可交換式雙擺頭設(shè)計(jì)過程中編碼器類型的選擇

徐兆成 隋海倬 劉春時(shí)

(沈陽機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽110142)

隨著數(shù)控機(jī)床的不斷發(fā)展，銑頭可交換的5軸機(jī)床已成為高檔數(shù)控機(jī)床的一種趨勢，主要應(yīng)用于汽車工業(yè)中的模具制造、原型制造、大型鋼模和鑄鐵模具的制造以及航空航天工業(yè)中的復(fù)雜零件加工、應(yīng)用于原金屬90%以上的鋁結(jié)構(gòu)的加工、應(yīng)用于在動力設(shè)備制造中難加工材料的加工。由于標(biāo)配可自動交換雙擺銑頭，高低速主軸搭配滿足一次裝卡從粗到精加工要求，工件可在一次裝夾后，完成多種工序的五面加工和多種空間方向的銑、鉆等加工。是加工精度要求較高、形狀復(fù)雜零件和模具行業(yè)、航空航天工業(yè)的理想設(shè)備，特別是針對加工難度更大的航空透明體模具，能夠滿足對透明件注射成形模具實(shí)施從粗到精加工，確保加工精度和表面質(zhì)量的要求。

由于在自動交換雙擺銑頭時(shí)，需要同時(shí)更換擺頭中相應(yīng)軸(如本文范例機(jī)床中的主軸與A軸)的電動機(jī)與編碼器，而針對不同類型的數(shù)控系統(tǒng)，在同時(shí)交換電動機(jī)與編碼器時(shí)，對編碼器類型的選擇是有嚴(yán)格的技術(shù)要求的，不同的數(shù)控系統(tǒng)對于不同的編碼器類型，有些組合是可以實(shí)現(xiàn)自動交換雙擺銑頭，而有些組合是無法實(shí)現(xiàn)自動交換的。下面主要介紹西門子840D系統(tǒng)及海徳漢iTNC530系統(tǒng)在交換銑頭過程中，對于選擇增量式編碼器、絕對式編碼器的可行方案及技術(shù)要求，只有在機(jī)械、電氣設(shè)計(jì)之初考慮好換頭時(shí)應(yīng)用的數(shù)控系統(tǒng)與編碼器類型是否可行，才可以避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失與浪費(fèi)。

1 編碼器類型的選擇及參數(shù)設(shè)置

1．1 基于西門子840D系統(tǒng)的編碼器

首先需要注意的問題是，在自動交換雙擺銑頭的過程中，需要同時(shí)交換電動機(jī)與編碼器。對于電動機(jī)而言，交換只能在同類型的電動機(jī)間進(jìn)行，即同步電動機(jī)與同步電動機(jī)之間互相交換，異步電動機(jī)與異步電動機(jī)間互相交換，同步電動機(jī)與異步電動機(jī)是無法進(jìn)行交換的。其次，對于實(shí)現(xiàn)自動交換雙擺銑頭，必須重新激活并應(yīng)用“新更換機(jī)床軸”相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。為了達(dá)到此目的，西門子系統(tǒng)準(zhǔn)備了4組電動機(jī)參數(shù)，分別對應(yīng)地存儲在1000、2000、3000和4000系列范圍的參數(shù)中，PLC通過改變“驅(qū)動控制字”中的電動機(jī)位(DB3x.DBX21.3和DB3x.DBX21.4)，發(fā)出準(zhǔn)備交換電動機(jī)的請求，并同時(shí)選擇并激活了對應(yīng)的上述4組電動機(jī)參數(shù)。

在參數(shù)設(shè)置方面，有一個(gè)重要的參數(shù) MD1013(ENABLE_STAR_DELTA)，該參數(shù)是控制電動機(jī)交換使能及電動機(jī)交換類型的，當(dāng)參數(shù)MD1013=0時(shí)，系統(tǒng)電動機(jī)交換功能關(guān)閉;當(dāng)參數(shù)MD1013=1時(shí)，系統(tǒng)可最多可交換4組電動機(jī)與編碼器，并且每組電動機(jī)都擁有自己相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。

下面以交換雙擺銑頭的電主軸及A軸為例，介紹西門子840D系統(tǒng)選擇編碼器的技術(shù)原則及原因。交換過程中需要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟與狀態(tài)(當(dāng)前激活并工作的為擺頭1，現(xiàn)將擺頭1交換為擺頭2):

(1)將雙擺頭精確定位到擺頭1庫中的還擺頭位置，準(zhǔn)備將擺頭1還回庫中，此時(shí)A=0，C=0，如圖1;

