GANTRY軸與主從軸控制在西門子系統(tǒng)上的應(yīng)用比較

隋海倬，項(xiàng)萬明，戚耀亮

（杭州技師學(xué)院，浙江 桐廬 311500）

0 引言

當(dāng)前，很多數(shù)控機(jī)床有大負(fù)載或大扭矩的控制要求，以此來提高整個(gè)機(jī)床的控制性能，通常遇到這種情況，會設(shè)計(jì)成GANTRY 軸或主從軸的形式，雖然表面上看這兩種控制方式都是用多臺電機(jī)來控制一個(gè)軸，但對于控制方式而言，這兩種控制有不同的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用場合，以兩臺電機(jī)控制同一個(gè)軸為例，GANTRY 軸結(jié)構(gòu)中兩個(gè)控制軸都有自己的位置環(huán)，也就是說兩個(gè)軸都有相應(yīng)的位置檢測裝置，如光柵尺等，系統(tǒng)會隨時(shí)監(jiān)控兩個(gè)軸之間的位置差值，當(dāng)差值超過一定數(shù)值以后，系統(tǒng)會自動產(chǎn)生相關(guān)的報(bào)警，并停止機(jī)床動作，防止對機(jī)床的機(jī)械部分產(chǎn)生損害。然而在主從軸結(jié)構(gòu)中，只有主動軸才有位置反饋，從動軸沒有電流環(huán)和位置環(huán)，從動軸的位置信息是主動軸位置反饋給它的，這就無法判斷兩軸之間真實(shí)的位置差。但是，通過適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整，可以調(diào)整主動軸與從動軸之間的扭矩分配比例，在特定的條件下，主動軸電機(jī)和從動軸電機(jī)之間會形成一個(gè)張力，用來消除機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)間的間隙。

本文基于西門子840D 系統(tǒng)，將GANTRY 軸與主從軸在西門子系統(tǒng)上的應(yīng)用進(jìn)行分析比較，同時(shí)結(jié)合調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，給出GANTRY 軸與主從軸相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整，以供參考。

1 GANTRY 軸在西門子系統(tǒng)上的應(yīng)用特點(diǎn)與參數(shù)調(diào)整

1.1 GANTRY 軸控制

從功能上來講，GANTRY 軸功能是指由兩個(gè)或更多機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)帶動同一個(gè)機(jī)床軸單元無間隙地同步移動。對于西門子系統(tǒng)，最多可以定義3 個(gè)GANTRY 軸組合，每個(gè)GANTRY 組合包括一個(gè)主動軸（LEADING-AXIS）和最多兩個(gè)同步軸（SYNCHRONIZED-AXIS）。在操作和編程中，定義在同一GANTRY 組合內(nèi)的軸被視為一個(gè)機(jī)床軸，當(dāng)GANTRY 軸移動時(shí)，系統(tǒng)會連續(xù)監(jiān)控這些連接在一起的軸的實(shí)際位置的數(shù)值，以檢測它們的偏差是否在定義的公差范圍內(nèi)，當(dāng)同步軸的位置偏離主動軸太多時(shí)，系統(tǒng)會自動地關(guān)閉GANTRY 組合內(nèi)的所有軸，以防止對機(jī)床的損害。

從應(yīng)用場合上來講，GANTRY 軸功能適用于大型GANTRY（或稱龍門）方式的銑床，這種機(jī)床需要兩個(gè)橫跨GANTRY結(jié)構(gòu)體兩端的進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動這一個(gè)GANTRY結(jié)構(gòu)體，如圖1 所示。每一個(gè)驅(qū)動都有它自己單獨(dú)的測量系統(tǒng)。對于機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛性連接，這兩個(gè)驅(qū)動機(jī)構(gòu)必須絕對地同步移動，否則機(jī)械元件將傾斜。

GANTRY 組合的條件：在GANTRY 組合內(nèi)不能包含主軸；同步軸不能是協(xié)作位置軸（CENCURRENT POS AXIS）；同步軸不能通過轉(zhuǎn)換功能定義地址；同步軸不能是其它組合內(nèi)的從軸；同步軸不能在其它GANTRY 組合內(nèi)認(rèn)定成主動軸。

