可交換式雙擺頭設計過程中編碼器類型的選擇

徐兆成 隋海倬 劉春時

(沈陽機床(集團)有限責任公司，遼寧 沈陽110142)

隨著數控機床的不斷發展，銑頭可交換的5軸機床已成為高檔數控機床的一種趨勢，主要應用于汽車工業中的模具制造、原型制造、大型鋼模和鑄鐵模具的制造以及航空航天工業中的復雜零件加工、應用于原金屬90%以上的鋁結構的加工、應用于在動力設備制造中難加工材料的加工。由于標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、形狀復雜零件和模具行業、航空航天工業的理想設備，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施從粗到精加工，確保加工精度和表面質量的要求。

由于在自動交換雙擺銑頭時，需要同時更換擺頭中相應軸(如本文范例機床中的主軸與A軸)的電動機與編碼器，而針對不同類型的數控系統，在同時交換電動機與編碼器時，對編碼器類型的選擇是有嚴格的技術要求的，不同的數控系統對于不同的編碼器類型，有些組合是可以實現自動交換雙擺銑頭，而有些組合是無法實現自動交換的。下面主要介紹西門子840D系統及海徳漢iTNC530系統在交換銑頭過程中，對于選擇增量式編碼器、絕對式編碼器的可行方案及技術要求，只有在機械、電氣設計之初考慮好換頭時應用的數控系統與編碼器類型是否可行，才可以避免不必要的經濟損失與浪費。

1 編碼器類型的選擇及參數設置

1．1 基于西門子840D系統的編碼器

首先需要注意的問題是，在自動交換雙擺銑頭的過程中，需要同時交換電動機與編碼器。對于電動機而言，交換只能在同類型的電動機間進行，即同步電動機與同步電動機之間互相交換，異步電動機與異步電動機間互相交換，同步電動機與異步電動機是無法進行交換的。其次，對于實現自動交換雙擺銑頭，必須重新激活并應用“新更換機床軸”相應的參數設置。為了達到此目的，西門子系統準備了4組電動機參數，分別對應地存儲在1000、2000、3000和4000系列范圍的參數中，PLC通過改變“驅動控制字”中的電動機位(DB3x.DBX21.3和DB3x.DBX21.4)，發出準備交換電動機的請求，并同時選擇并激活了對應的上述4組電動機參數。

在參數設置方面，有一個重要的參數 MD1013(ENABLE_STAR_DELTA)，該參數是控制電動機交換使能及電動機交換類型的，當參數MD1013=0時，系統電動機交換功能關閉;當參數MD1013=1時，系統可最多可交換4組電動機與編碼器，并且每組電動機都擁有自己相應的參數設置。

下面以交換雙擺銑頭的電主軸及A軸為例，介紹西門子840D系統選擇編碼器的技術原則及原因。交換過程中需要經過以下幾個步驟與狀態(當前激活并工作的為擺頭1，現將擺頭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，準備將擺頭1還回庫中，此時A=0，C=0，如圖1;

(2)PLC通過改變“驅動控制字”中的電動機位，發出準備交換電動機的請求(DB3x.DBX21.3和DB3x.DBX21.4);

(3)驅動控制器將“驅動狀態字”設置成“交換激活”的狀態，并取消主軸1及A軸的“脈沖使能”;

(4)驅動控制器通過“PLC狀態字”的“脈沖使能位”來通知PLC主軸1及A軸的“脈沖使能”已經取消(DB3x.DBX93.7);

(5)驅動控制器激活主軸2及A軸相應的參數設置;

(6)驅動控制器通過“PLC狀態字”的“電動機位”來通知PLC主軸2及A軸已經生效(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“驅動控制字”申請“parking軸”生效;

(9)驅動控制器通過“驅動狀態字”通知 PLC“parking軸”已經生效;($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“驅動控制字”終止“parking軸”;

(14)驅動控制器通過“驅動狀態字”通知PLC“parking軸”已經終止;($VA_POSCTRL_MODE［Axis］)

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

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

(17)驅動控制器通過“PLC狀態字”的“脈沖使能位”來通知PLC主軸2及A軸的“脈沖使能”已經激活(DB3x.DBX93.7);

(18)對于同步電動機還應進行“粗轉子識別”或“精轉子識別”。

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

對于西門子840D系統，參數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(即使型號與生產廠家是相同的)。在自動交換銑頭時，由于要交換電動機，還要交換編碼器，所以當系統終止“parking軸”的步驟完成后，MD34230中的參數數據是新電動機編碼器的序列號，與交換前舊電動機編碼器的序列號是不同的，這就會引起系統報警，需要控制器復位，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中的參數值是不會改變的(均為0)，不會引起系統報警，自動交換可以正常完成。同理，在自動交換時，斷掉與重新連接的編碼器，如果是同一個“絕對式編碼器”，則MD34230中的參數值也是不會改變的，不會影響正常的自動交換。

1．2 基于海徳漢iTNC530系統的編碼器

應用海徳漢iTNC530系統進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軟件的處理過程和特點，及由此而產生對編碼器類型選擇的影響。

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

與應用西門子840D系統時的原理類似，在應用子參數文件時，一定不能把類似MD34230(ENC_SERIAL_NUMBER)會導致控制器重新啟動的參數輸入到子參數文件中，這樣將會導致無法實現自動交換銑頭。只要子參數文件中所包含的參數設置均是合法的，即可實現自動交換的過程。

如果設計時選擇的是絕對式編碼器，還應該注意數控系統控制器的型號，如果海徳漢系統控制器型號是CC422時，選擇絕對式編碼器是無法實現自動交換銑頭，因為在這個過程中，編碼器需要在機床運行中切斷與控制系統的連接并重新恢復連接。對于CC422而言，系統只有在控制器啟動時才讀取絕對式編碼器反饋回的數值，故無法自動地完成銑頭交換。但是對于型號是CC424的控制器，就不會出現上述問題，應用絕對式編碼器是可以實現銑頭自動交換的。

對于應用增量式編碼器，無論控制器型號是CC422還是CC424，在自動交換電動機與編碼器時，既不會影響系統對編碼器反饋值的讀取，也不會導致系統的重新啟動，可以實現自動交換銑頭。

2 結語

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

(1)西門子840D系統可以實現2個不同增量式編碼器(但類型相同)間的自動交換。

(2)西門子840D系統，完成2個不同絕對式編碼器(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絕對式編碼器的自動交換。

(3)對于海徳漢 iTNC530系統，控制器型號是CC422時，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，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。

在設計之初，注意上述選擇編碼器類型的原則，可以避免在之后的生產和調試過程中出現類似的問題與矛盾，避免不必要的經濟損失與浪費。

［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.