在機床控制中雙軸或多軸同步控制是一種常見的控制方法，如動梁式龍門銑床的橫梁升降控制，龍門框架移動式加工中心的龍門框架移動控制等。雖然在這些情況下可以采用單電動機通過錐齒輪等機械機構(gòu)驅(qū)動雙邊的方案，但是傳動機構(gòu)復雜、間隙較大，容易造成閉環(huán)控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定，而且運行噪聲大，維護困難。另外若用于負載轉(zhuǎn)動慣量較大的場合，由于傳動效率低，必然要選用功率很大的電動機，僅僅從經(jīng)濟性來考慮，這個方案就不太理想，因此采用兩個電動機雙邊驅(qū)動是比較理想的方案，這就產(chǎn)生了雙軸同步控制的問題。 1、機床多軸同步控制方案的比較 1.1普通機床的同步控制 對于普通機床的雙軸電動機同步控制一般有以下解決方案。①由一套直流調(diào)速裝置驅(qū)動兩臺直流電動機，兩臺電動機的電樞串聯(lián)，勵磁線圈并聯(lián)。為了保持速度同步，兩電動機軸必須保持剛性連接。兩臺電動機中只有一臺電動機提供速度反饋信號，其控制示意圖見圖1。②由兩套交流變頻調(diào)速系統(tǒng)分別控制作為主從軸的兩臺交流變頻或伺服電動機，兩臺電動機各自提供自己的速度反饋信號。為了保持速度同步，兩電動機軸也須保持剛性連接，其控制示意圖見2。 圖1 直流調(diào)速系統(tǒng)的同步控制 圖2 交流調(diào)速系統(tǒng)的同步控制 這兩種控制系統(tǒng)都屬于位置環(huán)開環(huán)系統(tǒng)，只能依靠軸的剛性連接保持電動機轉(zhuǎn)速或位置的同步，且結(jié)構(gòu)簡單、可靠性較高，我們?yōu)橛脩舾?造的B2063銑刨床X軸傳動即采用圖2所示的控制方法。這兩種控制系統(tǒng)對電動機所連接的運動部件的實際位置不做檢測，對于絲杠螺距、聯(lián)軸節(jié)間隙、絲杠扭轉(zhuǎn)、絲杠軸向變形等因素所產(chǎn)生的誤差無法補償，控制精度較差，因此不能應用于數(shù)控機床。 1.2 數(shù)控機床的同步控制 數(shù)控機床不同于普通機床的地方，在于數(shù)控系統(tǒng)具有很強的控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對位置、轉(zhuǎn)矩等不同參的控制。由于位置檢測裝置的引入，從而組成了位置速度雙閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)了位置同步控制。數(shù)控機床的同步控制方法可以概括為：將同步電動機的給定位置參考量與兩電動機位置反饋差值的調(diào)整量做比較后，作為被同步電動機的位置參考量，從而完成位置同步控制，其控制示意圖見圖3。 圖3 數(shù)控機床的同步控制 當前數(shù)控系統(tǒng)處理器大多采用68020、68040等32位處理器，現(xiàn)正向64位處理器過渡。正是由于CNC系統(tǒng)具有越來越強的計算能力，所以機床的同步控制將具有更佳的性能。當前國內(nèi)大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)中都具有伺服軸同步功能。同步軸的測量機構(gòu)，既可以是以光電編碼器為測量機構(gòu)的半閉環(huán)系統(tǒng)、也可以是以光柵尺為測量機構(gòu)的全閉環(huán)系統(tǒng)。 在軸同步功能中由于控制對象和參量不同又存在位置同步、轉(zhuǎn)速同步、轉(zhuǎn)矩同步等不同類型，它們適用于不同的場合。在不同的系統(tǒng)中，同步控制方法雖有所不同，但控制機理是一致的，因此應根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)和機床的特點選擇合適的方案。 2、數(shù)控龍門銑鏜床雙軸同步控制方案 2.1 控制方案 XK2520×40數(shù)控龍門銑鏜床是我們引進法國Forest-Line公司先進技術(shù)，自行研制開發(fā)的新型數(shù)控機床。該機床采用床身高架式橫梁移動結(jié)構(gòu)，橫梁沿床身導軌往復運動為X軸，銑頭滑枕沿橫梁左右移動為Y軸，銑頭滑枕沿溜板上下移動為Z軸。數(shù)控系統(tǒng)選用法國NUM公司的NUM 1040M系統(tǒng)。該系統(tǒng)可帶8個數(shù)控軸，其中包括兩個主軸，具有四軸插補功能。伺服進給系統(tǒng)選用西門子SIMODRIVE 611A交流伺服系統(tǒng)。該機床X軸采用兩個5.3kW西門子1FT5交流伺服電動機，經(jīng)一級同步皮帶減速后帶動滾珠絲杠螺母副傳動。X軸導向方式為滾動導軌塊，位置檢測采用HEIDENHAIN精密光柵尺。 關(guān)于X軸的傳動，在一臺同樣結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床上，我們曾經(jīng)采用由一個伺服電動機經(jīng)齒輪箱減速后，由錐齒輪帶動兩邊滾珠絲杠螺母副的傳動結(jié)構(gòu)。