同步轴在数控机床中的应用及调整

化春雷 徐兆成 刘永吉 李焱 刘春时

（沈阳机床（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 110142）

有时为了驱动大的负载，需要2 台或者2 台以上的电动机来驱动同一个轴，这样对系统而言，尽管有多台驱动电动机，但只当一个轴来对待，除了一个主动轴以外，其他的轴都为从动轴。针对不同机械应用情况，同步轴驱动系统可分为龙门结构和主从结构。龙门结构中所有的轴都有自己的位置环，从动轴的位置给定由主动轴决定，系统会随时监控主动轴和从动轴之间的位置差值，当差值达到一定值后，系统会产生相应的报警和采取相应的停止措施，防止这个差值继续扩大而对机械产生损害。而主从结构只有主动轴才有位置环，其他从动轴只有自己的电流环和速度环，速度给定由主动轴发出，通过参数调整，还可以调整主动轴和从动轴电动机的扭矩分配情况。在特殊情况下，可以在主动电动机和从动电动机之间形成一个张力，这个张力可以用来消除机械传动结构的间隙。

下面就以西门子840D 系统为例，分别说明这两种结构的调整方法。

1 龙门结构（Gantry）

1.1 系统简介

如图1 所示，机床X 方向由X1 和X2 组成，Z 方向由Z1 和Z2 组成，系统共有6 个电动机轴，其中X1和Z1 分别为两个龙门轴组中的主动轴，X2 和Z2 分别为两个龙门组轴中的从动轴。

龙门结构中所有的轴都有自己的位置环，从动轴的位置给定由主动轴决定，系统会实时监控主动轴和从动轴之间的位置差值。龙门轴在伺服控制系统中的控制逻辑如图2 所示。

1.2 龙门轴的参数设置及调整

（1）基本参数设置

建立龙门组，参数设置如下：

MD19310 第0 位激活龙门轴功能选项

MD37100 GANTRY-AXIS-TYPE［X1］=1 X1 为龙门轴组1 中的主动轴

MD37100 GANTRY-AXIS-TYPE［Z1］=2 Z1 为龙门轴组2 中的主动轴

MD37100 GANTRY-AXIS-TYPE［X2］=11 X2 为龙门轴组1 中的从动轴

MD37100 GANTRY-AXIS-TYPE［Z2］=12 Z2 为龙门轴组2 中的从动轴

设置龙门轴之间的位置监控值：

MD37110 GANTRY-POS-TOL-WARNING［X1］比如0.1 mm，当龙门轴组回零完成以后，系统随时监控主动轴和从动轴之间的实际位置差值，当超过该值以后，系统会产生一个报警号，但不取消同步关系，同时给PLC 发出一个接口信号，DB3x.DBX101.3，用户可根据需要采取相应的措施。

MD37120 GANTRY-POS-TOL-ERROR［X1］比如0.2 mm，当龙门轴回零完成以后，主动轴和从动轴之间的实际位置差值超过该值以后，系统会产生一个报警号，同时系统自动取消同步关系，龙门轴组相应的各轴按各自设定的加速度停车，同时接口信号DB3x.DBX101.2 置1。

MD37130 GANTRY-POS-TOL-REF［X1］比如0.25 mm，在龙门轴回零以前，主动轴和从动轴之间的实际位置差超过该值以后，系统会产生一个报警号，同时系统自动取消同步关系，龙门轴组相应的各轴按自己设定的加速度停车，同时接口信号DB3x.DBX101.2置1。

MD37140 GANTRY-BREAK-UP［X1］该参数用来取消同步关系，这时龙门组中的每个轴都可以单独控制，修改该参数时要注意防止龙门轴的机械连接部分不被损坏。

此处MD37110、MD37120、MD37130、MD37140 设定时需要对一个龙门轴组里面的所有轴都设定相同的值。

（2）龙门轴参考点的坐标调整

当设置好龙门轴组后，只要不用参数MD37140 分开龙门轴组，龙门功能一直有效，但和其他轴一样，每次上电后，需要轴返回参考点。龙门轴返回参考点时，先是主动轴返回参考点，然后是从动轴返回参考点。在初次调整时，这两个参考点坐标会有很大的差值，把这个差值输入到主动轴或者是从动轴的MD34090 中，这样当再次重新返回参考点后，显示的坐标值就一样了。如果还需要对主动轴的坐标再次调整时，这需要把再调整的差值同时加到主动轴和从动轴的坐标偏置里。

当第一次调整好以后，龙门轴的机械部分就以第一次调整参考点时的值为标准，今后每次上电后，系统会通过返回参考点来检测龙门轴之间的差值，当差值小于MD37110 设定的值时，系统会自动调整，使它们的差值接近零；否则由于误差过大，系统会产生一个信息，提示“系统等待同步启动”，同时往PLC 发送一个接口信号DB3x.DBX101.4，这时需要PLC 里设置“启动同步”后，系统才能会重新同步龙门轴，使之误差接近于零。

（3）PLC 程序的处理

龙门轴功能不需要PLC 作太多的处理，只需要作一个用户定义键，当检测到主动轴的接口信号DB3x.DBX101.4 为1 时，即龙门轴在返回参考点时系统检测到龙门轴之间的位置误差超过MD37110 时，系统会发出一个提示信息，等待用户发出同步的指令。PLC这时可以把一个用户定义键的信号送到主动轴的DB3x.DBX29.4 用作启动龙门同步。

2 主从结构（Master-Slave）

2.1 系统简介

图3 是用于齿轮齿条消隙的一种典型同步结构，主动电动机和从动电动机之间形成一个张力，这个张力用来消除机械传动结构的间隙。

主从结构只有主动轴才有位置环，从动轴只有自己的电流环和速度环，速度给定由主动轴发出，通过参数调整，还可以调整主动轴和从动轴电动机的扭矩分配。主从结构在伺服控制系统中的控制逻辑如图4 所示。

2.2 主从结构的参数设置及调整

主从同步功能的调整主从同步也是一个选项，需要修改MD19310 来激活主从轴功能选。

MD37250 MS-ASSIGN-MASTER-TORQUE-CTR定义从动轴的扭距给定值来源，主动轴的轴号；

MD37252 MS-ASSIGN-MASTER-SPEED-CMD 定义从动轴的速度给定值来源，主动轴的轴号。

对从动轴而言，扭矩和速度一般都是来源同一个主动轴。对于一般的主从同步关系的轴，只要在从动轴的轴参数里设置上面两个参数即可。由于从动轴没有位置环，所以从动轴如果有抱匝控制的话，不能再访问位置环有效的控制信号，可以用主动轴的位置环有效信号来控制。

3 结语

目前，我公司的多款机床上已经应用了本文所述的同步轴控制方式，并且取得了良好的效果，使机床具有了更高的稳定性，更高的柔性，更好的系统可靠性。