郭 課

1.南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院 南京 2100162.河南工學(xué)院 機電工程系 河南新鄉(xiāng) 453003

1 研究背景

數(shù)控機床加工精度的高低是由多方面因素決定的,其中最為重要的兩個方面是機床的電氣特性和機械特性。

機械特性是數(shù)控機床精度的表現(xiàn)形式,電氣特性是數(shù)控機床精度的內(nèi)在根源。單純提高機械特性或者電氣特性,有時并不能帶來高精度、理想化的加工效果,只有數(shù)控機床的電氣特性和機械特性相匹配,才能達到良好的加工效果,適應(yīng)實際生產(chǎn)的需要[1-3]。由此，筆者對西門子828D伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化進行研究。

2 伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化原理

交流伺服驅(qū)動器由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)組成。一般而言,位置環(huán)是一個簡單的比例調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)比較簡單。速度環(huán)和電流環(huán)由比例積分調(diào)節(jié)器組成,是驅(qū)動器的核心部分,速度環(huán)還是驅(qū)動優(yōu)化的調(diào)整重點。驅(qū)動優(yōu)化的關(guān)鍵是提高速度環(huán)的動態(tài)特性,提高動態(tài)特性的關(guān)鍵在于提高速度環(huán)比例環(huán)節(jié)的增益,減小積分環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。一般情況下,交流伺服系統(tǒng)設(shè)備出廠時,廠家會給出一組默認的參數(shù)值,但是這并不能確保數(shù)控機床的性能達到最優(yōu),在數(shù)控機床使用一段時間后,需要對伺服系統(tǒng)的參數(shù)進行重新設(shè)定和優(yōu)化。伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化指根據(jù)頻率響應(yīng)特性測試、階躍響應(yīng)測試和圓度測試進行參數(shù)調(diào)節(jié),使數(shù)控機床的機械加工性能得到進一步提高[4]。

一般情況下，交流伺服驅(qū)動器驅(qū)動軸的控制框圖如圖1所示。

圖1 交流伺服驅(qū)動器驅(qū)動軸控制框圖

3 伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化過程

伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化前,需要將參數(shù)MD32640設(shè)為1,激活動態(tài)剛性控制。如果有第二測量系統(tǒng),同樣需要激活。在人機交互界面上依次點擊“選擇菜單”“調(diào)試”“優(yōu)化測試”“選項”,出現(xiàn)如圖2所示軸選擇界面和圖3所示優(yōu)化選項界面。

圖2 軸選擇界面

圖3 優(yōu)化選項界面

用按鍵選擇軸選擇界面上的X軸,點擊“優(yōu)化”按鈕。在彈出的如圖4所示預(yù)定義方案界面中,根據(jù)優(yōu)化需要選擇相應(yīng)的策略。建議策略選擇為:適中優(yōu)化,軸策略101,速度環(huán)策略303,位置環(huán)策略201。將需要參數(shù)優(yōu)化的軸設(shè)定在如圖5所示軸停止位置界面的中間,這樣優(yōu)化時軸移動不會碰到限位。點擊“確認”按鈕,按照提示按下機床控制面板上的“循環(huán)啟動”按鍵,軸會緩慢移動,出現(xiàn)如圖6所示測試執(zhí)行中界面。根據(jù)提示多次按下機床控制面板上的“循環(huán)啟動”按鍵,人機交互界面上顯示優(yōu)化過程中的轉(zhuǎn)速控制器高低頻測量曲線[5],如圖7至圖11所示。

圖4 預(yù)定義方案界面

圖5 軸停止位置界面

最后顯示優(yōu)化測試結(jié)果,如圖12所示。點擊“接收”按鈕,此時X軸顯示“已優(yōu)化”提示,如圖13所示。

對于其它軸的測試,也按照以上操作進行。優(yōu)化主軸參數(shù)時,必須先激活主軸控制使能參數(shù)DB380x.DBX2.1,否則 會出現(xiàn)“無使能”報警[6]。在編輯主軸控制使能部分可編程序控制器程序時,應(yīng)考慮優(yōu)化時的控制程序。建議采用如圖14所示優(yōu)化控制程序梯形圖,將可編程序控制器中機床數(shù)據(jù)MD14512使能功能激活,即可優(yōu)化主軸參數(shù)。在優(yōu)化時,主軸會切換到位控模式,倍率從主軸位控模式倍率參數(shù)DB380x.DBB0中讀取。所以在可編程序控制器程序中，應(yīng)將進給倍率開關(guān)的信號送至主軸的位控模式倍率參數(shù)DB380x.DBB0中[7]。

