謝浩煒，張賢軍

（中航西飛漢中航空零組件制造有限公司，陜西 漢中 723213）

數(shù)控機床在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮出重要價值，隨著科技進步，機床加工精度和效率明顯提高。為滿足多元化生產(chǎn)需要，以西門子840Dsl系統(tǒng)為基礎(chǔ)，應(yīng)用伺服電機泵進行運動控制，通過使用雙向伺服泵技術(shù)進行運動控制，能夠提高運動控制的響應(yīng)效率和精度，充分滿足高標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)需要。因此本文提出了運動控制方案，對于機床生產(chǎn)精度的提高具有突出價值。

1 伺服泵運動原理

基于西門子840Dsl系統(tǒng)的伺服泵運動控制設(shè)計，是根據(jù)雙向伺服泵驅(qū)動和液壓系統(tǒng)原理完成的。在滑塊部件實際運動中，可以總結(jié)為以下五種工況：①快下?；瑝K向下快速定位到達目標(biāo)位置，運動時，下腔支撐失效，伺服泵提供滑塊支撐力；泵反轉(zhuǎn)時，滑塊失去支撐落下；泵抽取油液補充上腔，由于上腔截面較下腔大，需要對優(yōu)良進行補充。②保壓。保持壓力，將板料壓緊，Y2閥通電后，伺服泵出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，供油給上腔，在液壓系統(tǒng)和補液量保證平衡后，電機進入堵轉(zhuǎn)，形成上腔壓力[1]。③工進。向下帶載慢速運動，Y2閥通電，伺服泵發(fā)生反轉(zhuǎn)，供油給上腔；在上腔壓力超過下腔壓力后，導(dǎo)通支撐閥，讓下腔油液回流至流油箱中，滑塊發(fā)生向下運動。④回程?；瑝K向上運動至目標(biāo)位置，所有閥門處于失電狀態(tài)下，伺服泵正常正轉(zhuǎn)，供油給下腔，將滑塊抬升向上，上腔油液被抽取至下腔，另外一部分通過補充油液排出油箱。⑤卸荷。讓壓緊力釋放，滑塊向上運動到達指定位置，Y2閥通電后，伺服泵正常運轉(zhuǎn)，電機反向扭矩，釋放上腔壓力后，油液被抽取至下腔，滑塊上移。

2 基于西門子840Dsl系統(tǒng)的伺服泵運動控制實現(xiàn)

2.1 電流環(huán)控制

為了讓機床順利運轉(zhuǎn)，減少振動，從內(nèi)至外調(diào)整三環(huán)回路，各伺服軸調(diào)整后檢查伺服軸參數(shù)匹配情況，避免加工精度發(fā)生偏差，如果圓弧插補存在問題造成工件過切或者少切問題，表面會形成刀紋影。對電流環(huán)控制的測試主要對頻率響應(yīng)進行測試，檢測電流環(huán)增益值是否處于合理范圍內(nèi)，驅(qū)動電機出廠時已經(jīng)經(jīng)過調(diào)整，無需二次調(diào)試。根據(jù)電流環(huán)頻率測試，檢出控制參數(shù)、匹配情況的程度，如果加工時出現(xiàn)伺服軸轉(zhuǎn)或者機床振動問題，表示匹配性差?？刂茣r先明確伺服軸電機，明確電機數(shù)據(jù)，利用機床控制數(shù)據(jù)的功能，自動載入數(shù)據(jù)。通常情況下載入機床數(shù)據(jù)范圍較廣。調(diào)試前檢查載入數(shù)據(jù)，測試頻率響應(yīng)時振幅一般不超過0 dB，測量頻率響應(yīng)要求達到-180°，相位點頻率大于等于1 000 Hz。對電流環(huán)進行頻率響應(yīng)測試時，加強對工作人員的安全保護，由于電機不受力，轉(zhuǎn)矩達到最小值，機床軸會脫離系統(tǒng)控制，需要加固機床軸。

