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      電子齒輪在SKODA W250H落地鏜銑床再制造中的應用

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      摘要:應用SINUMERIK 840DE的電子齒輪功能,詳細闡述了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量近千臺,這些機床大都已經過再制造或面臨再制造的需求。由于其主軸箱結構的特點,在該類型機床再制造過程中都面臨主軸電機是否更換以及鏜桿與滑枕傳動鏈是否分離的問題。
      由于原主軸電機為直流電機,且整體安裝在主軸箱殼體內,更換主軸電機需對殼體進行加工,所以大多數SKODA鏜床再制造時未進行更換,只是對主軸電機進行大修或保養,采用直流驅動裝置調速,應用模擬量模塊實現模擬主軸功能。SKODA鏜床的鏜桿與滑枕進給是共用一臺電機驅動,通過電磁離合器進行切換,通常在再制造時采用設定點交換來實現鏜桿與滑枕雙數控軸功能。
      為了徹底解決因結構引起的再制造困難,我公司針對該結構對鏜桿(Z軸)與滑枕(W軸)傳動鏈的分離進行重新設計與制造,利用原有主軸箱結構實現了主軸電機更換和Z/W軸分離。本文就該方案對一臺SKODA W250H落地鏜銑床再制造中采用的數控技術進行闡述,希望能給同行帶來一些啟發。
      1.      問題來源
      受鏜桿與滑枕傳動鏈結構的約束,重新設計后的鏜桿與滑枕需按照一定的規則運動:鏜桿可獨立前后全行程移動,但滑枕移動時鏜桿需同速度同方向地移動。這需要應用電子齒輪來實現Z、W軸的運動關系。
      通常情況下,將Z軸簡單地作為電子齒輪軸處理即可(如執行NC指令EGDEF(Z,W,1)、EGON(Z,“FINE”,W,1,1)),但實際應用中會發現Z軸按增量方式(G91)進給是正確的,但按照絕對方式(G90)進給則不對,其原因是由于系統將耦合狀態下Z軸移動的行程不計入Z軸的位置變化。
      2.      解決方法
      2.1   系統配置
      該機床采用西門子SINUMERIK 840DE數控系統,再制造后的Z、W和主軸均為獨立的數控軸,采用獨立的SIMODRIVE 611D驅動相應的電機,其中Z、W軸伺服電機(型號1FT6108-8AC71-4EG1)均自帶EnDat絕對值編碼器,半閉環控制。
      系統NCU選用NCU572.5功能,配置電子齒輪和垂度補償選項功能。整個機床的數控系統配置PCU50.3、OP015A和MCP483C機床控制面板,在操作走臺上安裝了HHU手持單元。主軸電機更換為西門子1PH7226-2ND03-0AC3(92kW,1000/3100rpm)交流主軸電機,并安裝主軸位置編碼器,實現全數控主軸,并具有主軸定向、螺紋切削、攻絲等功能。
      2.2   電子齒輪
      為解決這個問題,需設置電子齒輪軸組Z、W、EG,其中Z軸為虛擬軸,Z、W軸為主導軸,EG軸為電子齒輪軸,W、EG分別對應物理W、Z軸,NC參數配置如下:
      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軸設定值輸出不激活
      N30132 $MA_IS_VIRTUAL_AX[0,AX3]=1     ;Z軸設為虛擬軸
      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,所以需設置MD20110 $MC_RESET_MODE_MASK的bit15=“0”,即電子齒輪在復位/程序結束后保持有效。
      編制電子齒輪耦合子程序LINK_ZW.SPF,內容如下:
      EGDEF(EG,Z,1,W,1)   ;定義EG軸為電子齒輪軸,Z、W軸為主導軸,以設定值耦合
      EGON(EG,"FINE",Z,1,1,W,1,1) ;激活電子齒輪軸組,EG運動關系與Z、W均為同向1:1
      M30
      編制電子齒輪耦合子程序UNLINK_ZW.SPF(該程序只是用于故障處理,通常不需要執行),內容如下:
      EGOFS(EG,Z,W)       ;解除EG與Z、W軸之間的耦合關系
      EGDEL(EG)           ;刪除電子齒輪耦合軸組
      M17
      按照以上方式處理后的Z軸位置即為鏜桿的實際機床坐標值,W軸即為實際的滑枕物理軸。不管是G90,還是G91編程方式,Z、W軸的運動均正常,但一旦機床重新上電,則Z軸的機床坐標值就變為0,這顯然不符合應用需求。這就需要Z軸具有參考點記憶功能,一旦確定了機床零點Z值,則不隨重新上電或NCK復位而丟失。
