大型數控加工中心龍門軸和主從軸結構及應用

■ 南京高速齒輪制造有限公司 （江蘇 211100） 趙紅淑

1. 龍門軸在西門子數控系統上的應用特點和參數控制

（1）龍門軸（GANTRY）簡介。如圖1所示，X和Z軸分別有由兩個電動機和兩個軸組成的兩個龍門軸控制系統，其中X1和Z1分別為主動軸，X2和Z2為同步軸。

龍門軸結構中所有的軸（≥2）分為主動軸和同步軸，它們都有各自的位置環，同步軸的位置給定值由主動軸給出，數控系統會實時監控主動軸和同步軸之間的位置誤差值。每一根軸都有它自己單獨的測量系統（龍門軸的伺服系統控制邏輯見圖2），比如光柵尺或者編碼器。由于龍門軸之間屬于硬聯接，這些軸的驅動機構移動時必須絕對同步，否則整個機械結構就會傾斜或扭曲。

圖1 龍門軸機床典型的結構

圖2 龍門軸控制邏輯圖

（2）龍門軸主要參數設定。龍門軸功能是西門子系統的一個選項功能，這個功能叫做“Synchronous axes pair(GANTRY)”，此選項需開啟參數19310的某一位，將其置1就能把GANTRY軸功能開通。下面以SCHIESS機床的YL+YF龍門軸數據進行分析。

建立龍門軸組：

M D37100 G A N T RY_A X I S_TYPE[YL]=1；YL為龍門軸組1中的主動軸

M D37100 G A N T RY_A X I S_TYPE[YF]=11；YF為龍門軸組1中的同步軸

設置龍門軸之間的位置監控值：

當龍門軸確定參考點以后，數控系統會不停監控主動軸和同步軸之間的位置差異，如果超過37110參數中設置的0.7，系統就會報錯“10652 Warning limit exceeded”，同時觸發接口信號DB3X.DBX101.3=1，此信號還可以在PLC中處理觸發各類報警信息等。

這表示當主從軸的差值超過1，系統就會報錯“10653 Error limit exceeded”，同時觸發接口信號DB3.DBX101.2=1，軸緊急停車，并且系統會自動取消兩軸的同步關系。

這表示龍門軸組在回參考點方式下或確定參考點之前移動時位置偏差超過1時也會出現“10653 Error limit exceeded”，同時觸發接口信號D B 3 X.DBX101.2=1，并且系統會自動取消兩軸的龍門軸關系。

這個參數0表示GANTRY組合中的軸仍然同步，各種偏差監控功能仍然有效。1表示取消GANTRY組合中的軸同步，此時各個軸可以分開單獨移動，且參數中設置的各種監控功能也被取消，軸之間的保護功能也就被取消了，同時接口信號DB3X.DBX101.5=0。

在以上主要參數了解后還要細化以下參數，只有在主動軸和同步軸控制參數設定了相同的動態響應值時，龍門軸控制起來才能更精確同步。這些參數主要涉及位置、速度和電流等。比如：MD32200 POSCTRL_GAIN位置環的增益，此參數不一致可能引起兩根軸的位置響應不一致，出現抖動等問題。另外關于軸加速度JERK的控制必須一致，如MD32410 AX_JERK_ENABLE等。

（3）參考點調整設置和應用。龍門軸系統設置好后，參考點的設置也是非常重要的，以SCHIESS為例，本設備YL和YF都是增量的光柵尺LB382C（海德漢），重新上電后需要返回參考點，該過程可以分為3步：①主動軸先回參考點，同步軸不回而是隨著主動軸進行移動。②主動軸回完參考點后同步軸回參考點，此時主動軸也是隨著同步軸移動。③當龍門軸所有軸參考點都回完參考點后它們必須依據事先定義好的參數進行同步。

初次調整時要先將MD37110GANTRY_POS_TOL_WARNING[YL]設為0，這樣以防在初次回零時，兩軸零點不一致導致一直報警，待回完參考點后呈現的狀態是同步軸YF坐標為零，主動軸YL坐標顯示為某個值，將此值輸入到同步軸的MD34090或MD34080中，這樣再重新回參考點后就可以實現兩根軸坐標都為零。最后還要記得為MD37110設置合理的報警值。

