FANUC系统主轴切换和速度输出切换控制同时在卧式加工中心的应用
本文研究的是日本生产的卧式精工坐标镗，这是 一台FANUC 16M系统的精工机床，既可以实现大扭 矩加工，又可以实现高速高精加工。在精加工时主轴 最高转速可以达到6 000 r/min。国内同类机床，主轴 直径在"100 mm以上正挂箱的卧式加工中心中，由于 主轴箱机械结构的限制，主轴最高转速一般在3 000 r/min,在目前的结构上突破4 500 r/min是非常困难 的，即便如此，在高转速区加工也可能带来噪声、震动， 精度差等影响加工质量的一系列问题。相比之下，这 台卧式精工坐标镗机床的主轴转速在高速高精加工方 面更具有优势，从而使这台机床的加工范围更宽。那 么制造商是如何实现这一优势的呢？本文重点讨论电气方面的控制原理。1机床主轴传动结构主传动采用了两套传动机构，并使用了两台交流 主轴伺服电动机进行控制。在使用大扭矩加工时, MAIN主轴电动机和主轴是通过一套齿轮传动机构连 接的，通过一系列的齿轮啮合将主轴电动机的动力传 到主运动,增大主运动的扭矩。实例:MAIN电动机选择的是以增大机床的切削 能力为前提的，选择的是aL 15/6000型主轴电动机, 15 kW。在需要高精加、主轴转速达到530 r/min以上 时,切换到SUB主轴电动机。SUB电动机和主轴是1:1直连的，选用的是双绕组aL 26 /10000型电动机, 18.5 kW(如图 1)。2主轴运动的机械特性主轴转速在20〜530 r/min以下,MAIN主轴电动机通过一系列齿轮传递将动力传递到主运动,531〜6 000 r/min切换到SUB主轴电动机,和主轴1:1连接。其中在530〜2 000 r/min范围,SUB主轴电动机的低速绕组工作;2 001〜6 000 r/min范围,SUB主轴电动机的高速绕组区工作。主运动的机械特性如图2所示。3电气控制原理(1)该机床电气控制系统采用FANUC 16M精工 系统。(2)主传动的主轴电动机分别采用aL15/6000和 aL26 /10000两种型号主伺服电动机，其中后者为双 绕组主轴电机。(3)采用一台主轴伺服放大器控制两台主轴电动 机。硬件线路进行互锁，保证两台电动机不能同时工作。⑷利用FANUC系统主轴切换控制功能，控制切 换aL15/6000和aL 26 /10000两台主电动机的工作。 通过两台主电动机在不同转速区的工作时段，获得不 同的电动机特性，来提高机床的加工能力。进行主轴 切换时，需要使电动机停下来。(1)利用FANUC系统主轴输出切换控制功能，控 制切换双绕组aL 26 /10000电动机的转速区，实现在 高转速下的扭矩切换。此功能应用时要切换离合/齿 轮信号（CTH1A、CTH2A),以便在低速特性和高速特 性下分别进行速度环路增益等的设定。4主轴控制电气系统框图主轴控制电气系统框图如图3所示。5电气控制中需要解决的关键问题(1)实现两台主电动机最优化运行，在主电动机 切换控制中，应考虑避免两台主电机同时得电,在电气 硬件和软件控制中要进行互锁保护。(2)主轴高档转速控制中，在SUB主电动机双绕 组切换控制中，应考虑避免双绕组同时得电，在电气硬 件和软件控制中要进行互锁保护。(3)两台主轴电动机分别驱动主轴时，M19的定 向位置要一致。(4)主轴3个档位变速的控制。6主电动机连接图SPM主轴放大器，使用与两台电动机对应的放大 器中容量较大者。通过来自PMC的切换指令,切换控 制MAIN主轴电动机和SUB主轴电动机。为了更加 切实地检测动力线的状态，输入MAIN主轴电动机和 SUB主轴电动机的电磁接触器的状态，在输出动力线 切换信号（CHPA)后,如果在1 s内没有输入电磁接触 器状态信号（MCFNA、MFNHGA),则会有主轴报警15 发出（如图4、5、6所示）。7主轴切换控制相关的PLC接口信号主轴切换控制是利用1台主轴放大器来切换并驱 动2台主轴电动机的一种功能。此功能可适用于使用 不同时驱动的2台主轴电动机。7.1G71.2主轴切换请求信号（SPSLA)(1)本信号作为选择主轴电动机的指令信号 使用。0:选择MAIN主轴电动机。1:选择SUB主轴电动机。(2)在停止主轴电动机后，改变本信号。作为用 来确认主轴电动机停止的输出信号，备有速度零信号(SSTA)。(3)在进行切换操作时，需要断开电动机的动力， 因此，请将旋转指令（SFRA、SRVA)和定向指令 (ORMCA)设为 0。