进给轴带位置环时多级变速在西门子840Dsl中的实现
2020-3-25 来源：中国第一重型机械股份公司 作者：樊 凯
摘要：进给轴在位置环建立后，如果传动比突然变化，即变速实现，则最大速度、进给速度、跟随误差以及定位精度等都会相应改变，如何平滑顺畅实现变速而不引发报警，是一个难题。本文阐述了实现方法。
1.课题必要性
主轴变速功能在所有使用ISO代码的数控系统中都规定了一些特定代码和功能，比如西门子840D系列中，辅助应答代码M41～M45分别代表了主轴的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ挡，这些挡位的传动比参数可以提前预设写入，为31050和31060，当主轴变速完成后，对应接口信号D B X16.3为1，同时D B X16.0和D B16.1、D B X16.2组合起来反馈当前挡位信号，读取对应挡位的传动比和对应挡位的最大速度值，则所有参数都能匹配起来，挡位变换产生的轮廓偏差、定位误差等都可分别调整，可以实现加工编程中的速度变换。
进给轴多级变换功能则没那么容易实现，因为840D系统中没有在参数设计中充分考虑进给轴多级变速功能，对于进给轴变速后的最大进给速度、加速度、定位误差、轮廓偏差、伺服增益系数和传动比等都没有设置对应挡位的参数组，最最关键的问题是，西门子没有相应的接口信号通知NC系统该进给轴当前挡位，无法将实际挡位与参数系统有机结合起来，那么就会出现这种情况，就是进给轴变速后，由于NC无法得知，但速度变化引发的轮廓偏差、定位误差等会让进给轴频繁报警，无法工作。当然了，变速完成后，手动去输入所有相关参数是可以的，但是，这种方法太低级了，总不能操作人员每次变速完成后，维修人员亲自去修改机床参数吧？因此，这不是长久之计。
那么 ， 进给轴多级变速是否有必要保留呢？在现代新机床设计中，进给轴多级速度很少看到，因为在新机床设计中，通过电动机功率、转速、传动比和安装空间匹配，可以满足一台机床的所有加工需求，不需要有机械变速。但是，在一些旧机床改造中，则不能面面俱到。比如以我改造的一台SKODA产SUT200型重型卧车为例，原来通过Ⅰ级变速增大输出转矩、降低进给速度，用于粗加工；通过Ⅱ级变速提高进给速度、降低输出转矩，用于精加工。做改造方案时，如果只保留一个挡位，由于电动机安装空间极其狭窄，可选择的伺服电动机不能满足原有加工需求，要么进给速度太低，要么输出转矩不够，机床的改造就不能取得满意的效果，所以，必须实现进给的多级变速。
在我最近的数控机床改造过程中，接连发现了三例这种问题，于是，如何平滑稳定实现进给轴多级变速，而且使位置环不报警，这就成了一个重要的问题。经过多次摸索，我们终于攻克了这个难题。
2.实现方法
以SUT200型数控卧式车床为例，刀台X、Z分别都具有两级变速，其中，X轴电动机自带编码器，外置光栅尺，Ⅰ级传动比为1∶18，Ⅱ级传动比为1∶3，Z轴电动机自带编码器，外置一个编码器做位置环，位置环编码器自带一个减速箱，Ⅰ级传动比为1∶6，Ⅱ级传动比为1∶2，位置环编码器传动箱传动比为2∶5。这两种情况代表了两种非常典型的全环方式，分别以这两种情况描述进给轴多级变速的实现。
（1）光栅尺做位置环，以X轴为例。实现步骤如下。
第一步：检查传动比。若机械能够确切推算传动比，则可省略此步。进行此步的前提是，与传动比相关的31050（负载齿轮箱分母）、31060（负载齿轮箱分子）、31064（附加齿轮箱分母）和31066（附加齿轮箱分子）这几个参数必须设置为默认值1，31030（滚珠丝杠螺距）也按默认值10设置，反向间隙补偿32450清掉，且X轴应激活的是不带光栅尺的第一测量系统（DB31.DBX1.5=1）。
前置条件满足后，X轴切换到Ⅰ级，在X轴终端压上一块百分表，向一个方向开1mm，此时可消除反向间隙，然后百分表清零，再向前开1mm，实际百分表走多些，比如实际百分表动0.2mm，则传动比为
