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數(shù)控機床高速切削技術(shù)的發(fā)展和實際應(yīng)用的需要對機床的性能提出了越來越高的要求，特別是針對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，又要實現(xiàn)高速度和高加速度的加工，所以每個軸都必須連接簡單才能做到間隙更小，響應(yīng)更快。

過去所采用的伺服電動機帶動蝸桿蝸輪傳動方式的轉(zhuǎn)臺已逐漸被可直接驅(qū)動負(fù)載，省去減速傳動齒輪，從而提高系統(tǒng)的運行精度的力矩電動機式轉(zhuǎn)臺所取代。因此，數(shù)控系統(tǒng)如何控制力矩電動機平穩(wěn)的運行，保護(hù)力矩電動機和伺服驅(qū)動器的使用壽命，既能發(fā)揮力矩電動機的高速特性，又能保有力矩電動機大扭矩輸出的特點，成為一項關(guān)鍵的技術(shù)。

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

在數(shù)控機床上所采用的力矩電動機大多數(shù)為交流力矩電動機，采用交流力矩電動機拖動負(fù)載，與采用高速的伺服電動機經(jīng)過減速裝置拖動負(fù)載相比有很多優(yōu)點，如響應(yīng)快、精度高、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速波動小、能在低速場合下長期穩(wěn)定運行以及機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性好等。

（1）硬件設(shè)計。VMC087mu五軸加工中心，轉(zhuǎn)臺采用的是LCM生產(chǎn)的搖籃式力矩電動機轉(zhuǎn)臺，工作臺可以環(huán)繞X軸回轉(zhuǎn)，定義為A軸。工作臺的中間還設(shè)有一個回轉(zhuǎn)臺，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)臺的力矩電動機C軸為例來進(jìn)行說明。

從C軸電動機端中引出了3根動力線，一條絕對值位置編碼器線，三組電動機溫度傳感器線。將3根動力線與西門子840Dsl驅(qū)動模塊相連，三組電動機溫度傳感器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)動模塊的X203端口，作為數(shù)控系統(tǒng)端檢測位置與監(jiān)測溫度的信號（見圖1）。

圖1　硬件接線圖

（2）系統(tǒng)參數(shù)配置。對于西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)來說LCM力矩電動機屬于第三方電動機，因此在進(jìn)行系統(tǒng)驅(qū)動配置時，電動機選擇第三方旋轉(zhuǎn)同步電動機，電動機參數(shù)按照力矩電動機說明書輸入各個數(shù)據(jù)。值得注意的是在輸入完力矩電動機電感后，進(jìn)行下一步前要選擇不進(jìn)行電動機數(shù)據(jù)的計算，如果選擇計算會改變已經(jīng)輸入的力矩電動機電感值，從而影響數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部計算出的力矩電動機電流環(huán)增益。

進(jìn)行軸分配后，初次通電時會出現(xiàn)207414的報警號，報警內(nèi)容為編碼器序列號改變，這是接入第三方電動機全新調(diào)試所導(dǎo)致的，此時將驅(qū)動參數(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)行編碼器序列號重新識別，識別完成后，報警會自動消失，重新將P10設(shè)置為0驅(qū)動就緒模式。

由于力矩電動機的溫度檢測是由SME125轉(zhuǎn)接到系統(tǒng)內(nèi)部的，因此將驅(qū)動參數(shù)P601改為10通過多個溫度通道分析SME125，將P4601改為20KTY84，告知系統(tǒng)溫度傳感器型號，系統(tǒng)會自動計算出相應(yīng)的溫度值。

（3）力矩電動機轉(zhuǎn)子位置識別。對于力矩電動機來說，在使用之初需要測量出編碼器和轉(zhuǎn)子之間的相位角，這樣才能保證轉(zhuǎn)子磁場與定子的電磁場同步。如果這個角度未測或者角度設(shè)定不準(zhǔn)確，會導(dǎo)致電動機運行時電流過大。

西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)識別力矩電動機轉(zhuǎn)子使用基于飽和法的兩種不同識別方式，即飽和法1次+2次諧波、飽和法1次諧波。由于電動機轉(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)特性的相對位置來選擇識別方式。

識別開始前，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)過程中磁極位置飽和曲線有兩次波動時（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)過程中磁極位置飽和曲線有一次波動時（見圖3），即采用飽和法1次諧波的方法。根據(jù)測試出的不同曲線在P1980內(nèi)選擇相應(yīng)的識別方式進(jìn)行識別。

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

確定識別方法后進(jìn)行轉(zhuǎn)子識別，設(shè)置識別時的驅(qū)動參數(shù)，在P235、P239內(nèi)設(shè)置識別時的電流，此電流值應(yīng)為力矩電動機額定電流的20%~40%，在P1981根據(jù)實際情況設(shè)置測試轉(zhuǎn)子位置識別時電動機移動的最大距離。確認(rèn)P1980設(shè)置適合的識別方式，將P1990設(shè)置為1，轉(zhuǎn)子位置識別開始。識別結(jié)束P1990自動變?yōu)?，P431內(nèi)會顯示出識別后換向角偏移的位置。

識別結(jié)束后進(jìn)行角度測試，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)子識別正確。保存驅(qū)動參數(shù)，每次驅(qū)動通電，系統(tǒng)直接使用P431內(nèi)換向角的偏移角度。

（4）優(yōu)化力矩電動機。因為力矩電動機對于西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)來說屬于第三方電動機，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)電動機參數(shù)識別，得出合適的電流環(huán)增益。然后進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)自帶的自動優(yōu)化功能，選擇符合機床的優(yōu)化策略，進(jìn)行電動機優(yōu)化，得出合適的速度環(huán)與位置環(huán)增益。

（5）力矩電動機運行檢測。力矩電動機配置完成后，運行力矩電動機，使用工具StartUp-Tool追蹤力矩電動機的電流、力矩輸出、輪廓誤差以及跟隨誤差（見圖4），如果這四個數(shù)據(jù)沒有較大的波動，表明數(shù)控系統(tǒng)對力矩電動機控制合適。