劉 智 張吉慶

（上海機床廠有限公司 上海 200093）

MK82125大型曲軸磨床（如圖1所示）是用來加工曲軸曲柄的專用磨床，適合于柴油機、壓縮機、輪船、石油勘探等行業(yè)的大型曲軸生產。曲軸磨床最大特點是具有頭尾架結構，要磨好曲軸，要求頭架和尾架作嚴格的同步運行。

圖1 MK82125大型曲軸磨床

以前，中大型曲軸大多是采用機械花鍵軸連接的方法來實現頭尾架同步控制的。頭架驅動電動機通過減速箱驅動頭架來帶動曲軸，同時又通過一長花鍵軸將動力傳到尾架，再由減速箱使尾架與頭架同步。此種方法的缺點是機床體積大且結構復雜，對機械精度要求高，很難進行頭、尾架的同步調整。

隨著科學技術的進步和電子技術的發(fā)展，如今已開發(fā)了用電軸系統代替機械同步系統，即采用了雙向饋電的交流繞線式電動機。大型曲軸磨床的頭、尾架同步采用直流調速發(fā)電機組，即將交流電變成直流電后帶動直流電動機，再由直流電動機帶動一個交流電動機，發(fā)出三相交流電，以連接兩臺交流同步電動機，使頭尾架同步電動機接受由一個交流電動機發(fā)出的三相交流電。直流電動機由單相可控硅調速改變發(fā)電機發(fā)出的三相交流電的頻率，使頭、尾架交流同步電動機實現變速。這種方法與機械長軸方案相比，去除了由機械傳動鏈產生的弊病，有了很大的進步；缺點是電動機噪聲大，運行不平穩(wěn)，耗電多且同步精度差，調節(jié)不方便。

運用 SIEMENS 840D數控系統中的多種功能，解決了上述不足，為實現曲軸磨削的自動化前進了一步。

該磨床采用 SIEMENS 840D數控系統中的六軸二聯動，可實現半自動磨削和自動修正砂輪。

1 系統硬件配置

機床系統有以下配置：

PCU50：6FC5210-0DF21-2AA0；OP010：6FC5203-0AF00-0AA1；MCP：6FC5203-0AF22-0AA0；FDD1：6SN1145-1BA02-0CA1；UE1：6SN1123-1AB00-0CA2；UE2：6SN1123-1AB00-0NA1；X軸電動機：1FK7083-5AF71-1AG0 3 000 r/min 16 N · m ；Z 軸電動機：1FT6084-1AF71-1AG1 3 000 r/min 20 N · m ；U 軸電動機：1FK7042-1AF71-1AG0 3 000 r/min 2.6 N · m；W軸電動機：1FK7042-1AF71-1AG0 3 000 r/min 2.6 N · m；C1軸電動機：1FT6105-1AF71-1AG1 2 000 r/min 50 N · m；C2軸電動機：1FT6105-1AF71-1AG1 2 000 r/min 50 N· m。

圖2 系統硬件控制圖

2 SIEMENS 840D數控系統多種功能的運用

運用 SIEMENS 840D數控系統的多種功能并在機床控制上取得良好效果。

運用功能有：

(1)PROG-EVENT功能。開機實現后臺運行程序。

(2)IDS功能。在任何模式下，只要條件符合就可以運行。

(3)聯動功能。取得軸同步的一種功能。

(4)板載輸入功能。 程序中取得外界信號輸入功能。

(5)虛擬軸功能。 用虛擬軸作為主軸，帶動旋轉軸進行聯動，取得同步主軸位置控制。

通過以上5種功能的組合，實現了頭、尾架的同步運行，解決了頭架和尾架同步位置的誤差問題。

具體運用程序如下：

PROG-EVENT

：

：

N10 TRAILOF（C1，V）

N15 TRAILOF（C2，C1）

N20 TRAILON（C1，V）

N25 TRAILON（C2，C1）

N30 IDS=1 EVERY $A_IN[1]==1 DO M03 S20

N35 IDS=2 EVERY $A_IN[2]==1 DO M05

：

：

：

N100 M02

3 實現頭、尾架主軸同步位置控制

現代數控機床伺服系統常采用全閉環(huán)或半閉環(huán)的控制系統。采用三環(huán)控制，分別是電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，圖3為典型的全閉環(huán)控制伺服系統示意圖。

圖3 全閉環(huán)控制伺服系統示意圖

通常速度反饋由測速電動機或電動機編碼器構成；位置反饋由光柵磁尺或旋轉編碼器構成。

采用控制軸的有以下三種類型：

(1)直線軸控制。電動機控制使刀具或工件實現直線運動，在運動中由位置控制，精度高。

(2)主軸、旋轉軸控制。通過電動機控制使刀具或工件進行旋轉運動。主軸是用M（正反轉）和S（轉速）指令進行控制，在運動中是由速度進行控制，其位置精度低；旋轉軸是用直線運行G指令進行角度控制，位置精度高。

