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進給軸帶位置環時多級變速在（zài）西門子840Dsl中的實現

2020-3-25 來源（yuán）：中國第一重型機械（xiè）股份公司作者：樊　凱

摘要：進給軸（zhóu）在位置環建立後，如果傳動比突然變化，即變速實（shí）現，則最大速度、進給速度、跟隨誤差（chà）以及定位精度等都會相應（yīng）改變，如何（hé）平滑（huá）順暢（chàng）實現變速而不引發（fā）報警，是（shì）一個難題。本文闡述了實現方法。

1.課題（tí）必要性

主軸變速功（gōng）能在所有使用ISO代碼的數控係統中都規定了一些特定代碼和功能，比如西門子840D係列中，輔助應答代碼M41～M45分別代表了主軸的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ擋，這些擋位的傳動比參數可以提前預設寫入，為31050和31060，當主軸變速完成後，對應接口信號D B X16.3為（wéi）1，同時D B X16.0和D B16.1、D B X16.2組合起來反饋當前擋位信號，讀取對應擋位的傳動比和對應（yīng）擋位（wèi）的最大（dà）速度值，則所有參數都能匹配起來，擋位變換產（chǎn）生的輪廓偏差、定位誤差等都可分別調整，可以實現加工編程中的速度變換（huàn）。

進給軸多級（jí）變換功能（néng）則沒那（nà）麽容易實（shí）現，因為840D係統中沒有（yǒu）在參數設計中充分（fèn）考慮進給軸多級變速（sù）功能，對於進給軸變速後的（de）最大進給速度、加速度（dù）、定（dìng）位（wèi）誤差（chà）、輪廓偏差、伺服增（zēng）益係數和傳動比等都沒有設置對（duì）應（yīng）擋位的參數組，最最關（guān）鍵的問題是，西門子沒（méi）有相（xiàng）應（yīng）的接口信號通知（zhī）NC係統該進給軸當前擋位（wèi），無（wú）法將實際擋位與參數係（xì）統有機結合起來，那（nà）麽（me）就會出現這種情況，就是進給軸變速後，由於（yú）NC無法得知，但速度變化引發（fā）的輪廓偏差、定位誤差等會讓（ràng）進給軸頻繁報警，無法工作。當然了，變速完成（chéng）後，手動去輸入所有相關參數是可以的，但（dàn）是，這（zhè）種方法太低級了，總不能操作人員每次變速完成後，維修人員親自（zì）去修改機床參數吧？因此（cǐ），這不是長久之計。

那麽，進給軸多級變速是否有必要（yào）保留呢？在（zài）現（xiàn）代新機床設計中，進給軸多級速度很少看到，因為在新機床設計（jì）中，通過電動機功率、轉速、傳動比（bǐ）和（hé）安裝空間（jiān）匹配，可以（yǐ）滿足一台機（jī）床的所有加工需求，不需要有（yǒu）機械變速。但（dàn）是（shì），在一些舊機床改（gǎi）造中，則不能麵麵俱到。比如（rú）以我改造（zào）的一台SKODA產SUT200型重型臥車為例，原（yuán）來通過Ⅰ級變速增大輸出（chū）轉矩、降低進給速度，用（yòng）於粗加工；通過Ⅱ級變速提高進給速度、降低輸出轉矩，用於精加工。做改（gǎi）造方案時，如果隻保（bǎo）留一個（gè）擋位，由於電動（dòng）機安（ān）裝空間極其狹窄，可選擇的伺服電動機不能滿足（zú）原有加工需求，要麽進給速度太低，要麽輸出轉矩不夠，機床（chuáng）的改造就不能取得滿意的效果，所（suǒ）以，必須實現進給的多級變（biàn）速。

在（zài）我最近的數控機床改造過程中（zhōng），接連發現了三例這種問題，於是（shì），如何平滑穩定實現進給軸多級變速，而（ér）且使（shǐ）位置環不報警（jǐng），這就成了一個重（chóng）要的問題。經過多次摸索，我們終於攻（gōng）克（kè）了這個難題。

2.實現方法

以SUT200型數控臥式車床為例，刀台X、Z分別都具有兩級（jí）變速，其中，X軸電動機自帶編碼器，外置光柵尺，Ⅰ級傳（chuán）動比（bǐ）為1∶18，Ⅱ級傳動比為（wéi）1∶3，Z軸電動機自帶編碼器，外（wài）置一（yī）個編碼器做位（wèi）置環，位置環編碼器自帶一個減速箱，Ⅰ級傳動比為1∶6，Ⅱ級傳動比為1∶2，位置環編碼器傳動箱傳動比為（wéi）2∶5。這兩種情況代表了兩種非常典型（xíng）的全環方式，分別以這兩種情況描述進給軸多級變速的實現（xiàn）。

（1）光柵尺做位置（zhì）環，以X軸為例。實現步驟如下。

第一步：檢查傳動比。若機械能夠確（què）切推算傳動比，則可省略此步。進行此步的前提是，與傳動（dòng）比相關（guān）的31050（負載齒輪箱分母）、31060（負載齒（chǐ）輪箱分子）、31064（附加（jiā）齒輪箱分母）和31066（附加齒輪箱分子）這（zhè）幾個參數必須設（shè）置為默認值（zhí）1，31030（滾珠絲杠螺距）也按默認（rèn）值10設置，反向間隙補償32450清掉，且（qiě）X軸應激活的是不帶光柵（shān）尺的第一測量係統（DB31.DBX1.5=1）。

