1.背景

      XF0218是RENAULT自动化1995年为神龙汽车公司襄阳工厂设计制造的一台数控车拉床，用于01发动机车间曲轴L1线EC曲轴连杆径车拉加工。该机床数控系统采用法国NUM1060系列，主要控制轴有刀盘进给X轴，刀盘旋转C轴，工件旋转主轴S轴。S轴采用机械花键轴连接的方法来实现头尾架同步，即头架驱动电机通过减速箱驱动头架来带动曲轴，同时又通过一长花键轴将动力传到尾架，再经过减速箱使尾架与头架实现同步，X轴使用光栅尺反馈保证加工精度，C轴和S轴使用外置编码器保证旋转精度，主轴S轴同时使用外置传感器检测初始原位，保证机械手上下料不与卡盘干涉。

      由于该机床的主轴S轴工作负荷较大，加工时启停频繁，加之备件老化等原因，导致主轴驱动器损坏率较高，维修成本居高不下。同时该型号的RAC驱动REXROTH已经停产数年，损坏的驱动备件一般依靠外委维修来维持。为了保障公司的产能提升需求，降低维修成本，率先对该机床主轴伺服驱动实施改造势在必行。

      2.主轴驱动选型

      2.1原主轴驱动介绍

      原主轴驱动器型号为REXROTH RAC2.2-250-380-A00-W1，由数控系统NUM1060输出±10V模拟电压作为主轴驱动的指令电压，主轴上安装外置编码器为数控系统提供角度位置反馈信号，实现主轴位置环控制。原数控系统和驱动器实物如图1、图2所示。

          图1  NUM数控系统及REXROTH进给驱动

         图2 原RAC主轴伺服驱动

      2.2原RAC主轴伺服系统的主要缺点

      原RAC主轴伺服驱动为REXROTH早期主轴驱动产品，主要存在如下缺点：

      ----稳定性差，易受温度影响而产生“零漂”，夏天尤为明显
      ----反映其动态性能的“特征卡”由模拟元器件构成，其稳定性较差
      ----该驱动器的控制部分由“模拟型”控制单元构成，调节精度有限，负载适应能力较差，损坏率较高
     
 
      3.新驱动器选型
 
 
      3.1选型原则
 
 
      ----主要功能匹配
      该机床主轴具有定位功能，旋转速度可精确调整。
      ----负载能力匹配。
      伺服驱动和原电机功率相匹配。
      ----电压等级匹配
      采用标准三相交流380V主电压。
      ----安装方式匹配
      新驱动尺寸大小与原驱动尺寸相差不大，便于在电柜原位置安装。

      3.2主轴伺服驱动选型

      综合上述选型原则及匹配情况，本次改造主轴驱动器选型为REXROTH主轴数字型驱动器DKR系列。同时，考虑到机床主轴负荷较大及原伺服驱动功率部分容易损坏的情况（原驱动为250A），本次改造决定适当提高驱动器容量，使用300A功率单元驱动器，其型号为DKR02.1-W300N-BA03-01-FW。另外，该型号伺服驱动可完全兼容原主轴伺服电机，因此原主轴电机不用更换。

      4.改造方案

      4.1总体方案

      保留原机床控制柜的NUM1060数控系统，保留X轴、C轴驱动及电机、电缆，保留原主轴伺服电机，拆除原主轴RAC伺服驱动系统，用REXROTH  DKR伺服驱动系统替换改造S轴，同时更换主轴电机动力电缆及反馈电缆。根据新旧主轴伺服驱动接口信号的差别，重新制作相关信号接口电缆。改造后电气控制示意图如下图3所示。

      图3 改造后电气控制示意图

      改造后，主轴伺服驱动指令仍然使用来自原NUM1060数控系统轴卡的±10V模拟电压，电机速度反馈信号经DKR驱动器的编码器仿真卡转换后输出到数控系统，实现位置环控制。

      DKR伺服驱动系统的相关配置如下：

      硬件方面：
 
     ① 驱动器功率及控制单元：DKR02.1-W300N-BA03-01-FW
     ② 固化软件模块：FWA-DIAX03-AHS-03VRS-MS
     ③ 指令接口板：DSS2.1M
     ④ 电机编码器反馈板：DEA4.1M
     ⑤ 软件模块：DSM2.3-FW
     ⑥ 根据控制原理增加必要的电器元件如：中间继电器、参数钥匙、接线端子等

