■ 南京高速齒輪制造有限公司 （江蘇 211100） 趙紅淑

1. 龍門(mén)軸在西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)上的應(yīng)用特點(diǎn)和參數(shù)控制

（1）龍門(mén)軸（GANTRY）簡(jiǎn)介。如圖1所示，X和Z軸分別有由兩個(gè)電動(dòng)機(jī)和兩個(gè)軸組成的兩個(gè)龍門(mén)軸控制系統(tǒng)，其中X1和Z1分別為主動(dòng)軸，X2和Z2為同步軸。

龍門(mén)軸結(jié)構(gòu)中所有的軸（≥2）分為主動(dòng)軸和同步軸，它們都有各自的位置環(huán)，同步軸的位置給定值由主動(dòng)軸給出，數(shù)控系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控主動(dòng)軸和同步軸之間的位置誤差值。每一根軸都有它自己?jiǎn)为?dú)的測(cè)量系統(tǒng)（龍門(mén)軸的伺服系統(tǒng)控制邏輯見(jiàn)圖2），比如光柵尺或者編碼器。由于龍門(mén)軸之間屬于硬聯(lián)接，這些軸的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)時(shí)必須絕對(duì)同步，否則整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)就會(huì)傾斜或扭曲。

圖1 龍門(mén)軸機(jī)床典型的結(jié)構(gòu)

圖2 龍門(mén)軸控制邏輯圖

（2）龍門(mén)軸主要參數(shù)設(shè)定。龍門(mén)軸功能是西門(mén)子系統(tǒng)的一個(gè)選項(xiàng)功能，這個(gè)功能叫做“Synchronous axes pair(GANTRY)”，此選項(xiàng)需開(kāi)啟參數(shù)19310的某一位，將其置1就能把GANTRY軸功能開(kāi)通。下面以SCHIESS機(jī)床的YL+YF龍門(mén)軸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

建立龍門(mén)軸組：

M D37100 G A N T RY_A X I S_TYPE[YL]=1；YL為龍門(mén)軸組1中的主動(dòng)軸

M D37100 G A N T RY_A X I S_TYPE[YF]=11；YF為龍門(mén)軸組1中的同步軸

設(shè)置龍門(mén)軸之間的位置監(jiān)控值：

當(dāng)龍門(mén)軸確定參考點(diǎn)以后，數(shù)控系統(tǒng)會(huì)不停監(jiān)控主動(dòng)軸和同步軸之間的位置差異，如果超過(guò)37110參數(shù)中設(shè)置的0.7，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)錯(cuò)“10652 Warning limit exceeded”，同時(shí)觸發(fā)接口信號(hào)DB3X.DBX101.3=1，此信號(hào)還可以在PLC中處理觸發(fā)各類報(bào)警信息等。

這表示當(dāng)主從軸的差值超過(guò)1，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)錯(cuò)“10653 Error limit exceeded”，同時(shí)觸發(fā)接口信號(hào)DB3.DBX101.2=1，軸緊急停車(chē)，并且系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)取消兩軸的同步關(guān)系。

這表示龍門(mén)軸組在回參考點(diǎn)方式下或確定參考點(diǎn)之前移動(dòng)時(shí)位置偏差超過(guò)1時(shí)也會(huì)出現(xiàn)“10653 Error limit exceeded”，同時(shí)觸發(fā)接口信號(hào)D B 3 X.DBX101.2=1，并且系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)取消兩軸的龍門(mén)軸關(guān)系。

這個(gè)參數(shù)0表示GANTRY組合中的軸仍然同步，各種偏差監(jiān)控功能仍然有效。1表示取消GANTRY組合中的軸同步，此時(shí)各個(gè)軸可以分開(kāi)單獨(dú)移動(dòng)，且參數(shù)中設(shè)置的各種監(jiān)控功能也被取消，軸之間的保護(hù)功能也就被取消了，同時(shí)接口信號(hào)DB3X.DBX101.5=0。

在以上主要參數(shù)了解后還要細(xì)化以下參數(shù)，只有在主動(dòng)軸和同步軸控制參數(shù)設(shè)定了相同的動(dòng)態(tài)響應(yīng)值時(shí)，龍門(mén)軸控制起來(lái)才能更精確同步。這些參數(shù)主要涉及位置、速度和電流等。比如：MD32200 POSCTRL_GAIN位置環(huán)的增益，此參數(shù)不一致可能引起兩根軸的位置響應(yīng)不一致，出現(xiàn)抖動(dòng)等問(wèn)題。另外關(guān)于軸加速度JERK的控制必須一致，如MD32410 AX_JERK_ENABLE等。