前置條件滿足後，X軸切換到Ⅰ級，在X軸終（zhōng）端壓上一塊百分表，向一個方向開1mm，此時可消除（chú）反向間隙，然（rán）後百分表清零（líng），再向前開1mm，實際百分表走多些，比如實際（jì）百分表動0.2mm，則傳動比為

1∶0.2=5∶1，將此傳動比寫入31064、31066，然後再壓百（bǎi）分表，看是否準確。界（jiè）麵如圖1所示。如果有（yǒu）微量誤差，將傳動比細（xì）分為500∶101、5 000∶999等進行嚐試（shì），直到誤（wù）差進一步（bù）減小到可忽略不計。如果（guǒ）追求更加精確的數顯精度，可以通過激光（guāng）幹涉儀進行螺距誤（wù）差補償（LEC）。

圖 1

記錄（lù）下（xià）Ⅰ級的傳（chuán）動比（bǐ），然後切換到（dào）Ⅱ級，將31064、31066清掉（diào），重新進行上（shàng）述步驟，得到Ⅱ級的傳動比。這（zhè）裏需要特別說明的是，為什麽（me）傳動比寫入31064、31066，而不寫入（rù）31050、31060 因為31064、31066的生效方式是CF（NEW CONFIG），不需（xū）停電重啟，而31050、31060的生效方式是PO（POWER ON），需要停電重啟（qǐ）。

第二步：建立定義文件。得（dé）到Ⅰ、Ⅱ級的傳動比（bǐ）後，開始寫定義文件（jiàn）。在840Dsl的“調試”菜單（dān）裏找到“係統數據”菜單，再找到“定義”文件夾。在該文件夾內新建一個（gè）定義文件，默（mò）認客戶自定義文件（jiàn）名為MMAC.DEF。打開該文（wén）件，在該文件內寫入如下內容：

DEF M51 AS MLX1；書（shū）寫M51調用MLX1.SPF子（zǐ）程序。

DEF M52 AS MLX2；書寫M52調用MLX2.SPF子程序。

然後保存退出，則係統開始自動編譯該定義（yì）文件（jiàn），如果文件內容書寫無錯誤，則編譯可順利通過，若編譯不通過，請檢查書（shū）寫。這裏，MLX1.SPF為X軸Ⅰ級變（biàn）速子程序，MLX2.SPF為X軸Ⅱ級變速子程序。

第三（sān）步：建立變速子程序。定義文件（jiàn）建立後，可以在“製造商循環”文件夾內建（jiàn）立MLX1、MLX2變速啟動子程序。該子程序的作（zuò）用有兩個，一個是驅（qū）動PLC程序進行變速執行元件的動（dòng）作，比如離合器、電磁閥等；一個是寫變（biàn）速相關參數，包括傳動比、伺服增益係數和最大進給速度等。

子程（chéng）序（xù）以MLX1.SPF為例，書寫子程序如下：

注意上述四個參數的生效方式均為CF，可以使用NEW CONF即時生效，生效方式為PO的則不可以。所（suǒ）以，使用（yòng）這種方法可寫（xiě）的參數必（bì）須生效方式隻能為CF。程序界麵如（rú）圖2所示。

圖　2

第四步：編製PLC程（chéng）序。NC方麵的準備已經就緒，接（jiē）下來（lái）就可以編製PLC程序了。這裏，不贅述PLC程序，大家可以根據實際情況自行編製。

第五步：全環（huán）試車（chē）。上（shàng）述步驟完成後（hòu），則可以進行半環試車，可以看到，當在（zài）MDA方式下執行（háng）M51時，則31064、31066、32200和32000等自動按照（zhào）M L X1.S P F內設置而更改；執行M52時，上述參數按照MLX2.SPF內設置而更改。在Ⅰ擋、Ⅱ擋速度下，明顯可以看到（dào）同（tóng）樣的電動機速度，驅動X軸的速度已經按傳動比切換過來。此時，可以（yǐ）激活帶（dài）光柵尺的第二測量係統（DB31.DBX1.6=1）。

按照（zhào）常規設置，將 3 1 0 0 0（是否（fǒu）光柵尺）、31040（位置環檢測是否直接安（ān）裝到機床上而沒有中間變速）均設置為1，全（quán）環設置完成。注意，若31040為0，則NCU會檢測31050、31060的數

值，當掛（guà）光柵尺時，會出現輪廓監控報警、不受控（kòng）製等（děng）現象。由於光柵尺直連，31070（編碼器齒輪箱分母）、31080（編（biān）碼器齒輪箱分子）默認為1即（jí）可。

（2）編碼器（qì）外帶減速箱做位（wèi）置環，以Z軸為例。實現步驟與上麵完全一樣，但設置參數有略微差別。31000、31040必須設置為0，同時，31044（編碼器是否有中間變速）必（bì）須設置為1。由（yóu）於編碼器中間有傳動（dòng）比，31070、31080必須設置。

3.結（jié）語

通過西門子840Dsl的配套軟件NC-VAR也可以實現該功能，但需要大量複雜的編程工作，有興趣的同行可以自（zì）行嚐試。進（jìn）給（gěi）多級變速通過這種方法實現（xiàn），不僅僅拓寬了設備維係人改造機床的思（sī）路，減少了不必要的機械結構修改，而且為（wéi）其他一些特殊功能的實（shí）現（xiàn）提供了更加簡便易行的思路。

參考文獻：

[1] 西（xī）門（mén）子（中（zhōng）國）有限公司 . 西（xī）門子840Dsl簡明調試手冊[Z]. 2012.

[2] 羅永順 . 機床數控化改造技術[M ]. 北京：機械工業出版（bǎn）社, 2013.

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