一、項目簡介

對于現在的數控機床，對于附件部分的精度要求日益加強。我廠原有的銑頭是使用主軸進行分度的，這種銑頭在用戶高精度的要求下逐漸被淘汰。因此，我廠新研發了一種自動分度銑頭，仍舊使用主軸進行分度，但是在銑頭上裝有編碼器，用來檢測銑頭分度角度。針對這種新型銑頭，電氣方面就有了新的控制方式。

這種帶編碼器的銑頭控制，我廠在840D、840DSL兩種數控系統中均已經成功實現。由于840D系統已經停產，本文僅針對840DSL系統進行描述。

帶編碼器的A/C自動分度銑頭

二、項目方案系統構成

1.機床控制結構組成。

控制新型銑頭所使用的機床為我廠生產的TK6916B型重型數控落地鏜銑床。其控制軸分為X軸（滑座移動）、Y軸（主軸箱移動）、Z軸（滑枕移動）、W軸（鏜軸移動）、SP軸（主軸旋轉）、B軸（轉臺臺面旋轉）、V軸（轉臺臺面移動）、U軸（平旋盤滑板移動）共八個伺服軸，其中除了W軸、U軸為半閉環（使用電機編碼器控制位置）結構外，均為全閉環（使用外置編碼器/光柵尺控制位置）結構。

銑頭為A/C雙軸分度銑頭。在常規的老式銑頭基礎上，對A軸、C軸各增加了一個編碼器，用來檢測并控制銑頭的分度角度。

2.數控系統方案配置及說明，系統控制策略。

機床數控系統配置NCU720.2，以及NX15模塊。NCU720.2連接主機部分的五個軸驅動模塊（X、Y、Z、W、SP）；NX15用于控制轉臺（B、V）、平旋盤（U）等部分的三個軸驅動模塊。

同時，因為端口數量限制，在NCU720.2和NX15上各配置了一個DMC20模塊，用于連接全閉環接口。

對于這臺機床，主軸在平時與主軸自身編碼器形成一套全閉環伺服系統，正常作為進行主軸加工；但是在銑頭進行分度時，需要通過主軸對銑頭分度進行控制，即將主軸電機與銑頭編碼器形成一套全閉環伺服系統，作為銑頭分度軸使用。同時，還需要編寫一套用于銑頭分度的子程序，以便簡化操作者的操作。

三、控制系統完成的功能

1.SETPOINTEXCHANGE功能描述。

經查閱資料后，發現使用SETPOINTEXCHANGE功能可以很方便的實現銑頭的控制要求。

上圖為SETPOINTEXCHANGE功能的典型應用示例圖。從圖中可見，其使用方式即為一個伺服電機對應兩個外部編碼器，并且可以根據需要進行切換，形成兩套獨立的全閉環控制系統。

在針對銑頭使用SETPOINTEXCHANGE功能時，需要做以下五項工作：

將銑頭編碼器接入到數控系統中，并使其生效；

配置虛擬軸A/C軸參數；

編寫PLC控制程序；

手動運轉并優化A/C軸，使其動作達到預期要求；

編寫A/C軸分度用子程序，以便實現控制的簡單化。

下面，將針對這五項逐項說明。

2.將銑頭編碼器接入到數控系統中，并使其生效。

NCU型號720.2，為840DSL1A版本系統，要求每個CU所帶的編碼器數量（包括電機編碼器）不能超過9個。NCU部分已經使用了9個編碼器（5個電機編碼器，4個全閉環反饋），NX部分已經使用了5個編碼器（3個電機編碼器，2個全閉環反饋），因此只能將A/C軸的編碼器接到NX上。

之后，將C軸編碼器作為U軸的第二環編碼器進行設置。過程如下：

1）將C軸編碼器對應的SMC20模塊連接到NX模塊的空余Drive-CliQ接口上，并在拓撲中增加系統組件.

2）在電機驅動配置中，將C軸編碼器配置為U軸的第二編碼器，線數為5000。

3）使用Start-UPTool，進行軸分配。將C軸編碼器分配給U軸的第二測量系統。

4）上一步完成后，系統會自動將U軸參數MD30200=2，MD30240[1]=1。需要手動更改為MD30240[1]=0。也就是說，C軸編碼器已經作為U軸的第二測量系統連接到系統中，但是并未使用。至此，C軸編碼器硬件連接完成。

下一步，對A軸編碼器的連接則比較麻煩。因為編碼器必須通過實際存在的驅動模塊進行連接，而本機床已經不存在未使用的驅動模塊了，因此我臨時增加一個單軸模塊，將A軸編碼器作為其第二編碼器連接后，再拆除模塊。過程如下：

1）將臨時增加的單軸電機模塊、A軸編碼器對應的SMC20模塊連接到NX模塊的空余Drive-CliQ接口上，并在拓撲種增加對應的系統組件。

2）在電機驅動配置中，對新增加的電機模塊進行配置。

3）電機選擇西門子電機，電機類型選擇異步電機，型號隨便找一個即可。

4）在配置電機編碼器時，第一編碼器空缺，將A軸編碼器設置為第二編碼器，線數為5000。

5）其他驅動配置正常完成。

6）使用Start-UPTool，進行軸分配。將虛擬軸分配給第11軸。因為之前只設置了A軸編碼器一個編碼器，因此A軸編碼器被自動設置為第11軸的第一測量系統。

7）上一步完成后，系統會自動將第11軸參數MD30200=1，MD30240[0]=1。手動將MD30240[0]=1。也就是說，A軸編碼器作為第11軸的第二個編碼器，第一測量系統（因為配置電機時第一測量系統空缺）連接到系統中，但并未使用。

