SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)多種功能在大型曲軸磨床中的運(yùn)用

劉 智 張吉慶

（上海機(jī)床廠有限公司 上海 200093）

MK82125大型曲軸磨床（如圖1所示）是用來加工曲軸曲柄的專用磨床，適合于柴油機(jī)、壓縮機(jī)、輪船、石油勘探等行業(yè)的大型曲軸生產(chǎn)。曲軸磨床最大特點(diǎn)是具有頭尾架結(jié)構(gòu)，要磨好曲軸，要求頭架和尾架作嚴(yán)格的同步運(yùn)行。

圖1 MK82125大型曲軸磨床

以前，中大型曲軸大多是采用機(jī)械花鍵軸連接的方法來實(shí)現(xiàn)頭尾架同步控制的。頭架驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過減速箱驅(qū)動(dòng)頭架來帶動(dòng)曲軸，同時(shí)又通過一長(zhǎng)花鍵軸將動(dòng)力傳到尾架，再由減速箱使尾架與頭架同步。此種方法的缺點(diǎn)是機(jī)床體積大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)機(jī)械精度要求高，很難進(jìn)行頭、尾架的同步調(diào)整。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和電子技術(shù)的發(fā)展，如今已開發(fā)了用電軸系統(tǒng)代替機(jī)械同步系統(tǒng)，即采用了雙向饋電的交流繞線式電動(dòng)機(jī)。大型曲軸磨床的頭、尾架同步采用直流調(diào)速發(fā)電機(jī)組，即將交流電變成直流電后帶動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，再由直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一個(gè)交流電動(dòng)機(jī)，發(fā)出三相交流電，以連接兩臺(tái)交流同步電動(dòng)機(jī)，使頭尾架同步電動(dòng)機(jī)接受由一個(gè)交流電動(dòng)機(jī)發(fā)出的三相交流電。直流電動(dòng)機(jī)由單相可控硅調(diào)速改變發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電的頻率，使頭、尾架交流同步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變速。這種方法與機(jī)械長(zhǎng)軸方案相比，去除了由機(jī)械傳動(dòng)鏈產(chǎn)生的弊病，有了很大的進(jìn)步；缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)噪聲大，運(yùn)行不平穩(wěn)，耗電多且同步精度差，調(diào)節(jié)不方便。

運(yùn)用 SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)中的多種功能，解決了上述不足，為實(shí)現(xiàn)曲軸磨削的自動(dòng)化前進(jìn)了一步。

該磨床采用 SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)中的六軸二聯(lián)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)磨削和自動(dòng)修正砂輪。

1 系統(tǒng)硬件配置

機(jī)床系統(tǒng)有以下配置：

PCU50：6FC5210-0DF21-2AA0；OP010：6FC5203-0AF00-0AA1；MCP：6FC5203-0AF22-0AA0；FDD1：6SN1145-1BA02-0CA1；UE1：6SN1123-1AB00-0CA2；UE2：6SN1123-1AB00-0NA1；X軸電動(dòng)機(jī)：1FK7083-5AF71-1AG0 3 000 r/min 16 N · m ；Z 軸電動(dòng)機(jī)：1FT6084-1AF71-1AG1 3 000 r/min 20 N · m ；U 軸電動(dòng)機(jī)：1FK7042-1AF71-1AG0 3 000 r/min 2.6 N · m；W軸電動(dòng)機(jī)：1FK7042-1AF71-1AG0 3 000 r/min 2.6 N · m；C1軸電動(dòng)機(jī)：1FT6105-1AF71-1AG1 2 000 r/min 50 N · m；C2軸電動(dòng)機(jī)：1FT6105-1AF71-1AG1 2 000 r/min 50 N· m。

圖2 系統(tǒng)硬件控制圖

2 SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)多種功能的運(yùn)用

運(yùn)用 SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)的多種功能并在機(jī)床控制上取得良好效果。