1∶0.2=5∶1，将此传动比写入31064、31066，然后再压百分表，看是否准确。界面如图1所示。如果有微量误差，将传动比细分为500∶101、5 000∶999等进行尝试，直到误差进一步减小到可忽略不计。如果追求更加精确的数显精度，可以通过激光干涉仪进行螺距误差补偿（LEC）。
图 1
记录下Ⅰ级的传动比，然后切换到Ⅱ级，将31064、31066清掉，重新进行上述步骤，得到Ⅱ级的传动比。这里需要特别说明的是，为什么传动比写入31064、31066，而不写入31050、31060 因为31064、31066的生效方式是CF（NEW CONFIG），不需停电重启，而31050、31060的生效方式是PO（POWER ON），需要停电重启。
第二步：建立定义文件。得到Ⅰ、Ⅱ级的传动比后，开始写定义文件。在840Dsl的“调试”菜单里找到“系统数据”菜单，再找到“定义”文件夹。在该文件夹内新建一个定义文件，默认客户自定义文件名为MMAC.DEF。打开该文件，在该文件内写入如下内容：
DEF M51 AS MLX1；书写M51调用MLX1.SPF子程序。
DEF M52 AS MLX2；书写M52调用MLX2.SPF子程序。
然后保存退出，则系统开始自动编译该定义文件，如果文件内容书写无错误，则编译可顺利通过，若编译不通过，请检查书写。这里，MLX1.SPF为X轴Ⅰ级变速子程序，MLX2.SPF为X轴Ⅱ级变速子程序。
第三步：建立变速子程序。定义文件建立后，可以在“制造商循环”文件夹内建立MLX1、MLX2变速启动子程序。该子程序的作用有两个，一个是驱动PLC程序进行变速执行元件的动作，比如离合器、电磁阀等；一个是写变速相关参数，包括传动比、伺服增益系数和最大进给速度等。
子程序以MLX1.SPF为例，书写子程序如下：
注意上述四个参数的生效方式均为CF，可以使用NEW CONF即时生效，生效方式为PO的则不可以。所以，使用这种方法可写的参数必须生效方式只能为CF。程序界面如图2所示。
图 2
第四步：编制PLC程序。NC方面的准备已经就绪，接下来就可以编制PLC程序了。这里，不赘述PLC程序，大家可以根据实际情况自行编制。
第五步：全环试车。上述步骤完成后，则可以进行半环试车，可以看到，当在MDA方式下执行M51时，则31064、31066、32200和32000等自动按照M L X1.S P F内设置而更改；执行M52时，上述参数按照MLX2.SPF内设置而更改。在Ⅰ挡、Ⅱ挡速度下，明显可以看到同样的电动机速度，驱动X轴的速度已经按传动比切换过来。此时，可以激活带光栅尺的第二测量系统（DB31.DBX1.6=1）。
按照常规设置 ， 将 3 1 0 0 0（是否光栅尺）、31040（位置环检测是否直接安装到机床上而没有中间变速）均设置为1，全环设置完成。注意，若31040为0，则NCU会检测31050、31060的数
值，当挂光栅尺时，会出现轮廓监控报警、不受控制等现象。由于光栅尺直连，31070（编码器齿轮箱分母）、31080（编码器齿轮箱分子）默认为1即可。
（2）编码器外带减速箱做位置环，以Z轴为例。实现步骤与上面完全一样，但设置参数有略微差别。31000、31040必须设置为0，同时，31044（编码器是否有中间变速）必须设置为1。由于编码器中间有传动比，31070、31080必须设置。
3.结语
通过西门子840Dsl的配套软件NC-VAR也可以实现该功能，但需要大量复杂的编程工作，有兴趣的同行可以自行尝试。进给多级变速通过这种方法实现，不仅仅拓宽了设备维系人改造机床的思路，减少了不必要的机械结构修改，而且为其他一些特殊功能的实现提供了更加简便易行的思路。
参考文献：
[1] 西门子（中国）有限公司 . 西门子840Dsl简明调试手册[Z]. 2012.
[2] 罗永顺 . 机床数控化改造技术[M ]. 北京：机械工业出版社, 2013.
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