在西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸全環(huán)多級(jí)變速

中國(guó)一重集團(tuán)有限公司 樊 凱

在國(guó)外老的進(jìn)口機(jī)床中進(jìn)給軸采用多級(jí)變速的比較常見，如科堡20-10FP225龍門銑床X軸（工作臺(tái)移動(dòng)）進(jìn)給分2級(jí)變速，SKODA產(chǎn)D-SIU400型重型臥車及SKODA產(chǎn)SUT200型重型臥車X軸、Z軸進(jìn)給分2級(jí)變速。在這些數(shù)控機(jī)床應(yīng)用西門子840DSL數(shù)控系統(tǒng)升級(jí)改造中，全閉環(huán)進(jìn)給軸多級(jí)變速就成為我們研究的課題了。

一、課題的重要性

主軸變速功能在所有使用ISO代碼的數(shù)控系統(tǒng)中都規(guī)定了一些特定代碼和功能，比如西門子840D系列中，輔助應(yīng)答代碼M41-M45分別代表了主軸的I、II、III、IV、V檔，這些檔位的傳動(dòng)比參數(shù)可以提前預(yù)設(shè)寫入，為31050和31060的（0-6）中，當(dāng)主軸變速完成后，對(duì)應(yīng)接口信號(hào)(DB31--DB3n).DBX16.3為1，同時(shí)(DB31--DB3n).DBX16.0、(DB31--DB3n).DB16.1、(DB31--DB3n).DBX16.2組合起來(lái)反饋當(dāng)前檔位信號(hào)，讀取對(duì)應(yīng)檔位的傳動(dòng)比和對(duì)應(yīng)檔位的最大速度值，則所有參數(shù)都能匹配起來(lái)，檔位變換產(chǎn)生的輪廓偏差、定位誤差等都可分別調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)加工編程中的多級(jí)轉(zhuǎn)速變換。

進(jìn)給軸多級(jí)變換功能則沒那么容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)?40D系統(tǒng)中沒有在參數(shù)設(shè)計(jì)中充分考慮進(jìn)給軸多級(jí)變速功能，對(duì)于進(jìn)給軸變速后的最大進(jìn)給速度、加速度、定位誤差、輪廓偏差、伺服增益系數(shù)、傳動(dòng)比等都沒有設(shè)置對(duì)應(yīng)檔位的參數(shù)組，最最關(guān)鍵的問(wèn)題是，西門子沒有相應(yīng)的接口信號(hào)通知NC系統(tǒng)該進(jìn)給軸當(dāng)前檔位，無(wú)法將實(shí)際檔位與機(jī)床參數(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，那么就會(huì)出現(xiàn)這種情況，就是進(jìn)給軸變速后，由于NC無(wú)法得知，但速度變化引發(fā)的輪廓偏差、定位誤差等會(huì)讓進(jìn)給軸頻繁報(bào)警，無(wú)法工作。當(dāng)然了，變速完成后，手動(dòng)去輸入所有相關(guān)參數(shù)是可以的，但是，這種頻次高的改動(dòng)即不安全可靠又費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此，不是長(zhǎng)久之計(jì)。

那么,進(jìn)給軸多級(jí)變速是否有必要保留呢？在現(xiàn)代新機(jī)床設(shè)計(jì)中，進(jìn)給軸多級(jí)速度很少看到，因?yàn)樵谛聶C(jī)床設(shè)計(jì)中，通過(guò)電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)比、安裝空間匹配，可以滿足一臺(tái)機(jī)床的所有加工需求，不需要進(jìn)給軸有機(jī)械變速。但是，在一些進(jìn)口舊機(jī)床改造中，設(shè)計(jì)理念不夠先進(jìn)的情況下還是應(yīng)用了進(jìn)給軸變速。比如以我們改造的一臺(tái)SKODA產(chǎn)SUT200型重型臥車為例，原來(lái)通過(guò)I級(jí)變速增大輸出轉(zhuǎn)矩、降低進(jìn)給速度，用于粗加工；通過(guò)II級(jí)變速提高進(jìn)給速度、降低輸出轉(zhuǎn)矩，用于精加工。做改造方案時(shí)，如果只保留一個(gè)檔位，由于電機(jī)安裝空間極其狹窄，可選擇的伺服電機(jī)不能滿足原有加工需求，要么進(jìn)給速度太低，要么輸出轉(zhuǎn)矩不夠，機(jī)床的改造就不能取得滿意的效果，所以，必須實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸的多級(jí)變速。

在我們最近的數(shù)控機(jī)床改造過(guò)程中，接連發(fā)現(xiàn)了三例這種問(wèn)題，于是，如何平滑穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸多級(jí)變速，而且使位置環(huán)不報(bào)警，這就成了一個(gè)重要的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多次摸索，我們終于攻克了這個(gè)難題。