（3）參考點(diǎn)調(diào)整設(shè)置和應(yīng)用。龍門(mén)軸系統(tǒng)設(shè)置好后，參考點(diǎn)的設(shè)置也是非常重要的，以SCHIESS為例，本設(shè)備YL和YF都是增量的光柵尺LB382C（海德漢），重新上電后需要返回參考點(diǎn)，該過(guò)程可以分為3步：①主動(dòng)軸先回參考點(diǎn)，同步軸不回而是隨著主動(dòng)軸進(jìn)行移動(dòng)。②主動(dòng)軸回完參考點(diǎn)后同步軸回參考點(diǎn)，此時(shí)主動(dòng)軸也是隨著同步軸移動(dòng)。③當(dāng)龍門(mén)軸所有軸參考點(diǎn)都回完參考點(diǎn)后它們必須依據(jù)事先定義好的參數(shù)進(jìn)行同步。

初次調(diào)整時(shí)要先將MD37110GANTRY_POS_TOL_WARNING[YL]設(shè)為0，這樣以防在初次回零時(shí)，兩軸零點(diǎn)不一致導(dǎo)致一直報(bào)警，待回完參考點(diǎn)后呈現(xiàn)的狀態(tài)是同步軸YF坐標(biāo)為零，主動(dòng)軸YL坐標(biāo)顯示為某個(gè)值，將此值輸入到同步軸的MD34090或MD34080中，這樣再重新回參考點(diǎn)后就可以實(shí)現(xiàn)兩根軸坐標(biāo)都為零。最后還要記得為MD37110設(shè)置合理的報(bào)警值。

在了解了以上的回零設(shè)置后就可以應(yīng)用于機(jī)床的調(diào)整了，比如SCHIESS機(jī)床就出現(xiàn)了方滑枕Z軸和Y軸的垂直度有0.65mm/1 000mm的偏差，如圖3所示。

在機(jī)械方面難以調(diào)整時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整龍門(mén)軸Y的兩根軸的零點(diǎn)位置關(guān)系改變方滑枕的運(yùn)動(dòng)軌跡。本例就是將YF軸人為向上移動(dòng)（見(jiàn)圖4），從而使主軸端向上翹，具體移動(dòng)量要配合大理石量具測(cè)量調(diào)整。該過(guò)程要將龍門(mén)軸先拆分開(kāi)MD37140GANTRYBREAK_UP[YL]=1，然后手動(dòng)微調(diào)YF軸向上移動(dòng)，在YZ垂直度關(guān)系達(dá)到要求后，將YF移動(dòng)的距離輸入到MD34090中，最后將龍門(mén)軸重新建立參考點(diǎn)。但此過(guò)程一定要注意，Y軸拆分時(shí)已不是龍門(mén)軸（YL和YF獨(dú)立動(dòng)作），所以只能微調(diào)以防止調(diào)整過(guò)大給機(jī)械帶來(lái)?yè)p傷。調(diào)整過(guò)程中可以通過(guò)觀察YL和YF軸的負(fù)載變化情況來(lái)確定調(diào)整量是否合理（一般不超過(guò)20%）。若負(fù)載過(guò)大就不能強(qiáng)硬調(diào)整，必須通過(guò)機(jī)械調(diào)整或垂直度補(bǔ)償來(lái)解決YZ垂直度過(guò)大的問(wèn)題。

圖 3

圖 4

2. 主從軸在西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)上的應(yīng)用特點(diǎn)和參數(shù)控制

（1）主從軸(M A S T E RSLAVE)簡(jiǎn)介。SCHIESS臥式鏜銑加工中心的X軸即為主從軸，主動(dòng)軸為XM，從動(dòng)軸為XS。它是用于在同一個(gè)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上有兩個(gè)獨(dú)立電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的同一個(gè)機(jī)床軸單元，如圖5所示。兩電動(dòng)機(jī)之間產(chǎn)生一定的張力，該張力用于消除齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中齒輪間的間隙和反向間隙，以及增加驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)矩等。