      2.3   參考點標識
      對于物理數控軸來說,可以由絕對值測量裝置來保持其參考點值,但Z軸是虛擬軸,就是設置其為參考點保持,重新上電后其值仍然會變為零。
      為了解決這個問題,需編制一個PLC程序塊FC501,其內容包括以下步驟:
      1)   在PLC中調用FB2功能塊,在機床重新上電時讀取EG、W軸的機床坐標值(一旦機床零點確定,則Z與EG、W軸的機床坐標值之間存在一定的數學關系);
      2)   由于EG、W均為絕對值測量裝置,所以重新上電后有參考點標識,其坐標值為實際機床坐標值。由讀取的EG和W軸坐標值,計算出Z軸應有的坐標值mz,并將mz通過FB3功能塊寫入到MD34100[0,Z]中(寫入之前通過FB4功能塊登錄“制造商”權限,待后臺執行“通道復位”指令使該參數生效后退出登錄);
      3)   通過PLC后臺控制在REF方式下,使Z軸建立參考點標識,則其坐標值會自動修改為Z軸應有的坐標值mz。
      2.4   功能完善
      為了使用戶在使用機床時感覺不到Z、W和EG的關系,且不需要知道有EG軸的存在,所以需設置MMC畫面顯示中去掉EG軸,并修改機床控制面板MCP483C的控制程序FC19功能塊,屏蔽掉第6、7、8、9軸,使用戶操作機床時不能選擇EG軸,并在按第6、7、8、9軸空白按鈕時當前被選軸不被復位,修改內容如下:
          mks1: L     LW [AR2,P#4.0]             //MCPIn45 load
            AW   W#16#CE0                 //原為EE7,屏蔽軸6、7、8、9
            L     #AxisNo                   //does not change the display bits
            JZ    kea2
      mks2: A    #wksold
            JC    mks4
            T     #mksaxisold               //Save old selected axis
      mks4: L     LD [AR2,P#10.0]            //Load from MCPOut23  onwards
            AD    DW#16#9F3FFEFF           //原為8F31FEFF,屏蔽軸6、7、8、9
      由于Z、W、EG電子齒輪軸組為永久性耦合,且在機床通電狀態下保持耦合特性不變,所以需要在機床一上電時即需自動執行LINK_ZW.SPF,因此需應用事件觸發異步子程序功能,即在機床上電($P_PROG_EVENT==4)時,觸發執行一次LINK_ZW.SPF,方法如下:
      N20108 $MC_PROG_EVENT_MASK='H8'  ;激活“重新上電”事件觸發功能
      N11620 $MN_PROG_EVENT_NAME="LINK_EVENT";定義事件驅動異步子程序名為LINK_ EVENT.SPF,該文件通常存放在“制造商循環”目錄下,并裝載到NC中。
      編寫LINK_EVENT.SPF程序內容如下:
      IF ($P_PROG_EVENT==4)  ;重新上電事件觸發
      LINK_ZW                   ;執行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)作為機床啟動條件之一,串聯在機床啟動程序中。
       
      3.      結語
      該機床經過近一年的實際加工運行與操作,所有功能均運行正常,每次上電或NCK復位后,MMC顯示Z軸帶有參考點標識,并且其數值是系統重啟前的實際機床坐標值。在操作方面,雖然Z軸為虛擬軸,EG軸對應了實際鏜桿的伺服電機,但是經過這樣的處理后,Z軸對應了實際操作與編程的Z軸(即為鏜桿),完全沒有影響到常規的操作方式和習慣。在加工編程中,還是以Z軸編程,加工操作上沒有任何不便,可以說已達到了較理想的效果。
      采用這個方案對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,供同行技術人員共同探討。

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