数控龙门铣横梁调平系统分析

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摘 要：3米数控龙门铣为我单位大型数控机床之一，在生产过程中起着十分重要的作用。最近两年，横梁调平系统频繁出现报警，电气调平失效，每次都得手动调平，十分麻烦，尤其是在机床回参考点设置过程中，造成机床加工效率低，影响了正常的生产。本文针对我公司数控龙门铣在使用过程中出现的横梁调平系统问题，通过分析问题产生的原因，提出解决方案。

关键词：数控龙门铣；横梁调平；故障解决

中图分类号：TG659 文献标识码：A

1 概述

13米数控龙门铣为我单位大型数控机床之一，在生产过程中起着十分重要的作用。这台机床是我单位与80年代后期从德国引进，工作台长13M，数控系统为西门子8M，PLC为S5-135WD，采用直流调速驱动装置。多年过去了，该数控龙门铣床也进入了大修时期，但原机床所配的数控系统8M已经停产，系统的其它备件也相当昂贵，为此，公司决定将原系统升级为西门子 840D，PLC系统升级为S7-300。在首次改造升级后，机床运行平稳，但是最近两年，横梁调平系统频繁出现报警，电气调平失效，每次都得手动调平，十分麻烦，尤其是在机床回参考点设置过程中，造成机床加工效率低，影响了正常的生产，为此，我单位决定对此问题进行彻底处理。经过我单位工程技术人员的讨论及向西门子公司服务的咨询，最后决定采用调整电气控制和程序的方案来解决此问题。

2 横梁调平系统

横梁调平是由横梁升降电机提升横梁，然后调平电机进行微调，使整体横梁达到平衡。对于工作台长13M,宽3.5M的龙门铣，滑枕、铣头及溜板等质量共近30T，当铣削单元（溜板）在横梁导轨上作水平运动时势必造成横梁的倾斜，越是靠近横梁导轨的两端横梁倾斜就越严重，如果横梁没有调平机构来维持，机床走溜板加工出来的平面和工作台平面就会不平行，最终导致加工工件的水平面不平，即几何精度超差，如果使用铣头加工工件，会造成铣头四个方向加工平面几何精度超差。

数控NCU单元。NCU是840D数控系统的控制核心和信息处理中心，它包括了各个轴所有的差补，轨迹运算并且控制集成了高性能的PLC，NCU硬件版本为NCU573.5，TOOLBOX软件版本为6.5，PLC采用的是S7-300（CPU317-2DP128K）系列高性能逻辑控制器。

3 横梁调平原理

横梁左右立柱导轨分别安装有光栅尺作为位置检测，左立柱导轨光栅尺作为数显轴W2，因为横梁调平机构在左立柱顶部，右立柱导轨光栅尺作为横梁主轴位置反馈，既W1轴的全闭环光栅尺，横梁在机械调平之前，先移动溜板到横梁中间位置，然后通过水平仪调平横梁，此时，W1轴和W2轴在回完参考点后应该数据完全一样，如果不一样，可以通过修改零点偏置参数使其达到一致。接通横梁调平电机，运动横梁和溜板，如果W1和W2轴之间的机床坐标值不相等，其数值由程序设定，如果差值大于0.005mm，调平电机伺服轴W3立即启动，纠正期间的差值，使其小于0.005后，调配电机停止工作，横梁调平完成。

横梁W1轴和其他轴都是数控轴，回参考点方式相同，其中区别在于横梁有一个跟随轴W2，即数显轴W2，它工作在跟谁状态下。但是跟随轴W2也需要回参考点，由于机械在安装过程中不能保证两个光栅尺安装的高度一致，会造成在W1轴移动80mm找到参考点，而W2轴的参考点仍然没有找到，所以此时为了照顾W2轴，W1轴必须向相同方向再回一次参考点使W2轴能找到参考点。

横梁调平一般工作在自动调平状态下，通过PLC来控制调平，即伺服轴W3在自动调平时，是一个PLC轴。在调平时，如果W1和W2轴的差值大于0.1mm或差值小于-0.1mm，自动调平失败，此时必须手动调平，使横梁调平轴W3从PLC轴回到NC轴控制方式。通过MCP上的自定义键，横梁手动调平有效T9按钮，在按住T9达到30秒后，按钮上方指示灯亮，然后松开该按钮，W3轴即从PLC轴切换到NC轴。这时与操作NC轴一样，在JOG方式下，选中W3轴，即MCP上的第七个轴，然后打开进给倍率开关及进给使能就可以对其点动操作了。手动调平后，机床自动进入自动调平状态，此时手动调平按钮无效。

如横梁自动调平失败，而且手动调平无法实现，此时需要通过牙盘来调整。每个牙齿是0.024mm，机械调平后，数控系统上电，不启动机床，观察W1和W2轴之间如果有差值，记录下该差值。因为电气尚未调平，如果此时数控系统上电后启动机床，电气就会自动调平，使本来是平的部分被电气系统调歪。消除该差值有两种方法，可以在机械上通过调整W2轴读数头的位置来实现，松动固定读数头的螺丝，上下调整读数头的位置，当屏幕上W1轴与W2轴机床坐标值的差值小于0.01mm即可，该方法直观可靠且简单实用。缺点是要拆除防护罩和松动读数头，而起在调整读数头是需要小心和谨慎；也可以在电气上通过计算来修正W1轴或者W2轴的零点偏置，修改后从新回参考点读数相等后即可，该方法不直观，而且需要修改参数以及回参考点等，而且如果计算错误的零偏修改，就会造成更大的误差，因此该两种调整方法各有优缺点。

由于数显轴W2只是作为一个跟随轴使用，所以在PLC程序里必须对相应的接口信号进行处理，否则就会出现相应的报警，通过设置参数MD34104=1，W2轴在跟随方式下即可回到参考点，根据参考点可以设置参考点偏置，然后通过FB2功能读取机床坐标值。

4 调平部分PLC程序

调平伺服轴信号处理。数显轴W2接口信号如图1。从图2中的PLC梯形图程序可以看出，第一行W2轴工作在跟随方式下；第二行W2轴位置测量有效；第三，第四行W2轴控制器使能和脉冲使能无效。

调平伺服W3轴交换PLC/NC接口信号。从图2程序中可以看出，横梁工作在自动调平状态下时，W3轴是PLC轴，手动调平时，W3轴是NC轴。

结束语

通过此次维修调整，经过一段时间的观察，没有出现过此类问题。通过以上的故障分析，作为电气维修的工程技术人员要提高数控机床的维修技能，关键在于必须熟悉数控机床的性能特点、控制原理，在维修过程中不断摸索，积累和总结经验，灵活运用所学的知识，才能排除故障，减少停机时间，提高数控机床的使用率，使生产得以顺利进行。

参考文献

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[3]郑小年，杨克冲.数控机床故障诊断与维修[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.9.