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双伺服电机攻丝系统是一种高精度螺纹加工解决方案，通过两个伺服电机分别控制主轴旋转和进给运动，实现两者的严格同步，特别适用于高精度、高速度的螺纹加工场景。以下是该系统的核心组成、工作原理及关键技术要点：

一、系统组成

1. 机械结构

• 主轴伺服电机：控制丝锥旋转（提供切削动力）

• 进给伺服电机：控制 Z 轴进给运动（实现螺距进给）

• 精密滚珠丝杠：将进给电机旋转运动转化为直线进给

• 攻丝夹头：具备过载保护和轴向补偿功能

2. 控制系统

• 运动控制器：实现主轴与进给轴的电子齿轮同步控制

• PLC：负责逻辑控制（如工序切换、报警处理）

• 触摸屏：参数设置（螺距、转速等）和状态监控

• 伺服驱动器：接收控制信号并驱动伺服电机

3. 检测与反馈

• 编码器：实时反馈电机位置和速度

• 负载传感器：监测切削扭矩，实现过载保护

二、工作原理

核心是通过电子齿轮同步实现旋转与进给的严格比例关系：

1. 根据螺纹参数（螺距 P）设定传动比：
   进给量(mm/转) = 螺距P，即主轴每旋转 1 圈，进给轴移动 P 毫米

2. 运动控制器实时比较两轴位置反馈，通过 PID 调节消除同步误差

3. 攻丝过程分为：快速趋近→工进攻丝→主轴反转→退刀→复位

三、关键技术要点

1. 同步控制算法

• 电子齿轮比精确计算：齿轮比 = 丝杠导程 / 目标螺距

• 前馈控制补偿：提前预判负载变化，减少动态同步误差

2. 参数优化

• 主轴转速：根据材料和丝锥直径选择（如钢件 80-150rpm，铝件 200-400rpm）

• 加减速时间：避免冲击负载，通常设置 50-200ms

3. 异常处理

• 扭矩监控：超过阈值时立即反转退刀（防止丝锥断裂）

• 同步误差超限报警：停机保护工件和设备

四、典型控制程序框架（以 PLC + 运动控制器为例）

// 双伺服攻丝系统主控制程序

PROGRAM TappingControl

VAR

    // 状态变量

    bStart : BOOL;               // 启动信号

    bEmergencyStop : BOOL;       // 急停信号

    eState : TappingState := S_IDLE;  // 状态机

    // 参数设置

    rPitch : REAL := 2.0;        // 螺距(mm)

    rSpindleSpeed : REAL := 100; // 主轴转速(rpm)

    rFeedSpeed : REAL;           // 进给速度(mm/min)

    // 同步控制

    nSyncError : INT;            // 同步误差

    bSyncAlarm : BOOL;           // 同步报警

    // 扭矩监控

    rTorque : REAL;              // 实时扭矩

    rTorqueLimit : REAL := 8.0;  // 扭矩上限(Nm)

END_VAR

// 计算进给速度 (进给速度=转速×螺距)

rFeedSpeed := rSpindleSpeed * rPitch;

// 状态机控制

CASE eState OF

    S_IDLE:

        IF bStart AND NOT bEmergencyStop THEN

            // 初始化伺服参数

            Spindle_Init(rSpindleSpeed);

            Feed_Init(rFeedSpeed, rPitch);

            eState := S_QUICK_APPROACH;

        END_IF;

    S_QUICK_APPROACH:

        // 快速移动到工件表面

        IF Feed_QuickMove(10.0) THEN  // 移动10mm

            eState := S_TAPPING;

        END_IF;

    S_TAPPING:

        // 同步攻丝控制

        Sync_Control(TRUE);  // 使能同步

        IF Feed_ReachDepth(20.0) THEN  // 到达目标深度20mm

            eState := S_REVERSE;

        END_IF;

        // 扭矩监控

        rTorque := Spindle_ReadTorque();

        IF rTorque > rTorqueLimit THEN

            bSyncAlarm := TRUE;

            eState := S_EMERGENCY_STOP;

        END_IF;

        // 同步误差监控

        nSyncError := Sync_ReadError();

        IF ABS(nSyncError) > 50 THEN  // 误差超过50脉冲

            bSyncAlarm := TRUE;

            eState := S_EMERGENCY_STOP;

        END_IF;

    S_REVERSE:

        // 主轴反转退刀

        Spindle_Reverse(TRUE);

        IF Feed_ReachHome() THEN  // 返回原点

            eState := S_COMPLETE;

        END_IF;

    S_COMPLETE:

        // 完成信号输出

        Output_Complete := TRUE;

        IF NOT bStart THEN

            eState := S_IDLE;

            Output_Complete := FALSE;

        END_IF;

    S_EMERGENCY_STOP:

        // 紧急停止处理

        Spindle_Stop();

        Feed_Stop();

        IF NOT bEmergencyStop AND NOT bSyncAlarm THEN

            eState := S_IDLE;

        END_IF;

END_CASE;

五、应用优势

1. 高精度：同步误差可控制在 ±0.01mm 以内，满足精密螺纹加工需求

2. 柔性化：通过参数设置可快速切换不同螺距、材料的加工工艺

3. 高可靠性：实时监控负载和同步状态，有效保护设备和工件

4. 高效率：相比传统机械攻丝，速度提升 30% 以上，且无需更换齿轮箱

适用于航空航天、汽车制造等对螺纹精度要求较高的领域，尤其适合多品种、小批量的柔性生产场景。