7.2G71.3 SUB主轴电动机用电磁接触器状态信号 (MCFNA)⑴输入SUB主轴电机用电磁接触器（MCC)的开闭 状态信号。0:SUB主轴电动机用的电磁接触器处在断开(OFF)状态1:SUB主轴电动机用的电磁接触器处在接通 (ON)状态(1)通常，原封不动地输入SUB主轴电动机用电 磁接触器的辅助接点（A接点）状态。(2)参数No. 4014#2 =0时,本信号作为动力线状 态确认信号使用，输入用来切换主轴电动机的动力线 切换的电磁接触器选择状态。0:选择MAIN主轴电动机 1:选择SUB主轴电动机7.3F46.0动力线切换信号（CHPA)(1)此系用来选择主轴电动机的动力线切换的电 磁接触器的指令信号。0:选择MAIN主轴电动机用的电磁接触器 1:选择SUB主轴电动机用的电磁接触器(2)在确认输入主轴切换请求信号（SPSLA)时, 电动机停止，动力被切断之后，本信号即被输出。请根 据本信号进行电磁接触器的切换。(3)在从SUB电动机切换至MAIN电动机时，当 SUB电动机停止，动力被断开时，本信号在接到主轴 切换请求信号（SPSLA)后，由1变为0。由此,首先关 闭SUB电动机用的电磁接触器。接着,在确认SUB电 机用的电磁接触器已经关闭后，打开MAIN电动机用 电磁接触器。(4)在MAIN电动机切换到SUB电动机时，当 MAIN电动机停止,动力被切断时，本信号在接到主轴 切换请求信号（SPSLA)后，由0变为1。由此,首先关 闭MAIN电动机用的电磁接触器。接着，在确认已经 关闭MAIN电动机用的电磁接触器后，打开SUB电机 用电磁接触器。7.4F46.1主轴切换结束信号（CFINA)(1)主轴切换操作结束，输出控制哪个主轴电机 的信息。0:控制MAIN主轴电机 1:控制SUB主轴电机(2)主轴切换请求信号（SPSLA)发生变化，在确 认本信号与主轴切换请求信号一致之后，转入下一步 操作。(3)在切换操作中，需要断开电机的动力，因此， 请事先切断旋转指令（SFRA、SRVA)以及定向指令 (ORCMA)。7.5F45.1速度零信号（SSTA)(1)输出主轴电机速度是否大于等于或者小于等 于速度零检测。0:电动机在^速度检测水平下旋转 1:电动机在^速度检测水平下停止(2)进行主轴切换时，需要使电动机停下来。请 在确认电动机是否已经停止时使用本信号。7.6控制时序实例中仅通过与动力线状态确认信号（MCFNA) 之间的确认来进行主轴切换操作（参数No. 4014#2 = 0),如图7所示。7.7 PLC程序主轴切换部分PLC程序如图8所示。7.8主轴切换相关参数设置（表1)8速度切换控制的PLC接口信号速度切换控制的使用方法有根据速度指令切换和 根据实际电动机速度切换的两种方法。实例中采用根 据速度指令切换绕组的方法。8.1G71.6输出切换请求信号（RSLA)(1)本信号作为选择输出特性的指令信号使用。0:选择高速特性。1:选择低速特性。(2)根据速度指令（S指令）设定的方法，输入本 指令信号，以便在速度指令小于等于切换速度时切换 至低速特性，速度指令大于等于切换速度时切换至高速特性。在大于等于切换速度的旋转区域，当本信号 由0变为1时，会马上切换至低速特性。8.2G71.7低速特性用电磁接触器状态信号(RCHA)(1)输入主轴电动机的低速特性用电磁接触器(MCC)的开闭状态信号。0:低速特性用的电磁接触器在断开（OFF)状态 1:低速特性用的电磁接触器在接通（ON)状态(2)通常，原封不动地输入低速特性用电磁接触 器的辅助接点（A接点）状态。(3)参数No.4014#3 =0时,本信号作为动力线状 态确认信号使用，输入用来切换主轴电动机的输出特 性的电磁接触器的选择状态。0:选择高速特性1:选择低速特性8.3 F46.2动力线切换信号（RCHPA)(1)此系用来选择主轴电动机的输出特性切换用 的电磁接触器的指令信号。