GANTRY轴与主从轴控制在西门子系统上的应用比较

隋海倬，项万明，戚耀亮

（杭州技师学院，浙江 桐庐 311500）

0 引言

当前，很多数控机床有大负载或大扭矩的控制要求，以此来提高整个机床的控制性能，通常遇到这种情况，会设计成GANTRY 轴或主从轴的形式，虽然表面上看这两种控制方式都是用多台电机来控制一个轴，但对于控制方式而言，这两种控制有不同的技术特点及应用场合，以两台电机控制同一个轴为例，GANTRY 轴结构中两个控制轴都有自己的位置环，也就是说两个轴都有相应的位置检测装置，如光栅尺等，系统会随时监控两个轴之间的位置差值，当差值超过一定数值以后，系统会自动产生相关的报警，并停止机床动作，防止对机床的机械部分产生损害。然而在主从轴结构中，只有主动轴才有位置反馈，从动轴没有电流环和位置环，从动轴的位置信息是主动轴位置反馈给它的，这就无法判断两轴之间真实的位置差。但是，通过适当的参数调整，可以调整主动轴与从动轴之间的扭矩分配比例，在特定的条件下，主动轴电机和从动轴电机之间会形成一个张力，用来消除机械传动结构间的间隙。

本文基于西门子840D 系统，将GANTRY 轴与主从轴在西门子系统上的应用进行分析比较，同时结合调试经验，给出GANTRY 轴与主从轴相应的参数调整，以供参考。

1 GANTRY 轴在西门子系统上的应用特点与参数调整

1.1 GANTRY 轴控制

从功能上来讲，GANTRY 轴功能是指由两个或更多机械传动机构带动同一个机床轴单元无间隙地同步移动。对于西门子系统，最多可以定义3 个GANTRY 轴组合，每个GANTRY 组合包括一个主动轴（LEADING-AXIS）和最多两个同步轴（SYNCHRONIZED-AXIS）。在操作和编程中，定义在同一GANTRY 组合内的轴被视为一个机床轴，当GANTRY 轴移动时，系统会连续监控这些连接在一起的轴的实际位置的数值，以检测它们的偏差是否在定义的公差范围内，当同步轴的位置偏离主动轴太多时，系统会自动地关闭GANTRY 组合内的所有轴，以防止对机床的损害。

从应用场合上来讲，GANTRY 轴功能适用于大型GANTRY（或称龙门）方式的铣床，这种机床需要两个横跨GANTRY结构体两端的进给传动机构驱动这一个GANTRY结构体，如图1 所示。每一个驱动都有它自己单独的测量系统。对于机械结构的刚性连接，这两个驱动机构必须绝对地同步移动，否则机械元件将倾斜。

GANTRY 组合的条件：在GANTRY 组合内不能包含主轴；同步轴不能是协作位置轴（CENCURRENT POS AXIS）；同步轴不能通过转换功能定义地址；同步轴不能是其它组合内的从轴；同步轴不能在其它GANTRY 组合内认定成主动轴。

图1 带有两个GANTRY 组合的GANTRY 形式的铣床

1.2 GANTRY 轴常规的参数设定

GANTRY 轴功能是西门子系统的一个功能，只需设定参数就可以建立GANTRY 组合。具体设定如下：

主动轴设定：

1）轴参数MD37100 GANTRY_AXIS_TYPE＝0、1、2、3，（如果软件版本在SW7.1 以上最大设定值是8）。定义GANTRY 轴：0 表示没有GANTRY 轴；1 表示该轴是主动轴并在GANTRY 组合1 中；2 表示该轴是主动轴并在GANTRY 组合2 中；3 表示该轴是主动轴并在GANTRY组合3 中。

2）轴参数MD37110 GANTRY_POS_TOL_WARNING，GANTRY 轴警告限制。如果GANTRY 组合内的轴位置偏差超出该参数设定的值，则系统产生报警信息10652“Warning limit exceeded”，同时接口信号DB3X.DBX101.3=1。当位置偏差降低到参数设定的警告范围内，报警信息和接口信号被自动取消。如果MD37110＝0，解除GANTRY 组合内轴位置偏差的监控。

3）轴参数MD37120 GANTRY_POS_TOL_ERROR，GANTRY 轴运动时偏差限制。如果GANTRY 组合内的轴移动时的位置偏差超出该参数设定的值，则系统产生报警信息10653“Error limit exceeded”，同时接口信号DB3X.DBX101.2=1。

