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本文研究的是日本生產的臥式數(shù)控坐標鏜，這是 一臺FANUC 16M系統(tǒng)的數(shù)控機床，既可以實現(xiàn)大扭 矩加工，又可以實現(xiàn)高速高精加工。在精加工時主軸 高轉速可以達到6 000 r/min。國內同類機床，主軸 直徑在"100 mm以上正掛箱的臥式加工中心中，由于 主軸箱機械結構的限制，主軸高轉速一般在3 000 r/min,在目前的結構上突破4 500 r/min是非常困難 的，即便如此，在高轉速區(qū)加工也可能帶來噪聲、震動， 精度差等影響加工質量的一系列問題。相比之下，這 臺臥式數(shù)控坐標鏜機床的主軸轉速在高速高精加工方 面更具有優(yōu)勢，從而使這臺機床的加工范圍更寬。那 么制造商是如何實現(xiàn)這一優(yōu)勢的呢？本文重點討論電氣方面的控制原理。
1機床主軸傳動結構
主傳動采用了兩套傳動機構，并使用了兩臺交流 主軸伺服電動機進行控制。在使用大扭矩加工時, MAIN主軸電動機和主軸是通過一套齒輪傳動機構連 接的，通過一系列的齒輪嚙合將主軸電動機的動力傳 到主運動,增大主運動的扭矩。
實例:MAIN電動機選擇的是以增大機床的切削 能力為前提的，選擇的是aL 15/6000型主軸電動機, 15 kW。在需要高精加、主軸轉速達到530 r/min以上 時,切換到SUB主軸電動機。SUB電動機和主軸是1:1直連的，選用的是雙繞組aL 26 /10000型電動機, 18.5 kW(如圖 1)。
2主軸運動的機械特性
主軸轉速在20?530 r/min以下,MAIN主軸電動機通過一系列齒輪傳遞將動力傳遞到主運動,531?6 000 r/min切換到SUB主軸電動機,和主軸1:1連接。其中在530?2 000 r/min范圍,SUB主軸電動機的低速繞組工作;2 001?6 000 r/min范圍,SUB主軸電動機的高速繞組區(qū)工作。主運動的機械特性如圖2所示。

3電氣控制原理
(1)該機床電氣控制系統(tǒng)采用FANUC 16M數(shù)控 系統(tǒng)。
(2)主傳動的主軸電動機分別采用aL15/6000和 aL26 /10000兩種型號主伺服電動機，其中后者為雙 繞組主軸電機。
(3)采用一臺主軸伺服放大器控制兩臺主軸電動 機。硬件線路進行互鎖，保證兩臺電動機不能同時工作。
⑷利用FANUC系統(tǒng)主軸切換控制功能，控制切 換aL15/6000和aL 26 /10000兩臺主電動機的工作。 通過兩臺主電動機在不同轉速區(qū)的工作時段，獲得不 同的電動機特性，來提高機床的加工能力。進行主軸 切換時，需要使電動機停下來。
(1)利用FANUC系統(tǒng)主軸輸出切換控制功能，控 制切換雙繞組aL 26 /10000電動機的轉速區(qū)，實現(xiàn)在 高轉速下的扭矩切換。此功能應用時要切換離合/齒 輪信號（CTH1A、CTH2A),以便在低速特性和高速特 性下分別進行速度環(huán)路增益等的設定。
4主軸控制電氣系統(tǒng)框圖
主軸控制電氣系統(tǒng)框圖如圖3所示。
5電氣控制中需要解決的關鍵問題
(1)實現(xiàn)兩臺主電動機化運行，在主電動機 切換控制中，應考慮避免兩臺主電機同時得電,在電氣 硬件和軟件控制中要進行互鎖保護。
(2)主軸高檔轉速控制中，在SUB主電動機雙繞 組切換控制中，應考慮避免雙繞組同時得電，在電氣硬 件和軟件控制中要進行互鎖保護。
(3)兩臺主軸電動機分別驅動主軸時，M19的定 向位置要一致。
