在西门子840Dsl数控系统中实现进给轴全环多级变速

2018-09-28中国一重集团有限公司

世界制造技术与装备市场 2018年4期

中国一重集团有限公司樊凯

在国外老的进口机床中进给轴采用多级变速的比较常见，如科堡20-10FP225龙门铣床X轴（工作台移动）进给分2级变速，SKODA产D-SIU400型重型卧车及SKODA产SUT200型重型卧车X轴、Z轴进给分2级变速。在这些数控机床应用西门子840DSL数控系统升级改造中，全闭环进给轴多级变速就成为我们研究的课题了。

一、课题的重要性

主轴变速功能在所有使用ISO代码的数控系统中都规定了一些特定代码和功能，比如西门子840D系列中，辅助应答代码M41-M45分别代表了主轴的I、II、III、IV、V档，这些档位的传动比参数可以提前预设写入，为31050和31060的（0-6）中，当主轴变速完成后，对应接口信号(DB31--DB3n).DBX16.3为1，同时(DB31--DB3n).DBX16.0、(DB31--DB3n).DB16.1、(DB31--DB3n).DBX16.2组合起来反馈当前档位信号，读取对应档位的传动比和对应档位的最大速度值，则所有参数都能匹配起来，档位变换产生的轮廓偏差、定位误差等都可分别调整，可以实现加工编程中的多级转速变换。

进给轴多级变换功能则没那么容易实现，因为840D系统中没有在参数设计中充分考虑进给轴多级变速功能，对于进给轴变速后的最大进给速度、加速度、定位误差、轮廓偏差、伺服增益系数、传动比等都没有设置对应档位的参数组，最最关键的问题是，西门子没有相应的接口信号通知NC系统该进给轴当前档位，无法将实际档位与机床参数有机结合起来，那么就会出现这种情况，就是进给轴变速后，由于NC无法得知，但速度变化引发的轮廓偏差、定位误差等会让进给轴频繁报警，无法工作。当然了，变速完成后，手动去输入所有相关参数是可以的，但是，这种频次高的改动即不安全可靠又费时费力，因此，不是长久之计。

那么,进给轴多级变速是否有必要保留呢？在现代新机床设计中，进给轴多级速度很少看到，因为在新机床设计中，通过电机功率、转速、传动比、安装空间匹配，可以满足一台机床的所有加工需求，不需要进给轴有机械变速。但是，在一些进口旧机床改造中，设计理念不够先进的情况下还是应用了进给轴变速。比如以我们改造的一台SKODA产SUT200型重型卧车为例，原来通过I级变速增大输出转矩、降低进给速度，用于粗加工；通过II级变速提高进给速度、降低输出转矩，用于精加工。做改造方案时，如果只保留一个档位，由于电机安装空间极其狭窄，可选择的伺服电机不能满足原有加工需求，要么进给速度太低，要么输出转矩不够，机床的改造就不能取得满意的效果，所以，必须实现进给轴的多级变速。

在我们最近的数控机床改造过程中，接连发现了三例这种问题，于是，如何平滑稳定实现进给轴多级变速，而且使位置环不报警，这就成了一个重要的问题。经过多次摸索，我们终于攻克了这个难题。

二、解决方案

以SUT200型数控卧车为例，刀台X、Z分别都具有两级变速，其中，X轴电机自带编码器，外置光栅尺，I级传动比为1:18，II级传动比为1:3；Z轴电机自带编码器，外置一个编码器作位置环，位置环编码器自带一个减速箱，I级传动比为1:6，II级传动比为1:2，位置环编码器传动箱传动比为2:5。这两种情况代表了两种非常典型的全环方式，分别以这两种情况描述进给轴多级变速的实现。

情况一：光栅尺作位置环，以X轴为例

实现步骤：

（1）检查传动比。若机械能够确切推算传动比，则可省略此步。进行此步的前提是，与传动比相关的31050（负载齿轮箱分母）、31060（负载齿轮箱分子）、31064（附加齿轮箱分母）、31066（附加齿轮箱分子）这几个参数必须设置为默认值1， 31030（滚珠丝杠螺距）也按默认值10设置，反向间隙补偿32450清掉，且X轴应激活的是不带光栅尺的第一测量系统（DB31.DBX1.5=1）。前置条件满足后，X轴切换到I级，在X轴终端压上一块百分表，向一个方向开1mm，此时可消除反向间隙，然后百分表清零，再向前开1mm，观察实际百分表的计数，比如实际百分表动0.2mm，则传动比为1:0.2=5:1，将此传动比写入31064、31066，然后再压百分表，看是否准确，如果有微量误差，将传动比细分为500:101、5000:999等进行尝试，直到误差进一步减小到可忽略不计。如果追求更加精确的数显精度，可以通过激光干涉仪进行螺距误差补偿(LEC)。记录下I级的传动比，然后切换到II级，将31064、31066清掉，重新进行上述步骤，得到II级的传动比。这里需要特别说明的是，为什么传动比写入31064、31066，而不写入31050、31060？因为31064、31066的生效方式是CF（NEW CONFIG），不需停电重启，而31050、31060的生效方式是PO（POWER ON），需要停电重启。

