西門子840D數(shù)控系統(tǒng)在龍門鏜銑床中的應(yīng)用

一、引言

當(dāng)數(shù)控龍門鏜銑床的位置環(huán)增益（Kv）因各種原因無法提高時，在高速加工、圓弧插補(bǔ)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，為減少加工誤差,我們使用了西門子跟隨誤差補(bǔ)償功能，又稱前饋控制，提高機(jī)床加工精度。本文主要講述速度前饋控制。

二、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(jī)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)系式如下：

E=V/Kv

式中： ?E ?– 跟隨誤差

V ?– 運動速度

Kv – 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(jī)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(dá)到較高值，因此當(dāng)高速加工時會產(chǎn)生較大的跟隨誤差，降低機(jī)床加工精度。在不增加位置環(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(bǔ)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(dá)到提高位置環(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，大部份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:

圖1 ?速度前饋控制

三、跟隨誤差補(bǔ)償功能的生效方式：

跟隨誤差補(bǔ)償?shù)纳Х绞?，可以通過參數(shù) $MA_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(bǔ)償生效方式：

MD32630 ?$MA_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(bǔ)償生效/無效；

MD20150【23】=2 ? ? ? ? ? 通道復(fù)位后生效

四、跟隨誤差補(bǔ)償功能的參數(shù)設(shè)置及優(yōu)化：

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

1.跟隨誤差補(bǔ)償功能的相關(guān)參數(shù)

MD32610 VELO_FFW_WEIGHT ? ? ? ? ? ? ? ?

MD32620 $MA_FFW_MODE ? ? ? ? ? ? ?；前饋控制方式 3：速度前饋 4：扭矩前饋

MD32630 $MA_FFW_ACTIVATION_MODE ；前饋生效方式

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

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 $MA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME。調(diào)整、優(yōu)化該參數(shù)最簡便的方法就是做位置環(huán)階躍響應(yīng)的特性，利用伺服軌跡測量位置給定值和位置實際值之間的差值（特別是在位置實際值到達(dá)目標(biāo)值前20μm的特性），根據(jù)軸的定位特性，將其調(diào)整、優(yōu)化至最佳值。為獲得良好的補(bǔ)償效果，必須將$MA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME準(zhǔn)確的設(shè)置在機(jī)床數(shù)據(jù)中，該值越小速度前饋控制的作用越強(qiáng)。

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(jìn)給速度

G04 F0.5?

$AA_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(jī)床軸的定位特性，調(diào)整參數(shù)$MA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME。

圖2 ?伺服軌跡

圖 3 ?測量內(nèi)容

圖4 ?測試曲線

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 ?$MA_FFW_MODE ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0

MD 32810 ?$MA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME ? ? 0.0?

圖5 ?前饋不生效時測試曲線

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 ?$MA_FFW_MODE ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3

MD 32810 ?$MA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME ? ? 0.0025

MD 32431 $MA_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 ?$MA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 設(shè)定值過大，應(yīng)減小。

圖6 ?前饋生效時的響應(yīng)曲線1

參數(shù)設(shè)置：

MD 32610 VELO_FFW_WEIGHT ? ? ? ? ? ? ? ?1.0

MD 32620 ?$MA_FFW_MODE ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3

MD 32810 ?$MA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME ? ? 0.0018

MD 32431 $MA_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 ?$MA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 設(shè)定值過小，應(yīng)增大。

圖 7 ?前饋生效時的響應(yīng)曲線2

參數(shù)設(shè)置：

MD 32610 VELO_FFW_WEIGHT ? ? ? ? ? ? ? ?1.0

MD 32620 ?$MA_FFW_MODE ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3

MD 32810 ?$MA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME ? ? 0.002

MD 32431 $MA_MAX_AX_JERK ? ? ? ? ? ? ? ?80

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 ?$MA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME優(yōu)化至最佳狀態(tài)。

圖8 ?前饋生效時的響應(yīng)曲線3

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

注：所有插補(bǔ)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(bǔ)時，會導(dǎo)致圓度變成橢圓。

五、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(bǔ)軸的動態(tài)特性進(jìn)行分析和評估。

例：以XY軸為例?

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

2.測試結(jié)果

圖9 ?XY 圓度測試曲線1

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$MA_DYN_MATCH_TIME或加加速濾波器時間常量MD32410 $MA_AX_JERK_TIME參數(shù)進(jìn)行修正。

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) $MA_DYN_MATCH_ENABLE 激活動態(tài)匹配功能，并根據(jù)根據(jù)圓度測試的結(jié)果優(yōu)化調(diào)整 $MA_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：

圖10 ?XY圓度測試2

所有插補(bǔ)軸的動態(tài)匹配時間常數(shù)$MA_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

圖11 ?XY圓度測試3

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

通過參數(shù)$MA_AX_JERK_ENABLE激活加速度變化率時間，并選擇加速度變化率模式$MA_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)$MA_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

圖12 ?XY圓度測試4

如果插補(bǔ)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

圖 13 ?XY圓度測試5

六、結(jié)語：

通過使用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的跟隨誤差補(bǔ)償功能,使我公司生產(chǎn)的3x6米數(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，輪廓偏差降低了0.03～0.05mm,達(dá)到提高位置環(huán)增益的相同效果，改善加工質(zhì)量,滿足了機(jī)床的精度及加工要求。