張玉萍，辛世界，郭 超，王 寧

（山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，淄博 255049）

0 引言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，人們對產(chǎn)品的各種機(jī)械性能的要求逐漸提高。在許多場合，一臺電機(jī)的控制己經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化高科技發(fā)展的要求，雙機(jī)驅(qū)動同步軸控制的方案已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。許多常用的數(shù)控系統(tǒng)提供了同步軸控制功能，如龍門軸功能和主從控制功能。本文以西門子840D的龍門軸功能為例，介紹龍門結(jié)構(gòu)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用。

1 龍門軸功能簡介

西門子840D的GANTRY軸功能適用于機(jī)械上剛性連接的雙邊驅(qū)動的運(yùn)動部件。它要求組成龍門軸的幾個進(jìn)給軸之間在機(jī)械上存在嚴(yán)格的聯(lián)系，并且NC系統(tǒng)內(nèi)部對各進(jìn)給軸的位置和速度進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，防止對機(jī)械、驅(qū)動部分或零件進(jìn)行損壞。

使用“龍門軸”功能，最多可以同時實(shí)現(xiàn)三對進(jìn)給軸無機(jī)械偏差的運(yùn)動。一個龍門軸組中至少包含兩個軸：主動軸和從動軸，其中一個龍門軸組只能有一個主動軸，最多兩個從動軸。它們之間相互獨(dú)立，每個單元都有自己的位置檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)會隨時監(jiān)控主從動軸之間的位置差值，當(dāng)差值達(dá)到一定值后，系統(tǒng)會輸出報警信號，并自動停下龍門軸組的所有軸，防止損壞機(jī)床。

從編程角度來看，主動軸可以像一般NC軸一樣進(jìn)行編程操作，從動軸可以認(rèn)為是不存在的，也不能對其進(jìn)行編程[1]，它的運(yùn)動與主動軸同步。

龍門軸接通電源后要保持同步，需立即進(jìn)行“回參考點(diǎn)”操作，建立機(jī)床坐標(biāo)。

圖1 龍門軸同步控制原理圖

龍門軸同步控制原理框圖如圖1所示。由圖1可知，雙電機(jī)共同驅(qū)動，主動軸和從動軸組成一個龍門軸組。在系統(tǒng)發(fā)出指令之前，主從動軸要進(jìn)行回參考點(diǎn)操作，激活龍門軸功能。同步后，從動軸與主動軸一起移動，且主從動軸的位置實(shí)時進(jìn)行比較，它們的位置偏差值，反饋給從動軸，與進(jìn)給指令一起，調(diào)整從動軸的運(yùn)動速度，從而保證從動軸與主動軸同步。

2 龍門軸參數(shù)設(shè)置

2.1 龍門軸基本參數(shù)設(shè)置

龍門軸機(jī)床數(shù)據(jù)參數(shù)如下：

1）MD37100 GANTRY-AXIS-TYPE：龍門軸定義，用來配置龍門軸。

2）MD37110 GANTRY-POS-TOLWARNING：龍門軸位置偏差報警極限。龍門軸回參考點(diǎn)結(jié)束后，系統(tǒng)會隨時監(jiān)控主從動軸之間的位置差值。機(jī)床參數(shù)MD37100設(shè)定差值極限，當(dāng)差值超過設(shè)定值時，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，同時向PLC發(fā)出接口信號DB31.DBX101.3；差值小于報警值時，接口信號自動取消。

3）MD37120 GANTRY-POS-TOL-ERROR：龍門軸運(yùn)行極限值。龍門軸回參考點(diǎn)結(jié)束后，當(dāng)差值超過MD37120設(shè)定的極限值時，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，龍門軸組各軸停止運(yùn)動，同時會向PLC發(fā)出接口信號DB31.DBX101.2，機(jī)床停止運(yùn)行。

4）MD37130 GANTRY-POS-TOL-REF：龍門軸參考點(diǎn)的位置偏差的設(shè)定范圍。龍門軸回參考點(diǎn)前，主從動軸的位置差值超過MD37130的設(shè)定值時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號，龍門軸停止運(yùn)動。

5）MD37140 GANTRY-BREAK-UP：取消龍門軸的軸配對。MD37140用來取消同步，設(shè)置好龍門軸組后，只要不用參數(shù)MD37140分開，龍門功能一直有效。37140=1時，龍門軸中的軸將成為獨(dú)立的軸，分開移動。通常在調(diào)試及維修時常用這個參數(shù)。