圖1 帶有兩個(gè)GANTRY 組合的GANTRY 形式的銑床

1.2 GANTRY 軸常規(guī)的參數(shù)設(shè)定

GANTRY 軸功能是西門子系統(tǒng)的一個(gè)功能，只需設(shè)定參數(shù)就可以建立GANTRY 組合。具體設(shè)定如下：

主動軸設(shè)定：

1）軸參數(shù)MD37100 GANTRY_AXIS_TYPE＝0、1、2、3，（如果軟件版本在SW7.1 以上最大設(shè)定值是8）。定義GANTRY 軸：0 表示沒有GANTRY 軸；1 表示該軸是主動軸并在GANTRY 組合1 中；2 表示該軸是主動軸并在GANTRY 組合2 中；3 表示該軸是主動軸并在GANTRY組合3 中。

2）軸參數(shù)MD37110 GANTRY_POS_TOL_WARNING，GANTRY 軸警告限制。如果GANTRY 組合內(nèi)的軸位置偏差超出該參數(shù)設(shè)定的值，則系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警信息10652“Warning limit exceeded”，同時(shí)接口信號DB3X.DBX101.3=1。當(dāng)位置偏差降低到參數(shù)設(shè)定的警告范圍內(nèi)，報(bào)警信息和接口信號被自動取消。如果MD37110＝0，解除GANTRY 組合內(nèi)軸位置偏差的監(jiān)控。

3）軸參數(shù)MD37120 GANTRY_POS_TOL_ERROR，GANTRY 軸運(yùn)動時(shí)偏差限制。如果GANTRY 組合內(nèi)的軸移動時(shí)的位置偏差超出該參數(shù)設(shè)定的值，則系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警信息10653“Error limit exceeded”，同時(shí)接口信號DB3X.DBX101.2=1。

4）軸參數(shù)MD37130 GANTRY_POS_TOL_REF，回參考點(diǎn)時(shí)同步運(yùn)動偏差限制。如果GANTRY 組合內(nèi)的軸在回參考點(diǎn)方式下移動時(shí)的位置偏差超出該參數(shù)設(shè)定的值，則系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警信息10653“Error limit exceeded”，同時(shí)接口信號DB3X.DBX101.2=1。

5）軸參數(shù)MD37140 GANTRY_BREAK_UP ＝0、1。GANTRY 組合中的各軸是否同步。0 表示GANTRY 組合中的軸仍然同步，各種偏差監(jiān)控功能仍有效。1 表示取消GANTRY 組合中的軸同步，在組合中的各軸可以單獨(dú)移動，各種偏差監(jiān)控功能被解除，同時(shí)接口信號DB3X.DBX101.5=0。

同步軸的設(shè)定：軸參數(shù)MD37100 GANTRY_AXIS_TYPE＝11、12、13，（如果軟件版本在SW7.1 以上最大設(shè)定值是18）。定義GANTRY 軸：0 表示沒有GANTRY 軸；11表示該軸是從動軸并在GANTRY 組合1 中；12 表示該軸是從動軸并在GANTRY 組合2 中；13 表示該軸是從動軸并在GANTRY 組合3 中。

其它參數(shù)有：MD37110 GANTRY_POS_TOL_WARNING；MD37120 GANTRY_POS_TOL_ERROR；MD37130 GANTRY_POS_TOL_REF；MD37140 GANTRY_BREAK_UP ＝0、1。與主動軸設(shè)定相同。

在調(diào)試過程中需要注意的是，如果GANTRY 組合中的各軸仍然被機(jī)械結(jié)構(gòu)連接著，不要在此模式下單獨(dú)移動各軸，否則會造成機(jī)床損害。

1.3 GANTRY 軸調(diào)試時(shí)細(xì)化參數(shù)調(diào)整

上述參數(shù)設(shè)定完成后，GANTRY 功能就已經(jīng)生效。雖然611D 驅(qū)動器可以很好地響應(yīng)SETPOINT 的改變和擾動，可以不必對GANTRY 軸進(jìn)行補(bǔ)償控制。但是如果主動軸和同步軸控制電路參數(shù)設(shè)定了相同的動態(tài)響應(yīng)值，GANTRY 軸控制起來就可以更精確地同步。

為盡可能地確保同步，主動軸與同步軸對SETPOINT的改變必須具有相同的動態(tài)響應(yīng)能力。軸的控制回路（包括位置、速度、電流控制）每一項(xiàng)都應(yīng)設(shè)定恰當(dāng)?shù)闹担@樣就可以盡可能快速有效地消除擾動。

