進(jìn)給軸帶位置環(huán)時(shí)多級(jí)變速在西門子840Dsl中的實(shí)現(xiàn)
2020-3-25 來源：中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司 作者：樊 凱
摘要：進(jìn)給軸在位置環(huán)建立后，如果傳動(dòng)比突然變化，即變速實(shí)現(xiàn)，則最大速度、進(jìn)給速度、跟隨誤差以及定位精度等都會(huì)相應(yīng)改變，如何平滑順暢實(shí)現(xiàn)變速而不引發(fā)報(bào)警，是一個(gè)難題。本文闡述了實(shí)現(xiàn)方法。
1.課題必要性
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和Ⅴ擋，這些擋位的傳動(dòng)比參數(shù)可以提前預(yù)設(shè)寫入，為31050和31060，當(dāng)主軸變速完成后，對(duì)應(yīng)接口信號(hào)D B X16.3為1，同時(shí)D B X16.0和D B16.1、D B X16.2組合起來反饋當(dāng)前擋位信號(hào)，讀取對(duì)應(yīng)擋位的傳動(dòng)比和對(duì)應(yīng)擋位的最大速度值，則所有參數(shù)都能匹配起來，擋位變換產(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)加工編程中的速度變換。
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)和傳動(dòng)比等都沒有設(shè)置對(duì)應(yīng)擋位的參數(shù)組，最最關(guān)鍵的問題是，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)前擋位，無法將實(shí)際擋位與參數(shù)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，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，這種方法太低級(jí)了，總不能操作人員每次變速完成后，維修人員親自去修改機(jī)床參數(shù)吧？因此，這不是長(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，通過電動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)比和安裝空間匹配，可以滿足一臺(tái)機(jī)床的所有加工需求，不需要有機(jī)械變速。但是，在一些舊機(jī)床改造中，則不能面面俱到。比如以我改造的一臺(tái)SKODA產(chǎn)SUT200型重型臥車為例，原來通過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)擋位，由于電動(dòng)機(jī)安裝空間極其狹窄，可選擇的伺服電動(dòng)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)給的多級(jí)變速。
在我最近的數(shù)控機(jī)床改造過程中，接連發(fā)現(xiàn)了三例這種問題，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)重要的問題。經(jīng)過多次摸索，我們終于攻克了這個(gè)難題。
2.實(shí)現(xiàn)方法
以SUT200型數(shù)控臥式車床為例，刀臺(tái)X、Z分別都具有兩級(jí)變速，其中，X軸電動(dòng)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軸電動(dòng)機(jī)自帶編碼器，外置一個(gè)編碼器做位置環(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)。
（1）光柵尺做位置環(huán)，以X軸為例。實(shí)現(xiàn)步驟如下。
第一步：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）和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，實(shí)際百分表走多些，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。界面如圖1所示。如果有微量誤差，將傳動(dòng)比細(xì)分為500∶101、5 000∶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，可以通過激光干涉儀進(jìn)行螺距誤差補(bǔ)償（LEC）。
圖 1
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。
第二步：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。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)容書寫無錯(cuò)誤，則編譯可順利通過，若編譯不通過，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。
第三步：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)和最大進(jìn)給速度等。
子程序以MLX1.SPF為例，書寫子程序如下：
注意上述四個(gè)參數(shù)的生效方式均為CF，可以使用NEW CONF即時(shí)生效，生效方式為PO的則不可以。所以，使用這種方法可寫的參數(shù)必須生效方式只能為CF。程序界面如圖2所示。
圖 2
第四步：編制PLC程序。NC方面的準(zhǔn)備已經(jīng)就緒，接下來就可以編制PLC程序了。這里，不贅述PLC程序，大家可以根據(jù)實(shí)際情況自行編制。
第五步：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和32000等自動(dòng)按照M L X1.S P F內(nèi)設(shè)置而更改；執(zhí)行M52時(shí)，上述參數(shù)按照MLX2.SPF內(nèi)設(shè)置而更改。在Ⅰ擋、Ⅱ擋速度下，明顯可以看到同樣的電動(dòng)機(jī)速度，驅(qū)動(dòng)X軸的速度已經(jīng)按傳動(dòng)比切換過來。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 3 1 0 0 0（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。
（2）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，31070、31080必須設(shè)置。
3.結(jié)語
通過西門子840Dsl的配套軟件NC-VAR也可以實(shí)現(xiàn)該功能，但需要大量復(fù)雜的編程工作，有興趣的同行可以自行嘗試。進(jìn)給多級(jí)變速通過這種方法實(shí)現(xiàn)，不僅僅拓寬了設(shè)備維系人改造機(jī)床的思路，減少了不必要的機(jī)械結(jié)構(gòu)修改，而且為其他一些特殊功能的實(shí)現(xiàn)提供了更加簡(jiǎn)便易行的思路。
參考文獻(xiàn)：
[1] 西門子（中國(guó)）有限公司 . 西門子840Dsl簡(jiǎn)明調(diào)試手冊(cè)[Z]. 2012.
[2] 羅永順 . 機(jī)床數(shù)控化改造技術(shù)[M ]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2013.
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