（2）建立定义文件。得到I、II级的传动比后，开始写定义文件。在840Dsl的“调试”菜单里找到“系统数据”菜单，再找到“定义”文件夹。在该文件夹内新建一个定义文件，默认客户自定义文件名为MMAC.DEF，可任意定义文件名，打开该文件，在该文件内写入如下内容：

DEF M51 AS MLX1；书写M51调用MLX1.SPF子程序。

DEF M52 AS MLX2 ；书写M52调用MLX2.SPF子程序。

然后保存退出，则系统开始自动编译该定义文件，如果文件内容书写无错误，则编译可顺利通过，若编译不通过，请检查书写。这里，MLX1.SPF为X轴I级变速子程序，MLX2.SPF为X轴II级变速子程序。

（3）建立变速子程序。定义文件建立后，可以在“制造商循环”文件夹内建立MLX1、MLX2变速启动子程序。该子程序的作用有两个，一个是驱动PLC程序进行变速执行元件的动作，比如离合器、电磁阀等；一个是写变速相关参数，包括传动比、伺服增益系数、最大进给速度等。

子程序以MLX1.SPF为例，书写子程序如下：

M53；驱动PLC开始进给变速的条件

G4F3；停顿3s，给档位切换时间

$MA_DRIVE_AX_RATIO2_DENOM=1；写31064

$MA_DRIVE_AX_RATIO2_NUMERA=18；写31066，传动比为1:18

$MA_POSCTRL_GAIN=0.6；写伺服增益系数32200

$MA_MAX_AX_VELO=1000；写轴最大进给速度32000

NEW CONF；上述参数即时生效

M30；程序结束

注意：上述四个参数的生效方式均为CF，NEW CONF即时生效，生效方式为PO的则不可以，需断电重启生效。所以，使用这种方法可写的参数必须生效方式只能为CF。

（4）编制PLC程序。NC方面的准备已经就绪，接下来就可以编制PLC程序了。这里，给出SUT200卧车PLC程序共大家参考，可以根据实际情况自行编制。

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轴I级车在位标志"

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

S "X轴I+III级离合器31YC4"

R "X轴II级离合器31YC3"

A "X轴I+III级离合器31YC4"

L S5T#5S

SD T 21

A T 21

A "X轴I级车在位标志"

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

R "X轴I级车在位标志"

A M 4.0

A "Chan1".MDyn[54]

AN "Chan1".MDyn[53]

S "X轴II级车在位标志"

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

R "X轴I+III级离合器31YC4"

S "X轴II级离合器31YC3"

A "X轴II级离合器31YC3"

L S5T#5S

SD T 22

A T 22

A "X轴II级车在位标志"

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

R "X轴II级车在位标志

（5）全环试车。上述步骤完成后，则可以进行半环试车，可以看到，当在MDA方式下执行M51时，则31064、31066、32200、32000等自动按照MLX1.SPF（I档）内设置而更改；执行M52时，上述参数按照MLX2.SPF（II档）内设置而更改。在I档、II档速度下，明显可以看到同样的电机速度，驱动X轴的速度已经按传动比切换过来。此时，可以激活带光栅尺的第二测量系统（DB31.DBX1.6=1）。按照常规设置，将31000（是否光栅尺）、31040（位置环检测是否直接安装到机床上而没有中间变速）均设置为1，全环设置完成。注意，若31040为0，则NCU会检测31050、31060的数值，当挂光栅尺时，会出现轮廓监控报警、不受控制等现象。由于光栅尺直连，31070（编码器齿轮箱分母）、31080（编码器齿轮箱分子）默认为1即可。

情况二：编码器外带减速箱做位置环，以Z轴为例。

实现步骤与上面完全一样，但设置参数有略微差别。31000、31040必须设置为0，同时，31044（编码器是否有中间变速）必须设置为1。由于编码器中间有传动比，那么31070、31080必须设置。