GANTRY軸與主從軸控制在西門子系統(tǒng)上的應用比較

隋海倬，項萬明，戚耀亮

（杭州技師學院，浙江 桐廬 311500）

0 引言

當前，很多數控機床有大負載或大扭矩的控制要求，以此來提高整個機床的控制性能，通常遇到這種情況，會設計成GANTRY 軸或主從軸的形式，雖然表面上看這兩種控制方式都是用多臺電機來控制一個軸，但對于控制方式而言，這兩種控制有不同的技術特點及應用場合，以兩臺電機控制同一個軸為例，GANTRY 軸結構中兩個控制軸都有自己的位置環(huán)，也就是說兩個軸都有相應的位置檢測裝置，如光柵尺等，系統(tǒng)會隨時監(jiān)控兩個軸之間的位置差值，當差值超過一定數值以后，系統(tǒng)會自動產生相關的報警，并停止機床動作，防止對機床的機械部分產生損害。然而在主從軸結構中，只有主動軸才有位置反饋，從動軸沒有電流環(huán)和位置環(huán)，從動軸的位置信息是主動軸位置反饋給它的，這就無法判斷兩軸之間真實的位置差。但是，通過適當的參數調整，可以調整主動軸與從動軸之間的扭矩分配比例，在特定的條件下，主動軸電機和從動軸電機之間會形成一個張力，用來消除機械傳動結構間的間隙。

本文基于西門子840D 系統(tǒng)，將GANTRY 軸與主從軸在西門子系統(tǒng)上的應用進行分析比較，同時結合調試經驗，給出GANTRY 軸與主從軸相應的參數調整，以供參考。

1 GANTRY 軸在西門子系統(tǒng)上的應用特點與參數調整

1.1 GANTRY 軸控制

從功能上來講，GANTRY 軸功能是指由兩個或更多機械傳動機構帶動同一個機床軸單元無間隙地同步移動。對于西門子系統(tǒng)，最多可以定義3 個GANTRY 軸組合，每個GANTRY 組合包括一個主動軸（LEADING-AXIS）和最多兩個同步軸（SYNCHRONIZED-AXIS）。在操作和編程中，定義在同一GANTRY 組合內的軸被視為一個機床軸，當GANTRY 軸移動時，系統(tǒng)會連續(xù)監(jiān)控這些連接在一起的軸的實際位置的數值，以檢測它們的偏差是否在定義的公差范圍內，當同步軸的位置偏離主動軸太多時，系統(tǒng)會自動地關閉GANTRY 組合內的所有軸，以防止對機床的損害。

從應用場合上來講，GANTRY 軸功能適用于大型GANTRY（或稱龍門）方式的銑床，這種機床需要兩個橫跨GANTRY結構體兩端的進給傳動機構驅動這一個GANTRY結構體，如圖1 所示。每一個驅動都有它自己單獨的測量系統(tǒng)。對于機械結構的剛性連接，這兩個驅動機構必須絕對地同步移動，否則機械元件將傾斜。

GANTRY 組合的條件：在GANTRY 組合內不能包含主軸；同步軸不能是協(xié)作位置軸（CENCURRENT POS AXIS）；同步軸不能通過轉換功能定義地址；同步軸不能是其它組合內的從軸；同步軸不能在其它GANTRY 組合內認定成主動軸。

圖1 帶有兩個GANTRY 組合的GANTRY 形式的銑床

1.2 GANTRY 軸常規(guī)的參數設定

GANTRY 軸功能是西門子系統(tǒng)的一個功能，只需設定參數就可以建立GANTRY 組合。具體設定如下：

主動軸設定：

1）軸參數MD37100 GANTRY_AXIS_TYPE＝0、1、2、3，（如果軟件版本在SW7.1 以上最大設定值是8）。定義GANTRY 軸：0 表示沒有GANTRY 軸；1 表示該軸是主動軸并在GANTRY 組合1 中；2 表示該軸是主動軸并在GANTRY 組合2 中；3 表示該軸是主動軸并在GANTRY組合3 中。

2）軸參數MD37110 GANTRY_POS_TOL_WARNING，GANTRY 軸警告限制。如果GANTRY 組合內的軸位置偏差超出該參數設定的值，則系統(tǒng)產生報警信息10652“Warning limit exceeded”，同時接口信號DB3X.DBX101.3=1。當位置偏差降低到參數設定的警告范圍內，報警信息和接口信號被自動取消。如果MD37110＝0，解除GANTRY 組合內軸位置偏差的監(jiān)控。

3）軸參數MD37120 GANTRY_POS_TOL_ERROR，GANTRY 軸運動時偏差限制。如果GANTRY 組合內的軸移動時的位置偏差超出該參數設定的值，則系統(tǒng)產生報警信息10653“Error limit exceeded”，同時接口信號DB3X.DBX101.2=1。