二、解決方案

以SUT200型數(shù)控臥車為例，刀臺(tái)X、Z分別都具有兩級(jí)變速，其中，X軸電機(jī)自帶編碼器，外置光柵尺，I級(jí)傳動(dòng)比為1:18，II級(jí)傳動(dòng)比為1:3；Z軸電機(jī)自帶編碼器，外置一個(gè)編碼器作位置環(huán)，位置環(huán)編碼器自帶一個(gè)減速箱，I級(jí)傳動(dòng)比為1:6，II級(jí)傳動(dòng)比為1:2，位置環(huán)編碼器傳動(dòng)箱傳動(dòng)比為2:5。這兩種情況代表了兩種非常典型的全環(huán)方式，分別以這兩種情況描述進(jìn)給軸多級(jí)變速的實(shí)現(xiàn)。

情況一：光柵尺作位置環(huán)，以X軸為例

實(shí)現(xiàn)步驟：

（1）檢查傳動(dòng)比。若機(jī)械能夠確切推算傳動(dòng)比，則可省略此步。進(jìn)行此步的前提是，與傳動(dòng)比相關(guān)的31050（負(fù)載齒輪箱分母）、31060（負(fù)載齒輪箱分子）、31064（附加齒輪箱分母）、31066（附加齒輪箱分子）這幾個(gè)參數(shù)必須設(shè)置為默認(rèn)值1， 31030（滾珠絲杠螺距）也按默認(rèn)值10設(shè)置，反向間隙補(bǔ)償32450清掉，且X軸應(yīng)激活的是不帶光柵尺的第一測(cè)量系統(tǒng)（DB31.DBX1.5=1）。前置條件滿足后，X軸切換到I級(jí)，在X軸終端壓上一塊百分表，向一個(gè)方向開1mm，此時(shí)可消除反向間隙，然后百分表清零，再向前開1mm，觀察實(shí)際百分表的計(jì)數(shù)，比如實(shí)際百分表動(dòng)0.2mm，則傳動(dòng)比為1:0.2=5:1，將此傳動(dòng)比寫入31064、31066，然后再壓百分表，看是否準(zhǔn)確，如果有微量誤差，將傳動(dòng)比細(xì)分為500:101、5000:999等進(jìn)行嘗試，直到誤差進(jìn)一步減小到可忽略不計(jì)。如果追求更加精確的數(shù)顯精度，可以通過(guò)激光干涉儀進(jìn)行螺距誤差補(bǔ)償(LEC)。記錄下I級(jí)的傳動(dòng)比，然后切換到II級(jí)，將31064、31066清掉，重新進(jìn)行上述步驟，得到II級(jí)的傳動(dòng)比。這里需要特別說(shuō)明的是，為什么傳動(dòng)比寫入31064、31066，而不寫入31050、31060？因?yàn)?1064、31066的生效方式是CF（NEW CONFIG），不需停電重啟，而31050、31060的生效方式是PO（POWER ON），需要停電重啟。

（2）建立定義文件。得到I、II級(jí)的傳動(dòng)比后，開始寫定義文件。在840Dsl的“調(diào)試”菜單里找到“系統(tǒng)數(shù)據(jù)”菜單，再找到“定義”文件夾。在該文件夾內(nèi)新建一個(gè)定義文件，默認(rèn)客戶自定義文件名為MMAC.DEF，可任意定義文件名，打開該文件，在該文件內(nèi)寫入如下內(nèi)容：

DEF M51 AS MLX1；書寫M51調(diào)用MLX1.SPF子程序。

DEF M52 AS MLX2 ；書寫M52調(diào)用MLX2.SPF子程序。

然后保存退出，則系統(tǒng)開始自動(dòng)編譯該定義文件，如果文件內(nèi)容書寫無(wú)錯(cuò)誤，則編譯可順利通過(guò)，若編譯不通過(guò)，請(qǐng)檢查書寫。這里，MLX1.SPF為X軸I級(jí)變速子程序，MLX2.SPF為X軸II級(jí)變速子程序。

（3）建立變速子程序。定義文件建立后，可以在“制造商循環(huán)”文件夾內(nèi)建立MLX1、MLX2變速啟動(dòng)子程序。該子程序的作用有兩個(gè)，一個(gè)是驅(qū)動(dòng)PLC程序進(jìn)行變速執(zhí)行元件的動(dòng)作，比如離合器、電磁閥等；一個(gè)是寫變速相關(guān)參數(shù)，包括傳動(dòng)比、伺服增益系數(shù)、最大進(jìn)給速度等。

