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數(shù)控機(jī)床高速切削技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用的需要對(duì)機(jī)床的性能提出了越來(lái)越高的要求，特別是針對(duì)磨具加工的高速五軸加工中心，在保證加工精度與表面粗糙度的同時(shí)，又要實(shí)現(xiàn)高速度和高加速度的加工，所以每個(gè)軸都必須連接簡(jiǎn)單才能做到間隙更小，響應(yīng)更快。

過(guò)去所采用的伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)蝸桿蝸輪傳動(dòng)方式的轉(zhuǎn)臺(tái)已逐漸被可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，省去減速傳動(dòng)齒輪，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行精度的力矩電動(dòng)機(jī)式轉(zhuǎn)臺(tái)所取代。因此，數(shù)控系統(tǒng)如何控制力矩電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)的運(yùn)行，保護(hù)力矩電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器的使用壽命，既能發(fā)揮力矩電動(dòng)機(jī)的高速特性，又能保有力矩電動(dòng)機(jī)大扭矩輸出的特點(diǎn)，成為一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)。

力矩電動(dòng)機(jī)本質(zhì)上是一種大力矩的三相永磁電動(dòng)機(jī)。與普通永磁電動(dòng)機(jī)相比，它在結(jié)構(gòu)上具有以下特點(diǎn)：長(zhǎng)徑比小，軸向長(zhǎng)度短，極對(duì)數(shù)多，轉(zhuǎn)子上安排有大量永磁體以提供大轉(zhuǎn)矩。

在數(shù)控機(jī)床上所采用的力矩電動(dòng)機(jī)大多數(shù)為交流力矩電動(dòng)機(jī)，采用交流力矩電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載，與采用高速的伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)減速裝置拖動(dòng)負(fù)載相比有很多優(yōu)點(diǎn)，如響應(yīng)快、精度高、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速波動(dòng)小、能在低速場(chǎng)合下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行以及機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性好等。

（1）硬件設(shè)計(jì)。VMC087mu五軸加工中心，轉(zhuǎn)臺(tái)采用的是LCM生產(chǎn)的搖籃式力矩電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)，工作臺(tái)可以環(huán)繞X軸回轉(zhuǎn)，定義為A軸。工作臺(tái)的中間還設(shè)有一個(gè)回轉(zhuǎn)臺(tái)，環(huán)繞Z軸回轉(zhuǎn)，定義為C軸。A、C軸控制方式是一致的，本文以控制回轉(zhuǎn)臺(tái)的力矩電動(dòng)機(jī)C軸為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

從C軸電動(dòng)機(jī)端中引出了3根動(dòng)力線，一條絕對(duì)值位置編碼器線，三組電動(dòng)機(jī)溫度傳感器線。將3根動(dòng)力線與西門子840Dsl驅(qū)動(dòng)模塊相連，三組電動(dòng)機(jī)溫度傳感器KTY1、KTY2和KTY3與溫度控制器連接，溫度傳感器阻值經(jīng)轉(zhuǎn)接盒處理后輸出一組模擬量信號(hào)KTY+與KTY-，連接到SME125的X200端口的1和2角，位置編碼器接到SME125的X100端口，最后X125的端口X500采用西門子的DRIVE-CliQ通訊線連接C軸驅(qū)動(dòng)模塊的X203端口，作為數(shù)控系統(tǒng)端檢測(cè)位置與監(jiān)測(cè)溫度的信號(hào)（見圖1）。

圖1　硬件接線圖

（2）系統(tǒng)參數(shù)配置。對(duì)于西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)LCM力矩電動(dòng)機(jī)屬于第三方電動(dòng)機(jī)，因此在進(jìn)行系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)配置時(shí)，電動(dòng)機(jī)選擇第三方旋轉(zhuǎn)同步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)參數(shù)按照力矩電動(dòng)機(jī)說(shuō)明書輸入各個(gè)數(shù)據(jù)。值得注意的是在輸入完力矩電動(dòng)機(jī)電感后，進(jìn)行下一步前要選擇不進(jìn)行電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)的計(jì)算，如果選擇計(jì)算會(huì)改變已經(jīng)輸入的力矩電動(dòng)機(jī)電感值，從而影響數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部計(jì)算出的力矩電動(dòng)機(jī)電流環(huán)增益。

進(jìn)行軸分配后，初次通電時(shí)會(huì)出現(xiàn)207414的報(bào)警號(hào)，報(bào)警內(nèi)容為編碼器序列號(hào)改變，這是接入第三方電動(dòng)機(jī)全新調(diào)試所導(dǎo)致的，此時(shí)將驅(qū)動(dòng)參數(shù)P10設(shè)置為4編碼器調(diào)節(jié)模式，再將P440設(shè)置為1進(jìn)行編碼器序列號(hào)重新識(shí)別，識(shí)別完成后，報(bào)警會(huì)自動(dòng)消失，重新將P10設(shè)置為0驅(qū)動(dòng)就緒模式。

