西門子840D龍門軸功能在數控機床中的應用

張玉萍，辛世界，郭 超，王 寧

（山東理工大學 機械工程學院，淄博 255049）

0 引言

隨著工業的快速發展，人們對產品的各種機械性能的要求逐漸提高。在許多場合，一臺電機的控制己經不能滿足現代化高科技發展的要求，雙機驅動同步軸控制的方案已經得到越來越廣泛的應用。許多常用的數控系統提供了同步軸控制功能，如龍門軸功能和主從控制功能。本文以西門子840D的龍門軸功能為例，介紹龍門結構在數控機床中的應用。

1 龍門軸功能簡介

西門子840D的GANTRY軸功能適用于機械上剛性連接的雙邊驅動的運動部件。它要求組成龍門軸的幾個進給軸之間在機械上存在嚴格的聯系，并且NC系統內部對各進給軸的位置和速度進行嚴格監控，防止對機械、驅動部分或零件進行損壞。

使用“龍門軸”功能，最多可以同時實現三對進給軸無機械偏差的運動。一個龍門軸組中至少包含兩個軸：主動軸和從動軸，其中一個龍門軸組只能有一個主動軸，最多兩個從動軸。它們之間相互獨立，每個單元都有自己的位置檢測系統，系統會隨時監控主從動軸之間的位置差值，當差值達到一定值后，系統會輸出報警信號，并自動停下龍門軸組的所有軸，防止損壞機床。

從編程角度來看，主動軸可以像一般NC軸一樣進行編程操作，從動軸可以認為是不存在的，也不能對其進行編程[1]，它的運動與主動軸同步。

龍門軸接通電源后要保持同步，需立即進行“回參考點”操作，建立機床坐標。

圖1 龍門軸同步控制原理圖

龍門軸同步控制原理框圖如圖1所示。由圖1可知，雙電機共同驅動，主動軸和從動軸組成一個龍門軸組。在系統發出指令之前，主從動軸要進行回參考點操作，激活龍門軸功能。同步后，從動軸與主動軸一起移動，且主從動軸的位置實時進行比較，它們的位置偏差值，反饋給從動軸，與進給指令一起，調整從動軸的運動速度，從而保證從動軸與主動軸同步。

2 龍門軸參數設置

2.1 龍門軸基本參數設置

龍門軸機床數據參數如下：

1）MD37100 GANTRY-AXIS-TYPE：龍門軸定義，用來配置龍門軸。

2）MD37110 GANTRY-POS-TOLWARNING：龍門軸位置偏差報警極限。龍門軸回參考點結束后，系統會隨時監控主從動軸之間的位置差值。機床參數MD37100設定差值極限，當差值超過設定值時，系統會發出報警信號，同時向PLC發出接口信號DB31.DBX101.3；差值小于報警值時，接口信號自動取消。

3）MD37120 GANTRY-POS-TOL-ERROR：龍門軸運行極限值。龍門軸回參考點結束后，當差值超過MD37120設定的極限值時，系統會發出報警信號，龍門軸組各軸停止運動，同時會向PLC發出接口信號DB31.DBX101.2，機床停止運行。

4）MD37130 GANTRY-POS-TOL-REF：龍門軸參考點的位置偏差的設定范圍。龍門軸回參考點前，主從動軸的位置差值超過MD37130的設定值時，系統發出報警信號，龍門軸停止運動。

5）MD37140 GANTRY-BREAK-UP：取消龍門軸的軸配對。MD37140用來取消同步，設置好龍門軸組后，只要不用參數MD37140分開，龍門功能一直有效。37140=1時，龍門軸中的軸將成為獨立的軸，分開移動。通常在調試及維修時常用這個參數。

在一個龍門軸組里，MD37110、MD37120、MD37130、MD37140的設定值都應相同。其中，參數設定值的大小應滿足MD37110

2.2 龍門軸參數設置舉例

X1為主動軸，X11為從動軸。參數設置如下：

X1軸：

MD37100 GANTRY-AXIS-TYPE=1

MD37110

GANTRY-POS-TOL-WARNING=1

MD37120 GANTRY-POS-TOL-ERROR=2

MD37130 GANTRY-POS-TOL-REF=50

MD37140 GANTRY-BREAK-UP=0

X11軸：

MD37100 GANTRY-AXIS-TYPE=11

MD37110 GANTRY-POS-TOL-WARNING=1

MD37120 GANTRY-POS-TOL-ERROR=2

MD37130 GANTRY-POS-TOL-REF=50

MD37140 GANTRY-BREAK-UP=0

3 龍門軸回參考點操作

龍門軸接通電源后就要立即保持同步，必須馬上進行“回參考點”操作。龍門軸回參考點操作分三個步驟：1）主動軸先回參考點，從動軸跟隨主動軸移動。主動軸到達參考點，輸出到達信號“Reference / synchronized=1”。2）主動軸到達參考點后，從動軸自動回參考點運動，主動軸跟隨從動軸移動。3）當龍門軸組的軸都回到參考點后，比較主動軸和從動軸的位置，如果位置偏差值不大于MD37100設定的報警極限，龍門軸自動移動到同步位置；如果位置偏差值大于報警極限，龍門軸不自動開始同步過程，輸出等待同步啟動信息“Wait for synchronization start”，由用戶重新啟動龍門軸同步過程[4]。

4 PLC信號處理

表1 PLC接口信號

龍門軸回參考點操作及同步過程中用到的PLC信號如表1所示。

回參考點后，主從動軸的位置偏差值大于MD37110設定的報警值時，系統會向PLC發送一個接口信號DB31.DBX101.4，這時需要將PLC接口信號DB31.DBX29.4置1，重新啟動龍門軸同步。龍門軸回參考點結束后，PLC接口信號DB31.DBX101.5變為1，表示龍門軸已同步。

通過以下PLC程序和操作可實現主動軸從動軸不同步時，發出報警信號，并使主從動軸回到同步狀態。

PLC程序：

ADB31.DBX 101.4

ANDB31.DBX 101.5

AQ 2.6

=DB31.DBX29.4

RDB31.DBX29.5

ANDB31.DBX 101.4

ADB31.DBX 101.5

SDB31.DBX29.5

操作步驟：

1）把軸進給倍率撥到0位置；

2）操作方式處于軸回參考點方式；

3）選擇同步軸；

4）按一下-向鍵或+向鍵；

5）控制軸進給倍率=1或2，從動軸自動移動，主動軸不動，達到兩軸同步；

6）不同步報警信號消失后，同步操作結束。

5 結束語

西門子840D數控系統的龍門軸功能實現同步運動，控制精度高，可靠性強。在龍門銑床和一些雙主軸加工中心等機械設備中成了不可缺少的功能，隨著市場的發展，將越來越多的應用在機械設備中，為產品的更新和升級發揮力量。

[1] 趙全錦.龍門式數控機床的多軸同步驅動(西門子840D/810D GANTRY功能的應用)[J].制造技術與機床,2002,(5):43-45.

[2] 化春雷,徐兆成,等.同步軸在數控機床中的應用及調整[J].制造技術與機床,2010,(9):96-98.

[3] 朱孝峰.自動鉆鉚機數控托架控制系統設計開發[D].南京航空航天大學,2011:51-55.

[4] 唐建明,陸志華.西門子840D/810D功能在龍門式數控機床多軸同步驅動的應用[J].機械工人(冷加工),2005,(3):66-68.