機(jī)床數(shù)據(jù)需設(shè)定恰當(dāng)?shù)闹担òㄖ鲃虞S和同步軸），包括：MD32200 POSCTRL_GAIN，伺服位置環(huán)增益；MD32620 FFW_MODE，前饋控制類型；MD32610VELO_FFW_WEIGHT，前饋控制系數(shù)；MD32650 AX_INERTIA，扭矩前饋控制的慣性力矩；MD32800 EQUIV_CURRCTRL_TIME，電流控制前饋等效時(shí)間常數(shù)；MD32810 EQUIV_SPEEDCTRL_TIME，速度控制前饋等效時(shí)間常數(shù)。

機(jī)床數(shù)據(jù)需設(shè)定相同的值（包括主動軸和同步軸）：MD33000 FIPO_TYPE，精確插補(bǔ)類型，0 為微分FIPO，1為立方FIPO；MD32400 AX_JERK_ENABLE，軸JERK 限制；MD32410 AX_JERK_TIME，軸JERK 過濾器的時(shí)間常 數(shù) ；MD32420 JOG_AND_POS_JERK_ENABLE；MD32430 JOG_AND_POS_MAX_JERK。

2 主從軸在西門子系統(tǒng)上的應(yīng)用特點(diǎn)與參數(shù)調(diào)整

2.1 主從軸控制

圖2 主從軸控制模式

從功能上講，主從控制也可以稱作速度—扭矩耦合功能。它是用于在同一個(gè)機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)上由兩個(gè)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動的同一個(gè)機(jī)床軸單元，如圖2 所示。應(yīng)用于消除齒輪傳動結(jié)構(gòu)中的齒輪間的間隙和反向間隙，以及增加扭矩。

主從控制中每個(gè)從動軸都必須分配到一個(gè)主動軸，相反地，一個(gè)主動軸可以屬于多個(gè)從動軸。這樣同一個(gè)主動軸可以與多個(gè)從動軸建立主從關(guān)系，但是已經(jīng)分配了主動軸的從動軸不可以作為主動軸使用。當(dāng)主從關(guān)系建立后，從動軸只根據(jù)主動軸的速度以負(fù)載方式移動，也就是從動軸只有速度控制而沒有位置控制。

2.2 主從軸常規(guī)的參數(shù)設(shè)定

主從功能的配置只設(shè)置在從動軸中（包括機(jī)床數(shù)據(jù)和PLC 接口）。主從關(guān)系可以由兩種方式建立：靜態(tài)設(shè)定和動態(tài)設(shè)定。

動態(tài)設(shè)定是指在加工程序中通過NC 程序指令MASLDEF 和MASLDEL 建立軸的主從關(guān)系。它可以動態(tài)地改變軸的主從關(guān)系，同時(shí)也可以改變靜態(tài)設(shè)定好的軸的主從關(guān)系，而對其相關(guān)聯(lián)的機(jī)床數(shù)據(jù)沒有負(fù)面的影響。指令格式如下：

MASLDEF（SLV1，SLV2，…，MASTER AXIS），分配一個(gè)或多個(gè)軸給主動軸；

MASLDEL（SLV1，SLV2，…），取消主動軸的一個(gè)或多個(gè)從動軸的分配。

靜態(tài)設(shè)定是指在機(jī)床數(shù)據(jù)中設(shè)置，并永久地建立軸的主從關(guān)系。具體設(shè)定如下：

MD37252：MS_ASSIGN_MASTER_TORQUE_CTR=（軸號），設(shè)定主從扭矩控制的主動軸的軸號；

MD37250：MS_ASSIGN_SPEED_TORQUE_CMD=（軸號），設(shè)定主從速度控制的主動軸的軸號；

MD37262：MS_COUPLING_ALWAYS_ACTIVE=0，1。用于設(shè)置是否永久激活主從控制。其中：0 表示暫時(shí)激活主從控制功能，可以通過PLC 接口DB3X.DBX24.7（MASTER/SLAVE ON）和NC 指令MASLON（SLAVEAXIS1，SALAVEAXIS2，…）以及MASLOF（SLAVEAXIS1，SALAVEAXIS2，…）來激活主從控制功能；1 表示NC 啟動后一直激活主從控制功能。

MD37274：MS_MOTION_DIR_REVERSE=0，1。用于轉(zhuǎn)換從動軸在主從控制方式下的移動方向。其中：0 表示不改變從動軸的移動方向；1 表示從動軸的移動方向反向。

