数控机床铣头扭矩随滑枕伸出自动限制技术

■济南二机床集团有限公司 （山东 250022）

宿建友 周 辉 崔晓艳

数控机床在实际加工过程中，铣头会根据工件的加工需要随滑枕沿Z轴方向上下移动实现对工件的加工。有的用户为了使机床能够稳定工作，延长铣头及附件铣头使用寿命，保证加工精度，要求铣头扭矩应随滑枕伸出的长度不同而自动限制其大小，以避免人为操作不当，造成铣头超过其本身额定扭矩而缩短寿命。我公司利用西门子公司840DSL数控系统开发出了铣头扭矩随滑枕伸出自动限制技术，满足了用户这一要求。

通过参数设置、PLC程序运算处理，实现控制主轴电机扭矩的输出大小，铣头就具有根据滑枕伸出位置自动识别和限制扭矩的功能。现通过主轴为第四轴的数控定梁龙门铣床实例，介绍铣头扭矩随滑枕伸出自动限制技术。

1. 参数设置限制值

首先在做驱动配置时，进入到配置主轴电动机驱动通讯报文格式界面时，将“针对该MDS的DDS数量”的选项改为8，即配置了主轴电动机8套驱动参数。

通过驱动参数P1520可设置8个扭矩限制值。首先需要通过主轴驱动PLC接口信号DB34.DBX 21.0、DB34.DBX 21.1、DB34.DB X21.2三个接口信号的编码形成其相应的8个状态，激活参数组P1520[0]～ P1520[7]的8个值。三个接口信号可分无附件铣头和有附件铣头两种情况形成编码。例如：数控龙门镗铣床的滑枕伸出行程为0～－1000mm，当无附件铣头时，滑枕伸出0～－500mm时扭矩限制值为其额定扭矩的100%；当滑枕伸出－500～－900mm时扭矩限制值为其额定扭矩的80%；当滑枕伸出－900～－1000mm时扭矩限制值为其额定扭矩的60%。当有附件铣头时，滑枕伸出0～－500mm时扭矩限制值为其额定扭矩的60%；当滑枕伸出－500～－900mm时扭矩限制值为其额定扭矩的50%；当滑枕伸出－900～－1000mm时扭矩限制值为其额定扭矩的40%。然后根据电机的额定扭矩换算出不同位置的上限扭矩值，填入P1520参数组中。

假设：

DB34.DBX 21.0=A

DB34.DBX 21.1=B

DB34.DBX 21.2=C

我们便可以编制A、B、C三个接口信号的编码、滑枕行程和对应参数值三者之间的关系表了。无附件铣头时上述三者关系如表1所示：

表 1

有附件铣头时上述三者关系如表2所示：

表 2

2. PLC程序处理

扭矩限制值参数设置完毕后，需要编制PLC程序读出滑枕(Z轴)伸出行程，根据位置激活对应接口信号，形成编码，这样840DSL数控系统就可以根据编码激活对应的电机扭矩限制值参数了。下一步是通过西门子NC-Var-Selector软件生成NC-Variable表实现数控系统读写滑枕（即Z轴）位置变量，来激活参数组。

（1）变量选择器生成。在随系统一起到货的工具盒（Toolbox）中，我们可以找到“NC-Var-Selector”并选中，“Nar-Selector”自动拷入程序内（即电脑“开始”菜单中的“程序”里面有“NC-Var-Selector 32bit”）。点击“NCVar-Selector”，选择菜单“Nc-Variable”，依次点击“Select”、“Data”，选中“SW45SL”并打开，选中“ncv-NcData”打开，出现一个变量表（Ncvariable list）。

（2）新建一个变量表。点击“P r o j e c t”、“N ew”菜单，出现一个空白变量表，然后输入要求的变量表（例Z轴位置）：点击“Edit”，选中“Search”，出现一个对话框，选“selection”，在对话框“Component”内找到“SEMA”，按“OK”，移动滑块找到变量名为“measPos1[.]”、“measPos2[.]”，由于我们使用第二测量系统，故双击“measPos2[.]”，出现一个对话框，修改“LINE”为3，然后“OK”，Z轴位置变量自动填入“NEW”变量表第1项中，形成如表3所示。

