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國產控制器天車式龍門銑床同動控制技術與應用

作者陳民融

刊登日期：2020/11/01

摘要

天車式龍門銑床中的橫樑機構是透過兩顆馬達來驅動，因此這兩顆馬達位置的同步性必須非常精確，避免橫樑機構造成扭轉而損傷。本文將針對國產控制器的龍門同動控制技術，以及實際應用時會遇到的問題和排除方法來做介紹。

Abstract

The crossbeam mechanism of a gantry-type milling machine is driven by two motors. To avoid unexpected twist damage, the position difference between the two motors must be controlled and synchronized within an acceptable deviation range. This article will introduce synchronized control technology of the domestic made controller for gantry milling machines, the problems encountered in practical application and corresponding troubleshooting methods.

前言
天車式龍門銑床常用於大型工件之加工，譬如引擎、輪胎框、尾翼結構件等，軸向的行程會比較長，機台也會比較大，在機構中則有一根跨越兩端的橫樑，如圖1所示，此時可選擇使用一顆大瓦數的馬達，或是兩顆小瓦數的馬達來推動橫樑，如果兩者的總瓦數相同，且考慮成本因素的話，一般都會選擇後者來進行實作，並稱為龍門軸，龍門軸是對於推動ㄇ型機構(亦稱龍門)之軸向的稱呼，而軸數在本文設定為兩個，其中分成主軸(Master Axis)與從軸(Slave Axis)，主軸是主要移動的軸向，從軸則是跟隨主軸移動的軸向，兩者會一起前進或後退，所以主軸與從軸的同步性將會是控制技術的重點，當龍門軸的同步性不夠好，除了會影響加工品質，也可能會造成橫樑的扭轉而導致損傷，因此，龍門軸的同步性將是天車式龍門銑床加工品質的重要指標，本文將介紹工研院所開發的龍門同動控制技術，以及實際應用時會遇到的問題和排除方法。

圖1 以Y軸為龍門軸的機構簡圖

大廠同步功能調查
在進行技術研發之前，需先調查目前工具機技術的龍頭，FANUC和海德漢，他們對於同步技術設計與應用的說明，或者是有哪些限制是需要注意的，提供給我們當技術開發的參考。
1.FANUC
FANUC的參數可以設定軸向的主從關係、軸向名稱，以及是否要顯示從軸的資訊，包含座標系以及進給等等，而龍門軸的同步機制有一組補償增益演算法，條件如下所示：
a.同步位置差異小於同步位置差異低準位時，則不須補償
b.同步位置差異介於同步位置差異低準位與高準位之間，則補償增益為低增益與高增益之間的線性插補
c.同步位置差異大於同步位置差異高準位時，則補償增益為高增益
將上述的條件繪製成圖形，可以得到同步位置差異值與其補償增益的關係圖，如圖2所示。

圖2 同步位置差異值與其補償增益關係圖

其中：
Ka：高增益設定值
Kb：低增益設定值
KEr：介於低增益與高增益的增益值，為
Kb+(Er-B)*(Ka-Kb)/(A-B)
B：同步位置差異低準位
A：同步位置差異高準位
Er：介於同步位置差異低準位與高準位的同步位置差異值
藉由上述演算法，在不同的同步位置差異會對應到不同的補償增益，差異太低就不補償，差異高一點就慢慢增加增益值，如果差異太高就進行全力修正。同步位置差異值係為主軸機械位置與從軸機械位置的差異值，將此值乘上補償增益K，得到的數值再對從軸命令進行補償，即可達到同步的效果，如圖3所示。
龍門軸如果同步扭力差異值過大，則必須發警報來提示使用者，FANUC透過即時偵測龍門軸的同步扭力差異值，如果超過使用者的設定值，則必須停機且發出警報。