圖6 測試執(zhí)行中界面

圖7 轉(zhuǎn)速控制器低頻1測量曲線界面

圖8 轉(zhuǎn)速控制器低頻2測量曲線界面

圖9 轉(zhuǎn)速控制器低頻3測量曲線界面

圖10 轉(zhuǎn)速控制器高頻1測量曲線界面

圖11 轉(zhuǎn)速控制器高頻2測量曲線界面

圖12 優(yōu)化測試結(jié)果界面

圖13 X軸優(yōu)化完成界面

圖14 優(yōu)化控制程序梯形圖

4 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果調(diào)整

由于優(yōu)化時各軸都是獨立進行測試的,因此在所有軸參數(shù)都優(yōu)化以后,需要進行各軸匹配,對各軸參數(shù)優(yōu)化結(jié)果進行相應(yīng)調(diào)整[8]。在自動優(yōu)化后,需要進行軸參數(shù)調(diào)整,使頻率一致,取最小值p1433;使位置環(huán)增益一致,取最小值MD32200;使速度控制時間一致,取最大值MD32810;激活各軸參數(shù)FFW_MODE=3,包括主軸。如果優(yōu)化后手動移動軸時有振動現(xiàn)象,那么可以設(shè)置MD32420 JOG_AND_POS_JERK_ENABLE=1,激活手動模式下的加加速度控制功能,再將MD32430 JOG_AND_POS_MAX_JERK設(shè)為20～50,即可消除振動。

5 圓度測試

圓度測試用于進行與圓加工質(zhì)量相關(guān)的調(diào)整。各軸特性決定圓加工質(zhì)量,因此調(diào)整前應(yīng)對相關(guān)軸速度環(huán)、位置環(huán)參數(shù)進行優(yōu)化。優(yōu)化增益、加速度,用于調(diào)整圓度,使參與圓插補的每個軸實際增益一致。如果加工結(jié)果為橢圓,應(yīng)該匹配MD32200、MD32300。優(yōu)化反向間隙，用于調(diào)整象限角質(zhì)量MD32450。優(yōu)化過象限補償，用于調(diào)整軸過象限時摩擦對軸的影響參數(shù)MD32500、MD32520、MD32540等。

圓度測試的前提是各軸參數(shù)已經(jīng)優(yōu)化,包括速度環(huán)、位置環(huán),臨時取消反向間隙和絲杠螺距誤差補償[9]。

以下介紹圓度測試的步驟。

(1) 在自動模式或者半自動模式下編寫一個簡單的圓程序,如:

G0X0Y0

G02 I50 J0 TURN=20 F2000

M30

(2) 通過依次點擊“選擇菜單”“調(diào)試”“優(yōu)化調(diào)試”“圓度測試”對測試圓進行相應(yīng)設(shè)置。圓度測試界面如圖15所示。

圖15 圓度測試界面

(3) 按下“循環(huán)啟動”按鍵,運行程序。

(4) 測試完成后按圖形鍵,得到圓度測試顯示界面,如圖16所示。

測試中,可以通過調(diào)整參數(shù)來調(diào)整軸過象限的質(zhì)量。

參數(shù)MD32500設(shè)置為1，圓度測試理想曲線如圖17所示。

參數(shù)設(shè)定值不合理時，圓度測試結(jié)果分別如圖18～圖21所示。

圖16 圓度測試顯示界面

圖17 圓度測試理想曲線

通過伺服電機編碼器反饋得到的圓度測試結(jié)果。測試后要激活反向間隙和絲杠螺距誤差補償,再進行球桿儀測試[10]。某加工中心經(jīng)優(yōu)化后,零件表面的加工質(zhì)量得到了明顯改善,說明伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化對提高零件加工質(zhì)量具有重要意義。伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化前后加工對比如圖22所示。

圖18 MD32520過小時圓度測試結(jié)果

圖19 MD32520過大時圓度測試結(jié)果

圖20 MD32540過小時圓度測試結(jié)果

圖21 MD32540過大時圓度測試結(jié)果

6 結(jié)束語

實現(xiàn)數(shù)控機床最佳的工作狀態(tài),首先需要進行驅(qū)動優(yōu)化,包括調(diào)整位置控制參數(shù)、位置設(shè)定值、濾波器參數(shù)等。伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化是對伺服系統(tǒng)的參

圖22 伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化前后加工對比

數(shù)進行調(diào)整,提高數(shù)控機床的動態(tài)性能,使數(shù)控機床的電氣特性和機械特性更好地匹配,進而充分發(fā)揮數(shù)控機床的加工性能,提高零件的加工質(zhì)量。筆者對西門子828D伺服系統(tǒng)的參數(shù)進行了優(yōu)化,達到了預(yù)期的效果。需要注意的是,由于每一臺數(shù)控機床的機械特性和加工要求不同,造成在實際伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化過程中,相關(guān)參數(shù)存在很大的差異,即使是同一型號的數(shù)控機床,由于裝配精度和磨損程度不同,各項參數(shù)指標(biāo)也可能會存在差異。對此,還需要不斷積累經(jīng)驗和長期探索。