8）修改第11軸驅動參數P600[0]=0（屏蔽電機溫度報警）、P125=0（不激活功率模塊），之后將臨時增加的電機模塊移除。至此，A軸編碼器硬件連接完成。

3.配置虛擬軸A/C軸參數。

1）設置必須的通用、通道參數，使得A/C軸及A軸編碼器可以被使用，并啟用SETPOINTEXCHANGE功能。參數修改如下：

MD19100=11（機床已經使用8軸，A軸編碼器連接的臨時軸為11軸，A/C軸為9/10軸）；

MD20070[0]至[10]依次設置為1至11，即通道1中共11個軸生效；

選項功能不便給出，需要時請花錢購買。無選項功能時，在NC參數全部設置完成時有報警“26018”存在。

2）查看其他軸需要關注的參數。

需要關注要使用SETPOINTEXCHANGE功能的軸、A/C軸編碼器連接軸的參數如下：

其中，MD30110代表當前軸的模塊序號；

MD30130代表軸是否有輸出；

MD30200代表當前軸測量系統的數量；

MD30220[0]/MD30230[0]共同代表當前軸第一測量系統的編碼器連接位置；

MD30220[1]/MD30230[1]共同代表當前軸第二測量系統的編碼器連接位置；

MD30240[0]/[1]代表當前軸第一/第二測量系統是否生效；

MD31050/MD31060共同代表當前軸的傳動比；

MD31020[0]/[1]代表當前軸第一/第二測量系統編碼器的每轉線數；

由上圖可見，C軸編碼器的實際位置為第8軸的第二測量系統，線數5000；A軸編碼器的實際位置為第11軸的第一測量系統，線數5000，且均未在當前軸生效。主軸（SP）的實際位置值為5，主軸傳動比為1:10。

3）設置C軸參數如下：

其中，MD30110設置為5，與主軸相同，代表C軸與主軸使用SETPOINTEXCHANGE功能進行切換；

MD30200設置為2，代表C軸有兩套測量系統；

MD30220[0]=5/MD30230[0]=1，代表C軸第一測量系統為第5軸的第一測量系統，也就是主軸電機編碼器；

MD30220[1]=8/MD30230[1]=2，代表C軸第二測量系統為第8軸的第二測量系統，也就是C軸編碼器；

MD30240[0]=1/[1]=1，代表C軸第一/第二測量系統均已生效；

MD31050=1/MD31060=10，代表C軸傳動比為1:10。因為在分度時，C軸使用實際主軸進行旋轉，因此C軸傳動比與主軸傳動比相同；

MD31070=1/MD31080=5，代表在C軸運動時，第二測量系統的傳動比是1:5，也就是C軸旋轉1度，C軸編碼器旋轉5度。

4）設置A軸參數，其各參數含義與C軸相同。設置后，A軸第一測量系統為主軸電機編碼器，第二測量系統為A軸編碼器。

具體參數如下圖：

以上參數設置完成后，A/C軸參數設置完成，可以繼續進行PLC程序編寫了。

4.編寫PLC控制程序。

程序的總體思路是：在A/C軸均未使用時，主軸有使能，可以正常使用；在A/C軸需要使用時，切斷主軸使能，并給A/C軸使能，A/C軸可以正常使用。注意：A/C軸不能同時使用，只能逐個軸進行。

本文中不給出具體的PLC程序。程序控制流程圖如下（第1/2軸之間切換）：

5.手動運轉并優化A/C軸。

給A/C軸使能，運轉電機，觀察是否有抖動、爬行、電機異響、異常報警等產生。通過調整驅動參數、軸參數等消除問題。

檢測銑頭精度。在必要時，通過反向間隙補償、螺距誤差補償、垂度補償等方式對銑頭精度進行補償，使之滿足設計要求。

6.編寫A/C軸分度用子程序。

根據銑頭的設計要求，A/C軸只有主軸在固定角度時才能夠放松并進行分度（本銑頭為10度）。同時，在A/C軸已經分度并加緊后，再次分度時，主軸也需要定位到上次的分度角度才可以再次分度。

C軸的分度子程序（HC）如下：

PROCHC(REALPITCH);定義C軸分度子程序名稱為HC

DEFREALSPunclP0=10;定義銑頭0度推出時的主軸角度

;使用R99存儲上次分度角度

M19;主軸回參考點

SPOS=R99+SPunclp0;主軸定位

G4F1

M67;C軸放松M指令

N10IFIN[9]==1GOTON20;等待C軸放松到位

GOTON10

N20G4F1

G0G90C1=PITCH;C軸旋轉

G4F1

M68;C軸夾緊

G4F1

N40IFIN[10]==1GOTON50;等待C軸夾緊到位

GOTON40

N50PITCH=R99;存儲C軸分度角度

M17

需要注意，程序中占用了R99作為存儲C軸分度角度，在其他加工程序中不允許使用。

A軸子程序（HA）與C軸類似，同樣占用R98用來存儲A軸分度角度。

子程序編寫完成后，復制到程序-用戶循環文件夾下，并對系統重新上電。

調用子程序時，只要在MDA或AUTO模式下，執行HC(XX)或HA(XX)，則A/C軸會自動完成主軸定位-放松-分度-夾緊等一系列動作，簡化了操作者的使用難度。