4）軸參數MD37130 GANTRY_POS_TOL_REF，回參考點時同步運動偏差限制。如果GANTRY 組合內的軸在回參考點方式下移動時的位置偏差超出該參數設定的值，則系統(tǒng)產生報警信息10653“Error limit exceeded”，同時接口信號DB3X.DBX101.2=1。

5）軸參數MD37140 GANTRY_BREAK_UP ＝0、1。GANTRY 組合中的各軸是否同步。0 表示GANTRY 組合中的軸仍然同步，各種偏差監(jiān)控功能仍有效。1 表示取消GANTRY 組合中的軸同步，在組合中的各軸可以單獨移動，各種偏差監(jiān)控功能被解除，同時接口信號DB3X.DBX101.5=0。

同步軸的設定：軸參數MD37100 GANTRY_AXIS_TYPE＝11、12、13，（如果軟件版本在SW7.1 以上最大設定值是18）。定義GANTRY 軸：0 表示沒有GANTRY 軸；11表示該軸是從動軸并在GANTRY 組合1 中；12 表示該軸是從動軸并在GANTRY 組合2 中；13 表示該軸是從動軸并在GANTRY 組合3 中。

其它參數有：MD37110 GANTRY_POS_TOL_WARNING；MD37120 GANTRY_POS_TOL_ERROR；MD37130 GANTRY_POS_TOL_REF；MD37140 GANTRY_BREAK_UP ＝0、1。與主動軸設定相同。

在調試過程中需要注意的是，如果GANTRY 組合中的各軸仍然被機械結構連接著，不要在此模式下單獨移動各軸，否則會造成機床損害。

1.3 GANTRY 軸調試時細化參數調整

上述參數設定完成后，GANTRY 功能就已經生效。雖然611D 驅動器可以很好地響應SETPOINT 的改變和擾動，可以不必對GANTRY 軸進行補償控制。但是如果主動軸和同步軸控制電路參數設定了相同的動態(tài)響應值，GANTRY 軸控制起來就可以更精確地同步。

為盡可能地確保同步，主動軸與同步軸對SETPOINT的改變必須具有相同的動態(tài)響應能力。軸的控制回路（包括位置、速度、電流控制）每一項都應設定恰當的值，這樣就可以盡可能快速有效地消除擾動。

機床數據需設定恰當的值（包括主動軸和同步軸），包括：MD32200 POSCTRL_GAIN，伺服位置環(huán)增益；MD32620 FFW_MODE，前饋控制類型；MD32610VELO_FFW_WEIGHT，前饋控制系數；MD32650 AX_INERTIA，扭矩前饋控制的慣性力矩；MD32800 EQUIV_CURRCTRL_TIME，電流控制前饋等效時間常數；MD32810 EQUIV_SPEEDCTRL_TIME，速度控制前饋等效時間常數。

機床數據需設定相同的值（包括主動軸和同步軸）：MD33000 FIPO_TYPE，精確插補類型，0 為微分FIPO，1為立方FIPO；MD32400 AX_JERK_ENABLE，軸JERK 限制；MD32410 AX_JERK_TIME，軸JERK 過濾器的時間常 數 ；MD32420 JOG_AND_POS_JERK_ENABLE；MD32430 JOG_AND_POS_MAX_JERK。

2 主從軸在西門子系統(tǒng)上的應用特點與參數調整

2.1 主從軸控制

圖2 主從軸控制模式

從功能上講，主從控制也可以稱作速度—扭矩耦合功能。它是用于在同一個機械傳動機構上由兩個獨立的電機驅動的同一個機床軸單元，如圖2 所示。應用于消除齒輪傳動結構中的齒輪間的間隙和反向間隙，以及增加扭矩。

主從控制中每個從動軸都必須分配到一個主動軸，相反地，一個主動軸可以屬于多個從動軸。這樣同一個主動軸可以與多個從動軸建立主從關系，但是已經分配了主動軸的從動軸不可以作為主動軸使用。當主從關系建立后，從動軸只根據主動軸的速度以負載方式移動，也就是從動軸只有速度控制而沒有位置控制。

2.2 主從軸常規(guī)的參數設定

主從功能的配置只設置在從動軸中（包括機床數據和PLC 接口）。主從關系可以由兩種方式建立：靜態(tài)設定和動態(tài)設定。

動態(tài)設定是指在加工程序中通過NC 程序指令MASLDEF 和MASLDEL 建立軸的主從關系。它可以動態(tài)地改變軸的主從關系，同時也可以改變靜態(tài)設定好的軸的主從關系，而對其相關聯(lián)的機床數據沒有負面的影響。指令格式如下：

