电子齿轮在SKODA W250H落地镗铣床再制造中的应用

武汉华中自控技术发展有限公司  张旭宇

摘要：应用SINUMERIK 840DE的电子齿轮功能，详细阐述了SKODA落地镗铣床整体再制造过程中Z、W轴分离后的数控功能问题的解决方法。

 

捷克SKODA公司的重型落地镗铣床在中国的使用数量近千台，这些机床大都已经过再制造或面临再制造的需求。由于其主轴箱结构的特点，在该类型机床再制造过程中都面临主轴电机是否更换以及镗杆与滑枕传动链是否分离的问题。

由于原主轴电机为直流电机，且整体安装在主轴箱壳体内，更换主轴电机需对壳体进行加工，所以大多数SKODA镗床再制造时未进行更换，只是对主轴电机进行大修或保养，采用直流驱动装置调速，应用模拟量模块实现模拟主轴功能。SKODA镗床的镗杆与滑枕进给是共用一台电机驱动，通过电磁离合器进行切换，通常在再制造时采用设定点交换来实现镗杆与滑枕双数控轴功能。

为了彻底解决因结构引起的再制造困难，我公司针对该结构对镗杆（Z轴）与滑枕（W轴）传动链的分离进行重新设计与制造，利用原有主轴箱结构实现了主轴电机更换和Z/W轴分离。本文就该方案对一台SKODA W250H落地镗铣床再制造中采用的数控技术进行阐述，希望能给同行带来一些启发。

1.      问题来源

受镗杆与滑枕传动链结构的约束，重新设计后的镗杆与滑枕需按照一定的规则运动：镗杆可独立前后全行程移动，但滑枕移动时镗杆需同速度同方向地移动。这需要应用电子齿轮来实现Z、W轴的运动关系。

通常情况下，将Z轴简单地作为电子齿轮轴处理即可（如执行NC指令EGDEF（Z，W，1）、EGON（Z，“FINE”，W，1，1）），但实际应用中会发现Z轴按增量方式（G91）进给是正确的，但按照绝对方式（G90）进给则不对，其原因是由于系统将耦合状态下Z轴移动的行程不计入Z轴的位置变化。

2.      解决方法

2.1   系统配置

该机床采用西门子SINUMERIK 840DE数控系统，再制造后的Z、W和主轴均为独立的数控轴，采用独立的SIMODRIVE 611D驱动相应的电机，其中Z、W轴伺服电机（型号1FT6108-8AC71-4EG1）均自带EnDat绝对值编码器，半闭环控制。

系统NCU选用NCU572.5功能，配置电子齿轮和垂度补偿选项功能。整个机床的数控系统配置PCU50.3、OP015A和MCP483C机床控制面板，在操作走台上安装了HHU手持单元。主轴电机更换为西门子1PH7226-2ND03-0AC3（92kW，1000/3100rpm）交流主轴电机，并安装主轴位置编码器，实现全数控主轴，并具有主轴定向、螺纹切削、攻丝等功能。

2.2   电子齿轮

为解决这个问题，需设置电子齿轮轴组Z、W、EG，其中Z轴为虚拟轴，Z、W轴为主导轴，EG轴为电子齿轮轴，W、EG分别对应物理W、Z轴，NC参数配置如下：

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                   ；电子齿轮轴组数量