(4)主軸3個檔位變速的控制。
6主電動機連接圖
SPM主軸放大器，使用與兩臺電動機對應的放大 器中容量較大者。通過來自PMC的切換指令,切換控 制MAIN主軸電動機和SUB主軸電動機。為了更加 切實地檢測動力線的狀態(tài)，輸入MAIN主軸電動機和 SUB主軸電動機的電磁接觸器的狀態(tài)，在輸出動力線 切換信號（CHPA)后,如果在1 s內沒有輸入電磁接觸 器狀態(tài)信號（MCFNA、MFNHGA),則會有主軸報警15 發(fā)出（如圖4、5、6所示）。
7主軸切換控制相關的PLC接口信號
主軸切換控制是利用1臺主軸放大器來切換并驅 動2臺主軸電動機的一種功能。此功能可適用于使用 不同時驅動的2臺主軸電動機。
7.1G71.2主軸切換請求信號（SPSLA)
(1)本信號作為選擇主軸電動機的指令信號 使用。
0:選擇MAIN主軸電動機。
1:選擇SUB主軸電動機。
(2)在停止主軸電動機后，改變本信號。作為用 來確認主軸電動機停止的輸出信號，備有速度零信號
(SSTA)。
(3)在進行切換操作時，需要斷開電動機的動力， 因此，請將旋轉指令（SFRA、SRVA)和定向指令 (ORMCA)設為 0。
7.2G71.3 SUB主軸電動機用電磁接觸器狀態(tài)信號 (MCFNA)
⑴輸入SUB主軸電機用電磁接觸器（MCC)的開閉 狀態(tài)信號。
0:SUB主軸電動機用的電磁接觸器處在斷開
(OFF)狀態(tài)
1:SUB主軸電動機用的電磁接觸器處在接通 (ON)狀態(tài)
(1)通常，原封不動地輸入SUB主軸電動機用電 磁接觸器的輔助接點（A接點）狀態(tài)。
(2)參數(shù)No. 4014#2 =0時,本信號作為動力線狀 態(tài)確認信號使用，輸入用來切換主軸電動機的動力線 切換的電磁接觸器選擇狀態(tài)。
0:選擇MAIN主軸電動機 1:選擇SUB主軸電動機
7.3F46.0動力線切換信號（CHPA)
(1)此系用來選擇主軸電動機的動力線切換的電 磁接觸器的指令信號。
0:選擇MAIN主軸電動機用的電磁接觸器 1:選擇SUB主軸電動機用的電磁接觸器
(2)在確認輸入主軸切換請求信號（SPSLA)時, 電動機停止，動力被切斷之后，本信號即被輸出。請根 據(jù)本信號進行電磁接觸器的切換。
(3)在從SUB電動機切換至MAIN電動機時，當 SUB電動機停止，動力被斷開時，本信號在接到主軸 切換請求信號（SPSLA)后，由1變?yōu)?。由此,首先關 閉SUB電動機用的電磁接觸器。接著,在確認SUB電 機用的電磁接觸器已經(jīng)關閉后，打開MAIN電動機用 電磁接觸器。
(4)在MAIN電動機切換到SUB電動機時，當 MAIN電動機停止,動力被切斷時，本信號在接到主軸 切換請求信號（SPSLA)后，由0變?yōu)?。由此,首先關 閉MAIN電動機用的電磁接觸器。接著，在確認已經(jīng) 關閉MAIN電動機用的電磁接觸器后，打開SUB電機 用電磁接觸器。
7.4F46.1主軸切換結束信號（CFINA)
(1)主軸切換操作結束，輸出控制哪個主軸電機 的信息。
0:控制MAIN主軸電機 1:控制SUB主軸電機
(2)主軸切換請求信號（SPSLA)發(fā)生變化，在確 認本信號與主軸切換請求信號一致之后，轉入下一步 操作。
(3)在切換操作中，需要斷開電機的動力，因此， 請事先切斷旋轉指令（SFRA、SRVA)以及定向指令 (ORCMA)。
7.5F45.1速度零信號（SSTA)
(1)輸出主軸電機速度是否大于等于或者小于等 于速度零檢測。