子程序以MLX1.SPF為例，書寫子程序如下：

M53；驅(qū)動(dòng)PLC開始進(jìn)給變速的條件

G4F3；停頓3s，給檔位切換時(shí)間

$MA_DRIVE_AX_RATIO2_DENOM=1；寫31064

$MA_DRIVE_AX_RATIO2_NUMERA=18；寫31066，傳動(dòng)比為1:18

$MA_POSCTRL_GAIN=0.6；寫伺服增益系數(shù)32200

$MA_MAX_AX_VELO=1000；寫軸最大進(jìn)給速度32000

NEW CONF；上述參數(shù)即時(shí)生效

M30；程序結(jié)束

注意：上述四個(gè)參數(shù)的生效方式均為CF，NEW CONF即時(shí)生效，生效方式為PO的則不可以，需斷電重啟生效。所以，使用這種方法可寫的參數(shù)必須生效方式只能為CF。

（4）編制PLC程序。NC方面的準(zhǔn)備已經(jīng)就緒，接下來(lái)就可以編制PLC程序了。這里，給出SUT200臥車PLC程序共大家參考，可以根據(jù)實(shí)際情況自行編制。

A "Axis1".E_Stat

A "Axis2".E_Stat

= M 4.0

A M 4.0

A "Chan1".MDyn[53]

AN "Chan1".MDyn[54]

S "X軸I級(jí)車在位標(biāo)志"

S "A L M S G_D B".C1.RID_5102xx[0]// "Chan1".A_RIdisable

S "X軸I+III級(jí)離合器31YC4"

R "X軸II級(jí)離合器31YC3"

A "X軸I+III級(jí)離合器31YC4"

L S5T#5S

SD T 21

A T 21

A "X軸I級(jí)車在位標(biāo)志"

R "A L M S G_D B".C1.RID_5102xx[0]

R "X軸I級(jí)車在位標(biāo)志"

A M 4.0

A "Chan1".MDyn[54]

AN "Chan1".MDyn[53]

S "X軸II級(jí)車在位標(biāo)志"

S "A L M S G_D B".C1.RID_5102xx[1] //"Chan1".A_RIdisable

R "X軸I+III級(jí)離合器31YC4"

S "X軸II級(jí)離合器31YC3"

A "X軸II級(jí)離合器31YC3"

L S5T#5S

SD T 22

A T 22

A "X軸II級(jí)車在位標(biāo)志"

R "A L M S G_D B".C1.RID_5102xx[1]

R "X軸II級(jí)車在位標(biāo)志

（5）全環(huán)試車。上述步驟完成后，則可以進(jìn)行半環(huán)試車，可以看到，當(dāng)在MDA方式下執(zhí)行M51時(shí)，則31064、31066、32200、32000等自動(dòng)按照MLX1.SPF（I檔）內(nèi)設(shè)置而更改；執(zhí)行M52時(shí)，上述參數(shù)按照MLX2.SPF（II檔）內(nèi)設(shè)置而更改。在I檔、II檔速度下，明顯可以看到同樣的電機(jī)速度，驅(qū)動(dòng)X軸的速度已經(jīng)按傳動(dòng)比切換過(guò)來(lái)。此時(shí)，可以激活帶光柵尺的第二測(cè)量系統(tǒng)（DB31.DBX1.6=1）。按照常規(guī)設(shè)置，將31000（是否光柵尺）、31040（位置環(huán)檢測(cè)是否直接安裝到機(jī)床上而沒有中間變速）均設(shè)置為1，全環(huán)設(shè)置完成。注意，若31040為0，則NCU會(huì)檢測(cè)31050、31060的數(shù)值，當(dāng)掛光柵尺時(shí)，會(huì)出現(xiàn)輪廓監(jiān)控報(bào)警、不受控制等現(xiàn)象。由于光柵尺直連，31070（編碼器齒輪箱分母）、31080（編碼器齒輪箱分子）默認(rèn)為1即可。

情況二：編碼器外帶減速箱做位置環(huán)，以Z軸為例。

實(shí)現(xiàn)步驟與上面完全一樣，但設(shè)置參數(shù)有略微差別。31000、31040必須設(shè)置為0，同時(shí)，31044（編碼器是否有中間變速）必須設(shè)置為1。由于編碼器中間有傳動(dòng)比，那么31070、31080必須設(shè)置。

三、 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)以上設(shè)計(jì)，完全實(shí)現(xiàn)了在840DSL下用M代碼或面板自定義鍵實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸的多級(jí)變速切換，保障了機(jī)床原設(shè)計(jì)功能，增強(qiáng)了機(jī)床的可操做性，滿足了機(jī)床各種加工生產(chǎn)需求，這種應(yīng)用值得其他同行借鑒及推廣。 □