同步軸在數控機床中的應用及調整

化春雷 徐兆成 劉永吉 李焱 劉春時

（沈陽機床（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110142）

有時為了驅動大的負載，需要2 臺或者2 臺以上的電動機來驅動同一個軸，這樣對系統而言，盡管有多臺驅動電動機，但只當一個軸來對待，除了一個主動軸以外，其他的軸都為從動軸。針對不同機械應用情況，同步軸驅動系統可分為龍門結構和主從結構。龍門結構中所有的軸都有自己的位置環，從動軸的位置給定由主動軸決定，系統會隨時監控主動軸和從動軸之間的位置差值，當差值達到一定值后，系統會產生相應的報警和采取相應的停止措施，防止這個差值繼續擴大而對機械產生損害。而主從結構只有主動軸才有位置環，其他從動軸只有自己的電流環和速度環，速度給定由主動軸發出，通過參數調整，還可以調整主動軸和從動軸電動機的扭矩分配情況。在特殊情況下，可以在主動電動機和從動電動機之間形成一個張力，這個張力可以用來消除機械傳動結構的間隙。

下面就以西門子840D 系統為例，分別說明這兩種結構的調整方法。

1 龍門結構（Gantry）

1.1 系統簡介

如圖1 所示，機床X 方向由X1 和X2 組成，Z 方向由Z1 和Z2 組成，系統共有6 個電動機軸，其中X1和Z1 分別為兩個龍門軸組中的主動軸，X2 和Z2 分別為兩個龍門組軸中的從動軸。

龍門結構中所有的軸都有自己的位置環，從動軸的位置給定由主動軸決定，系統會實時監控主動軸和從動軸之間的位置差值。龍門軸在伺服控制系統中的控制邏輯如圖2 所示。

1.2 龍門軸的參數設置及調整

（1）基本參數設置

建立龍門組，參數設置如下：

MD19310 第0 位激活龍門軸功能選項

MD37100 GANTRY-AXIS-TYPE［X1］=1 X1 為龍門軸組1 中的主動軸

MD37100 GANTRY-AXIS-TYPE［Z1］=2 Z1 為龍門軸組2 中的主動軸

MD37100 GANTRY-AXIS-TYPE［X2］=11 X2 為龍門軸組1 中的從動軸

MD37100 GANTRY-AXIS-TYPE［Z2］=12 Z2 為龍門軸組2 中的從動軸

設置龍門軸之間的位置監控值：

MD37110 GANTRY-POS-TOL-WARNING［X1］比如0.1 mm，當龍門軸組回零完成以后，系統隨時監控主動軸和從動軸之間的實際位置差值，當超過該值以后，系統會產生一個報警號，但不取消同步關系，同時給PLC 發出一個接口信號，DB3x.DBX101.3，用戶可根據需要采取相應的措施。

MD37120 GANTRY-POS-TOL-ERROR［X1］比如0.2 mm，當龍門軸回零完成以后，主動軸和從動軸之間的實際位置差值超過該值以后，系統會產生一個報警號，同時系統自動取消同步關系，龍門軸組相應的各軸按各自設定的加速度停車，同時接口信號DB3x.DBX101.2 置1。

MD37130 GANTRY-POS-TOL-REF［X1］比如0.25 mm，在龍門軸回零以前，主動軸和從動軸之間的實際位置差超過該值以后，系統會產生一個報警號，同時系統自動取消同步關系，龍門軸組相應的各軸按自己設定的加速度停車，同時接口信號DB3x.DBX101.2置1。

MD37140 GANTRY-BREAK-UP［X1］該參數用來取消同步關系，這時龍門組中的每個軸都可以單獨控制，修改該參數時要注意防止龍門軸的機械連接部分不被損壞。

此處MD37110、MD37120、MD37130、MD37140 設定時需要對一個龍門軸組里面的所有軸都設定相同的值。

（2）龍門軸參考點的坐標調整

當設置好龍門軸組后，只要不用參數MD37140 分開龍門軸組，龍門功能一直有效，但和其他軸一樣，每次上電后，需要軸返回參考點。龍門軸返回參考點時，先是主動軸返回參考點，然后是從動軸返回參考點。在初次調整時，這兩個參考點坐標會有很大的差值，把這個差值輸入到主動軸或者是從動軸的MD34090 中，這樣當再次重新返回參考點后，顯示的坐標值就一樣了。如果還需要對主動軸的坐標再次調整時，這需要把再調整的差值同時加到主動軸和從動軸的坐標偏置里。

當第一次調整好以后，龍門軸的機械部分就以第一次調整參考點時的值為標準，今后每次上電后，系統會通過返回參考點來檢測龍門軸之間的差值，當差值小于MD37110 設定的值時，系統會自動調整，使它們的差值接近零；否則由于誤差過大，系統會產生一個信息，提示“系統等待同步啟動”，同時往PLC 發送一個接口信號DB3x.DBX101.4，這時需要PLC 里設置“啟動同步”后，系統才能會重新同步龍門軸，使之誤差接近于零。

（3）PLC 程序的處理

龍門軸功能不需要PLC 作太多的處理，只需要作一個用戶定義鍵，當檢測到主動軸的接口信號DB3x.DBX101.4 為1 時，即龍門軸在返回參考點時系統檢測到龍門軸之間的位置誤差超過MD37110 時，系統會發出一個提示信息，等待用戶發出同步的指令。PLC這時可以把一個用戶定義鍵的信號送到主動軸的DB3x.DBX29.4 用作啟動龍門同步。

2 主從結構（Master-Slave）

2.1 系統簡介

圖3 是用于齒輪齒條消隙的一種典型同步結構，主動電動機和從動電動機之間形成一個張力，這個張力用來消除機械傳動結構的間隙。

主從結構只有主動軸才有位置環，從動軸只有自己的電流環和速度環，速度給定由主動軸發出，通過參數調整，還可以調整主動軸和從動軸電動機的扭矩分配。主從結構在伺服控制系統中的控制邏輯如圖4 所示。

2.2 主從結構的參數設置及調整

主從同步功能的調整主從同步也是一個選項，需要修改MD19310 來激活主從軸功能選。

MD37250 MS-ASSIGN-MASTER-TORQUE-CTR定義從動軸的扭距給定值來源，主動軸的軸號；

MD37252 MS-ASSIGN-MASTER-SPEED-CMD 定義從動軸的速度給定值來源，主動軸的軸號。

對從動軸而言，扭矩和速度一般都是來源同一個主動軸。對于一般的主從同步關系的軸，只要在從動軸的軸參數里設置上面兩個參數即可。由于從動軸沒有位置環，所以從動軸如果有抱匝控制的話，不能再訪問位置環有效的控制信號，可以用主動軸的位置環有效信號來控制。

3 結語

目前，我公司的多款機床上已經應用了本文所述的同步軸控制方式，并且取得了良好的效果，使機床具有了更高的穩定性，更高的柔性，更好的系統可靠性。