運(yùn)用功能有：

(1)PROG-EVENT功能。開機(jī)實(shí)現(xiàn)后臺(tái)運(yùn)行程序。

(2)IDS功能。在任何模式下，只要條件符合就可以運(yùn)行。

(3)聯(lián)動(dòng)功能。取得軸同步的一種功能。

(4)板載輸入功能。 程序中取得外界信號(hào)輸入功能。

(5)虛擬軸功能。 用虛擬軸作為主軸，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，取得同步主軸位置控制。

通過以上5種功能的組合，實(shí)現(xiàn)了頭、尾架的同步運(yùn)行，解決了頭架和尾架同步位置的誤差問題。

具體運(yùn)用程序如下：

PROG-EVENT

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N10 TRAILOF（C1，V）

N15 TRAILOF（C2，C1）

N20 TRAILON（C1，V）

N25 TRAILON（C2，C1）

N30 IDS=1 EVERY $A_IN[1]==1 DO M03 S20

N35 IDS=2 EVERY $A_IN[2]==1 DO M05

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N100 M02

3 實(shí)現(xiàn)頭、尾架主軸同步位置控制

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)常采用全閉環(huán)或半閉環(huán)的控制系統(tǒng)。采用三環(huán)控制，分別是電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，圖3為典型的全閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)示意圖。

圖3 全閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)示意圖

通常速度反饋由測(cè)速電動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)編碼器構(gòu)成；位置反饋由光柵磁尺或旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成。

采用控制軸的有以下三種類型：

(1)直線軸控制。電動(dòng)機(jī)控制使刀具或工件實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中由位置控制，精度高。

(2)主軸、旋轉(zhuǎn)軸控制。通過電動(dòng)機(jī)控制使刀具或工件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。主軸是用M（正反轉(zhuǎn)）和S（轉(zhuǎn)速）指令進(jìn)行控制，在運(yùn)動(dòng)中是由速度進(jìn)行控制，其位置精度低；旋轉(zhuǎn)軸是用直線運(yùn)行G指令進(jìn)行角度控制，位置精度高。

(3)運(yùn)動(dòng)控制。直線軸和旋轉(zhuǎn)軸是用G指令完成定點(diǎn)控制，用來實(shí)現(xiàn)位置控制。速度控制有局限性，實(shí)際速度與指令速度有誤差。

在實(shí)際的工作要求中，頭架C1軸和尾架C2軸必須當(dāng)主軸使用（頭架C1軸和尾架C2軸用卡盤將工件固定），同步旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過程中，要求頭架C1軸和尾架C2軸進(jìn)行位置控制，兩個(gè)位置必須嚴(yán)格一致。若頭架和尾架不同步，被加工的曲軸在磨床上經(jīng)過兩端夾持后，若兩端夾持部位不同，一經(jīng)旋轉(zhuǎn)會(huì)發(fā)生扭曲，這樣曲軸的幾項(xiàng)重要指標(biāo)如曲拐頸的分度、沖程、圓度和錐度等就難以達(dá)到加工要求。

在西門子同步指令中，運(yùn)用SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)的主軸同步功能（COUPDEF主軸同步）時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)由于主軸是采用速度同步方式，所走的位置存在著誤差，而且在機(jī)械啟動(dòng)和停止時(shí)，受力情況發(fā)生了變化，使速度在某瞬時(shí)也發(fā)生了變化，在曲軸頭架和尾架同步運(yùn)行中用速度控制方法很難保證嚴(yán)格的同步。對(duì)于加工同步要求不高的工件，這些誤差不會(huì)產(chǎn)生很大的影響，但對(duì)于大曲軸加工來說，是不允許的。

運(yùn)用SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)的TRAILON聯(lián)動(dòng)功能可以實(shí)現(xiàn)以下控制：

(1)將頭架 C1軸和尾架 C2軸設(shè)為主軸。用TRAILON（C2，C1），用M（正反轉(zhuǎn)）和S（轉(zhuǎn)速）指令進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，但速度同步是采用速度控制，位置精度不能滿足要求。