MASLDEF（SLV1，SLV2，…，MASTER AXIS），分配一個或多個軸給主動軸；

MASLDEL（SLV1，SLV2，…），取消主動軸的一個或多個從動軸的分配。

靜態(tài)設定是指在機床數據中設置，并永久地建立軸的主從關系。具體設定如下：

MD37252：MS_ASSIGN_MASTER_TORQUE_CTR=（軸號），設定主從扭矩控制的主動軸的軸號；

MD37250：MS_ASSIGN_SPEED_TORQUE_CMD=（軸號），設定主從速度控制的主動軸的軸號；

MD37262：MS_COUPLING_ALWAYS_ACTIVE=0，1。用于設置是否永久激活主從控制。其中：0 表示暫時激活主從控制功能，可以通過PLC 接口DB3X.DBX24.7（MASTER/SLAVE ON）和NC 指令MASLON（SLAVEAXIS1，SALAVEAXIS2，…）以及MASLOF（SLAVEAXIS1，SALAVEAXIS2，…）來激活主從控制功能；1 表示NC 啟動后一直激活主從控制功能。

MD37274：MS_MOTION_DIR_REVERSE=0，1。用于轉換從動軸在主從控制方式下的移動方向。其中：0 表示不改變從動軸的移動方向；1 表示從動軸的移動方向反向。

另外，PLC 接口信號：DB3X.DBX1.4=1（跟隨方式）。

2.3 主從軸調試時細化參數調整

西門子系統(tǒng)對于主從軸控制，有個扭矩補償控制器，PI 控制器可以根據主動軸和從動軸扭矩的差別計算出負載方面額外的速度SETPOINT，當發(fā)出速度指令，主動軸與從動軸表現(xiàn)出不同的特性時這作為一個標準的應用。

MD37254：MS_TORQUE_CTRL_MODE=0，1，2，3。這是扭矩補償控制模式指令，0 表示主動/從動軸；1 表示從動軸；2 表示主動軸；3 表示無軸。

MD37255：MS_TORQUE_CTRL_ACTIVATION=0，1。這是扭矩補償控制激活指令，0 表示通過MD37254 激活；1 表示通過PLC 接口信號DB3X.DBX24.5 激活。

MD37256：MS_TORQUE_CTRL_P_GAIN=…%。這是扭矩補償控制增益系數指令，根據從動軸最大速度（MD32000 設定）時的扭矩設定一個百分比。

MD37258：MS_TORQUE_CTRL_I_TIME=…S。這是扭矩補償控制復位時間指令，只有當MD37256＞0 時此時間指令才有效。

MD37260：MS_MAX_CTRL_VELO=…%。這是扭矩補償控制極限指令，根據從動軸最大速度（MD32000 設定）時的扭矩設定一個百分比。

如果MD37254：MS_TORQUE_CTRL_MODE=3 或者MD37256：MS_TORQUE_CTRL_P_GAIN=0%，則取消扭矩補償控制。

主從控制的扭矩可以通過設定扭矩控制器的變量分配，機床數據MD37268：MS_TORQUE_WEIGHT_SLAVE=50%，就是分配從動軸的附加扭矩。此參數設置從動軸所輸出的額定扭矩的百分比，當主從控制電機是相同扭矩時，此參數推薦值：50%。主動軸輸出的扭矩百分比被自動計算為：100-MD37268。

在調試過程中，需要注意的是，當主從控制的扭矩補償功能被激活，機床上的機械主從機構必須已經連接上，否則扭矩補償的軸（即從動軸）會自動移動，而無報警產生。

同時，對于西門子系統(tǒng)，還設置有張力扭矩控制指令：MD37264：MS_TENSION_TORQUE=…%。通過設定該參數可以使主動軸與從動軸間產生一定的張力。僅當主從扭矩補償控制功能激活時才有效。

MD37266：MS_TENSION_TORQ_FILTER_TIME ＞0。這是PT1 過濾器時間常數指令。張力扭矩是通過PT1 過濾器被應用到主從控制中，當MD37266＞0 時激活PT1 過濾器。

需要注意的是，張力扭矩的值必須設定足夠高，才能夠保證足夠的電機扭矩。另外，為防止靜止時電機溫度過高，可以適當降低MD37264 的值。

3 結語

本文基于西門子840D 系統(tǒng)，結合調試經驗，對GANTRY 軸與主從軸做了應用比較。目前，許多數控機床上已經應用了本文所述的GANTRY 軸或主從軸的控制方式，均達到了良好的控制效果，這可以使機床有更好的柔性、更高的穩(wěn)定性，以及良好的動態(tài)性能與可靠性。

［1］Siemens DOConCD［M］.Siemens Co.Ltd.，2007.

［2］Heidenhain Technical_Manual_iTNC530_en-技術手冊［M］.Heidenhain 公司，2007.

［3］BA_HMIDEVICE_MobilePanel177_chs［M］.Siemens Co.Ltd.，2005.