進給軸帶位置環時多級變速在西門子840Dsl中的實現
2020-3-25 來源：中國第一重型機械股份公司 作者：樊 凱
摘要：進給軸在位置環建立后，如果傳動比突然變化，即變速實現，則最大速度、進給速度、跟隨誤差以及定位精度等都會相應改變，如何平滑順暢實現變速而不引發報警，是一個難題。本文闡述了實現方法。
1.課題必要性
主軸變速功能在所有使用ISO代碼的數控系統中都規定了一些特定代碼和功能，比如西門子840D系列中，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，當主軸變速完成后，對應接口信號D B X16.3為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擋位的最大速度值，則所有參數都能匹配起來，擋位變換產生的輪廓偏差、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。
進給軸多級變換功能則沒那么容易實現，因為840D系統中沒有在參數設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、伺服增益系數和傳動比等都沒有設置對應擋位的參數組，最最關鍵的問題是，西門子沒有相應的接口信號通知NC系統該進給軸當前擋位，無法將實際擋位與參數系統有機結合起來，那么就會出現這種情況，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參數是可以的，但是，這種方法太低級了，總不能操作人員每次變速完成后，維修人員親自去修改機床參數吧？因此，這不是長久之計。
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，因為在新機床設計中，通過電動機功率、轉速、傳動比和安裝空間匹配，可以滿足一臺機床的所有加工需求，不需要有機械變速。但是，在一些舊機床改造中，則不能面面俱到。比如以我改造的一臺SKODA產SUT200型重型臥車為例，原來通過Ⅰ級變速增大輸出轉矩、降低進給速度，用于粗加工；通過Ⅱ級變速提高進給速度、降低輸出轉矩，用于精加工。做改造方案時，如果只保留一個擋位，由于電動機安裝空間極其狹窄，可選擇的伺服電動機不能滿足原有加工需求，要么進給速度太低，要么輸出轉矩不夠，機床的改造就不能取得滿意的效果，所以，必須實現進給的多級變速。
在我最近的數控機床改造過程中，接連發現了三例這種問題，于是，如何平滑穩定實現進給軸多級變速，而且使位置環不報警，這就成了一個重要的問題。經過多次摸索，我們終于攻克了這個難題。
2.實現方法
以SUT200型數控臥式車床為例，刀臺X、Z分別都具有兩級變速，其中，X軸電動機自帶編碼器，外置光柵尺，Ⅰ級傳動比為1∶18，Ⅱ級傳動比為1∶3，Z軸電動機自帶編碼器，外置一個編碼器做位置環，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2∶5。這兩種情況代表了兩種非常典型的全環方式，分別以這兩種情況描述進給軸多級變速的實現。
（1）光柵尺做位置環，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）和31066（附加齒輪箱分子）這幾個參數必須設置為默認值1，31030（滾珠絲杠螺距）也按默認值10設置，反向間隙補償32450清掉，且X軸應激活的是不帶光柵尺的第一測量系統（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，實際百分表走多些，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。界面如圖1所示。如果有微量誤差，將傳動比細分為500∶101、5 000∶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顯精度，可以通過激光干涉儀進行螺距誤差補償（LEC）。
圖 1
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。
第二步：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“調試”菜單里找到“系統數據”菜單，再找到“定義”文件夾。在該文件夾內新建一個定義文件，默認客戶自定義文件名為MMAC.DEF。打開該文件，在該文件內寫入如下內容：
DEF M51 AS MLX1；書寫M51調用MLX1.SPF子程序。
DEF M52 AS MLX2；書寫M52調用MLX2.SPF子程序。
然后保存退出，則系統開始自動編譯該定義文件，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。
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”文件夾內建立MLX1、MLX2變速啟動子程序。該子程序的作用有兩個，一個是驅動PLC程序進行變速執行元件的動作，比如離合器、電磁閥等；一個是寫變速相關參數，包括傳動比、伺服增益系數和最大進給速度等。
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。所以，使用這種方法可寫的參數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方面的準備已經就緒，接下來就可以編制PLC程序了。這里，不贅述PLC程序，大家可以根據實際情況自行編制。
第五步：全環試車。上述步驟完成后，則可以進行半環試車，可以看到，當在MDA方式下執行M51時，則31064、31066、32200和32000等自動按照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，明顯可以看到同樣的電動機速度，驅動X軸的速度已經按傳動比切換過來。此時，可以激活帶光柵尺的第二測量系統（DB31.DBX1.6=1）。
按照常規設置 ， 將 3 1 0 0 0（是否光柵尺）、31040（位置環檢測是否直接安裝到機床上而沒有中間變速）均設置為1，全環設置完成。注意，若31040為0，則NCU會檢測31050、31060的數
值，當掛光柵尺時，會出現輪廓監控報警、不受控制等現象。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。
（2）編碼器外帶減速箱做位置環，以Z軸為例。實現步驟與上面完全一樣，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）必須設置為1。由于編碼器中間有傳動比，31070、31080必須設置。
3.結語
通過西門子840Dsl的配套軟件NC-VAR也可以實現該功能，但需要大量復雜的編程工作，有興趣的同行可以自行嘗試。進給多級變速通過這種方法實現，不僅僅拓寬了設備維系人改造機床的思路，減少了不必要的機械結構修改，而且為其他一些特殊功能的實現提供了更加簡便易行的思路。
參考文獻：
[1] 西門子（中國）有限公司 . 西門子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：機械工業出版社, 2013.
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