在一個龍門軸組里，MD37110、MD37120、MD37130、MD37140的設(shè)定值都應(yīng)相同。其中，參數(shù)設(shè)定值的大小應(yīng)滿足MD37110

2.2 龍門軸參數(shù)設(shè)置舉例

X1為主動軸，X11為從動軸。參數(shù)設(shè)置如下：

X1軸：

MD37100 GANTRY-AXIS-TYPE=1

MD37110

GANTRY-POS-TOL-WARNING=1

MD37120 GANTRY-POS-TOL-ERROR=2

MD37130 GANTRY-POS-TOL-REF=50

MD37140 GANTRY-BREAK-UP=0

X11軸：

MD37100 GANTRY-AXIS-TYPE=11

MD37110 GANTRY-POS-TOL-WARNING=1

MD37120 GANTRY-POS-TOL-ERROR=2

MD37130 GANTRY-POS-TOL-REF=50

MD37140 GANTRY-BREAK-UP=0

3 龍門軸回參考點(diǎn)操作

龍門軸接通電源后就要立即保持同步，必須馬上進(jìn)行“回參考點(diǎn)”操作。龍門軸回參考點(diǎn)操作分三個步驟：1）主動軸先回參考點(diǎn)，從動軸跟隨主動軸移動。主動軸到達(dá)參考點(diǎn)，輸出到達(dá)信號“Reference / synchronized=1”。2）主動軸到達(dá)參考點(diǎn)后，從動軸自動回參考點(diǎn)運(yùn)動，主動軸跟隨從動軸移動。3）當(dāng)龍門軸組的軸都回到參考點(diǎn)后，比較主動軸和從動軸的位置，如果位置偏差值不大于MD37100設(shè)定的報警極限，龍門軸自動移動到同步位置；如果位置偏差值大于報警極限，龍門軸不自動開始同步過程，輸出等待同步啟動信息“Wait for synchronization start”，由用戶重新啟動龍門軸同步過程[4]。

4 PLC信號處理

表1 PLC接口信號

龍門軸回參考點(diǎn)操作及同步過程中用到的PLC信號如表1所示。

回參考點(diǎn)后，主從動軸的位置偏差值大于MD37110設(shè)定的報警值時，系統(tǒng)會向PLC發(fā)送一個接口信號DB31.DBX101.4，這時需要將PLC接口信號DB31.DBX29.4置1，重新啟動龍門軸同步。龍門軸回參考點(diǎn)結(jié)束后，PLC接口信號DB31.DBX101.5變?yōu)?，表示龍門軸已同步。

通過以下PLC程序和操作可實(shí)現(xiàn)主動軸從動軸不同步時，發(fā)出報警信號，并使主從動軸回到同步狀態(tài)。

PLC程序：

ADB31.DBX 101.4

ANDB31.DBX 101.5

AQ 2.6

=DB31.DBX29.4

RDB31.DBX29.5

ANDB31.DBX 101.4

ADB31.DBX 101.5

SDB31.DBX29.5

操作步驟：

1）把軸進(jìn)給倍率撥到0位置；

2）操作方式處于軸回參考點(diǎn)方式；

3）選擇同步軸；

4）按一下-向鍵或+向鍵；

5）控制軸進(jìn)給倍率=1或2，從動軸自動移動，主動軸不動，達(dá)到兩軸同步；

6）不同步報警信號消失后，同步操作結(jié)束。

5 結(jié)束語

西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的龍門軸功能實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動，控制精度高，可靠性強(qiáng)。在龍門銑床和一些雙主軸加工中心等機(jī)械設(shè)備中成了不可缺少的功能，隨著市場的發(fā)展，將越來越多的應(yīng)用在機(jī)械設(shè)備中，為產(chǎn)品的更新和升級發(fā)揮力量。

[1] 趙全錦.龍門式數(shù)控機(jī)床的多軸同步驅(qū)動(西門子840D/810D GANTRY功能的應(yīng)用)[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2002,(5):43-45.

[2] 化春雷,徐兆成,等.同步軸在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用及調(diào)整[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2010,(9):96-98.

[3] 朱孝峰.自動鉆鉚機(jī)數(shù)控托架控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)[D].南京航空航天大學(xué),2011:51-55.

[4] 唐建明,陸志華.西門子840D/810D功能在龍門式數(shù)控機(jī)床多軸同步驅(qū)動的應(yīng)用[J].機(jī)械工人(冷加工),2005,(3):66-68.