V₁2000 2T數控機床是一臺大型五坐標龍門銑床，本身不具備自動換刀功能，為了提高加工效率，于九十年代初期對其添加了自動換刀機構和主軸準停機構。由于當時技術及經費等原因，采取對其添加額外的準停機構，由準停機構帶動主軸旋轉，實現主軸準停。由于原準停裝置包含步進電機、蝸輪、蝸桿等，占用機床大量加工空間，而且準停時主軸慢慢向準停機構上靠近，造成準停時間過長，不適合機床加工要求。當前，對本機床的電氣控制系統進行了徹底更新，機床改造后的控制系統采用NUM 1060，驅動系統采用SIMODRIVE 611A。利用這次機床改造機會，取消了原準停機構、準停方式等。利用西門子611A自身的特點，實現了一種新的便捷、快速、可靠的方式實現主軸的準停。

由于機床結構的限制，在機床主軸上無法安裝編碼器，所以我們采用的主軸準停方式是用無觸點開關或光電開關來檢測主軸頭上的刀具定位鍵，然后發送脈沖給伺服系統，作為主軸準停時的零位脈沖信號，伺服系統根據預先設定的參數進行定位控制，獲得精確的主軸定位。這種準停方法不需內部改動，外加裝置只需一個無觸點開關，參數的設置也比較簡單，所以是一種比較理想且易于實現的解決方法。

一．工作原理

V₁2000 2T機床的伺服系統采用的是西門子公司的SIMODRIVE 611A，在此系統中有位置監測功能，輸入接口，可編程輸入輸出端子及大量的功能參數，可以很方便的進行功能的擴展和開發。此次準停機構改造的思路是通過PLC程序激活主軸定位功能后，由伺服系統檢測主軸旋轉到位的BERO脈沖信號（由無觸點開關發出），然后根據設定的功能參數分階段進行主軸定位操作，獲得精確的主軸定位。利用伺服系統主軸驅動單元的可編程輸入和輸出端子，定義主軸準停功能和相應的參數。主軸定位功能見圖1。

準停命令（M19）由操作人員給出，PLC檢測到準停命令時發出準停觸發脈沖，伺服系統監測BERO脈沖信號，獲得BERO信號后伺服系統開始進行主軸準停操作。準停過程如圖2所示。

圖1      伺服系統主軸定位示意圖

圖2      準停過程示意圖

主軸準停過程分為三個階段，即剎車（階段1）、勻減速1（階段2）、勻減速2（階段3），三個階段可根據到準停點的距離來調整其寬度和斜率（設定參數為P-134, P-135, P-136, P-138, P-139）。當準停開始時，主軸會以預定轉速（由參數P-146設定）開始準停，如果準停時主軸轉速低于預定速度，主軸將加速到預定速度，再開始準停，這樣可以避免主軸準停時由于主軸轉速過低產生的爬行現象，減少準停過程的時間。

主軸進行準停時，主軸可能處在不同的檔位上，可以選取兩個可編程輸入端子（E1～E9）用來定義功能號23和功能號27，用于監測主軸當前所處的檔位。在某一檔位下，主軸準停時的偏移量可選取參數P-121、P-122、P-124、P-125等來設定。參數的設定見表一。

表一  不同檔位下的參數設定

功能號23	功能號27	主軸檔位	偏移量參數
0 1 0 1	0 0 1 1	1 2 3 4	P-121 P-122 P-124 P-125

二．相關參數設定

1．  可編程輸入輸出端子的參數設定：

主要用于選取可編程輸入輸出端子，監控主軸檔位，以及定位完成后的信號輸出等，見表二（可編程輸入輸出端子的選取根據情況而定，本文只作示例，下同）。

表二  輸入輸出端子的參數設定

功    能	描     述	功能號	接入端子
定位開始	定位使能信號，輸入高電位時開始定位操作	28	E2(P-082)
位置參考值1…2	定位參考值1…2，與功能號27組合使用，監測主軸檔位，由參數P-121,122,124,125定義	23	E3(P-083)
位置參考值3…4	定位參考值3…4，與功能號23組合使用，監測主軸檔位，由參數P-121,122,124,125定義	27	E4(P-084)
位置到達1/2	主軸定位完成輸出信號，定位偏差度由P-144/145設定	9/10	A21(P-242)

2．  其它功能參數：

主要包括定位使能，定位過程的調整，定位偏移量，連續零位脈沖之間最大脈沖數，定位觸發方式，參數寫保護，參數監控等，具體參數設定略。

三．控制方案

1． 

選用SIMODRIVE 611A的可編程輸入E2、E3、E4和可編程輸出A21，定義所需的參數。

E2                 定位開始 (P-082 = 28)

E3                 位置參考值1...2  (P-083 = 23)

E4                 位置參考值3...4  (P-084 = 27)

A21                 位置到達1/2  (P-242 = 9/10)

E2為準停開始信號，E3、E4作為主軸當前檔位監測輸入，其具體定義見表一。A21為準停完成信號。

2．  由無觸點開關發出的BERO脈沖信號接入伺服系統面板的BERO輸入接口（X432或X433），用于檢測主軸準停位。

3．  定義PLC的輸入和輸出

輸入：M19，準停信號，PLC自定義M功能。

         A21，準停完成信號，伺服系統可編程輸出

輸出：主軸準停開始：定位開始 (E2)

         主軸檔位監測：位值參考值1…2 (E3)

         主軸檔位監測：位置參考值3…4 (E4)

4．  PLC程序設計

PLC主程序中添加主軸準停指令（M19），用于觸發系統主軸準停功能。同時完成主軸檔位的監測和輸出、準停模式的觸發（Position Module）、主軸準停完成信號的監測等。

5．  主軸準停的控制流程

見圖3所示。

                          

圖3  主軸準停的控制流程圖

四．結論

改造前，主軸準停一次需要10~20分鐘，這對高速加工來說是無法接受的，改造后主軸準停時間大大減少，經參數優化后，準停時間為3~5秒鐘。重復定位精度相對于換刀機械手來說可以忽略不計，固定旋轉方向準停時可以不考慮機械間隙的影響。

       經過改造，不但大大減少了準停時間，而且不占用機床任何加工空間，同時，操作起來方便易行，維護工作也僅限于無觸點開關，與原準停機構相比，各類指標均有質的提高。改造前后準停機構性能對比見表三。

表三  改造前后準停機構性能對比

	準停時間	占用空間	可靠性	精度	準停方式	附加機構	后期維護
改造前	10~20 分鐘	大量	不可靠	低	被動式，附加機構帶動主軸進行準停	步進電機、驅動、傳動等一整套機構	維護量大
改造后	3~5秒	無	可靠	高	主動式，伺服系統控制主軸進行準停	外加一個無觸點開關	維護量小，僅限于無觸點開關