2.2 速度環(huán)控制

調(diào)整測試速度環(huán)前，需要關(guān)掉速度環(huán)濾波器，速度環(huán)濾波器不會影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，但會影響編碼器和光柵尺的分析結(jié)果，造成結(jié)果不準(zhǔn)確。為了讓伺服系統(tǒng)精準(zhǔn)定位，需要提高速度環(huán)動態(tài)性能、抗干擾性以及調(diào)速范圍，加工期間發(fā)現(xiàn)振動或不穩(wěn)定問題，需要對速度環(huán)伺服匹配問題進行調(diào)整。通過對速度控制器積分時間、比例增的調(diào)整，能夠保證系統(tǒng)動態(tài)性能保持最優(yōu)狀態(tài)。速度環(huán)設(shè)定比例增益是按照電機型號，大轉(zhuǎn)矩電機速度環(huán)增益值較高，一般情況下積分時間為10 ms，調(diào)試時優(yōu)先選擇驅(qū)動系統(tǒng)相對應(yīng)的電機[2]。調(diào)試中由于增益值較小，積分時間長，為避免調(diào)整后電機共振出現(xiàn)嘯叫，先根據(jù)頻率特性找到機床共振點，分析參數(shù)值寫入Tn和Kp參數(shù)中。進行頻率響應(yīng)檢測是通過找到極點和零點實現(xiàn)，零點為相位差和幅值的最小值，極點是幅值和相位差的最大值。調(diào)整伺服時盡量規(guī)避極點，減少零點的出現(xiàn)。要想保證系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，需要在幅頻特性曲線降低區(qū)段消除零點以及極點，通過添加濾波器消除零點和極點，擴大工作區(qū)域。

進行頻率響應(yīng)測試要根據(jù)響應(yīng)圖形對增益值進行調(diào)整，多次測試頻率響應(yīng)，對增益值進行調(diào)整，最后明確臨界極點，使用帶阻濾波器，將極點降低至0。根據(jù)測試曲線對相頻和幅頻進行觀察，明確誤差情況，如果振幅和速度相同，在幅頻曲線中以0 dB表示。調(diào)試時濾波器根據(jù)測量結(jié)果設(shè)定以獲得最佳參數(shù)值，幅頻曲線出現(xiàn)低谷和尖峰，并且尖峰大于0 dB，使用帶寬濾波器消除尖峰，不能消除低谷。積分時間設(shè)定十分關(guān)鍵，若幅頻曲線大于0 dB，根據(jù)機床剛性特征，一般情況下積分時間為2～20 ms。最佳調(diào)整結(jié)果為幅頻曲線接近于0 dB，幅頻響應(yīng)值小于5 dB。測試時電機和工作臺連接，需要將機電降低至0以下。將機床增益值和積分時間準(zhǔn)確記錄，在時間常數(shù)設(shè)為0的情況下檢測增益值，可以避免檢測時受到系統(tǒng)的影響。使用速度環(huán)檢測，得到速度環(huán)波形圖，觀察響應(yīng)是否出現(xiàn)過沖。判斷時間參數(shù)合理性通過干擾階躍檢測判斷，隨著時間參數(shù)減小，波動動作速度加快，縮短驅(qū)動控制時間。如果直線電機沒有傳動環(huán)節(jié)，設(shè)定積分時間為2 ms，控制過沖現(xiàn)象。若機床配置不良造成摩擦阻力過大，需要調(diào)整偏移量消除摩擦。

