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

關(guān)鍵詞：主從控制  REDEX減速機  換檔

Shift control of master-slave drive structure spindle

1  前言

我公司生產(chǎn)的重型立（臥）式車削中心，主軸(或工作臺)大多采用雙驅(qū)（或多驅(qū)）主-從結(jié)構(gòu)，即用兩個（或多個）伺服電機驅(qū)動一個主軸（或工作臺）。大大簡化了機械結(jié)構(gòu)，提高了機床的分度及定位精度。CHX61315是我公司給國內(nèi)一大型企業(yè)設(shè)計制造的重型臥式車銑復(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。主傳動采用主-從雙驅(qū)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。主（從）動伺服電機分別通過法國REDEX公司的兩級減速箱（由一個具有兩個檔位的擺線針輪行星變速箱和一個蝸輪蝸桿變速箱組成），帶動齒輪1a(1b),2a(2b),3a(3b)和齒輪4，最后由齒輪4帶動主軸旋轉(zhuǎn)。

主要硬件組成及主軸配置：

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

兩級減速箱 ：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)，測量步距0.0001度。

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

圖1 主軸主-從驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖

2  主-從控制原理介紹

主-從驅(qū)動就是通過兩個或多個伺服電機同時驅(qū)動一個軸,在兩個或多個伺服電機之間建立主-從的控制關(guān)系,從動伺服電機根據(jù)主動伺服電機設(shè)定的速度運動,主動伺服電機一般采用位置控制方式，而從動伺服電機始終為速度控制方式。首先，PI轉(zhuǎn)矩控制器確保兩個伺服電機產(chǎn)生一定大小的輸出轉(zhuǎn)矩，另外，在軸控制（或定位）方式時，可以指定一個附加轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)在主-從驅(qū)動的兩個伺服電機之間產(chǎn)生一定的張力，來消除傳動系統(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（從動軸）：

MD37250        3         速度耦合的主要軸號（主動伺服電機軸號）

MD37252        3         扭矩控制的主要軸號（主動伺服電機軸號）

MD37254        1         扭矩補償控制激活

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

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

MD37264       10%        主從張力扭矩

MD37268       50%        從動軸扭矩系數(shù)

3  REDEX減速機的換檔原理

圖2 REDEX變速箱換檔電氣原理圖

圖3 換檔過程邏輯圖

REDEX公司的兩級減速箱有兩個機械檔位，即1:1和1:3.83,通過變換星形齒輪來實現(xiàn)。變檔電氣原理如圖2示，M是變檔驅(qū)動電機，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，KA2得電，KA1不得電， M正轉(zhuǎn)，帶動撥叉擺動，同時主動伺服電機開始擺動（換檔過程邏輯如圖３所示），撥叉帶動星形齒輪移動，當(dāng)檢測開關(guān)檢測到檔位到達信號時，KA2斷電，同時主電機停止擺動。當(dāng)要求換到1:3.83側(cè)時，KA1,KA2同時得電, M反轉(zhuǎn)，換擋過程和前面相似。

兩臺減速機的接線完全一樣，并且只有當(dāng)兩臺減速機的檔位檢測開關(guān)信號全部到達時，系統(tǒng)才認為換檔過程完成。

4 調(diào)試

    在現(xiàn)場實際調(diào)試過程中，我們發(fā)現(xiàn)多數(shù)情況下從動側(cè)減速機的換檔完成不了，既使偶然換檔能夠完成，但在主軸轉(zhuǎn)動的時候伺服電機負載電流特別大，至少在額定電流的８０％以上，連續(xù)轉(zhuǎn)動幾秒鐘后伺服電源模塊就會發(fā)生過熱報警，經(jīng)過反復(fù)試驗及分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生以上問題的原因主要有兩個：

1. 由主軸傳動結(jié)構(gòu)及主-從控制的原理可知,從動伺服電機是隨著主動伺服電機而旋轉(zhuǎn),由于開始旋轉(zhuǎn)時主-從伺服電機之間要產(chǎn)生一定的張力，所以兩者之間會存在時間差,即當(dāng)主伺服電機開始旋轉(zhuǎn)時,從動伺服電機還沒有轉(zhuǎn)。而REDEX公司的減速機換檔過程非常短，在從動伺服電機開始轉(zhuǎn)動之前主動側(cè)減速機已經(jīng)換檔完成，此時主伺服電機的旋轉(zhuǎn)會沿著傳動鏈逆?zhèn)鞯綇膭铀欧姍C側(cè)的減速機，此時，從動側(cè)減速機需要嚙合的兩個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)西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的主-從控制原理可知,從動軸始終跟隨主動軸運動，因此程序中執(zhí)行主軸換檔指令的M代碼，是輸出給主動伺服電機（即第一主軸的）的。PLC通過檢測兩個減速機檔位開關(guān)的狀態(tài)，判斷當(dāng)前實際檔位，當(dāng)實際檔位和要求的檔位一致時換檔完成。由于NC始終處理的是主動伺服電機的換檔信號，既使從動伺服電機和主動伺服電機處在相同的檔位上，但NC并不處理從動伺服電機（即第三主軸）的換檔信號，而是認為從動伺服電機仍然處在原來的檔位上。NC在處理程序中的S值時，會根據(jù)不同的檔位選擇不同的參數(shù)組（傳動比），一旦選擇的參數(shù)組不一致就會輸出不同的電機轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致嚴(yán)重的不同步和逆?zhèn)鲃?，從而產(chǎn)生很大的電流，致使電源模塊過熱。

針對上述產(chǎn)生問題的原因，我們提出了相應(yīng)的解決方法：

（1）在換檔時取消主-從關(guān)系。當(dāng)主軸開始換檔前，首先斷開主-從關(guān)系，延時關(guān)斷從動伺服電機的控制使能信號，使從動伺服電機處于自由狀態(tài)。然后開始換檔，主動伺服電機間歇左右擺動便于齒輪嚙合，當(dāng)主動側(cè)減速機換檔到位后，通過逆?zhèn)鲃訋訌膭觽?cè)的減速機的星形齒輪轉(zhuǎn)動，從動側(cè)減速機開始換檔。當(dāng)兩個減速機都換檔到位后，主伺服電機停止擺動。最后激活從動伺服電機的控制使能信號，激活主-從控制，至此，整個換檔過程完成。下面是此過程的PLC程序：

     ……

          AN   DB33.DBX82.3       //主伺服電機換檔信號

          =    M13.3

          A   M13.3

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

         AN   M13.3

         L    S5T#4S

         SD   T36

        AN    T36

        =     DB34.DBX2.1       //從動伺服電機控制使能信號

    ……

（2） 改變從動伺服電機的參數(shù)組，每次主軸換檔完成后，根據(jù)主動伺服電機的實際檔位信號來選擇從動伺服電機的參數(shù)組，使兩者當(dāng)前參數(shù)組保持一致。

 需修改的從動伺服電機的軸參數(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       //主動伺服電機實際齒輪級A

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

    A    DB33.DBX16.1       //主動伺服電機實際齒輪級B

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

    A    DB33.DBX16.2       //主動伺服電機實際齒輪級C

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

  ……

通過以上措施，解決了前面提到的問題，在長期的跟蹤服務(wù)過程中，該機床運行穩(wěn)定、可靠。

5 結(jié)論

    由于這種主傳動結(jié)構(gòu)在國內(nèi)應(yīng)用尚屬首次，通過對數(shù)控系統(tǒng)主-從控制原理及減速機變檔原理的分析，采取了相應(yīng)的措施，解決了在調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，為應(yīng)用及推廣這類傳動結(jié)構(gòu)積累了經(jīng)驗。