中國一重集團有限公司 樊 凱

在國外老的進口機床中進給軸采用多級變速的比較常見，如科堡20-10FP225龍門銑床X軸（工作臺移動）進給分2級變速，SKODA產(chǎn)D-SIU400型重型臥車及SKODA產(chǎn)SUT200型重型臥車X軸、Z軸進給分2級變速。在這些數(shù)控機床應(yīng)用西門子840DSL數(shù)控系統(tǒng)升級改造中，全閉環(huán)進給軸多級變速就成為我們研究的課題了。

一、課題的重要性

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、V檔，這些檔位的傳動比參數(shù)可以提前預(yù)設(shè)寫入，為31050和31060的（0-6）中，當主軸變速完成后，對應(yīng)接口信號(DB31--DB3n).DBX16.3為1，同時(DB31--DB3n).DBX16.0、(DB31--DB3n).DB16.1、(DB31--DB3n).DBX16.2組合起來反饋當前檔位信號，讀取對應(yīng)檔位的傳動比和對應(yīng)檔位的最大速度值，則所有參數(shù)都能匹配起來，檔位變換產(chǎn)生的輪廓偏差、定位誤差等都可分別調(diào)整，可以實現(xiàn)加工編程中的多級轉(zhuǎn)速變換。

進給軸多級變換功能則沒那么容易實現(xiàn)，因為840D系統(tǒng)中沒有在參數(shù)設(shè)計中充分考慮進給軸多級變速功能，對于進給軸變速后的最大進給速度、加速度、定位誤差、輪廓偏差、伺服增益系數(shù)、傳動比等都沒有設(shè)置對應(yīng)檔位的參數(shù)組，最最關(guān)鍵的問題是，西門子沒有相應(yīng)的接口信號通知NC系統(tǒng)該進給軸當前檔位，無法將實際檔位與機床參數(shù)有機結(jié)合起來，那么就會出現(xiàn)這種情況，就是進給軸變速后，由于NC無法得知，但速度變化引發(fā)的輪廓偏差、定位誤差等會讓進給軸頻繁報警，無法工作。當然了，變速完成后，手動去輸入所有相關(guān)參數(shù)是可以的，但是，這種頻次高的改動即不安全可靠又費時費力，因此，不是長久之計。

那么,進給軸多級變速是否有必要保留呢？在現(xiàn)代新機床設(shè)計中，進給軸多級速度很少看到，因為在新機床設(shè)計中，通過電機功率、轉(zhuǎn)速、傳動比、安裝空間匹配，可以滿足一臺機床的所有加工需求，不需要進給軸有機械變速。但是，在一些進口舊機床改造中，設(shè)計理念不夠先進的情況下還是應(yīng)用了進給軸變速。比如以我們改造的一臺SKODA產(chǎn)SUT200型重型臥車為例，原來通過I級變速增大輸出轉(zhuǎn)矩、降低進給速度，用于粗加工；通過II級變速提高進給速度、降低輸出轉(zhuǎn)矩，用于精加工。做改造方案時，如果只保留一個檔位，由于電機安裝空間極其狹窄，可選擇的伺服電機不能滿足原有加工需求，要么進給速度太低，要么輸出轉(zhuǎn)矩不夠，機床的改造就不能取得滿意的效果，所以，必須實現(xiàn)進給軸的多級變速。

在我們最近的數(shù)控機床改造過程中，接連發(fā)現(xiàn)了三例這種問題，于是，如何平滑穩(wěn)定實現(xiàn)進給軸多級變速，而且使位置環(huán)不報警，這就成了一個重要的問題。經(jīng)過多次摸索，我們終于攻克了這個難題。

二、解決方案

以SUT200型數(shù)控臥車為例，刀臺X、Z分別都具有兩級變速，其中，X軸電機自帶編碼器，外置光柵尺，I級傳動比為1:18，II級傳動比為1:3；Z軸電機自帶編碼器，外置一個編碼器作位置環(huán)，位置環(huán)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(huán)編碼器傳動箱傳動比為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給軸多級變速的實現(xiàn)。

