進給軸帶位置環時多級變速在 840Dsl 中的實現
2019-6-25 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 DBX16.3 為 1， 同 時 DBX16.0 和 DB16.1、DBX16.2 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 :
M53; 驅動 PLC 開始進給變速的條件。
G4F3; 停頓 3s， 給擋位切換時間。
$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 32200。
$MA_MAX_AX_VELO=1000; 寫軸最大進給速度 32000。
NEW CONF; 上述參數即時生效。
M30; 程序結束。
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。
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。
圖 2
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 MLX1.SPF 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。
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