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驅動雙邊的方案，但是傳動機構復雜、間隙較大，容易造成閉環控制系統的不穩定，而且運行噪聲大，維護困難。另外若用于負載轉動慣量較大的場合，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動是比較理想的方案，這就產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由一套直流調速裝置驅動兩臺直流電動機，兩臺電動機的電樞串聯，勵磁線圈并聯。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由兩套交流變頻調速系統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 直流調速系統的同步控制

圖2 交流調速系統的同步控制

這兩種控制系統都屬于位置環開環系統，只能依靠軸的剛性連接保持電動機轉速或位置的同步，且結構簡單、可靠性較高，我們為用戶改造的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、聯軸節間隙、絲杠扭轉、絲杠軸向變形等因素所產生的誤差無法補償，控制精度較差，因此不能應用于數控機床。

1.2 數控機床的同步控制

數控機床不同于普通機床的地方，在于數控系統具有很強的控制功能，能夠實現對位置、轉矩等不同參的控制。由于位置檢測裝置的引入，從而組成了位置速度雙閉環系統，實現了位置同步控制。數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 數控機床的同步控制

當前數控系統處理器大多采用68020、68040等32位處理器，現正向64位處理器過渡。正是由于CNC系統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。當前國內大多數數控系統中都具有伺服軸同步功能。同步軸的測量機構，既可以是以光電編碼器為測量機構的半閉環系統、也可以是以光柵尺為測量機構的全閉環系統。

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、轉速同步、轉矩同步等不同類型，它們適用于不同的場合。在不同的系統中，同步控制方法雖有所不同，但控制機理是一致的，因此應根據數控系統和機床的特點選擇合適的方案。

2 數控龍門銑鏜床雙軸同步控制方案

2.1 控制方案

XK2520×40數控龍門銑鏜床是我們引進法國Forest-Line公司先進技術，自行研制開發的新型數控機床。該機床采用床身高架式橫梁移動結構，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。數控系統選用法國NUM公司的NUM 1040M系統。該系統可帶8個數控軸，其中包括兩個主軸，具有四軸插補功能。伺服進給系統選用西門子SIMODRIVE 611A交流伺服系統。該機床X軸采用兩個5.3kW西門子1FT5交流伺服電動機，經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。

關于X軸的傳動，在一臺同樣結構的數控機床上，我們曾經采用由一個伺服電動機經齒輪箱減速后，由錐齒輪帶動兩邊滾珠絲杠螺母副的傳動結構。這種傳動結構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位置環持續調整的情況，造成控制系統極不穩定，通常在電動機軸端可以很明顯地觀察到由于控制系統調整靜態誤差而產生的振蕩；若裝在電動機端，系統雖穩定，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定性，但是這種方案降低了數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動，利用NUM 1040M系統的軸同步功能實現X軸雙邊同步。X軸兩條導軌側面各裝一條HEIDENHAIN精密光柵尺，兩讀數頭讀出的位置測量數據分別進入X031信號放大器后，再反饋到數控系統。X軸作為兩CNC軸占用數控系統兩軸口，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 調試方法與注意事項

(1)調試方法 該機床所用的NUM 1040M數控系統中有關同步控制的機床參數有P27/P64/P28/P24。

P27：將數控軸定義為同步軸，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@

定義同步功能有效時的最大允許誤差。當超過此閾值時，系統產生一個誤差，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

定義同步誤差的糾正因數，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，系統取消同步功能，并強制停車。

在同步控制中此參數對調整同步特性非常重要，而且使用方便。通過調整同步閾值，可使機床運行達到理想的性能。但在設置此參數時，必須根據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試步驟如下：在數控系統接入之前，必須先調節好伺服系統，即由速度環和電流環組成內環，使內環達到理想性能。方法是：將伺服系統與電動機連接，通過短線等方法接入使能信號，使系統驅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，觀察電動機轉向，調整跳線，使電動機轉向正確；逐漸增加給定電壓，調整伺服參數，使電動機達到理想性能。這一部分可在調試電氣控制柜時完成。

接入數控系統后，連接好位置環，系統構成位置、速度雙閉環系統。這時系統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向與期望值相同，這需要綜合考慮數控系統中的給定信號極性、反饋極性、電動機轉動方向、伺服系統中的電動機轉動方向設定以及滾珠絲杠轉動方向等因素。如在調試時忽略這些因素，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控系統中進行綜合調試，仔細調整同步參數，以獲得理想的性能。

(2)注意事項 在調試過程中應注意以下幾方面：

①確保液壓、潤滑系統工作正常，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，需對伺服系統加速、減速、定位帶寬、放大系數等進行細調，直到系統穩定工作，并能夠達到理想的定位精度和重復定位精度。

③在調試雙軸同步時，一定要安排好調試計劃，盡量避免盲目開車，以免造成事故。例如，我們在調試伺服系統時，機械人員將橫梁從X軸一側移到另一側，而此時電氣調試人員在數控系統沒有接入的情況下，通過電池給伺服系統加給定信號移動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旋轉造成X軸導軌精度發生變化，由于發現及時，后經機械人員調整恢復了精