4）轴参数MD37130 GANTRY_POS_TOL_REF，回参考点时同步运动偏差限制。如果GANTRY 组合内的轴在回参考点方式下移动时的位置偏差超出该参数设定的值，则系统产生报警信息10653“Error limit exceeded”，同时接口信号DB3X.DBX101.2=1。

5）轴参数MD37140 GANTRY_BREAK_UP ＝0、1。GANTRY 组合中的各轴是否同步。0 表示GANTRY 组合中的轴仍然同步，各种偏差监控功能仍有效。1 表示取消GANTRY 组合中的轴同步，在组合中的各轴可以单独移动，各种偏差监控功能被解除，同时接口信号DB3X.DBX101.5=0。

同步轴的设定：轴参数MD37100 GANTRY_AXIS_TYPE＝11、12、13，（如果软件版本在SW7.1 以上最大设定值是18）。定义GANTRY 轴：0 表示没有GANTRY 轴；11表示该轴是从动轴并在GANTRY 组合1 中；12 表示该轴是从动轴并在GANTRY 组合2 中；13 表示该轴是从动轴并在GANTRY 组合3 中。

其它参数有：MD37110 GANTRY_POS_TOL_WARNING；MD37120 GANTRY_POS_TOL_ERROR；MD37130 GANTRY_POS_TOL_REF；MD37140 GANTRY_BREAK_UP ＝0、1。与主动轴设定相同。

在调试过程中需要注意的是，如果GANTRY 组合中的各轴仍然被机械结构连接着，不要在此模式下单独移动各轴，否则会造成机床损害。

1.3 GANTRY 轴调试时细化参数调整

上述参数设定完成后，GANTRY 功能就已经生效。虽然611D 驱动器可以很好地响应SETPOINT 的改变和扰动，可以不必对GANTRY 轴进行补偿控制。但是如果主动轴和同步轴控制电路参数设定了相同的动态响应值，GANTRY 轴控制起来就可以更精确地同步。

为尽可能地确保同步，主动轴与同步轴对SETPOINT的改变必须具有相同的动态响应能力。轴的控制回路（包括位置、速度、电流控制）每一项都应设定恰当的值，这样就可以尽可能快速有效地消除扰动。

机床数据需设定恰当的值（包括主动轴和同步轴），包括：MD32200 POSCTRL_GAIN，伺服位置环增益；MD32620 FFW_MODE，前馈控制类型；MD32610VELO_FFW_WEIGHT，前馈控制系数；MD32650 AX_INERTIA，扭矩前馈控制的惯性力矩；MD32800 EQUIV_CURRCTRL_TIME，电流控制前馈等效时间常数；MD32810 EQUIV_SPEEDCTRL_TIME，速度控制前馈等效时间常数。

机床数据需设定相同的值（包括主动轴和同步轴）：MD33000 FIPO_TYPE，精确插补类型，0 为微分FIPO，1为立方FIPO；MD32400 AX_JERK_ENABLE，轴JERK 限制；MD32410 AX_JERK_TIME，轴JERK 过滤器的时间常 数 ；MD32420 JOG_AND_POS_JERK_ENABLE；MD32430 JOG_AND_POS_MAX_JERK。

2 主从轴在西门子系统上的应用特点与参数调整

2.1 主从轴控制

图2 主从轴控制模式

从功能上讲，主从控制也可以称作速度—扭矩耦合功能。它是用于在同一个机械传动机构上由两个独立的电机驱动的同一个机床轴单元，如图2 所示。应用于消除齿轮传动结构中的齿轮间的间隙和反向间隙，以及增加扭矩。

主从控制中每个从动轴都必须分配到一个主动轴，相反地，一个主动轴可以属于多个从动轴。这样同一个主动轴可以与多个从动轴建立主从关系，但是已经分配了主动轴的从动轴不可以作为主动轴使用。当主从关系建立后，从动轴只根据主动轴的速度以负载方式移动，也就是从动轴只有速度控制而没有位置控制。

2.2 主从轴常规的参数设定

主从功能的配置只设置在从动轴中（包括机床数据和PLC 接口）。主从关系可以由两种方式建立：静态设定和动态设定。

动态设定是指在加工程序中通过NC 程序指令MASLDEF 和MASLDEL 建立轴的主从关系。它可以动态地改变轴的主从关系，同时也可以改变静态设定好的轴的主从关系，而对其相关联的机床数据没有负面的影响。指令格式如下：