2.3 位置環(huán)控制

機床調(diào)試維護中，改變參數(shù)值優(yōu)先對位置環(huán)參數(shù)檢查，很多參數(shù)會影響位置環(huán)控制器，包括電流環(huán)和速度環(huán)。調(diào)試位置環(huán)前檢測機床坐標(biāo)是否為真實坐標(biāo)值，檢查誤差值是否為1。調(diào)整位置環(huán)控制器找出最佳增益值，用伺服跟蹤對伺服軸穩(wěn)定性和過沖問題進行檢測，設(shè)定加速度限幅控制速度最大值。檢測圓度能夠判斷兩服軸，畫圓換向時兩軸配合程度。在系統(tǒng)中添加速度濾波器，隨時修正尺寸，讓控制機床取得更好的畫圓效果。為控制幅頻不過沖，測試后對控制器參考頻率進行測試?？刂破黜憫?yīng)根據(jù)位置環(huán)增益值確定，增益值會對誤差和精度產(chǎn)生影響，跟隨誤差和增益值成反比關(guān)系，增益值越大，誤差越小。

在機床調(diào)試中，增益值為1～10，機床調(diào)整的位置環(huán)增益值設(shè)定相同，選擇最小參數(shù)，才能測試得到最佳精度。如果伺服軸增益值需要設(shè)定不同值，必須添加動態(tài)適配功能，用于減小兩軸跟隨誤差。在調(diào)整伺服時未考慮到機床負載情況，實際加工時較為復(fù)雜，機床運行不穩(wěn)定?？梢栽跈C床保持大負載運行狀態(tài)中調(diào)試，保證伺服軸偏移值足夠大，對摩擦力起到抑制作用。如果設(shè)定偏置參數(shù)過小，會造成測試結(jié)果誤差過大。時間參數(shù)設(shè)定不超過15 ms，若時間參數(shù)設(shè)定過大，過度調(diào)節(jié)位置環(huán)控制器，會造成調(diào)試結(jié)果不準(zhǔn)確。通過設(shè)定生效參數(shù)和時間參數(shù)，調(diào)整寫入?yún)?shù)最佳值，位置控制環(huán)根據(jù)速度環(huán)濾波器平衡。位置環(huán)加速通過調(diào)整加速度參數(shù)對加速度特性進行控制，即改變加速度提高穩(wěn)定性。設(shè)置加速度能夠平穩(wěn)過渡機床啟動和停止時間，保證機床加工質(zhì)量以及動態(tài)響應(yīng)。使用機床程序進行加速度控制，用跟隨功能設(shè)置最大加速度，判斷參數(shù)設(shè)定合理性。通過對機械性能的設(shè)定，能夠同時控制加速度和動態(tài)響應(yīng)。

2.4 運動控制

系統(tǒng)根據(jù)液壓原理，接收控制和運動指令換算，由于下腔和油缸截面不同，在不同工況下滑塊切換傳動比以及速比。在不同工況下，壓力和滑塊運動的變化和油泵轉(zhuǎn)動不一致，切換工況后控制質(zhì)量和壓力反饋、實際位置方向相反。西門子系統(tǒng)運動指令是經(jīng)過CNC運動規(guī)劃和插補后，生成指令發(fā)送給伺服驅(qū)動，對力矩、速度以及電流環(huán)控制。在NCU和驅(qū)動之間添加控制單元，截取速度指令。利用西門子系統(tǒng)進行泵轉(zhuǎn)速換算-線速度以及閉環(huán)PID的處理，通過總線控制驅(qū)動。DCC程序應(yīng)用于報文接口以及變量之間，NCU指令通過報文接口傳遞數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)后輸出為變量，由伺服驅(qū)動執(zhí)行[3]。

3 結(jié)論

綜上所述，基于西門子840Dsl系統(tǒng)進行伺服泵運動控制方案設(shè)計，通過二次開發(fā)應(yīng)用DCC實現(xiàn)對伺服泵系統(tǒng)的高精度控制。常規(guī)機床數(shù)控系統(tǒng)使用直線軸以及泵控液壓軸兩種系統(tǒng)，彌補了常規(guī)控制系統(tǒng)在液壓控制的不足。目前在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到應(yīng)用，但仍然存在很多改進的空間。未來還需要進一步優(yōu)化控制程序，提高控制精度以及響應(yīng)效率，滿足更高標(biāo)準(zhǔn)和多元化的生產(chǎn)需要。