0:電動機在^速度檢測水平下旋轉 1:電動機在^速度檢測水平下停止
(2)進行主軸切換時，需要使電動機停下來。請 在確認電動機是否已經(jīng)停止時使用本信號。
7.6控制時序
實例中僅通過與動力線狀態(tài)確認信號（MCFNA) 之間的確認來進行主軸切換操作（參數(shù)No. 4014#2 = 0),如圖7所示。
7.7 PLC程序
主軸切換部分PLC程序如圖8所示。
7.8主軸切換相關參數(shù)設置（表1)
8速度切換控制的PLC接口信號
速度切換控制的使用方法有根據(jù)速度指令切換和 根據(jù)實際電動機速度切換的兩種方法。實例中采用根 據(jù)速度指令切換繞組的方法。
8.1G71.6輸出切換請求信號（RSLA)
(1)本信號作為選擇輸出特性的指令信號使用。
0:選擇高速特性。
1:選擇低速特性。
(2)根據(jù)速度指令（S指令）設定的方法，輸入本 指令信號，以便在速度指令小于等于切換速度時切換 至低速特性，速度指令大于等于切換速度時切換至高速特性。在大于等于切換速度的旋轉區(qū)域，當本信號 由0變?yōu)?時，會馬上切換至低速特性。
8.2G71.7低速特性用電磁接觸器狀態(tài)信號(RCHA)
(1)輸入主軸電動機的低速特性用電磁接觸器(MCC)的開閉狀態(tài)信號。
0:低速特性用的電磁接觸器在斷開（OFF)狀態(tài) 1:低速特性用的電磁接觸器在接通（ON)狀態(tài)
(2)通常，原封不動地輸入低速特性用電磁接觸 器的輔助接點（A接點）狀態(tài)。
(3)參數(shù)No.4014#3 =0時,本信號作為動力線狀 態(tài)確認信號使用，輸入用來切換主軸電動機的輸出特 性的電磁接觸器的選擇狀態(tài)。
0:選擇高速特性
1:選擇低速特性
8.3 F46.2動力線切換信號（RCHPA)
(1)此系用來選擇主軸電動機的輸出特性切換用 的電磁接觸器的指令信號。

表1實例中的相關系數(shù)設置

0:選擇高速特性用的電磁接觸器
1:選擇低速特性用的電磁接觸器
(2)本信號在接到輸出切換請求信號（RSLA)的 輸入被輸出。請根據(jù)本信號進行電磁接觸器的切換。
(3)在從低速特性切換至高速特性時，本信號在 接到輸出切換請求信號（RSLA)后，由1變?yōu)?。此 時，電動機的動力會自動斷開，因此，首先斷開低速特 性用的電磁接觸器。接著，在確認低速特性用的電磁 接觸器已經(jīng)斷開之后，接通高速特性用電磁接觸器。
(4)在從高速特性切換至低速特性時，本信號在 接到輸出切換請求信號（RSLA)之后，由0變?yōu)?。此時，電動機的動力會自動斷開，因此，首先斷開高速特 性用的電磁接觸器。接著，在確認高速特性用的電磁 接觸器已經(jīng)斷開之后，接通低速特性用電磁接觸器。 8.4 F46.3動力線切換結束信號（RCFNA)
(1)主軸電動機的輸出切換操作結束，輸出受哪 個輸出特性控制的信息。
0:受高速特性控制 1:受低速特性控制
(2)輸出切換請求信號（RSLA)發(fā)生變化,在確認 本信號與輸出切換請求信號一致之后，轉入下一步 操作。
8.5控制時序
實例中僅確認動力線狀態(tài)確認信號（RCHA)后進 行輸出切換操作（參數(shù)N〇.4014#3 =0)。
(1)低速特性—高速特性的切換操作，如圖9 所示。
(2)高速特性—低速特性的切換操作，如圖10所示。
8.6實例中的PLC程序
速度切換部分PLC程序如圖11所示。 8.7實例中相關參數(shù)設置
實例中相關參數(shù)設置見表2。

表2實例中相關參數(shù)設置