摘要：應(yīng)用SINUMERIK 840DE的電子齒輪功能，詳細(xì)闡述了SKODA落地鏜銑床整體再制造過程中Z、W軸分離后的數(shù)控功能問題的解決方法。
 
捷克SKODA公司的重型落地鏜銑床在中國的使用數(shù)量近千臺(tái)，這些機(jī)床大都已經(jīng)過再制造或面臨再制造的需求。由于其主軸箱結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在該類型機(jī)床再制造過程中都面臨主軸電機(jī)是否更換以及鏜桿與滑枕傳動(dòng)鏈?zhǔn)欠穹蛛x的問題。
由于原主軸電機(jī)為直流電機(jī)，且整體安裝在主軸箱殼體內(nèi)，更換主軸電機(jī)需對(duì)殼體進(jìn)行加工，所以大多數(shù)SKODA鏜床再制造時(shí)未進(jìn)行更換，只是對(duì)主軸電機(jī)進(jìn)行大修或保養(yǎng)，采用直流驅(qū)動(dòng)裝置調(diào)速，應(yīng)用模擬量模塊實(shí)現(xiàn)模擬主軸功能。SKODA鏜床的鏜桿與滑枕進(jìn)給是共用一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過電磁離合器進(jìn)行切換，通常在再制造時(shí)采用設(shè)定點(diǎn)交換來實(shí)現(xiàn)鏜桿與滑枕雙數(shù)控軸功能。
為了徹底解決因結(jié)構(gòu)引起的再制造困難，我公司針對(duì)該結(jié)構(gòu)對(duì)鏜桿（Z軸）與滑枕（W軸）傳動(dòng)鏈的分離進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與制造，利用原有主軸箱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了主軸電機(jī)更換和Z/W軸分離。本文就該方案對(duì)一臺(tái)SKODA W250H落地鏜銑床再制造中采用的數(shù)控技術(shù)進(jìn)行闡述，希望能給同行帶來一些啟發(fā)。
1.      問題來源
受鏜桿與滑枕傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)的約束，重新設(shè)計(jì)后的鏜桿與滑枕需按照一定的規(guī)則運(yùn)動(dòng)：鏜桿可獨(dú)立前后全行程移動(dòng)，但滑枕移動(dòng)時(shí)鏜桿需同速度同方向地移動(dòng)。這需要應(yīng)用電子齒輪來實(shí)現(xiàn)Z、W軸的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。
通常情況下，將Z軸簡單地作為電子齒輪軸處理即可（如執(zhí)行NC指令EGDEF（Z，W，1）、EGON（Z，“FINE”，W，1，1）），但實(shí)際應(yīng)用中會(huì)發(fā)現(xiàn)Z軸按增量方式（G91）進(jìn)給是正確的，但按照絕對(duì)方式（G90）進(jìn)給則不對(duì)，其原因是由于系統(tǒng)將耦合狀態(tài)下Z軸移動(dòng)的行程不計(jì)入Z軸的位置變化。
2.      解決方法
2.1   系統(tǒng)配置
該機(jī)床采用西門子SINUMERIK 840DE數(shù)控系統(tǒng)，再制造后的Z、W和主軸均為獨(dú)立的數(shù)控軸，采用獨(dú)立的SIMODRIVE 611D驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)，其中Z、W軸伺服電機(jī)（型號(hào)1FT6108-8AC71-4EG1）均自帶EnDat絕對(duì)值編碼器，半閉環(huán)控制。
系統(tǒng)NCU選用NCU572.5功能，配置電子齒輪和垂度補(bǔ)償選項(xiàng)功能。整個(gè)機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)配置PCU50.3、OP015A和MCP483C機(jī)床控制面板，在操作走臺(tái)上安裝了HHU手持單元。主軸電機(jī)更換為西門子1PH7226-2ND03-0AC3（92kW，1000/3100rpm）交流主軸電機(jī)，并安裝主軸位置編碼器，實(shí)現(xiàn)全數(shù)控主軸，并具有主軸定向、螺紋切削、攻絲等功能。
2.2   電子齒輪