MASLDEF（SLV1，SLV2，…，MASTER AXIS），分配一个或多个轴给主动轴；

MASLDEL（SLV1，SLV2，…），取消主动轴的一个或多个从动轴的分配。

静态设定是指在机床数据中设置，并永久地建立轴的主从关系。具体设定如下：

MD37252：MS_ASSIGN_MASTER_TORQUE_CTR=（轴号），设定主从扭矩控制的主动轴的轴号；

MD37250：MS_ASSIGN_SPEED_TORQUE_CMD=（轴号），设定主从速度控制的主动轴的轴号；

MD37262：MS_COUPLING_ALWAYS_ACTIVE=0，1。用于设置是否永久激活主从控制。其中：0 表示暂时激活主从控制功能，可以通过PLC 接口DB3X.DBX24.7（MASTER/SLAVE ON）和NC 指令MASLON（SLAVEAXIS1，SALAVEAXIS2，…）以及MASLOF（SLAVEAXIS1，SALAVEAXIS2，…）来激活主从控制功能；1 表示NC 启动后一直激活主从控制功能。

MD37274：MS_MOTION_DIR_REVERSE=0，1。用于转换从动轴在主从控制方式下的移动方向。其中：0 表示不改变从动轴的移动方向；1 表示从动轴的移动方向反向。

另外，PLC 接口信号：DB3X.DBX1.4=1（跟随方式）。

2.3 主从轴调试时细化参数调整

西门子系统对于主从轴控制，有个扭矩补偿控制器，PI 控制器可以根据主动轴和从动轴扭矩的差别计算出负载方面额外的速度SETPOINT，当发出速度指令，主动轴与从动轴表现出不同的特性时这作为一个标准的应用。

MD37254：MS_TORQUE_CTRL_MODE=0，1，2，3。这是扭矩补偿控制模式指令，0 表示主动/从动轴；1 表示从动轴；2 表示主动轴；3 表示无轴。

MD37255：MS_TORQUE_CTRL_ACTIVATION=0，1。这是扭矩补偿控制激活指令，0 表示通过MD37254 激活；1 表示通过PLC 接口信号DB3X.DBX24.5 激活。

MD37256：MS_TORQUE_CTRL_P_GAIN=…%。这是扭矩补偿控制增益系数指令，根据从动轴最大速度（MD32000 设定）时的扭矩设定一个百分比。

MD37258：MS_TORQUE_CTRL_I_TIME=…S。这是扭矩补偿控制复位时间指令，只有当MD37256＞0 时此时间指令才有效。

MD37260：MS_MAX_CTRL_VELO=…%。这是扭矩补偿控制极限指令，根据从动轴最大速度（MD32000 设定）时的扭矩设定一个百分比。

如果MD37254：MS_TORQUE_CTRL_MODE=3 或者MD37256：MS_TORQUE_CTRL_P_GAIN=0%，则取消扭矩补偿控制。

主从控制的扭矩可以通过设定扭矩控制器的变量分配，机床数据MD37268：MS_TORQUE_WEIGHT_SLAVE=50%，就是分配从动轴的附加扭矩。此参数设置从动轴所输出的额定扭矩的百分比，当主从控制电机是相同扭矩时，此参数推荐值：50%。主动轴输出的扭矩百分比被自动计算为：100-MD37268。

在调试过程中，需要注意的是，当主从控制的扭矩补偿功能被激活，机床上的机械主从机构必须已经连接上，否则扭矩补偿的轴（即从动轴）会自动移动，而无报警产生。

同时，对于西门子系统，还设置有张力扭矩控制指令：MD37264：MS_TENSION_TORQUE=…%。通过设定该参数可以使主动轴与从动轴间产生一定的张力。仅当主从扭矩补偿控制功能激活时才有效。

MD37266：MS_TENSION_TORQ_FILTER_TIME ＞0。这是PT1 过滤器时间常数指令。张力扭矩是通过PT1 过滤器被应用到主从控制中，当MD37266＞0 时激活PT1 过滤器。

需要注意的是，张力扭矩的值必须设定足够高，才能够保证足够的电机扭矩。另外，为防止静止时电机温度过高，可以适当降低MD37264 的值。

3 结语

本文基于西门子840D 系统，结合调试经验，对GANTRY 轴与主从轴做了应用比较。目前，许多数控机床上已经应用了本文所述的GANTRY 轴或主从轴的控制方式，均达到了良好的控制效果，这可以使机床有更好的柔性、更高的稳定性，以及良好的动态性能与可靠性。

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

［2］Heidenhain Technical_Manual_iTNC530_en-技术手册［M］.Heidenhain 公司，2007.

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