主從軸結(jié)構(gòu)里只有主動(dòng)軸（MASTER）有位置環(huán)，所以只有主動(dòng)軸有光柵尺，從動(dòng)軸(SLAVE)只有電流環(huán)和位置環(huán)，給定值是由主動(dòng)軸發(fā)出。從這點(diǎn)來(lái)看，主從軸的硬件配置是要少于龍門(mén)軸的。要想實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩和同步性，還要通過(guò)參數(shù)調(diào)整確定主動(dòng)軸和從動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩分配。主從結(jié)構(gòu)在伺服控制系統(tǒng)中的控制邏輯如圖6所示。

（2）主從軸主要參數(shù)設(shè)定。主從軸功能也是西門(mén)子系統(tǒng)的一個(gè)選項(xiàng)功能，這個(gè)功能叫做“Master/slave for drives”，此選項(xiàng)功能需開(kāi)啟參數(shù)19310的某一位，將其置1就能把主從軸功能開(kāi)通。主從功能的配置只設(shè)置在從動(dòng)軸中，且有靜態(tài)設(shè)定和動(dòng)態(tài)設(shè)定兩種方法，下面對(duì)SCHIESS機(jī)床的XM+XS主從軸靜態(tài)設(shè)置數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

MD37250 MS_ASSIGN_SPEED_TORQUE_CMD[XS]=1

從動(dòng)軸XS設(shè)定相應(yīng)的主從速度控制的主動(dòng)軸的軸號(hào)為1（即XM軸）。

MD37252 MS_ASSIGN_MASTER_TORQUE_CTR[XS]=1

從動(dòng)軸XS設(shè)定相應(yīng)的主從轉(zhuǎn)矩控制的主動(dòng)軸的軸號(hào)為1。

M D37262 M S_C O U P L I N G_ALWAYS_ACTIVE=1

NC啟動(dòng)后一直激活主從控制功能。至此基本的主從功能產(chǎn)生，但是要想精確地控制主從結(jié)構(gòu)的使用效果，還要對(duì)西門(mén)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制器進(jìn)行設(shè)置，該控制器會(huì)根據(jù)主從軸的轉(zhuǎn)矩差別產(chǎn)生一個(gè)額外的速度輸入給定值SETPOINT。涉及的部分參數(shù)比如： MD37254 MS_TORQUE_CTRL_MODE=0 表明轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償是對(duì)主動(dòng)/從動(dòng)軸一起補(bǔ)償。

圖5 主從軸結(jié)構(gòu)

圖6 主從軸控制邏輯圖

MD37268 MS_TORQUE_WEIGHT_SLAVE[XS]=50%表明分配從動(dòng)軸的附加轉(zhuǎn)矩的百分比。那么主動(dòng)軸的附加轉(zhuǎn)矩百分比就為1－50%＝50%。

另外西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)還有個(gè)張力轉(zhuǎn)矩控制指令：M D37264 M S_T E N S I O N_TORQUE[XS]=50%，此參數(shù)可以使主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間產(chǎn)生移動(dòng)的張力（前提是轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能激活）。由于本設(shè)備的X軸所承載的負(fù)載比較大，所以張力值設(shè)定的也比較大。值過(guò)大的話在軸靜止時(shí)容易使電動(dòng)機(jī)的溫度過(guò)高，所以要設(shè)定合理。

（3）參考點(diǎn)調(diào)整設(shè)置和應(yīng)用。主從控制只有一個(gè)閉環(huán)，從動(dòng)軸沒(méi)有回參考點(diǎn)過(guò)程，所以回參考點(diǎn)過(guò)程和普通軸一樣。SCHIESS機(jī)床在實(shí)際使用過(guò)程中主從軸也沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題，穩(wěn)定性很高。

3. 結(jié)語(yǔ)

目前我公司生產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電齒輪箱，產(chǎn)品“塊頭”越來(lái)越大，設(shè)備的“個(gè)子”也越來(lái)越高，好多數(shù)控設(shè)備的軸都要采用龍門(mén)結(jié)構(gòu)和主從結(jié)構(gòu)，只有這樣配置軸才能達(dá)到更好的轉(zhuǎn)矩值和穩(wěn)定性，也能夠適應(yīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)本體過(guò)大帶來(lái)的負(fù)載過(guò)大的情況，同時(shí)提高了動(dòng)態(tài)性能和可靠性。

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[1] Siemens Co.Ltd. Siemens DOConCD [Z]．2007．

[2] Siemens Co.Ltd. SINUMERIK 840D Special Functions [Z]．2008．