劉翔云 邵振廷

(濟南二機床集團有限公司，山東 濟南 250022)

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西門子跟隨誤差補償功能在數(shù)控龍門鏜銑床上的應(yīng)用

劉翔云 邵振廷

(濟南二機床集團有限公司，山東 濟南 250022)

介紹了西門子跟隨誤差補償功能的工作原理、參數(shù)設(shè)置，以及利用伺服軌跡、圓度測試等調(diào)整、優(yōu)化跟隨誤差補償相關(guān)參數(shù)的方法。利用跟隨誤差補償功能，最大限度地減小輪廓偏差，改善加工質(zhì)量，達到增大位置環(huán)增益同樣的效果。

跟隨誤差補償；輪廓誤差；伺服軌跡；圓度測試

當(dāng)數(shù)控龍門鏜銑床的位置環(huán)增益(Kv)因各種原因無法增大時，在高速加工、圓弧插補時，會產(chǎn)生一個較大的跟隨誤差和圓度誤差，影響工件的加工精度。在不增加位置環(huán)增益(Kv)的情況下，為減小加工誤差,我們使用了西門子跟隨誤差補償功能，又稱前饋控制，提高機床加工精度。本文主要講述速度前饋控制。

1 工作原理

西門子系統(tǒng)的跟隨誤差(following error)一般是指位置環(huán)的位置編程值和實際值之間的差值，它反映了機床動態(tài)跟隨精度和靜態(tài)定位精度。跟隨誤差和位置環(huán)增益之間關(guān)系如下：

E=V/Kv

式中：E為跟隨誤差；V為運動速度；Kv為位置環(huán)增益。

由上式可見，當(dāng)位置環(huán)增益(Kv)確定后，跟隨誤差與運動速度成正比，即速度越大誤差越大。數(shù)控龍門鏜銑床由于受機床傳動剛性、固有頻率等因素的影響，其位置環(huán)增益(Kv)無法達到較大值，因此當(dāng)高速加工時會產(chǎn)生較大的跟隨誤差，降低機床加工精度。在不增大位置環(huán)增益的情況下，為減小上述誤差，西門子提供了跟隨誤差補償功能(Fllowing error compensation),又稱前饋控制(Feedforward control)，通過該功能可將跟隨誤差降到接近于零，達到增大位置環(huán)增益同樣的效果。西門子前饋控制有兩種，一種是扭矩前饋控制，一種是速度前饋控制，大部分是采用速度前饋控制，本文主要闡述速度前饋的調(diào)試及優(yōu)化。其工作原理如圖1。

2 跟隨誤差補償功能的生效方式

跟隨誤差補償?shù)纳Х绞?，可以通過參數(shù) MYMMA_FFW_ACTIVATION_MODE，設(shè)為總是有效或者通過程序指令選擇有效，通常選擇通過編程指令選擇有效。

跟隨誤差補償生效方式：

MD32630 MYMMA_FFW_ACTIVATION_MODE = 0 ；前饋控制總是有效

= 1 ；在程序中用指令選擇是否有效

編程指令： FFWON/FFWOFF 跟隨誤差補償生效/無效；

MD20150【23】=2 通道復(fù)位后生效

3 跟隨誤差補償功能的參數(shù)設(shè)置及優(yōu)化

注：在使用跟隨誤差補償功能之前，各機床軸的位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)需經(jīng)過優(yōu)化。

3.1 跟隨誤差補償功能的相關(guān)參數(shù)

MD32610 VELO_FFW_WEIGHT

MD32620 MYMMA_FFW_MODE；前饋控制方式 3：速度前饋 4：扭矩前饋

MD32630 MYMMA_FFW_ACTIVATION_MODE；前饋生效方式

MD32810 MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME；速度環(huán)等效時間常數(shù)