這種傳動結(jié)構(gòu)對編碼器的安裝位置要求頗高：若裝在絲杠端，由于間隙的原因則會出現(xiàn)位置環(huán)持續(xù)調(diào)整的情況，造成控制系統(tǒng)極不穩(wěn)定，通常在電動機軸端可以很明顯地觀察到由于控制系統(tǒng)調(diào)整靜態(tài)誤差而產(chǎn)生的振蕩；若裝在電動機端，系統(tǒng)雖穩(wěn)定，但由于傳動間隙的原因，控制精度很難保證，因此必須采用折衷方案。最后采用的方案是將編碼器裝在三級齒輪減速箱的中間一級上，以獲得較好的精度和穩(wěn)定性，但是這種方案降低了數(shù)控機床所應該具有的運行性能。為了使這臺XK2520達到應有的精度效率，我們決定對其X軸傳動方案進行改造。 我們采取的改造方案是將X軸改為雙電動機雙邊驅(qū)動，利用NUM 1040M系統(tǒng)的軸同步功能實現(xiàn)X軸雙邊同步。X軸兩條導軌側(cè)面各裝一條HEIDENHAIN精密光柵尺，兩讀數(shù)頭讀出的位置測量數(shù)據(jù)分別進入X031信號放大器后，再反饋到數(shù)控系統(tǒng)。X軸作為兩CNC軸占用數(shù)控系統(tǒng)兩軸口，分別定義為X1和X2，并且定義X1為同步軸，X2為X1的被同步軸，兩軸構(gòu)成同步軸對。具體控制及連線方式受篇幅所限不再詳細介紹。 2.2 調(diào)試方法與注意事項 （1）調(diào)試方法 該機床所用的NUM 1040M數(shù)控系統(tǒng)中有關(guān)同步控制的機床參數(shù)有P27/P64/P28/P24。 P27：將數(shù)控軸定義為同步軸，并將被同步軸賦予同步軸，組成軸對。 P64：定義同步軸對。 P28：同步軸對的同步使能位，當同步使能位為1時，同步功能生效。 P24：定義同步軸特性。 被同步軸物理地址@ N0 ｝ 同步閾值1（每軸1個字）缺省值160µm ... N31 定義同步功能有效時的最大允許誤差。當超過此閾值時，系統(tǒng)產(chǎn)生一個誤差，但仍允許同步軸與它的被同步軸同步。 被同步軸物理地址@+32 N32 ｝ 糾正因數(shù)1（每軸1個字）缺省值250µm ... N63 定義同步誤差的糾正因數(shù)，它是同步誤差的千分比（1/1000）。 N64 同步閾值2（各軸共用1個字） 缺省值600µm 定義同步功能有效時的最大允許誤差。當超過此閾值時，系統(tǒng)取消同步功能，并強制停車。 在同步控制中此參數(shù)對調(diào)整同步特性非常重要，而且使用方便。通過調(diào)整同步閾值，可使機床運行達到理想的性能。但在設置此參數(shù)時，必須根據(jù)機床的機械剛性等要求時進行估算。若閾值太高，有可能會對機床精度造成損害；若閾值太低，則機床在正常運行時就有可能超出同步誤差閾值而造成停車，影響機床的正常使用。 雙軸同步控制部分的調(diào)試步驟如下：在數(shù)控系統(tǒng)接入之前，必須先調(diào)節(jié)好伺服系統(tǒng)，即由速度環(huán)和電流環(huán)組成內(nèi)環(huán)，使內(nèi)環(huán)達到理想性能。方法是：將伺服系統(tǒng)與電動機連接，通過短線等方法接入使能信號，使系統(tǒng)驅(qū)動電動機的條件滿足；進給使能后，用電池接入給定信號；加給定信號，觀察電動機轉(zhuǎn)向，調(diào)整跳線，使電動機轉(zhuǎn)向正確；逐漸增加給定電壓，調(diào)整伺服參數(shù)，使電動機達到理想性能。這一部分可在調(diào)試電氣控制柜時完成。 接入數(shù)控系統(tǒng)后，連接好位置環(huán)，系統(tǒng)構(gòu)成位置、速度雙閉環(huán)系統(tǒng)。這時系統(tǒng)位置反饋極性尚未確定，只能通過實驗來確認。在進行這一步時，應考慮同步電動機轉(zhuǎn)向的匹配問題，這是同步控制中必須重視的問題。在單軸電動機反饋方向確定后，還要考慮接入給定信號后電動機的轉(zhuǎn)向與期望值相同，這需要綜合考慮數(shù)控系統(tǒng)中的給定信號極性、反饋極性、電動機轉(zhuǎn)動方向、伺服系統(tǒng)中的電動機轉(zhuǎn)動方向設定以及滾珠絲杠轉(zhuǎn)動方向等因素。如在調(diào)試時忽略這些因素，就有可能對機床造成毀滅性的破壞。 至于，雙軸同步設定初步完成，接著將編寫好的自動控制程序傳入數(shù)控系統(tǒng)中進行綜合調(diào)試，仔細調(diào)整同步參數(shù)，以獲得理想的性能。 （2）注意事項 在調(diào)試過程中應注意以下幾方面： ①確保液壓、潤滑系統(tǒng)工作正常，這是機床運動前的必須條件。 ②移動軸時，以低速為佳。此時同步特性尚未達到最佳，需對伺服系統(tǒng)加速、減速、定位帶寬、放大系數(shù)等進行細調(diào)，直到系統(tǒng)穩(wěn)定工作，并能夠達到理想的定位精度和重復定位精度。 ③在調(diào)試雙軸同步時，一定要安排好調(diào)試計劃，盡量避免盲目開車，以免造成事故。例如，我們在調(diào)試伺服系統(tǒng)時，機械人員將橫梁從X軸一側(cè)移到另一側(cè)，而此時電氣調(diào)試人員在數(shù)控系統(tǒng)沒有接入的情況下，通過電池給伺服系統(tǒng)加給定信號移動X軸。由于X軸移動時沒有加位置檢測，在移動過程中，橫梁發(fā)生傾斜，造成一軸模塊過載，電動機停車；而另一軸電動機繼續(xù)旋轉(zhuǎn)造成X軸導軌精度發(fā)生變化，由于發(fā)現(xiàn)及時，后經(jīng)機械人員調(diào)整恢復了精度。