(3)運動控制。直線軸和旋轉軸是用G指令完成定點控制，用來實現位置控制。速度控制有局限性，實際速度與指令速度有誤差。

在實際的工作要求中，頭架C1軸和尾架C2軸必須當主軸使用（頭架C1軸和尾架C2軸用卡盤將工件固定），同步旋轉。在旋轉過程中，要求頭架C1軸和尾架C2軸進行位置控制，兩個位置必須嚴格一致。若頭架和尾架不同步，被加工的曲軸在磨床上經過兩端夾持后，若兩端夾持部位不同，一經旋轉會發(fā)生扭曲，這樣曲軸的幾項重要指標如曲拐頸的分度、沖程、圓度和錐度等就難以達到加工要求。

在西門子同步指令中，運用SIEMENS 840D數控系統的主軸同步功能（COUPDEF主軸同步）時，會發(fā)現由于主軸是采用速度同步方式，所走的位置存在著誤差，而且在機械啟動和停止時，受力情況發(fā)生了變化，使速度在某瞬時也發(fā)生了變化，在曲軸頭架和尾架同步運行中用速度控制方法很難保證嚴格的同步。對于加工同步要求不高的工件，這些誤差不會產生很大的影響，但對于大曲軸加工來說，是不允許的。

運用SIEMENS 840D數控系統的TRAILON聯動功能可以實現以下控制：

(1)將頭架 C1軸和尾架 C2軸設為主軸。用TRAILON（C2，C1），用M（正反轉）和S（轉速）指令進行聯動控制，但速度同步是采用速度控制，位置精度不能滿足要求。

(2)將頭架C1軸設為主軸，尾架C2軸設為旋轉軸，結果同(1)。

(3)將頭架 C1軸和尾架 C2軸設為旋轉軸。用TRAILON（C2，C1）進行聯動控制（位置精度能保證，但不能用M（正反轉）和S（轉速）指令控制運動，不能滿足實際要求。

基于上述原因，單獨用SIEMENS TRAILON的聯動功能或COUPDEF的主軸同步功能都不能滿足實際工作需要。

經過大量試驗和對 SIEMENS 840D數控系統功能的深入研究，決定將SIEMENS 840D數控系統的單項功能有序組合起來，研究出新的、能滿足實際需求的控制方法。新的控制方法稱為同步主軸的位置控制。

在實際控制中，方法如下：首先利用SIEMENS 840D數控系統開機掃描程序功能，定義開機程序；把頭架C1軸和尾架C2軸當主軸用，進行同步位置控制（這是技術的難點），假設一個虛擬軸 V做主軸，用 M（正反轉）和 S（轉速）指令控制，然后用SIEMENS 840D系統中的聯動功能（不能直接聯動，見TRAILON詳細說明）。為了實現位置控制，設頭架C1軸和尾架C2軸為旋轉軸，虛擬軸V與頭架C1軸、頭架C1軸和尾架C2軸分別建立聯動關系。為了實現位置控制（只要 V旋轉，頭架C1軸和尾架 C2軸就同步而且是位置控制）。這樣用M（正反轉）和S（轉速）指令控制頭架C1軸和尾架 C2軸進行同步運動而且是位置控制，保證加工精度。運動關系建立了，為保證加工精度，接下來是如何觸發(fā)使虛擬主軸 V進行旋轉。這時運用SIEMENS 840D數控系統同步動作IDS功能和板載輸入功能，只要將硬件開關狀態(tài)賦值就能使虛擬主軸V旋轉。頭架C1軸和尾架C2軸實現同步運動，進行位置控制。用虛擬軸V做主軸，頭架C1軸和尾架C2軸為旋轉軸。虛擬軸V與頭架C1軸、頭架C1軸和尾架C2軸分別建立聯動關系。

4 結語

運用 SIEMENS 840D數控系統的多種功能可以解決大型曲軸磨床頭、尾架主軸的同步控制，但是由于曲軸上道工序的加工尺寸離散性太大（一般來說大曲軸都是單件生產或修理性加工），這對曲軸磨床自動化程度的提高產生了很大的困難，要從根本上解決問題，只有發(fā)展隨動型曲軸磨床。

傳統的大型曲軸磨床運用了 SIEMENS 840D數控系統，自動化程度仍可進一步地提高，同時可以增加：自動分度、端面自動對刀、自動切入、外徑測量、自動跟蹤中心架和拖板進給采用雙齒雙驅功能來實現。隨著科技的發(fā)展，大型曲軸磨床發(fā)展的道路將會更加寬廣。

[1] Siemens 840D HMI Programming Package[Z].2006.

[2] 西門子公司.西門子840D系統高級編程手冊[Z].2006.

[3] 王侃夫.機床數控技術基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[4] 周志雄，羅紅平，許第洪，等.切點跟蹤磨削法中工件的剛度誤差分析及其補償[J].機械工程學報， 2003，39(6)：98－101.

[5] 李 靜，何永義，沈南燕，等.西門子 SINUMERIK 840D數控系統中控制軟件的開發(fā)[J].精密制造與自動化，2007(4)：33－35.