實現SKODA鏜床數控改造Z／W軸的切換功能

摘  要：針對SKODA銑鏜床主軸箱的特點——鏜桿、滑枕共用一臺電機驅動，在數控改造中，應用SIEMENS 840D設定點交換功能實現兩個數控軸Z/W的切換功能。
關鍵詞： 設定點交換  SKODA鏜床 

Realization of the Axis Z/W Exchange Function of CNC Boring Machine from SKODA NC Alteration

HU Guoqing
Abstract：According to the characteristic of SKODA boring machine——boring bar & ram are drived by one motor, while in CNC reforming of the machine, the axis Z/W exchange function is realized by the setpoint exchange function of SIEMENS 840D.
Keywords：Setpoint exchange；SKODA boring machine
 
捷克SKODA公司生產的銑鏜床在我國的安裝量很多，且大多數是20世紀80年代及以前的產品，機床的結構、機械磨損程度、電氣設備老化等方面均到了改造的時候，其中一部分根據使用要求需改造成數控機床。這時，面臨的一個重要技術問題就是：如何解決Z/W軸切換的問題。
經過多臺SKODA銑鏜床的數控改造，特別是兩臺中應用SIEMENS 840D setpoint exchange功能成功改造，我公司積累了豐富的經驗，現就其改造方案與實施過程與同行交流，以作為同類機床改造的借鑒。
1．SKODA主軸箱結構特點
為了使下面的描述更直觀，先說明常見SKODA銑鏜床主軸箱的機械結構共同特點。如圖1，鏜桿（Z軸）和滑枕（W軸）采用一臺電機驅動，通過離合器切換選擇驅動對象，驅動電機的輸出齒輪與鏜桿、滑枕之間的離合齒輪傳動比均為1：1，安裝在鏜桿上的位置編碼器通過齒輪連接跟隨鏜桿或滑枕一起旋轉。如何在數控系統中實現Z、W兩個數控軸，給用戶以的前臺使用效果，需要做的后臺工作就是尋求一種方便實用同時節約成本的解決方案。
 
2．解決方案
    采用本章2.1節中描述的方案來解決問題，但其成本、周期、性和方便使用性等方面均有明顯的缺點，隨著系統功能的發展和SIEMENS 840D Setpoint Exchange功能的推出，使得一種理想的解決方案應運而生。 
2．1 方案1：改造機械結構
在Setpoint Exchange功能出來之前，受當時系統功能限制，采用如圖2所示，改造機械結構，重新設計制造主軸箱，分別通過兩臺伺服電機自帶的編碼器實現兩個軸的半閉環控制。電氣系統方面，需配置兩套驅動裝置，分別作為Z、W軸伺服電機的控制。在系統作為兩個標準的數控軸來處理。這種方案的費用是高昂的，改造周期也很長。這對機床數控改造來說，也是不可取的。
 
2．2方案2：兩個模塊驅動一臺電機
比改造機械結構的方案進了一步，減少了機械改造的工作量，從電氣方面實現兩個數控軸的功能，是以電氣彌補機械結構不足的方案。
驅動裝置連接如圖3，由圖可知，伺服電機的動力電源通過兩臺接觸器切換，滑枕／鏜桿位置編碼器反饋信號分別連接到相應的軸控制模塊，在數控系統硬件連接上是兩套獨立的裝置，只是通過外部連接的切換結合離合器的切換來實現Z、W軸的切換。另需在滑枕上增加安裝一只位置編碼器。
從連接圖不難看出：Z、W軸的切換需設置，動力電源的切換必然帶來線路干擾源增強和抗干擾能力的下降，接觸器的觸點壽命有限，勢必給日后的維護維修留下不足。另外，采用兩套驅動裝置驅動一臺電機，以及相關器件的配置，從經濟上看也增大了硬件成本。這個方案也是不可取的。