表1实例中的相关系数设置 MAIN电动机S1 SUB电动机S2 4001#0 =1使用MRDY信号 4177#0 = 1使用MRDY信号 4001#2 = 1使用位置编码器信号 4177#2 = 1使用位置编码器信号 4004#1 =1使用BZ传感器 4179#1 =1使用MZ传感器 4014#0 =1有主轴切换控制功能 4014#2 =0进行基于动力线状态 信号（MCFN)的确认 4013 =00100110电流静区数据 4189 =00100110电流静区数据 4015#0=1有主轴定向功能 4020 =6000电动机******速度 4196 =6000电机******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电流变换常数（高速特 4264 = 855电流变换常数（高速特 性） 性） 4112 = 500电压指令饱和判断水平 4266 = 333电压指令饱和判断水平 (高速特性） (高速特性） 4146 = 0电流变换常数（低速特 4294 =1331电流变换常数（低速特 性) 性） _ = 10速度控制方式时的速度 4206 =10速度控制方式时的速度 环路比例增益（High) 环路比例增益（High) 4041 =10速度控制方式时的速度 4207 =5速度控制方式时的速度环 环路比例增益（Low) 路比例增益（Low) 4042 = 10定向时速度环路比例增 4208 =10定向时速度环路比例增 益( High) 益（High) 4043 =7定向时速度环路比例增益 4209 = 5定向时速度环路比例增益 ( Low) ( Low) 4056 =100 齿轮比(High) 4216 =1W 齿轮比(High) 4057 =100 齿轮比(Medium High) 4058 =100 齿轮比(Medium Low) 4059 =1007 齿轮比(Low) 4217 =100 齿轮比(Low) 4063 = 700定向时位置增益(Low) 4219 =1000定向时位置增益(Low) 0:选择高速特性用的电磁接触器1:选择低速特性用的电磁接触器(2)本信号在接到输出切换请求信号（RSLA)的 输入被输出。请根据本信号进行电磁接触器的切换。(3)在从低速特性切换至高速特性时，本信号在 接到输出切换请求信号（RSLA)后，由1变为0。此 时，电动机的动力会自动断开，因此，首先断开低速特 性用的电磁接触器。接着，在确认低速特性用的电磁 接触器已经断开之后，接通高速特性用电磁接触器。(4)在从高速特性切换至低速特性时，本信号在 接到输出切换请求信号（RSLA)之后，由0变为1。此时，电动机的动力会自动断开，因此，首先断开高速特 性用的电磁接触器。接着，在确认高速特性用的电磁 接触器已经断开之后，接通低速特性用电磁接触器。 8.4 F46.3动力线切换结束信号（RCFNA)(1)主轴电动机的输出切换操作结束，输出受哪 个输出特性控制的信息。0:受高速特性控制 1:受低速特性控制(2)输出切换请求信号（RSLA)发生变化,在确认 本信号与输出切换请求信号一致之后，转入下一步 操作。8.5控制时序实例中仅确认动力线状态确认信号（RCHA)后进 行输出切换操作（参数N〇.4014#3 =0)。(1)低速特性—高速特性的切换操作，如图9 所示。(2)高速特性—低速特性的切换操作，如图10所示。8.6实例中的PLC程序速度切换部分PLC程序如图11所示。 8.7实例中相关参数设置实例中相关参数设置见表2。表2实例中相关参数设置 4015#0 =1 有主轴定向功能 4015#2 =1 有输出切换控制功能 4014#3 =0 进行基于动力线状态确认信号（RCH)的确认 4019#4 =0 与速度检测信号（SDT)无关地切换 9结语FANUC精工系统中有很多特殊的功能，其中主轴 切换控制功能和速度切换控制功能是不太常用的两个 功能,但也是应用比较复杂的功能。在国内的机床中 这两个功能同时应用的比较少，甚至没有。通过“主轴切换控制功能和速度切换控制功能” 在卧式加工中心上同时应用的实际案例，说明了充分 合理应用精工系统的功能可以大大提高机床的加工精 度和加工范围，有效地改善机床的加工切削性能。在 精工机床设计中，如果能够充分将精工系统功能与机 械结构完美组合，将会大大提高精工机床的应用性能。参考文献[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卧式坐标镗床使用说明书[Z].第一作者:李惠贤，女，1964年生，高级工程师，长 期从事精工机床电气设计、调试等工作,具有丰富的实 践经验，已发表论文5篇。(编辑刘文元）(收稿日期:2015 -03 -18)海天精工相关产品：加工中心,钻攻中心,高速加工中心,立式加工中心,雕铣机