郭 課

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

1 研究背景

數(shù)控機(jī)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(gè)方面是機(jī)床的電氣特性和機(jī)械特性。

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

2 伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化原理

交流伺服驅(qū)動(dòng)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(gè)簡(jiǎn)單的比例調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)比較簡(jiǎn)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(dòng)器的核心部分,速度環(huán)還是驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的調(diào)整重點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的關(guān)鍵是提高速度環(huán)的動(dòng)態(tài)特性,提高動(dòng)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(shí)間常數(shù)。一般情況下,交流伺服系統(tǒng)設(shè)備出廠時(shí),廠家會(huì)給出一組默認(rèn)的參數(shù)值,但是這并不能確保數(shù)控機(jī)床的性能達(dá)到最優(yōu),在數(shù)控機(jī)床使用一段時(shí)間后,需要對(duì)伺服系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)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(cè)試、階躍響應(yīng)測(cè)試和圓度測(cè)試進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié),使數(shù)控機(jī)床的機(jī)械加工性能得到進(jìn)一步提高[4]。

一般情況下，交流伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)軸的控制框圖如圖1所示。

圖1 交流伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)剛性控制。如果有第二測(cè)量系統(tǒng),同樣需要激活。在人機(jī)交互界面上依次點(diǎn)擊“選擇菜單”“調(diào)試”“優(yōu)化測(cè)試”“選項(xiàng)”,出現(xiàn)如圖2所示軸選擇界面和圖3所示優(yōu)化選項(xiàng)界面。

圖2 軸選擇界面

圖3 優(yōu)化選項(xiàng)界面

用按鍵選擇軸選擇界面上的X軸,點(diǎn)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(shí)軸移動(dòng)不會(huì)碰到限位。點(diǎn)擊“確認(rèn)”按鈕,按照提示按下機(jī)床控制面板上的“循環(huán)啟動(dòng)”按鍵,軸會(huì)緩慢移動(dòng),出現(xiàn)如圖6所示測(cè)試執(zhí)行中界面。根據(jù)提示多次按下機(jī)床控制面板上的“循環(huán)啟動(dòng)”按鍵,人機(jī)交互界面上顯示優(yōu)化過程中的轉(zhuǎn)速控制器高低頻測(cè)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(cè)試結(jié)果,如圖12所示。點(diǎn)擊“接收”按鈕,此時(shí)X軸顯示“已優(yōu)化”提示,如圖13所示。

對(duì)于其它軸的測(cè)試,也按照以上操作進(jìn)行。優(yōu)化主軸參數(shù)時(shí),必須先激活主軸控制使能參數(shù)DB380x.DBX2.1,否則 會(huì)出現(xiàn)“無使能”報(bào)警[6]。在編輯主軸控制使能部分可編程序控制器程序時(shí),應(yīng)考慮優(yōu)化時(shí)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(jī)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(shí),主軸會(huì)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(jìn)給倍率開關(guān)的信號(hào)送至主軸的位控模式倍率參數(shù)DB380x.DBB0中[7]。

圖6 測(cè)試執(zhí)行中界面

圖7 轉(zhuǎn)速控制器低頻1測(cè)量曲線界面

圖8 轉(zhuǎn)速控制器低頻2測(cè)量曲線界面

圖9 轉(zhuǎn)速控制器低頻3測(cè)量曲線界面

圖10 轉(zhuǎn)速控制器高頻1測(cè)量曲線界面

圖11 轉(zhuǎn)速控制器高頻2測(cè)量曲線界面

圖12 優(yōu)化測(cè)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(shí)各軸都是獨(dú)立進(jìn)行測(cè)試的,因此在所有軸參數(shù)都優(yōu)化以后,需要進(jìn)行各軸匹配,對(duì)各軸參數(shù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整[8]。在自動(dòng)優(yōu)化后,需要進(jìn)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(shí)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(dòng)移動(dòng)軸時(shí)有振動(dòng)現(xiàn)象,那么可以設(shè)置MD32420 JOG_AND_POS_JERK_ENABLE=1,激活手動(dòng)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(dòng)。

5 圓度測(cè)試

圓度測(cè)試用于進(jìn)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(duì)相關(guān)軸速度環(huán)、位置環(huán)參數(shù)進(jìn)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(bǔ)的每個(gè)軸實(shí)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(bǔ)償，用于調(diào)整軸過象限時(shí)摩擦對(duì)軸的影響參數(shù)MD32500、MD32520、MD32540等。

圓度測(cè)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(shí)取消反向間隙和絲杠螺距誤差補(bǔ)償[9]。

以下介紹圓度測(cè)試的步驟。

(1) 在自動(dòng)模式或者半自動(dòng)模式下編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的圓程序,如:

G0X0Y0

G02 I50 J0 TURN=20 F2000

M30

(2) 通過依次點(diǎn)擊“選擇菜單”“調(diào)試”“優(yōu)化調(diào)試”“圓度測(cè)試”對(duì)測(cè)試圓進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。圓度測(cè)試界面如圖15所示。

圖15 圓度測(cè)試界面

(3) 按下“循環(huán)啟動(dòng)”按鍵,運(yùn)行程序。

(4) 測(cè)試完成后按圖形鍵,得到圓度測(cè)試顯示界面,如圖16所示。

測(cè)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(cè)試?yán)硐肭€如圖17所示。

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

圖16 圓度測(cè)試顯示界面

圖17 圓度測(cè)試?yán)硐肭€

通過伺服電機(jī)編碼器反饋得到的圓度測(cè)試結(jié)果。測(cè)試后要激活反向間隙和絲杠螺距誤差補(bǔ)償,再進(jìn)行球桿儀測(cè)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(duì)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(duì)比如圖22所示。

圖18 MD32520過小時(shí)圓度測(cè)試結(jié)果

圖19 MD32520過大時(shí)圓度測(cè)試結(jié)果

圖20 MD32540過小時(shí)圓度測(cè)試結(jié)果

圖21 MD32540過大時(shí)圓度測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床最佳的工作狀態(tài),首先需要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)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(duì)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(duì)比

數(shù)進(jìn)行調(diào)整,提高數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能,使數(shù)控機(jī)床的電氣特性和機(jī)械特性更好地匹配,進(jìn)而充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的加工性能,提高零件的加工質(zhì)量。筆者對(duì)西門子828D伺服系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,達(dá)到了預(yù)期的效果。需要注意的是,由于每一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的機(jī)械特性和加工要求不同,造成在實(shí)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(hào)的數(shù)控機(jī)床,由于裝配精度和磨損程度不同,各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)也可能會(huì)存在差異。對(duì)此,還需要不斷積累經(jīng)驗(yàn)和長(zhǎng)期探索。