(2)PLC通過改變“驅(qū)動控制字”中的電動機(jī)位，發(fā)出準(zhǔn)備交換電動機(jī)的請求(DB3x.DBX21.3和DB3x.DBX21.4);

(3)驅(qū)動控制器將“驅(qū)動狀態(tài)字”設(shè)置成“交換激活”的狀態(tài)，并取消主軸1及A軸的“脈沖使能”;

(4)驅(qū)動控制器通過“PLC狀態(tài)字”的“脈沖使能位”來通知PLC主軸1及A軸的“脈沖使能”已經(jīng)取消(DB3x.DBX93.7);

(5)驅(qū)動控制器激活主軸2及A軸相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置;

(6)驅(qū)動控制器通過“PLC狀態(tài)字”的“電動機(jī)位”來通知PLC主軸2及A軸已經(jīng)生效(DB3x.DBX93.3和DB3x.DBX93.4);

(7)PLC通過840D申請“parking軸”生效;

DB3x.DBX1.5/DB3x.DBX1.5=0

DB3x.DBX2.1=0

(8)840D通過“驅(qū)動控制字”申請“parking軸”生效;

(9)驅(qū)動控制器通過“驅(qū)動狀態(tài)字”通知 PLC“parking軸”已經(jīng)生效;($VA_POSCTRL_MODE［Axis］=3:“parking軸”生效)

(10)PLC斷掉主軸1及A軸的電壓供給及編碼器等連接，PLC等待自動交換雙擺銑頭過程，如圖2;

(11)PLC連接主軸2及A軸的電壓供給及編碼器等，如圖3所示;

(12)PLC通過840D終止“parking軸”;

DB3x.DBX1.5/DB3x.DBX1.5=1

DB3x.DBX2.1=1

(13)840D通過“驅(qū)動控制字”終止“parking軸”;

(14)驅(qū)動控制器通過“驅(qū)動狀態(tài)字”通知PLC“parking軸”已經(jīng)終止;($VA_POSCTRL_MODE［Axis］)

(15)PLC通過“PLC控制字”(DB3x.DBX21.5)通知驅(qū)動控制器“電動機(jī)交換完成”;

(16)驅(qū)動控制器將“驅(qū)動狀態(tài)字”中的“交換激活”狀態(tài)刪除，并激活主軸2及A軸的“脈沖使能”;

(17)驅(qū)動控制器通過“PLC狀態(tài)字”的“脈沖使能位”來通知PLC主軸2及A軸的“脈沖使能”已經(jīng)激活(DB3x.DBX93.7);

(18)對于同步電動機(jī)還應(yīng)進(jìn)行“粗轉(zhuǎn)子識別”或“精轉(zhuǎn)子識別”。

在上述自動交換雙擺銑頭的過程中，關(guān)鍵是終止“parking軸”步驟的前后，對于西門子840D系統(tǒng)，此時(shí)如果對擺頭中相應(yīng)軸(如主軸或者A軸)選擇絕對式編碼器，則無法實(shí)現(xiàn)自動交換雙擺銑頭的過程。原因如下:

對于西門子840D系統(tǒng)，參數(shù)MD34230(ENC_SERIAL_NUMBER)的功能是存儲編碼器序列號(serial number)，而對于“絕對式編碼器”而言，該序列號均是唯一的(即使型號與生產(chǎn)廠家是相同的)。在自動交換銑頭時(shí)，由于要交換電動機(jī)，還要交換編碼器，所以當(dāng)系統(tǒng)終止“parking軸”的步驟完成后，MD34230中的參數(shù)數(shù)據(jù)是新電動機(jī)編碼器的序列號，與交換前舊電動機(jī)編碼器的序列號是不同的，這就會引起系統(tǒng)報(bào)警，需要控制器復(fù)位，這樣就無法完成自動交換的目的。如果選擇的是“增量式編碼器”，在參數(shù)MD34230中存儲的編碼器序列號均為0，這樣在終止“parking軸”步驟的前后，MD34230中的參數(shù)值是不會改變的(均為0)，不會引起系統(tǒng)報(bào)警，自動交換可以正常完成。同理，在自動交換時(shí)，斷掉與重新連接的編碼器，如果是同一個(gè)“絕對式編碼器”，則MD34230中的參數(shù)值也是不會改變的，不會影響正常的自動交換。