(2)將頭架C1軸設(shè)為主軸，尾架C2軸設(shè)為旋轉(zhuǎn)軸，結(jié)果同(1)。

(3)將頭架 C1軸和尾架 C2軸設(shè)為旋轉(zhuǎn)軸。用TRAILON（C2，C1）進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制（位置精度能保證，但不能用M（正反轉(zhuǎn)）和S（轉(zhuǎn)速）指令控制運(yùn)動(dòng)，不能滿足實(shí)際要求。

基于上述原因，單獨(dú)用SIEMENS TRAILON的聯(lián)動(dòng)功能或COUPDEF的主軸同步功能都不能滿足實(shí)際工作需要。

經(jīng)過大量試驗(yàn)和對(duì) SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)功能的深入研究，決定將SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)的單項(xiàng)功能有序組合起來，研究出新的、能滿足實(shí)際需求的控制方法。新的控制方法稱為同步主軸的位置控制。

在實(shí)際控制中，方法如下：首先利用SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)開機(jī)掃描程序功能，定義開機(jī)程序；把頭架C1軸和尾架C2軸當(dāng)主軸用，進(jìn)行同步位置控制（這是技術(shù)的難點(diǎn)），假設(shè)一個(gè)虛擬軸 V做主軸，用 M（正反轉(zhuǎn)）和 S（轉(zhuǎn)速）指令控制，然后用SIEMENS 840D系統(tǒng)中的聯(lián)動(dòng)功能（不能直接聯(lián)動(dòng)，見TRAILON詳細(xì)說明）。為了實(shí)現(xiàn)位置控制，設(shè)頭架C1軸和尾架C2軸為旋轉(zhuǎn)軸，虛擬軸V與頭架C1軸、頭架C1軸和尾架C2軸分別建立聯(lián)動(dòng)關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)位置控制（只要 V旋轉(zhuǎn)，頭架C1軸和尾架 C2軸就同步而且是位置控制）。這樣用M（正反轉(zhuǎn)）和S（轉(zhuǎn)速）指令控制頭架C1軸和尾架 C2軸進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)而且是位置控制，保證加工精度。運(yùn)動(dòng)關(guān)系建立了，為保證加工精度，接下來是如何觸發(fā)使虛擬主軸 V進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。這時(shí)運(yùn)用SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)同步動(dòng)作IDS功能和板載輸入功能，只要將硬件開關(guān)狀態(tài)賦值就能使虛擬主軸V旋轉(zhuǎn)。頭架C1軸和尾架C2軸實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行位置控制。用虛擬軸V做主軸，頭架C1軸和尾架C2軸為旋轉(zhuǎn)軸。虛擬軸V與頭架C1軸、頭架C1軸和尾架C2軸分別建立聯(lián)動(dòng)關(guān)系。

4 結(jié)語

運(yùn)用 SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)的多種功能可以解決大型曲軸磨床頭、尾架主軸的同步控制，但是由于曲軸上道工序的加工尺寸離散性太大（一般來說大曲軸都是單件生產(chǎn)或修理性加工），這對(duì)曲軸磨床自動(dòng)化程度的提高產(chǎn)生了很大的困難，要從根本上解決問題，只有發(fā)展隨動(dòng)型曲軸磨床。

傳統(tǒng)的大型曲軸磨床運(yùn)用了 SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)，自動(dòng)化程度仍可進(jìn)一步地提高，同時(shí)可以增加：自動(dòng)分度、端面自動(dòng)對(duì)刀、自動(dòng)切入、外徑測(cè)量、自動(dòng)跟蹤中心架和拖板進(jìn)給采用雙齒雙驅(qū)功能來實(shí)現(xiàn)。隨著科技的發(fā)展，大型曲軸磨床發(fā)展的道路將會(huì)更加寬廣。

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