中国一重集团有限公司设备能源管控中心设备维修厂 黑龙江省齐齐哈尔 161042
摘要：进给轴在位置环建立后，如果传动比突然变化，即变速实现，则最大速度、进给速度、跟随误差、定位精度等都会相应改变，如何平滑顺畅实现变速而不引发报警，是一个难题。本文阐述了实现方法。
关键词：位置环，进给轴多级变速，KV系数，跟随误差
引言：
课题必要性
主轴变速功能在所有使用ISO代码的数控系统中都规定了一些特定代码和功能，比如西门子840D系列中，辅助应答代码M41-M45分别代表了主轴的I、II、III、IV、V档，这些档位的传动比参数可以提前预设写入，为31050和31060，当主轴变速完成后，对应接口信号DBX16.3为1，同时DBX16.0、DB16.1、DBX16.2组合起来反馈当前档位信号[1]，读取对应档位的传动比和对应档位的最大速度值，则所有参数都能匹配起来，档位变换产生的轮廓偏差、定位误差等都可分别调整，可以实现加工编程中的速度变换。
进给轴多级变换功能则没那么容易实现，因为840D系统中没有在参数设计中充分考虑进给轴多级变速功能，对于进给轴变速后的最大进给速度、轮廓偏差、传动比等都没有设置对应档位参数组，最关键的问题是，西门子没有相应的接口信号通知NC系统该进给轴当前档位，无法将实际档位与参数系统有机结合起来，那么就会出现进给轴变速后，引发轮廓偏差、定位误差等频繁报警。
那么,进给轴多级变速是否有必要保留呢？在现代新机床设计中，进给轴多级速度很少看到，因为在新机床设计中，通过电机功率、转速、传动比、安装空间匹配，可以满足一台机床的所有加工需求，不需要有机械变速。但是，在一些旧机床改造中，则不能面面俱到。比如我改造的一台SKODA产SUT200型重型卧车为例，原来通过I级变速增大输出转矩、降低进给速度，用于粗加工；通过II级变速提高进给速度、降低输出转矩，用于精加工[2]。做改造方案时，如果只保留一个档位，由于电机安装空间极其狭窄，可选择的伺服电机不能满足原有加工需求，要么进给速度太低，要么输出转矩不够，机床的改造就不能取得满意的效果，所以，必须实现进给的多级变速。
在我最近的数控机床改造过程中，接连发现了三例这种问题，于是，如何平滑稳定实现进给轴多级变速，而且使位置环不报警，这就成了一个重要的问题。经过多次摸索，我们终于攻克了这个难题。
实现方法
以SUT200型数控卧车为例，刀台X、Z分别都具有两级变速，其中，X轴电机自带编码器，外置光栅尺，I级传动比为1:18，II级传动比为1:3；Z轴电机自带编码器，外置一个编码器做位置环，位置环编码器自带一个减速箱，I级传动比为1:6，II级传动比为1:2，位置环编码器传动箱传动比为2:5。分别以这两种情况来描述进给轴多级变速的实现。
情况一：光栅尺做位置环，以X轴为例
实现步骤：
1、检查传动比。与传动比相关的31050（负载齿轮箱分母）、31060（负载齿轮箱分子）、31064（附加齿轮箱分母）、31066（附加齿轮箱分子）这几个参数必须设置为默认值1， 31030（滚珠丝杠螺距）也按默认值10设置，反向间隙补偿32450清掉，且X轴应激活的是不带光栅尺的第一测量系统（DB31.DBX1.5=1）。前置条件满足后，X轴切换到I级，在X轴终端压上一块百分表，向一个方向开1mm，此时可消除反向间隙，然后百分表清零，再向前开1mm，实际百分表走多些，比如实际百分表动0.2mm，则传动比为1:0.2=5:1，将此传动比写入31064、31066，然后再压百分表，看是否准确，如果有微量误差，将传动比细分为500:101、5000:999等进行尝试，直到误差进一步减小到可忽略不计。如果追求更加精确的数显精度，可以通过激光干涉仪进行螺距误差补偿。记录下I级的传动比，然后切换到II级，将31064、31066清掉，重新进行上述步骤，得到II级的传动比。
2、建立定义文件。得到I、II级的传动比后，开始写定义文件。在840Dsl的“调试”菜单里找到“系统数据”菜单，再找到“定义”文件夹。在该文件夹内新建一个定义文件，默认客户自定义文件名为MMAC.DEF。
打开该文件，在该文件内写入如下内容：
DEF M51 AS MLX1
DEF M52 AS MLX2 ；M51/M52调用*.SPF子程序
然后保存退出，则系统开始自动编译该定义文件，如果文件内容书写无错误，则编译可顺利通过，若编译不通过，请检查书写。这里，MLX1.SPF为X轴I级变速子程序，MLX2.SPF为X轴II级变速子程序。
3、建立变速子程序。定义文件建立后，可以在“制造商循环”文件夹内建立MLX1、MLX2变速启动子程序。该子程序的作用有两个，一个是驱动PLC程序进行变速执行元件的动作，比如离合器等；一个是写变速相关参数，包括传动比、最大进给速度等。
MLX1.SPF子程序如下：
M53 ；变速的条件
G4F3 ；停顿3s
$MA_DRIVE_AX_RATIO2_DENOM=1 ；写31064
$MA_DRIVE_AX_RATIO2_NUMERA=18 ；写31066
$MA_POSCTRL_GAIN=0.6 ；写32200
$MA_MAX_AX_VELO=1000 ；写32000
NEW CONF ；即时生效
M30
上述四个参数的生效方式均为CF，可以使用NEW CONF即时生效，生效方式为PO的则不可以。
4、编制PLC程序。NC方面的准备已经就绪，接下来就可以编制PLC程序了。
5、全环试车。当在MDA方式下执行M51时，则31064、31066等自动按照MLX1.SPF内设置更改；执行M52时，上述参数按照MLX2.SPF内设置更改。在I档、II档速度下，同样的电机速度，X轴的速度已经按传动比切换过来。此时，可以激活带光栅尺的第二测量系统（DB31.DBX1.6=1）。按照常规设置，将31000、31040均设置为1，全环设置完成。注意，若31040为0，则NCU会检测31050、31060的数值，当挂光栅尺时，会出现轮廓监控报警、不受控制等现象。由于光栅尺直连，31070（编码器齿轮箱分母）、31080（编码器齿轮箱分子）默认为1即可。
情况二：编码器外带减速箱做位置环，以Z轴为例。
实现步骤与上面完全一样，但设置参数有略微差别。31000、31040必须设置为0，同时，31044必须设置为1。由于编码器中间有传动比，那么31070、31080必须设置。
结束语：
进给多级变速通过这种方法实现，不仅拓宽了设备维修人改造机床的思路，减少了不必要的机械结构修改，而且更为其他一些特殊功能的实现提供了更加简便易行的思路。
参考文献：
【1】《西门子840Dsl简明调试手册》，西门子编制，2012年版
【2】《机床数控化改造技术》，罗永顺编，机械工业出版社，2008年5月第一版
【3】《西门子840Dsl参数手册》，西门子编制，2014年版
【4】《西门子840Dsl编程手册-基础部分》，西门子编制，2010年版