1．2 基于海徳漢iTNC530系統(tǒng)的編碼器

應(yīng)用海徳漢iTNC530系統(tǒng)進(jìn)行自動交換雙擺銑頭，其交換的物理過程與上述的西門子840D系統(tǒng)相似，這里不再贅述。下面主要介紹在自動交換銑頭的過程中系統(tǒng)軟件的處理過程和特點(diǎn)，及由此而產(chǎn)生對編碼器類型選擇的影響。

為了實(shí)現(xiàn)自動交換雙擺銑頭，必須重新激活并應(yīng)用新更換機(jī)床軸相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。對于海徳漢iTNC530系統(tǒng)而言，分別定義了兩組子參數(shù)文件，機(jī)床制造商可以把需要更換的機(jī)床軸所對應(yīng)的參數(shù)，如軸配置參數(shù)、軸電動機(jī)參數(shù)、軸對應(yīng)的PWM輸出接口分配的參數(shù)、編碼器輸入接口的參數(shù)等，分別輸入到這兩組子參數(shù)文件中。而這兩組子參數(shù)文件在系統(tǒng)中存放的文件名及目錄則分別標(biāo)識在海徳漢系統(tǒng)動態(tài)描述文件中的kinelist表里，其中“SUBFILE1”列存放了第一組子參數(shù)文件的信息，“SUBFILE2”列存放了第二組子參數(shù)文件信息，在自動交換雙擺銑頭時(shí)，只需要分別激活當(dāng)前擺頭所對應(yīng)的子參數(shù)文件，即可實(shí)現(xiàn)參數(shù)從新選擇激活的功能，如圖4。

與應(yīng)用西門子840D系統(tǒng)時(shí)的原理類似，在應(yīng)用子參數(shù)文件時(shí)，一定不能把類似MD34230(ENC_SERIAL_NUMBER)會導(dǎo)致控制器重新啟動的參數(shù)輸入到子參數(shù)文件中，這樣將會導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)自動交換銑頭。只要子參數(shù)文件中所包含的參數(shù)設(shè)置均是合法的，即可實(shí)現(xiàn)自動交換的過程。

如果設(shè)計(jì)時(shí)選擇的是絕對式編碼器，還應(yīng)該注意數(shù)控系統(tǒng)控制器的型號，如果海徳漢系統(tǒng)控制器型號是CC422時(shí)，選擇絕對式編碼器是無法實(shí)現(xiàn)自動交換銑頭，因?yàn)樵谶@個(gè)過程中，編碼器需要在機(jī)床運(yùn)行中切斷與控制系統(tǒng)的連接并重新恢復(fù)連接。對于CC422而言，系統(tǒng)只有在控制器啟動時(shí)才讀取絕對式編碼器反饋回的數(shù)值，故無法自動地完成銑頭交換。但是對于型號是CC424的控制器，就不會出現(xiàn)上述問題，應(yīng)用絕對式編碼器是可以實(shí)現(xiàn)銑頭自動交換的。

對于應(yīng)用增量式編碼器，無論控制器型號是CC422還是CC424，在自動交換電動機(jī)與編碼器時(shí)，既不會影響系統(tǒng)對編碼器反饋值的讀取，也不會導(dǎo)致系統(tǒng)的重新啟動，可以實(shí)現(xiàn)自動交換銑頭。

2 結(jié)語

綜上所述，在設(shè)計(jì)類似自動交換雙擺銑頭(即電動機(jī)與編碼器需一起斷開、重新連接)的機(jī)床時(shí)，選擇編碼器類型，可參考以下幾點(diǎn):

(1)西門子840D系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)不同增量式編碼器(但類型相同)間的自動交換。

(2)西門子840D系統(tǒng)，完成2個(gè)不同絕對式編碼器(但類型相同)間的自動交換是不可能的，但是可以完成同一個(gè)絕對式編碼器的自動交換。

(3)對于海徳漢 iTNC530系統(tǒng)，控制器型號是CC422時(shí)，可以完成增量式編碼器的自動交換，但是對于絕對式編碼器是不可能的;控制器型號是CC424時(shí)，無論是增量式編碼器，還是絕對式編碼器，均可以完成雙擺頭的自動交換。

在設(shè)計(jì)之初，注意上述選擇編碼器類型的原則，可以避免在之后的生產(chǎn)和調(diào)試過程中出現(xiàn)類似的問題與矛盾，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失與浪費(fèi)。

［1］SIMODRIVE 611 digital/SINUMERIK 840D/810D/Drive Functions/Function Manual［Z］.Siemens，2009.

［2］Technical Manual iTNC530［Z］.Heidenhain，2006.

［3］Automatic Spindle Exchange G30［Z］.CyTec Zylindertechnik，2009.