另外，PLC 接口信號：DB3X.DBX1.4=1（跟隨方式）。

2.3 主從軸調(diào)試時(shí)細(xì)化參數(shù)調(diào)整

西門子系統(tǒng)對于主從軸控制，有個(gè)扭矩補(bǔ)償控制器，PI 控制器可以根據(jù)主動軸和從動軸扭矩的差別計(jì)算出負(fù)載方面額外的速度SETPOINT，當(dāng)發(fā)出速度指令，主動軸與從動軸表現(xiàn)出不同的特性時(shí)這作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。

MD37254：MS_TORQUE_CTRL_MODE=0，1，2，3。這是扭矩補(bǔ)償控制模式指令，0 表示主動/從動軸；1 表示從動軸；2 表示主動軸；3 表示無軸。

MD37255：MS_TORQUE_CTRL_ACTIVATION=0，1。這是扭矩補(bǔ)償控制激活指令，0 表示通過MD37254 激活；1 表示通過PLC 接口信號DB3X.DBX24.5 激活。

MD37256：MS_TORQUE_CTRL_P_GAIN=…%。這是扭矩補(bǔ)償控制增益系數(shù)指令，根據(jù)從動軸最大速度（MD32000 設(shè)定）時(shí)的扭矩設(shè)定一個(gè)百分比。

MD37258：MS_TORQUE_CTRL_I_TIME=…S。這是扭矩補(bǔ)償控制復(fù)位時(shí)間指令，只有當(dāng)MD37256＞0 時(shí)此時(shí)間指令才有效。

MD37260：MS_MAX_CTRL_VELO=…%。這是扭矩補(bǔ)償控制極限指令，根據(jù)從動軸最大速度（MD32000 設(shè)定）時(shí)的扭矩設(shè)定一個(gè)百分比。

如果MD37254：MS_TORQUE_CTRL_MODE=3 或者M(jìn)D37256：MS_TORQUE_CTRL_P_GAIN=0%，則取消扭矩補(bǔ)償控制。

主從控制的扭矩可以通過設(shè)定扭矩控制器的變量分配，機(jī)床數(shù)據(jù)MD37268：MS_TORQUE_WEIGHT_SLAVE=50%，就是分配從動軸的附加扭矩。此參數(shù)設(shè)置從動軸所輸出的額定扭矩的百分比，當(dāng)主從控制電機(jī)是相同扭矩時(shí)，此參數(shù)推薦值：50%。主動軸輸出的扭矩百分比被自動計(jì)算為：100-MD37268。

在調(diào)試過程中，需要注意的是，當(dāng)主從控制的扭矩補(bǔ)償功能被激活，機(jī)床上的機(jī)械主從機(jī)構(gòu)必須已經(jīng)連接上，否則扭矩補(bǔ)償?shù)妮S（即從動軸）會自動移動，而無報(bào)警產(chǎn)生。

同時(shí)，對于西門子系統(tǒng)，還設(shè)置有張力扭矩控制指令：MD37264：MS_TENSION_TORQUE=…%。通過設(shè)定該參數(shù)可以使主動軸與從動軸間產(chǎn)生一定的張力。僅當(dāng)主從扭矩補(bǔ)償控制功能激活時(shí)才有效。

MD37266：MS_TENSION_TORQ_FILTER_TIME ＞0。這是PT1 過濾器時(shí)間常數(shù)指令。張力扭矩是通過PT1 過濾器被應(yīng)用到主從控制中，當(dāng)MD37266＞0 時(shí)激活PT1 過濾器。

需要注意的是，張力扭矩的值必須設(shè)定足夠高，才能夠保證足夠的電機(jī)扭矩。另外，為防止靜止時(shí)電機(jī)溫度過高，可以適當(dāng)降低MD37264 的值。

3 結(jié)語

本文基于西門子840D 系統(tǒng)，結(jié)合調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，對GANTRY 軸與主從軸做了應(yīng)用比較。目前，許多數(shù)控機(jī)床上已經(jīng)應(yīng)用了本文所述的GANTRY 軸或主從軸的控制方式，均達(dá)到了良好的控制效果，這可以使機(jī)床有更好的柔性、更高的穩(wěn)定性，以及良好的動態(tài)性能與可靠性。

［1］Siemens DOConCD［M］.Siemens Co.Ltd.，2007.

［2］Heidenhain Technical_Manual_iTNC530_en-技術(shù)手冊［M］.Heidenhain 公司，2007.

［3］BA_HMIDEVICE_MobilePanel177_chs［M］.Siemens Co.Ltd.，2005.