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轴设定值输出不激活

N30132 $MA_IS_VIRTUAL_AX[0,AX3]=1     ；Z轴设为虚拟轴

N30240 $MA_ENC_TYPE[0,AX3]=0

N30350 $MA_SIMU_AX_VDI_OUTPUT[AX3]=1    ；虚拟轴Z也输出VDI接口信号到PLC

N37200 $MA_COUPLE_POS_TOL_COARSE[AX6]=1 ；EG轴耦合粗同步最大允许误差

N37210 $MA_COUPLE_POS_TOL_FINE[AX6]=0.5   ；EG轴耦合精同步最大允许误差

由于该电子齿轮轴组为固定耦合，所以需设置MD20110 $MC_RESET_MODE_MASK的bit15=“0”，即电子齿轮在复位/程序结束后保持有效。

编制电子齿轮耦合子程序LINK_ZW.SPF，内容如下：

EGDEF(EG,Z,1,W,1)   ；定义EG轴为电子齿轮轴，Z、W轴为主导轴，以设定值耦合

EGON(EG,"FINE",Z,1,1,W,1,1) ；激活电子齿轮轴组，EG运动关系与Z、W均为同向1:1

M30

编制电子齿轮耦合子程序UNLINK_ZW.SPF（该程序只是用于故障处理，通常不需要执行），内容如下：

EGOFS(EG,Z,W)       ；解除EG与Z、W轴之间的耦合关系

EGDEL(EG)           ；删除电子齿轮耦合轴组

M17

按照以上方式处理后的Z轴位置即为镗杆的实际机床坐标值，W轴即为实际的滑枕物理轴。不管是G90，还是G91编程方式，Z、W轴的运动均正常，但一旦机床重新上电，则Z轴的机床坐标值就变为0，这显然不符合应用需求。这就需要Z轴具有参考点记忆功能，一旦确定了机床零点Z值，则不随重新上电或NCK复位而丢失。

2.3   参考点标识

对于物理数控轴来说，可以由绝对值测量装置来保持其参考点值，但Z轴是虚拟轴，就是设置其为参考点保持，重新上电后其值仍然会变为零。

为了解决这个问题，需编制一个PLC程序块FC501，其内容包括以下步骤：

1)   在PLC中调用FB2功能块，在机床重新上电时读取EG、W轴的机床坐标值（一旦机床零点确定，则Z与EG、W轴的机床坐标值之间存在一定的数学关系）；

2)   由于EG、W均为绝对值测量装置，所以重新上电后有参考点标识，其坐标值为实际机床坐标值。由读取的EG和W轴坐标值，计算出Z轴应有的坐标值mz，并将mz通过FB3功能块写入到MD34100[0，Z]中（写入之前通过FB4功能块登录“制造商”权限，待后台执行“通道复位”指令使该参数生效后退出登录）；

3)   通过PLC后台控制在REF方式下，使Z轴建立参考点标识，则其坐标值会自动修改为Z轴应有的坐标值mz。

2.4   功能完善

为了使用户在使用机床时感觉不到Z、W和EG的关系，且不需要知道有EG轴的存在，所以需设置MMC画面显示中去掉EG轴，并修改机床控制面板MCP483C的控制程序FC19功能块，屏蔽掉第6、7、8、9轴，使用户操作机床时不能选择EG轴，并在按第6、7、8、9轴空白按钮时当前被选轴不被复位，修改内容如下：
    mks1: L     LW [AR2,P#4.0]             //MCPIn45 load

      AW   W#16#CE0                 //原为EE7，屏蔽轴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           //原为8F31FEFF，屏蔽轴6、7、8、9

由于Z、W、EG电子齿轮轴组为永久性耦合，且在机床通电状态下保持耦合特性不变，所以需要在机床一上电时即需自动执行LINK_ZW.SPF，因此需应用事件触发异步子程序功能，即在机床上电（$P_PROG_EVENT==4）时，触发执行一次LINK_ZW.SPF，方法如下：

N20108 $MC_PROG_EVENT_MASK='H8'  ；激活“重新上电”事件触发功能

N11620 $MN_PROG_EVENT_NAME="LINK_EVENT"；定义事件驱动异步子程序名为LINK_ EVENT.SPF，该文件通常存放在“制造商循环”目录下，并装载到NC中。

编写LINK_EVENT.SPF程序内容如下：

IF （$P_PROG_EVENT==4）  ；重新上电事件触发

LINK_ZW                   ；执行LINK_ZW.SPF程序，激活电子齿轮轴组

ENDIF

M17

最后需在PLC程序中将DB36.DBX98.0（电子齿轮轴EG激活，且完成精同步）作为机床启动条件之一，串联在机床启动程序中。

 

3.      结语

该机床经过近一年的实际加工运行与操作，所有功能均运行正常，每次上电或NCK复位后，MMC显示Z轴带有参考点标识，并且其数值是系统重启前的实际机床坐标值。在操作方面，虽然Z轴为虚拟轴，EG轴对应了实际镗杆的伺服电机，但是经过这样的处理后，Z轴对应了实际操作与编程的Z轴（即为镗杆），完全没有影响到常规的操作方式和习惯。在加工编程中，还是以Z轴编程，加工操作上没有任何不便，可以说已达到了较理想的效果。

采用这个方案对于镗杆与滑枕的功能处理方面工作量比较大，也许还有更好的解决办法，希望此文能起到抛砖引玉的作用，供同行技术人员共同探讨。

点:

http://pan.baidu.com/s/1eQrCvuy

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>[文章编入:2013中国机电装备维修与改造技术协会论文集(2013.9)]