情況一：光柵尺作位置環(huán)，以X軸為例

實現(xiàn)步驟：

（1）檢查傳動比。若機械能夠確切推算傳動比，則可省略此步。進行此步的前提是，與傳動比相關(guān)的31050（負載齒輪箱分母）、31060（負載齒輪箱分子）、31064（附加齒輪箱分母）、31066（附加齒輪箱分子）這幾個參數(shù)必須設(shè)置為默認值1， 31030（滾珠絲杠螺距）也按默認值10設(shè)置，反向間隙補償32450清掉，且X軸應(yīng)激活的是不帶光柵尺的第一測量系統(tǒng)（DB31.DBX1.5=1）。前置條件滿足后，X軸切換到I級，在X軸終端壓上一塊百分表，向一個方向開1mm，此時可消除反向間隙，然后百分表清零，再向前開1mm，觀察實際百分表的計數(shù)，比如實際百分表動0.2mm，則傳動比為1:0.2=5:1，將此傳動比寫入31064、31066，然后再壓百分表，看是否準確，如果有微量誤差，將傳動比細分為500:101、5000:999等進行嘗試，直到誤差進一步減小到可忽略不計。如果追求更加精確的數(shù)顯精度，可以通過激光干涉儀進行螺距誤差補償(LEC)。記錄下I級的傳動比，然后切換到II級，將31064、31066清掉，重新進行上述步驟，得到II級的傳動比。這里需要特別說明的是，為什么傳動比寫入31064、31066，而不寫入31050、31060？因為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。

（2）建立定義文件。得到I、II級的傳動比后，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)新建一個定義文件，默認客戶自定義文件名為MMAC.DEF，可任意定義文件名，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)開始自動編譯該定義文件，如果文件內(nèi)容書寫無錯誤，則編譯可順利通過，若編譯不通過，請檢查書寫。這里，MLX1.SPF為X軸I級變速子程序，MLX2.SPF為X軸II級變速子程序。

（3）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變速啟動子程序。該子程序的作用有兩個，一個是驅(qū)動PLC程序進行變速執(zhí)行元件的動作，比如離合器、電磁閥等；一個是寫變速相關(guān)參數(shù)，包括傳動比、伺服增益系數(shù)、最大進給速度等。

子程序以MLX1.SPF為例，書寫子程序如下：

M53；驅(qū)動PLC開始進給變速的條件

G4F3；停頓3s，給檔位切換時間

$MA_DRIVE_AX_RATIO2_DENOM=1；寫31064

$MA_DRIVE_AX_RATIO2_NUMERA=18；寫31066，傳動比為1:18

$MA_POSCTRL_GAIN=0.6；寫伺服增益系數(shù)32200

$MA_MAX_AX_VELO=1000；寫軸最大進給速度32000

NEW CONF；上述參數(shù)即時生效

M30；程序結(jié)束

注意：上述四個參數(shù)的生效方式均為CF，NEW CONF即時生效，生效方式為PO的則不可以，需斷電重啟生效。所以，使用這種方法可寫的參數(shù)必須生效方式只能為CF。

（4）編制PLC程序。NC方面的準備已經(jīng)就緒，接下來就可以編制PLC程序了。這里，給出SUT200臥車PLC程序共大家參考，可以根據(jù)實際情況自行編制。

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軸I級車在位標志"

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

S "X軸I+III級離合器31YC4"

R "X軸II級離合器31YC3"

A "X軸I+III級離合器31YC4"

L S5T#5S

SD T 21

A T 21

A "X軸I級車在位標志"

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

R "X軸I級車在位標志"

A M 4.0

A "Chan1".MDyn[54]

AN "Chan1".MDyn[53]

S "X軸II級車在位標志"

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

R "X軸I+III級離合器31YC4"

S "X軸II級離合器31YC3"

A "X軸II級離合器31YC3"

L S5T#5S

SD T 22

A T 22

A "X軸II級車在位標志"

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

R "X軸II級車在位標志

（5）全環(huán)試車。上述步驟完成后，則可以進行半環(huán)試車，可以看到，當在MDA方式下執(zhí)行M51時，則31064、31066、32200、32000等自動按照MLX1.SPF（I檔）內(nèi)設(shè)置而更改；執(zhí)行M52時，上述參數(shù)按照MLX2.SPF（II檔）內(nèi)設(shè)置而更改。在I檔、II檔速度下，明顯可以看到同樣的電機速度，驅(qū)動X軸的速度已經(jīng)按傳動比切換過來。此時，可以激活帶光柵尺的第二測量系統(tǒng)（DB31.DBX1.6=1）。按照常規(guī)設(shè)置，將31000（是否光柵尺）、31040（位置環(huán)檢測是否直接安裝到機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會檢測31050、31060的數(shù)值，當掛光柵尺時，會出現(xiàn)輪廓監(jiān)控報警、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）默認為1即可。

情況二：編碼器外帶減速箱做位置環(huán)，以Z軸為例。

實現(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，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比，那么31070、31080必須設(shè)置。

三、 結(jié)語

經(jīng)過以上設(shè)計，完全實現(xiàn)了在840DSL下用M代碼或面板自定義鍵實現(xiàn)進給軸的多級變速切換，保障了機床原設(shè)計功能，增強了機床的可操做性，滿足了機床各種加工生產(chǎn)需求，這種應(yīng)用值得其他同行借鑒及推廣。 □