為解決這個(gè)問題，需設(shè)置電子齒輪軸組Z、W、EG，其中Z軸為虛擬軸，Z、W軸為主導(dǎo)軸，EG軸為電子齒輪軸，W、EG分別對(duì)應(yīng)物理W、Z軸，NC參數(shù)配置如下：
N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[2]="Z1"
N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[3]="W1"
N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[5]="EG1"
N11660 $MN_NUM_EG=1                   ；電子齒輪軸組數(shù)量
N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[2]=3
N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[3]=4
N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[5]=6
N20080 $MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[2]="Z"
N20080 $MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[3]="W"
N20080 $MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[5]="EG"
N30130 $MA_CTRLOUT_TYPE[0,AX3]=0     ；Z軸設(shè)定值輸出不激活
N30132 $MA_IS_VIRTUAL_AX[0,AX3]=1     ；Z軸設(shè)為虛擬軸
N30240 $MA_ENC_TYPE[0,AX3]=0
N30350 $MA_SIMU_AX_VDI_OUTPUT[AX3]=1    ；虛擬軸Z也輸出VDI接口信號(hào)到PLC
N37200 $MA_COUPLE_POS_TOL_COARSE[AX6]=1 ；EG軸耦合粗同步最大允許誤差
N37210 $MA_COUPLE_POS_TOL_FINE[AX6]=0.5   ；EG軸耦合精同步最大允許誤差
由于該電子齒輪軸組為固定耦合，所以需設(shè)置MD20110 $MC_RESET_MODE_MASK的bit15=“0”，即電子齒輪在復(fù)位/程序結(jié)束后保持有效。
編制電子齒輪耦合子程序LINK_ZW.SPF，內(nèi)容如下：
EGDEF(EG,Z,1,W,1)   ；定義EG軸為電子齒輪軸，Z、W軸為主導(dǎo)軸，以設(shè)定值耦合
EGON(EG,"FINE",Z,1,1,W,1,1) ；激活電子齒輪軸組，EG運(yùn)動(dòng)關(guān)系與Z、W均為同向1:1
M30
編制電子齒輪耦合子程序UNLINK_ZW.SPF（該程序只是用于故障處理，通常不需要執(zhí)行），內(nèi)容如下：
EGOFS(EG,Z,W)       ；解除EG與Z、W軸之間的耦合關(guān)系
EGDEL(EG)           ；刪除電子齒輪耦合軸組
M17
按照以上方式處理后的Z軸位置即為鏜桿的實(shí)際機(jī)床坐標(biāo)值，W軸即為實(shí)際的滑枕物理軸。不管是G90，還是G91編程方式，Z、W軸的運(yùn)動(dòng)均正常，但一旦機(jī)床重新上電，則Z軸的機(jī)床坐標(biāo)值就變?yōu)?，這顯然不符合應(yīng)用需求。這就需要Z軸具有參考點(diǎn)記憶功能，一旦確定了機(jī)床零點(diǎn)Z值，則不隨重新上電或NCK復(fù)位而丟失。
2.3   參考點(diǎn)標(biāo)識(shí)
對(duì)于物理數(shù)控軸來說，可以由絕對(duì)值測(cè)量裝置來保持其參考點(diǎn)值，但Z軸是虛擬軸，就是設(shè)置其為參考點(diǎn)保持，重新上電后其值仍然會(huì)變?yōu)榱恪?br /> 為了解決這個(gè)問題，需編制一個(gè)PLC程序塊FC501，其內(nèi)容包括以下步驟：
1)   在PLC中調(diào)用FB2功能塊，在機(jī)床重新上電時(shí)讀取EG、W軸的機(jī)床坐標(biāo)值（一旦機(jī)床零點(diǎn)確定，則Z與EG、W軸的機(jī)床坐標(biāo)值之間存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系）；
