现数控机床多轴同步控制方法雪刷

现数控机床多轴同步控制方法

现数控机床多轴同步控制方法 2011年12月10日 来源： 在机床控制中双轴或多轴同步控制是一种常见的控制方法，如动梁式龙门铣床的横梁升降控制，龙门框架移动式加工中心的龙门框架移动控制等。虽然在这些情况下可以采用单电动机通过锥齿轮等机械机构驱动双边的方案，但是传动机构复杂、间隙较大，容易造成闭环控制系统的不稳定，而且运行噪声大，维护困难。另外若用于负载转动惯量较大的场合，由于传动效率低，必然要选用功率很大的电动机，仅仅从经济性来考虑，这个方案就不太理想，因此采用两个电动机双边驱动是比较理想的方案，这就产生了双轴同步控制的问题。

1 机床多轴同步控制方案的比较

1.1普通机床的同步控制

对于普通机床的双轴电动机同步控制一般有以下解决方案。①由一套直流调速装置驱动两台直流电动机，两台电动机的电枢串联，励磁线圈并联。为了保持速度同步，两电动机轴必须保持刚性连接。两台电动机中只有一台电动机提供速度反馈信号，其控制示意图见图1。②由两套交流变频调速系统分别控制作为主从轴的两台交流变频或伺服电动机，两台电动机各自提供自己的速度反馈信号。为了保持速度同步，两电动机轴也须保持刚性连接，其控制示意图见2。

图1 直流调速系统的同步控制图2 交流调速系统的同步控制这两种控制系统都属于位置环开环系统，只能依靠轴的刚性连接保持电动机转速或位置的同步，且结构简单、可靠性较高，我们为用户改 造的B2063铣刨床X轴传动即采用图2所示的控制方法。这两种控制系统对电动机所连接的运动部件的实际位置不做检测，对于丝杠螺距、联轴节间隙、丝杠扭转、丝杠轴向变形等因素所产生的误差无法补偿，控制精度较差，因此不能应用于数控机床。

1.2 数控机床的同步控制

数控机床不同于普通机床的地方，在于数控系统具有很强的控制功能，能够实现对位置、转矩等不同参的控制。由于位置检测装置的引入，从而组成了位置速度双闭环系统，实现了位置同步控制。数控机床的同步控制方法可以概括为：将同步电动机的给定位置参考量与两电动机位置反馈差值的调整量做比较后，作为被同步电动机的位置参考量，从而完成位置同步控制，其控制示意图见图3。图3 数控机床的同步控制当前数控系统处理器大多采用68020、68040等32位处理器，现正向64位处理器过渡。正是由于CNC系统具有越来越强的计算能力，所以机床的同步控制将具有更佳的性能。当前国内大多数数控系统中都具有伺服轴同步功能。同步轴的测量机构，既可以是以光电编码器为测量机构的半闭环系统、也可以是以光栅尺为测量机构的全闭环系统。

在轴同步功能中由于控制对象和参量不同又存在位置同步、转速同步、转矩同步等不同类型，它们适用于不同的场合。在不同的系统中，同步控制方法虽有所不同，但控制机理是一致的，因此应根据数控系统和机床的特点选择合适的方案。

2 数控龙门铣镗床双轴同步控制方案

2.1 控制方案

XK2520×40数控龙门铣镗床是我们引进法国Forest-Line公司先进技术，自行研制开发的新型数控机床。该机床采用床身高架式横梁移动结构，横梁沿床身导轨往复运动为X轴，铣头滑枕沿横梁左右移动为Y轴，铣头滑枕沿溜板上下移动为Z轴。数控系统选用法国NUM公司的NUM 1040M系统。该系统可带8个数控轴，其中包括两个主轴，具有四轴插补功能。伺服进给系统选用西门子SIMODRIVE 611A交流伺服系统。该机床X轴采用两个5.3kW西门子1FT5交流伺服电动机，经一级同步皮带减速后带动滚珠丝杠螺母副传动。X轴导向方式为滚动导轨块，位置检测采用HEIDENHAIN精密光栅尺。

关于X轴的传动，在一台同样结构的数控机床上，我们曾经采用由一个伺服电动机经齿轮箱减速后，由锥齿轮带动两边滚珠丝杠螺母副的传动结构。这种传动结构对编码器的安装位置要求颇高：若装在丝杠端，由于间隙的原因则会出现位置环持续调整的情况，造成控制系统极不稳定，通常在电动机轴端可以很明显地观察到由于控制系统调整静态误差而产生的振荡；若装在电动机端，系统虽稳定，但由于传动间隙的原因，控制精度很难保证，因此必须采用折衷方案。最后采用的方案是将编码器装在三级齿轮减速箱的中间一级上，以获得较好的精度和稳定性，但是这种方案降低了数控机床所应该具有的运行性能。为了使这台XK2520达到应有的精度效率，我们决定对其X轴传动方案进行改造。

我们采取的改造方案是将X轴改为双电动机双边驱动，利用NUM 1040M系统的轴同步功能实现X轴双边同步。X轴两条导轨侧面各装一条HEIDENHAIN

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