直流电动机主从控制在重型卧式车床的应用

2014-04-24关百军张秀印

制造技术与机床 2014年4期

关百军张秀印

(沈阳机床(集团)有限责任公司，辽宁沈阳 110142)

在数控机床中，主轴传动系统是机床最核心的关键部件之一，其输出性能对数控机床的整体水平是至关重要的。机床要求主轴在很宽的范围内速度连续可调，并在各种速度下提供足够的切削功率。

在重型数控机床的生产制造中，当驱动一个大工作机构时，在仅仅依靠一台电动机不能产生足够的扭矩，这时就需要利用多电动机拖动系统来实现工作机构的运动。在机械结构上，各电动机可以同轴联接或通过传动机构联接起来，共同带动工作机构。在电气控制中，应用主从控制功能，也可以称作速度/扭矩耦合功能。对电动机进行优化调整，保证在主从控制中，电动机输出的速度一致，扭矩一致，实现各电动机间的速度和扭矩最优化运行。

1 机床主轴传动结构

HTC250800super 重型卧式数控车床在开发研制中，最关键的部件是机床主轴传动系统，采用双电动机传动结构。在电动机选型时，根据直流电动机的机械特性，非常适合大型机床的机械传动，因此决定采用两台他励直流电动机驱动主轴传动机构见图1。

2 主从控制中电动机机械特性的合成

两台他励直流电动机各自的机械特性相同(特性1)，轴上输出的合成特性(特性2)，其转矩相当于同一转速下特性1 转矩的2倍。这样，总的负载转矩MZ由两台电动机平均分担，每台电动机承担0.5MZ。由图可见，合成特性比每台电动机的机械特性要硬一些，见图2。

3 电气控制方案的确定

(1)机床控制系统采用西门子840D。

(2)主轴传动的双电动机采用两台80 kW 直流电动机，驱动系统采用西门子6RA70 系列调速装置。

(3)速度给定值通过西门子的ANA 模块输出到主动驱动系统。

(4)主动驱动系统通过peer -to -peer link，信号以完全数字的形式传送到从动驱动系统，实现两台电动机的主从控制。

表1

(5)直流主电动机的速度反馈采用脉冲编码器，保证反馈信号的精确度。

4 主从控制电气系统框图

主从控制电气系统框图如图3 所示。

5 电气控制调试中需要解决的关键问题

(1)实现两台直流主电动机最优化运行，保证在主从控制中，两台主电动机输出的速度一致，扭矩一致。在一般情况下，即使型号相同的两台电动机，机械特性也不一定完全相同。因此要通过驱动参数的正确设定调整，使负载在两台电动机间平均分配，保证每台电动机能得到充分利用。

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(2)在主从控制中，应考虑主传动双电动机驱动时单台电机产生的“失速”保护问题。在主从控制中，从动驱动装置的控制指令是由主动驱动装置发出的。但是，如果在加工中，从动电动机的联轴节与主轴传动装置突然脱开，由于从动电动机的扭矩突然减小，会使转速急剧上升，处于失速状态，直至电动机损坏。

6 主从电动机执行优化步骤

在主从方式中，主动轴工作在速度环状态，产生扭矩设定值，通过peer -to -peer 传递到从动轴。这时，从动装置的端子34、37、38 要短接在一起，使得主从电动机的起停操作同时进行。此时，从动装置的斜坡函数发生器和速度调节器不处于激活状态。

(1)主动装置的优化运行

①在从动装置上设定P171=0，P172=0

②执行P051=25 优化

③执行P051=26 优化，必要时，进行手动优化，使输出转速平稳

④执行P051=27 优化

⑤在从动装置上恢复P171、P172 的值

(2)从动装置的优化运行

①在主动装置上设定P171=0，P172=0

②执行P051=25 优化

③执行P051=27 优化

④在主动装置上恢复P171、P172 的值

(3)把电动机与减速机连接以后，设置P051=26优化运行，调整转速达到平稳。

(4)失速保护的实现:在主从控制过程中，主动装置设置为速度控制方式，从动装置设置为转矩控制方式。将把主动装置的速度和转矩通过peer -to-peer 传送到从动装置，作为转矩限幅，使得从动装置和主动装置的输出转矩相等。如果突然电动机连接轴脱开，从动电动机的速度由参数P401 和P402的设定值限制，只能增加5%，此时由于从动装置的速度环退出饱和状态而按照大于主动装置速度给定的5%运行，不致于超速飞车，实现了电动机失速保护的目的。

(5)参数设置:见表1。