3.2 速度環(huán)等效時間常數(shù)的調(diào)整與優(yōu)化

速度前饋控制中唯一需要優(yōu)化調(diào)整的參數(shù)是速度環(huán)等效時間常數(shù)MD32810 MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME。調(diào)整、優(yōu)化該參數(shù)最簡便的方法就是做位置環(huán)階躍響應(yīng)的特性，利用伺服軌跡測量位置給定值和位置實際值之間的差值(特別是在位置實際值到達目標(biāo)值前20 μm的特性)，根據(jù)軸的定位特性，將其調(diào)整、優(yōu)化至最佳值。為獲得良好的補償效果，必須將MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME準(zhǔn)確地設(shè)置在機床數(shù)據(jù)中，該值越小速度前饋控制的作用越強。

(1)測試程序(以X軸為例)

在【Auto.】或【MDA】方式下，選擇執(zhí)行下述程序：

FFWON

SOFT

LAB:

G01 X210 Fxxxx ; 軸的最大進給速度

G04 F0.5

MYMAA_SCTRACE[X]=1 ；trigger for servo trace

X260

G04 F0.5

GOTOB LAB

M30

(2)測試方法

利用伺服軌跡功能(如圖2)，選擇“測量”輸入測量內(nèi)容(如圖3)，按【NC Start】鍵，執(zhí)行程序和測量，根據(jù)測試曲線(如圖4)，分析機床軸的定位特性，調(diào)整參數(shù)MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME。

(3)位置環(huán)階躍響應(yīng)曲線的分析與參數(shù)優(yōu)化(以X軸為例)

在速度前饋不生效狀態(tài)下，測量軸的位置實際值、編程值、輪廓誤差和系統(tǒng)誤差，如圖5。

MD 32620 MYMMA_FFW_MODE 0

MD 32810 MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 0.0

激活速度前饋控制，測試軸的位置實際值、編程值、輪廓誤差和系統(tǒng)誤差。

參數(shù)設(shè)置：

MD 32610 VELO_FFW_WEIGHT 1.0

MD 32620 MYMMA_FFW_MODE 3

MD 32810 MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 0.0025

MD 32431 MYMMA_MAX_AX_JERK 80

測試曲線如圖6所示，當(dāng)軸移動到目標(biāo)位置前，定位成爬行狀態(tài)，說明MD 32810 MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 設(shè)定值過大，應(yīng)減小。

參數(shù)設(shè)置：

MD 32610 VELO_FFW_WEIGHT 1.0

MD 32620 MYMMA_FFW_MODE 3

MD 32810 MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 0.0018

MD 32431 MYMMA_MAX_AX_JERK 80

測試曲線如圖7所示，當(dāng)軸移動到目標(biāo)位置前，有位置超調(diào)現(xiàn)象，說明MD 32810 MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 設(shè)定值過小，應(yīng)增大。

參數(shù)設(shè)置：

MD 32610 VELO_FFW_WEIGHT 1.0

MD 32620 MYMMA_FFW_MODE 3

MD 32810 MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 0.002

MD 32431 MYMMA_MAX_AX_JERK 80

測試曲線如圖8所示，當(dāng)軸移動到目標(biāo)位置時，無超調(diào)和爬行現(xiàn)象，說明MD 32810 MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME優(yōu)化至最佳狀態(tài)。

按照上述步驟，逐次優(yōu)化機床各插補軸的速度環(huán)等效時間常數(shù)，然后取各插補軸 MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 的最大值，設(shè)為各插補軸速度環(huán)等效時間常數(shù)。

注：所有插補軸上述參數(shù)應(yīng)設(shè)置成相同值,否則在執(zhí)行圓弧插補時，會導(dǎo)致圓度變成橢圓。

4 圓度測試

將速度前饋控制優(yōu)化調(diào)整后，需使用圓度測試功能，在前饋控制功能生效的狀態(tài)下，對插補軸的動態(tài)特性進行分析和評估。

例：以XY軸為例

4.1 測試程序

FFWON ; 激活前饋控制

SOFT

G17 ; 選擇XY平面

G91 ; 增量

G02 I10 J0 F5000 TURN=30 ; R=10mm V=5000mm/min 重復(fù)執(zhí)行30次

M30

4.2 測試結(jié)果

前饋控制功能生效后，做圓度測試時，通常圓的實際半徑會過大(如圖9)，此現(xiàn)象可通過調(diào)整動態(tài)匹配響應(yīng)時間MYMMA_DYN_MATCH_TIME或加加速濾波器時間常量MD32410 MYMMA_AX_JERK_TIME參數(shù)進行修正。