2．3 方案3：設定點交換方案
維持原有的機械結構和電氣驅動連接方式不變，一套裝置驅動，以軟件代替硬件的策略，運用SIEMENS公司840D數控系統的選項功能Setpoint Exchange輕松實現Z、W軸的切換，實現了方便實用、節約成本、縮短改造周期的愿望。
下面就以SIEMENS 840D數控系統為例介紹該方案的系統組成：采用一臺1FT6交流伺服電機驅動，將電機自帶的正弦波增量式編碼器（1Vpp，2048P/R）連接至Z／W軸控制模塊SIMODRIVE 611D的X411端口，作為Z／W軸的速度反饋；將安裝在鏜桿上的編碼器連接至X421端口，作為Z／W軸的位置反饋。安裝帶有Setpoint Exchange選項功能軟件的PC卡，通過設置機床參數結合S7-300 PLC程序控制實現Z／W兩個數控軸的功能，且均為閉環控制。
如果應用上要求Z軸或W軸有其它測量裝置（如光柵尺等），則可以將Z或W軸的測量反饋信號連接至其它只有一個測量裝置的軸控制模塊X421端口上。只需修改相應的機床參數即可。
如果1FT6電機尾部編碼器和鏜桿編碼器選用值型（EnDat），將會使用更方便（對于原為非數控型結構，不需增加參考點減速開關，不需每次上電后返參考點）。若機械結構上不方便在鏜桿／滑枕上安裝編碼器則可不裝，直接利用電機尾端編碼器實現半閉環控制，不影響系統的使用。
綜上所述，3個方案的比較歸納如表1所示
表1

   
3．設定點交換
SIEMENS 840D數控系統設定點交換功能適合于572.2或更高性能的NCU、NC版本為Ver4.4及以后產品，支持3軸之間的設定點交換。
設定點交換的實施條件：交換組中的軸是固定的、無報警激活且方式組就緒、沒有軸被其它設定點交換組激活、驅動系統完成了啟動。
    可以通過PLC控制是否激活該項功能，也可以通過PLC控制激活哪幾個軸進行設定點交換。
3．1 相關機床參數
通用機床參數包括：
MD63750[0/1/2] 設定點交換組的設定。可設定3個軸。
MD10000 設定機床軸名。
MD13000 驅動器激活。對于被交換的軸應不被激活（＝0）。
MD13010 驅動器邏輯編號。
另外幾個參數根據實際情況確定，在此略去。
軸參數包括：
MD30100 驅動器類型。設定點交換功能只適用于611D和PROFIBUS軸，該參數只能為1／5／6。
MD30110 對應驅動器號。
MD30130 設定值輸出類型。
MD30200 測量裝置數量。
MD30210 驅動器類型。
MD30220 測量驅動號。
MD30230 測量輸入端口號。
MD30240 測量裝置類型。
MD30350 模擬軸的軸信號輸出。
MD31050 相應軸的傳動比分母。
MD31060 相應軸的傳動比分子。
對于涉及到主軸的設定點交換時，則還有MD30300、MD30310、MD30320、MD35000、MD35590等參數。 
3．2 相關接口信號
DB3*.DBX24.5、DB3*.DBX24.6用于激活設定點交換功能（表2）。
表2

DB3*.DBX1.4 設定跟隨方式。
DB3*.DBX1.5 /1.6激活測量系統1/2。
DB3*.DBX2.1 控制器使能。
DB3*.DBX96.5、DB3*.DBX96.6設定點交換功能激活狀態。
如果增加編程用M代碼，則相應的接口信號要納入編程。
3．3 相關報警信息
報警號26018：驅動器類型不正確（MD30100參數）。
報警號75451：設定點交換組設定不正確（MD63750參數）。
報警號75452：通過PLC激活時發現交換條件不滿足。 
3．4 特別說明
完成了參數設置和控制程序后，就可以進行軸交換了，在MMC的“服務”下的“軸調整”中可以監測到相應軸的控制使能及測量信號的變化。
設定點交換功能也可用于主軸（SP）和分度軸（A）的功能交換，即主軸同時可以作為分度軸來使用（如數控立車的主軸等）。它的應用給控制系統帶來了很大的靈活性，是SIEMENS公司特別推出的一種開放性技術。