在了解了以上的回零設置后就可以應用于機床的調整了，比如SCHIESS機床就出現了方滑枕Z軸和Y軸的垂直度有0.65mm/1 000mm的偏差，如圖3所示。

在機械方面難以調整時，可以通過調整龍門軸Y的兩根軸的零點位置關系改變方滑枕的運動軌跡。本例就是將YF軸人為向上移動（見圖4），從而使主軸端向上翹，具體移動量要配合大理石量具測量調整。該過程要將龍門軸先拆分開MD37140GANTRYBREAK_UP[YL]=1，然后手動微調YF軸向上移動，在YZ垂直度關系達到要求后，將YF移動的距離輸入到MD34090中，最后將龍門軸重新建立參考點。但此過程一定要注意，Y軸拆分時已不是龍門軸（YL和YF獨立動作），所以只能微調以防止調整過大給機械帶來損傷。調整過程中可以通過觀察YL和YF軸的負載變化情況來確定調整量是否合理（一般不超過20%）。若負載過大就不能強硬調整，必須通過機械調整或垂直度補償來解決YZ垂直度過大的問題。

圖 3

圖 4

2. 主從軸在西門子數控系統上的應用特點和參數控制

（1）主從軸(M A S T E RSLAVE)簡介。SCHIESS臥式鏜銑加工中心的X軸即為主從軸，主動軸為XM，從動軸為XS。它是用于在同一個機械傳動機構上有兩個獨立電動機驅動的同一個機床軸單元，如圖5所示。兩電動機之間產生一定的張力，該張力用于消除齒輪傳動結構中齒輪間的間隙和反向間隙，以及增加驅動力轉矩等。

主從軸結構里只有主動軸（MASTER）有位置環，所以只有主動軸有光柵尺，從動軸(SLAVE)只有電流環和位置環，給定值是由主動軸發出。從這點來看，主從軸的硬件配置是要少于龍門軸的。要想實現大轉矩和同步性，還要通過參數調整確定主動軸和從動軸驅動電動機的轉矩分配。主從結構在伺服控制系統中的控制邏輯如圖6所示。

（2）主從軸主要參數設定。主從軸功能也是西門子系統的一個選項功能，這個功能叫做“Master/slave for drives”，此選項功能需開啟參數19310的某一位，將其置1就能把主從軸功能開通。主從功能的配置只設置在從動軸中，且有靜態設定和動態設定兩種方法，下面對SCHIESS機床的XM+XS主從軸靜態設置數據進行分析：

MD37250 MS_ASSIGN_SPEED_TORQUE_CMD[XS]=1

從動軸XS設定相應的主從速度控制的主動軸的軸號為1（即XM軸）。

MD37252 MS_ASSIGN_MASTER_TORQUE_CTR[XS]=1

從動軸XS設定相應的主從轉矩控制的主動軸的軸號為1。

M D37262 M S_C O U P L I N G_ALWAYS_ACTIVE=1

NC啟動后一直激活主從控制功能。至此基本的主從功能產生，但是要想精確地控制主從結構的使用效果，還要對西門子系統的轉矩補償控制器進行設置，該控制器會根據主從軸的轉矩差別產生一個額外的速度輸入給定值SETPOINT。涉及的部分參數比如： MD37254 MS_TORQUE_CTRL_MODE=0 表明轉矩補償是對主動/從動軸一起補償。

圖5 主從軸結構

圖6 主從軸控制邏輯圖

MD37268 MS_TORQUE_WEIGHT_SLAVE[XS]=50%表明分配從動軸的附加轉矩的百分比。那么主動軸的附加轉矩百分比就為1－50%＝50%。

另外西門子數控系統還有個張力轉矩控制指令：M D37264 M S_T E N S I O N_TORQUE[XS]=50%，此參數可以使主動軸和從動軸之間產生移動的張力（前提是轉矩補償功能激活）。由于本設備的X軸所承載的負載比較大，所以張力值設定的也比較大。值過大的話在軸靜止時容易使電動機的溫度過高，所以要設定合理。

（3）參考點調整設置和應用。主從控制只有一個閉環，從動軸沒有回參考點過程，所以回參考點過程和普通軸一樣。SCHIESS機床在實際使用過程中主從軸也沒有出現過問題，穩定性很高。

3. 結語

目前我公司生產風力發電齒輪箱，產品“塊頭”越來越大，設備的“個子”也越來越高，好多數控設備的軸都要采用龍門結構和主從結構，只有這樣配置軸才能達到更好的轉矩值和穩定性，也能夠適應機械結構本體過大帶來的負載過大的情況，同時提高了動態性能和可靠性。

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[1] Siemens Co.Ltd. Siemens DOConCD [Z]．2007．

[2] Siemens Co.Ltd. SINUMERIK 840D Special Functions [Z]．2008．