(1)通過優(yōu)化動態(tài)匹配時間常數(shù)，修正圓度的大小

X Y

32200 POSCTRL_GAIN 3.2 3.2

32610 VELO_FFW_WEIGHT 1.0 1.0

32620 FFW_MODE 3 3

32810 EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 0.002 0.002

32900 DYN_MATCH_ENABLE 1 1

32910 DYN_MATCH_TIME 0.0062 0.0062

通過參數(shù) MYMMA_DYN_MATCH_ENABLE 激活動態(tài)匹配功能，并根據(jù)圓度測試的結(jié)果優(yōu)化調(diào)整 MYMMA_DYN_MATCH_TIME 動態(tài)匹配時間常數(shù)的大小，直至圓的實際半徑與編程半徑的差在精度要求范圍之內(nèi)，如圖10。

所有插補軸的動態(tài)匹配時間常數(shù)MYMMA_DYN_MATCH_ENABLE 應(yīng)設(shè)置為相同數(shù)值，如果不同則影響圓周形狀，如圖11。

X Y

32200 POSCTRL_GAIN 3.2 3.2

32610 VELO_FFW_WEIGHT 1.0 1.0

32620 FFW_MODE 3 3

32810 EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 0.002 0.002

32900 DYN_MATCH_ENABLE 1 1

32910 DYN_MATCH_TIME 0.0035 0.0037

(2)通過調(diào)整軸沖擊限制濾波器時間常數(shù)MD32410 MYMMA_AX_JERK_TIME，修正圓的大小

通過參數(shù)MYMMA_AX_JERK_ENABLE激活加速度變化率時間，并選擇加速度變化率模式MYMMA_AX_JERK_MODE，建議使用32402 AX_JERK_MODE=2，執(zhí)行上電復(fù)位操作，激活上述設(shè)置。執(zhí)行圓度測試程序，根據(jù)測試結(jié)果優(yōu)化參數(shù)MYMMA_AX_JERK_TIME的大小，調(diào)整圓實際大小至要求的精度范圍內(nèi)。如圖12。

X Y

32200 POSCTRL_GAIN 3.2 3.2

32610 VELO_FFW_WEIGHT 1.0 1.0

32620 FFW_MODE 3 3

32810 EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 0.002 0.002

32900 DYN_MATCH_ENABLE 0 0

32400 AX_JERK_ENABLE 1 1

32402 AX_JERK_MODE 2 2

32410 AX_JERK_TIME 0.023 0.023

如果插補軸的加速度變化率時間設(shè)置不同，則圓周形狀會受到影響，如圖13。

X Y

32400 AX_JERK_ENABLE 1 1

32402 AX_JERK_MODE 2 2

32410 AX_JERK_TIME 0.023 0.025

5 結(jié)語

通過使用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的跟隨誤差補償功能,使筆者公司生產(chǎn)的3 m×6 m數(shù)控定梁龍門鏜銑床加工模具時，在圓弧、拐角等加速度發(fā)生變化的地方，輪廓偏差減小了0.03～0.05 mm,達到增大位置環(huán)增益的相同效果，改善了加工質(zhì)量,滿足了機床的精度及加工要求。

[1]西門子，Optimization of the feedforward control[Z].

[2]西門子.CN_840D sl調(diào)試文檔V45_201404[Z].

(編輯 李 靜)

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Application of Siemens following error compensation in the gantry type CNC boring-milling machine

LIU Xiangyun, SHAO Zhenting

(Jier Machine-Tool Group Co.,Ltd., Ji’nan 250022, CHN)

This article introduces the principle and parameter setting of Siemens following error compensation, and the adjustment and optimization of following error compensation parameters using thee servo trace and circularity test function.Use following error compensation, reduce the contour error to maximum limit, improve the processing quality, to gain the same effect as improving the position loop.

following error compensation; contour errors; servo trace; circularity test

TG659

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.032

2016-07-05)

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