)馬上切換至低速特性。
8.2 G71.7低速特性用電磁接觸器狀態(tài)信號(hào)(RCHA)
(1)輸入主軸電動(dòng)機(jī)的低速特性用電磁接觸器(MCC)的開閉狀態(tài)信號(hào)。
0:低速特性用的電磁接觸器在斷開（OFF)狀態(tài) 1:低速特性用的電磁接觸器在接通（ON)狀態(tài)
(2) 通常，原封不動(dòng)地輸入低速特性用電磁接觸器的輔助接點(diǎn)（A接點(diǎn)）狀態(tài)。
(3) 參數(shù)No.4014#3 =0時(shí),本信號(hào)作為動(dòng)力線狀態(tài)確認(rèn)信號(hào)使用，輸入用來切換主軸電動(dòng)機(jī)的輸出特性的電磁接觸器的選擇狀態(tài)。
0:選擇高速特性
1:選擇低速特性
8.3 F46.2動(dòng)力線切換信號(hào)（RCHPA)
(1)此系用來選擇主軸電動(dòng)機(jī)的輸出特性切換用的電磁接觸器的指令信號(hào)。

表1實(shí)例中的相關(guān)系數(shù)設(shè)置

MAIN電動(dòng)機(jī)S1	SUB電動(dòng)機(jī)S2
4001#0 =1使用MRDY信號(hào)	4177#0 = 1使用MRDY信號(hào)
4001#2 = 1使用位置編碼器信號(hào)	4177#2 = 1使用位置編碼器信號(hào)
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(jìn)行基于動(dòng)力線狀態(tài)
信號(hào)（MCFN)的確認(rèn)
4013 =00100110電流靜區(qū)數(shù)據(jù)	4189 =00100110電流靜區(qū)數(shù)據(jù)
4015#0=1有主軸定向功能
4020 =6000電動(dòng)機(jī)最大速度	4196 =6000電機(jī)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(shù)（高速特	4264 = 855電流變換常數(shù)（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(shù)（低速特	4294 =1331電流變換常數(shù)（低速特
性)	性）
_ = 10速度控制方式時(shí)的速度	4206 =10速度控制方式時(shí)的速度
環(huán)路比例增益（High)	環(huán)路比例增益（High)
4041 =10速度控制方式時(shí)的速度	4207 =5速度控制方式時(shí)的速度環(huán)
環(huán)路比例增益（Low)	路比例增益（Low)
4042 = 10定向時(shí)速度環(huán)路比例增	4208 =10定向時(shí)速度環(huán)路比例增
益( High)	益（High)
4043 =7定向時(shí)速度環(huán)路比例增益	4209 = 5定向時(shí)速度環(huán)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(shí)位置增益(Low)	4219 =1000定向時(shí)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(hào)在接到輸出切換請(qǐng)求信號(hào)（RSLA)的輸入被輸出。請(qǐng)根據(jù)本信號(hào)進(jìn)行電磁接觸器的切換。
(3) 在從低速特性切換至高速特性時(shí)，本信號(hào)在接到輸出切換請(qǐng)求信號(hào)（RSLA)后，由1變?yōu)?。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力會(huì)自動(dòng)斷開，因此，首先斷開低速特性用的電磁接觸器。接著，在確認(rèn)低速特性用的電磁接觸器已經(jīng)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(shí)，本信號(hào)在接到輸出切換請(qǐng)求信號(hào)（RSLA)之后，由0變?yōu)?。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力會(huì)自動(dòng)斷開，因此，首先斷開高速特性用的電磁接觸器。接著，在確認(rèn)高速特性用的電磁接觸器已經(jīng)斷開之后，接通低速特性用電磁接觸器。 8.4 F46.3動(dòng)力線切換結(jié)束信號(hào)（RCFNA)
(1) 主軸電動(dòng)機(jī)的輸出切換操作結(jié)束，輸出受哪個(gè)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(qǐng)求信號(hào)（RSLA)發(fā)生變化,在確認(rèn) 本信號(hào)與輸出切換請(qǐng)求信號(hào)一致之后，轉(zhuǎn)入下一步操作。
8.5控制時(shí)序
實(shí)例中僅確認(rèn)動(dòng)力線狀態(tài)確認(rèn)信號(hào)（RCHA)后進(jìn) 行輸出切換操作（參數(shù)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(shí)例中的PLC程序
速度切換部分PLC程序如圖11所示。 8.7實(shí)例中相關(guān)參數(shù)設(shè)置
實(shí)例中相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表2。

表2實(shí)例中相關(guān)參數(shù)設(shè)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(jìn)行基于動(dòng)力線狀態(tài)確認(rèn)信號(hào)（RCH)的確認(rèn)
4019#4 =0	與速度檢測(cè)信號(hào)（SDT)無關(guān)地切換

9結(jié)語(yǔ)
FANUC數(shù)控系統(tǒng)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(gè) 功能,但也是應(yīng)用比較復(fù)雜的功能。在國(guó)內(nèi)的機(jī)床中這兩個(gè)功能同時(shí)應(yīng)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(shí)應(yīng)用的實(shí)際案例，說明了充分合理應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)的功能可以大大提高機(jī)床的加工精度和加工范圍，有效地改善機(jī)床的加工切削性能。在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中，如果能夠充分將數(shù)控系統(tǒng)功能與機(jī) 械結(jié)構(gòu)完美組合，將會(huì)大大提高數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用性能。

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4] YBM900N臥式坐標(biāo)鏜床使用說明書[Z].
第一作者:李惠賢，女，1964年生，高級(jí)工程師，長(zhǎng) 期從事數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)計(jì)、調(diào)試等工作,具有豐富的實(shí) 踐經(jīng)驗(yàn)，已發(fā)表論文5篇。
(編輯劉文元）
(收稿日期:2015 -03 -18)

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