2)   由于EG、W均為絕對(duì)值測(cè)量裝置，所以重新上電后有參考點(diǎn)標(biāo)識(shí)，其坐標(biāo)值為實(shí)際機(jī)床坐標(biāo)值。由讀取的EG和W軸坐標(biāo)值，計(jì)算出Z軸應(yīng)有的坐標(biāo)值mz，并將mz通過FB3功能塊寫入到MD34100[0，Z]中（寫入之前通過FB4功能塊登錄“制造商”權(quán)限，待后臺(tái)執(zhí)行“通道復(fù)位”指令使該參數(shù)生效后退出登錄）；
3)   通過PLC后臺(tái)控制在REF方式下，使Z軸建立參考點(diǎn)標(biāo)識(shí)，則其坐標(biāo)值會(huì)自動(dòng)修改為Z軸應(yīng)有的坐標(biāo)值mz。
2.4   功能完善
為了使用戶在使用機(jī)床時(shí)感覺不到Z、W和EG的關(guān)系，且不需要知道有EG軸的存在，所以需設(shè)置MMC畫面顯示中去掉EG軸，并修改機(jī)床控制面板MCP483C的控制程序FC19功能塊，屏蔽掉第6、7、8、9軸，使用戶操作機(jī)床時(shí)不能選擇EG軸，并在按第6、7、8、9軸空白按鈕時(shí)當(dāng)前被選軸不被復(fù)位，修改內(nèi)容如下：
    mks1: L     LW [AR2,P#4.0]             //MCPIn45 load
      AW   W#16#CE0                 //原為EE7，屏蔽軸6、7、8、9
      L     #AxisNo                   //does not change the display bits
      JZ    kea2
mks2: A    #wksold
      JC    mks4
      T     #mksaxisold               //Save old selected axis
mks4: L     LD [AR2,P#10.0]            //Load from MCPOut23  onwards
      AD    DW#16#9F3FFEFF           //原為8F31FEFF，屏蔽軸6、7、8、9
由于Z、W、EG電子齒輪軸組為永久性耦合，且在機(jī)床通電狀態(tài)下保持耦合特性不變，所以需要在機(jī)床一上電時(shí)即需自動(dòng)執(zhí)行LINK_ZW.SPF，因此需應(yīng)用事件觸發(fā)異步子程序功能，即在機(jī)床上電（$P_PROG_EVENT==4）時(shí)，觸發(fā)執(zhí)行一次LINK_ZW.SPF，方法如下：
N20108 $MC_PROG_EVENT_MASK='H8'  ；激活“重新上電”事件觸發(fā)功能
N11620 $MN_PROG_EVENT_NAME="LINK_EVENT"；定義事件驅(qū)動(dòng)異步子程序名為LINK_ EVENT.SPF，該文件通常存放在“制造商循環(huán)”目錄下，并裝載到NC中。
編寫LINK_EVENT.SPF程序內(nèi)容如下：
IF （$P_PROG_EVENT==4）  ；重新上電事件觸發(fā)
LINK_ZW                   ；執(zhí)行LINK_ZW.SPF程序，激活電子齒輪軸組
ENDIF
M17
最后需在PLC程序中將DB36.DBX98.0（電子齒輪軸EG激活，且完成精同步）作為機(jī)床啟動(dòng)條件之一，串聯(lián)在機(jī)床啟動(dòng)程序中。
 
3.      結(jié)語
該機(jī)床經(jīng)過近一年的實(shí)際加工運(yùn)行與操作，所有功能均運(yùn)行正常，每次上電或NCK復(fù)位后，MMC顯示Z軸帶有參考點(diǎn)標(biāo)識(shí)，并且其數(shù)值是系統(tǒng)重啟前的實(shí)際機(jī)床坐標(biāo)值。在操作方面，雖然Z軸為虛擬軸，EG軸對(duì)應(yīng)了實(shí)際鏜桿的伺服電機(jī)，但是經(jīng)過這樣的處理后，Z軸對(duì)應(yīng)了實(shí)際操作與編程的Z軸（即為鏜桿），完全沒有影響到常規(guī)的操作方式和習(xí)慣。在加工編程中，還是以Z軸編程，加工操作上沒有任何不便，可以說已達(dá)到了較理想的效果。
采用這個(gè)方案對(duì)于鏜桿與滑枕的功能處理方面工作量比較大，也許還有更好的解決辦法，希望此文能起到拋磚引玉的作用，供同行技術(shù)人員共同探討。