表 3

建立一个以var为后缀的文件，将此变量表保存。在菜单“code”中点击“generate”，将文件变为以awl为后缀的文件保存。点击菜单“code”可修改DB块（默认值为DB120）并保存、关闭。

在菜单“c o d e”中，点击“to step7 project”,将生成的以awl为后缀的文件导入你所建立的project内的“sources”中。

（3）P L C 运算处理。打开S T E P7软件，选中你的项目（project），点击“insert”，在菜单中找到“Extornal Source”并选中，然后找到你的以awl为后缀的文件，选中该文件，在菜单“Edit”中编译（Compile）后生成指定编号的数据块。通过功能块FB2对该数据块的调用，将Z轴坐标数据传送给数据块DB70，就可得到滑枕（Z轴）的当前坐标。FB2调用的程序如下：

CALL FB 2 , DB100

Req :=DB70.DBX44.0

NumVar :=1

Addr1 :="SysVar.get".N_SEMA_measPos23_6 （实时读取Z轴坐标）

Unit1 :=

Column1:=

Line1 :=

Addr2 :=

Unit2 :=

Column2:=

Line2 :=

Addr3 :=

Unit3 :=

Column3:=

Line3 :=

Addr4 :=

Unit4 :=

Column4:=

Line4 :=

Addr5 :=

Unit5 :=

Column5:=

Line5 :=

Addr6 :=

Unit6 :=

Column6:=

Line6 :=

Addr7 :=

Unit7 :=

Column7:=

Line7 :=

Addr8 :=

Unit8 :=

Column8:=

Line8 :=

Error :=DB70.DBX44.2

NDR :=DB70.DBX44.1

State :=

RD1 :=DB70.DBD4 （读出的Z轴坐标传送到此数据块中）

RD2 :=

RD3 :=

RD4 :=

RD5 :=

RD6 :=

RD7 :=

RD8 :=

然后将DB70.DBD4的坐标值与要求的滑枕伸出的扭矩限制位置进行比较，执行相应的PLC程序，得到对应的编码，最后数控系统根据编码状态激活相应的参数进行扭矩限制。下面是无附件铣头情况下的部分PLC程序：

L DB70.DBD4 （读滑枕移动位置）

L -5.000000e+002 （与－500mm比较）

>R

JC M001 （当Z轴坐标0～－500mm时跳转）

L DB70.DBD4

L -9.000000e+002 （与－900mm比较）

>R

JCN M002 （当Z轴坐标在－900mm～－1 000mm范围内时跳转）

SET

= DB34.DBX21.0 （当Z轴坐标在－500mm～－900mm范围内时激活驱动参数P1250[1]中的扭矩设定值。）

CLR

= DB34.DBX21.1

= DB34.DBX21.2

JU END

M002：NOP 1

SET

= DB34.DBX21.1 （当Z轴坐标在－900mm～－1 000mm范围内时激活驱动参数P1250[2]中的扭矩上限设定值。）

CLR

= DB34.DBX21.0

= DB34.DBX21.2

JU END

M001：CLR （当Z轴坐标0～－500mm时，主铣头电动机采用驱动参数P1250[0]中设定的额定扭矩值。）

= DB34.DBX21.0 （A）

= DB34.DBX21.1 （B）

= DB34.DBX21.2 （C）

END：NOP 1

当上面相应接口信号为1时，数控系统自动把对应的P1520内的值作为主铣头电机扭矩限制值，这样就可以实现铣头扭矩随滑枕伸出自动限制了。有附件铣头的情况也以类似方法实现。

3. 确定加工工艺方案

根据铣头扭矩限制的滑枕伸出位置范围和铣头扭矩限制值，确定出合理的数控加工工艺方案，编写加工程序，合理控制加工时的切削速度和和主轴转速。经过与不使用铣头扭矩限制技术的数控机床对比，使用铣头扭矩限制技术的数控机床进行加工时，提高了工件的加工精度，减少了机床加工时的震动和工件加工面的振纹，同时延长了主铣头和附件铣头的使用寿命。

4. 结语

铣头随滑枕伸出扭矩自动限制技术经过使用，工作可靠，使用起来方便，不需要增加任何硬件，降低了制造成本，主铣头和附件铣头的机械传动链部分故障率明显减小，减少了数控机床的故障维修停机时间，提高了数控机床的稳定性和铣头使用寿命，提高了数控机床的加工效率。