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進(jìn)給軸帶位置環(huán)時(shí)多級(jí)變速在 840Dsl 中的實(shí)現(xiàn)

2019-6-25 來(lái)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(mén)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(xiě)入，為 31050和 31060，當(dāng)主軸變速完成后，對(duì)應(yīng)接口信號(hào) DBX16.3 為 1，同時(shí) DBX16.0 和 DB16.1、DBX16.2 組合起來(lái)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(lái)，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(méi)那么容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)?840D 系統(tǒng)中沒(méi)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(méi)有設(shè)置對(duì)應(yīng)擋位的參數(shù)組，最最關(guān)鍵的問(wèn)題是，西門(mén)子沒(méi)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(wú)法將實(shí)際擋位與參數(shù)系統(tǒng)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(guò)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(chē)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)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(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。

2. 實(shí)現(xiàn)方法

以 SUT200 型數(shù)控臥式車(chē)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(kāi) 1mm，此時(shí)可消除反向間隙，然后百分表清零，再向前開(kāi)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(xiě)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(guò)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(shuō)明的是，為什么傳動(dòng)比寫(xiě)入 31064、 31066，而不寫(xiě)入 31050、31060 ？因?yàn)?31064、 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(kāi)始寫(xiě)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(kāi)該文件，在該文件內(nèi)寫(xiě)入如下內(nèi)容 :

DEF M51 AS MLX1; 書(shū)寫(xiě) M51 調(diào)用 MLX1.SPF 子程序。

DEF M52 AS MLX2; 書(shū)寫(xiě) M52 調(diào)用 MLX2.SPF 子程序。

然后保存退出，則系統(tǒng)開(kāi)始自動(dòng)編譯該定義文件，如果文件內(nèi)容書(shū)寫(xiě)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(shū)寫(xiě)。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(xiě)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(shū)寫(xiě)子程序如下 :

M53; 驅(qū)動(dòng) PLC 開(kāi)始進(jìn)給變速的條件。

G4F3; 停頓 3s，給擋位切換時(shí)間。

$MA_DRIVE_AX_RATIO2_DENOM=1; 寫(xiě)31064。

$MA_DRIVE_AX_RATIO2_NUMERA=18; 寫(xiě)31066，傳動(dòng)比為 1 ∶ 18。

$MA_POSCTRL_GAIN=0.6; 寫(xiě)伺服增益系數(shù) 32200。

$MA_MAX_AX_VELO=1000; 寫(xiě)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，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(xiě)的參數(shù)必須生效方式只能為 CF。程序界面如圖 2 所示。

第四步 : 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，不贅述 PLC 程序，大家可以根據(jù)實(shí)際情況自行編制。

圖 2

第五步 : 全環(huán)試車(chē)。上述步驟完成后，則可以進(jìn)行半環(huán)試車(chē)，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 MLX1.SPF 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(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 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(méi)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(yǔ)

通過(guò)西門(mén)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(guò)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。

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