由于力矩電動(dòng)機(jī)的溫度檢測(cè)是由SME125轉(zhuǎn)接到系統(tǒng)內(nèi)部的，因此將驅(qū)動(dòng)參數(shù)P601改為10通過(guò)多個(gè)溫度通道分析SME125，將P4601改為20KTY84，告知系統(tǒng)溫度傳感器型號(hào)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出相應(yīng)的溫度值。

（3）力矩電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置識(shí)別。對(duì)于力矩電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，在使用之初需要測(cè)量出編碼器和轉(zhuǎn)子之間的相位角，這樣才能保證轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子的電磁場(chǎng)同步。如果這個(gè)角度未測(cè)或者角度設(shè)定不準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)電流過(guò)大。

西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)識(shí)別力矩電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子使用基于飽和法的兩種不同識(shí)別方式，即飽和法1次+2次諧波、飽和法1次諧波。由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子定子所決定的磁極位置飽和曲線R1985和磁極位置觸發(fā)特性R1987的相對(duì)位置不變。所以必須根據(jù)磁極位置飽和曲線和磁極位置觸發(fā)特性的相對(duì)位置來(lái)選擇識(shí)別方式。

識(shí)別開始前，使用工具StartUp-Tool追蹤磁極位置飽和曲線R1985和磁極位置觸發(fā)特性R1987的圖形，在兩次磁極位置觸發(fā)過(guò)程中磁極位置飽和曲線有兩次波動(dòng)時(shí)（見圖2）,即采用飽和法1次+2次諧波的方法，在兩次磁極位置觸發(fā)過(guò)程中磁極位置飽和曲線有一次波動(dòng)時(shí)（見圖3），即采用飽和法1次諧波的方法。根據(jù)測(cè)試出的不同曲線在P1980內(nèi)選擇相應(yīng)的識(shí)別方式進(jìn)行識(shí)別。

圖2　采用飽和法1次+2次諧波的波形

圖3　采用飽和法1次諧波的波形

確定識(shí)別方法后進(jìn)行轉(zhuǎn)子識(shí)別，設(shè)置識(shí)別時(shí)的驅(qū)動(dòng)參數(shù)，在P235、P239內(nèi)設(shè)置識(shí)別時(shí)的電流，此電流值應(yīng)為力矩電動(dòng)機(jī)額定電流的20%~40%，在P1981根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置測(cè)試轉(zhuǎn)子位置識(shí)別時(shí)電動(dòng)機(jī)移動(dòng)的最大距離。確認(rèn)P1980設(shè)置適合的識(shí)別方式，將P1990設(shè)置為1，轉(zhuǎn)子位置識(shí)別開始。識(shí)別結(jié)束P1990自動(dòng)變?yōu)?，P431內(nèi)會(huì)顯示出識(shí)別后換向角偏移的位置。

識(shí)別結(jié)束后進(jìn)行角度測(cè)試，將參數(shù)P1983設(shè)置為1，查看參數(shù)R1984內(nèi)的數(shù)值，如果小于10度，則轉(zhuǎn)子識(shí)別正確。保存驅(qū)動(dòng)參數(shù)，每次驅(qū)動(dòng)通電，系統(tǒng)直接使用P431內(nèi)換向角的偏移角度。

（4）優(yōu)化力矩電動(dòng)機(jī)。因?yàn)榱仉妱?dòng)機(jī)對(duì)于西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)屬于第三方電動(dòng)機(jī)，所以要進(jìn)行優(yōu)化得出合適的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的增益數(shù)據(jù)。首先進(jìn)行電流環(huán)增益的優(yōu)化，設(shè)置P1910為1進(jìn)行靜態(tài)電動(dòng)機(jī)參數(shù)識(shí)別，得出合適的電流環(huán)增益。然后進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)自帶的自動(dòng)優(yōu)化功能，選擇符合機(jī)床的優(yōu)化策略，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)優(yōu)化，得出合適的速度環(huán)與位置環(huán)增益。

（5）力矩電動(dòng)機(jī)運(yùn)行檢測(cè)。力矩電動(dòng)機(jī)配置完成后，運(yùn)行力矩電動(dòng)機(jī)，使用工具StartUp-Tool追蹤力矩電動(dòng)機(jī)的電流、力矩輸出、輪廓誤差以及跟隨誤差（見圖4），如果這四個(gè)數(shù)據(jù)沒有較大的波動(dòng)，表明數(shù)控系統(tǒng)對(duì)力矩電動(dòng)機(jī)控制合適。