     参数方面：
 
     主轴伺服驱动参数按照实际情况重新配置并调整

     4.2 DKR主轴伺服驱动各功能接口说明

     4.2.1 DKR各功能接口定义

     图4 DKR各功能接口定义示意图

     图5 DKR主轴驱动接口信号图

     其中：
 
     X2:RS232接口；
     X3:模拟量诊断输出、电源准备信号、上电初始化；
     X4:电机编码器反馈；
     X6:电机温度及抱闸监控；
     X7:反馈给数控的输出信号，包括准备信号，直流总线电压信号，温度报警等；
     X8:信号电压，用于信号测试；
     X9：内部功率单元接触器输入控制；
     X75(U1)：指令接口板DAE2.1M；
     X17(U2)：输入输出控制板DEA4.2M；
     X50(U3)：编码器接口板DZF2.1；

     4.3新旧驱动接口区别

     从以上新旧驱动结构图可以看出，两者之间差异点最多处在于X75,X17两块，其中,X17为主轴定位用。
X75连接的信号有：

     ① 10V模拟电压输入E1、E2
     ② 动使能信号RF
     ③ 动停止信号AH
     ④ 障清除CLR
     ⑤ 部24V电源
 
     X17连接的信号有：
 
     ① Home switch
     ② Pos1
     ③ Pos2
     ④ Pos start
     ⑤ N=CMD
     ⑥ N<MIN
     ⑦ 90%Load
     ⑧ In pos
      
     X50为电机编码器接口，接线图如下图6所示：

     图6  编码器接口信号图
 

     4.4.线路更改
 

     新旧驱动主要接线对照表

     表1 新旧驱动接口信号更改比较
 

     4.5．PLC程序更改
 
     本次改造，需要对主轴定位控制部分和主轴解锁修改部分PLC程序进行修改，更改后的PLC程序如图7所示。

  
                                                       图7

     4.6主轴定位（回零）功能的实现

     该主轴除加工过程中使用1400转左右加工零件外，还需要定位功能，以实现机械手在上下料过程中准确抓放料。为实现此功能，需根据情况设置以下主轴驱动器参数：

     加工过程中回零示意图如图8所示。

     5．调试

     该伺服系统采用专用软件“DriveTop”对各轴参数进行设定和调试。软件“DriveTop”以系统控制原理的形式展现了伺服系统各单元的参数。各参数的选项以下拉菜单的形式供用户选择。用户还可根据自己的需要组建适合自己的系统。如调节器类型选择、扰动输入选择、仿真卡选用等。此软件还可用作伺服系统的手动动作，如选择相应的轴作任意速度运转。这个功能在调试和故障处理时很有帮助。该软件还带有示波器功能，可用于观察伺服系统的动态特性，为参数的精确配置提供检测工具。

     使用DriveTop软件设置主轴驱动器参数流程如下：

     ① 通讯方式设定
     ② 电机参数设置
     ③ 操作模式选择
     ④ 电机编码器类型选择
     ⑤ 齿轮传动比及负载类型设定
     ⑥ 速度环斜率
     ⑦ 模拟量输入设置
     ⑧ 驱动器极限设置
     ⑨ 控制环（位置、速度、电流）设定
     ⑩ 回零/电机编码器设定

     ⑪ 错误响应
     ⑫ 急停功能设定
     ⑬ 状态信息（到位窗口等）设定
     ⑭ 主轴定位设定
     ⑮ 编码器仿真卡设定

     本次改造调试过程中，出现过主轴定位故障和驱动器过流报警（F228），通过优化增益、加减速度、回零速度等参数得以解决。

     6．结束语

     DKR系列主轴伺服驱动是REXROTH推出的一款全新的数字化的主轴驱动，具备控制精度高、相应快、性能稳定等优势。此次改造项目完成后，效果显著，机床故障率大大降低，尤其是主轴伺服驱动的故障率明显降低，大大提高了设备可靠性，降低了备件的消耗，为公司节约了维修成本并创造了较大的经济效益。同时，此次改造，为公司后续类似设备的改造提供了很好的技术指导作用。

      参考文献：[1] RENAULT自动化设备资料   [2] REXROTH电气资料光盘