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1、优化 8 4 0 D数控系统参数实现机床的高精度加工 曲改玉 周生伟 李 敏(济南二机床集 团有限公司数控机床公司，山东 济南 2 5 0 0 2 2)摘要：以使用西门子 8 4 0 D数控系统、6 1 1 D驱动装置的机床为例，通 过调试机床 参数，改善提高伺服系统 动态响应，减小轮廓误差，提高 j n-r 精度，达到驱动与机械传动间的最佳 匹配。关键词：优化参数动态性能 高精度加工 Op t i mi z i n g 8 4 0 D CNC Pa r a me t e r s t o Ac h i e v e Ma c h i n i n g Hi g h Pr e c i s i o n
2、 Q U G a i y u，Z HO U S h e n g w e i，L I M i n (C N C Ma c h i n e T o o l L t d ，J i e r Ma c h i n e T o o l G r o u p C o ，L t d 。J i n a n 2 5 0 0 2 2，C H N)Abs t r a c t：Us i n g S I EMENS 8 4 0D CNC，S I MODRI VE 61 1 D a s e x a mp l e，t h r o ug h o p t i mi z i n g p a r a me t e r s，ma k e
3、 s e r v o d y n a mi c p e r f o r ma nc e h i g h，ma k e c o n t o u r e r r o r s ma l l，ma k e ma c h i n i n g p r e c i s i o n h i g h，a n d g a i n d r i v e s y s t e rn a n d me c h i n a n i s m b e s t ma t c h i n g a t l a s t Ke y wo r ds：Op t i mi z e Pa r a me t e r s；Dy n a mi c P
4、e rfo r ma n c e；Hi g h Pr e c i s i o n Ma c hi ni n g 要实现机床的高精度加工，机械传动零部件要有 足够的刚性、精度、抗振性、热稳定性，机床要有高的重 复定位精度。同时数控系统功能参数的合理调试也起着至关重 要的作用。比如可 以通过优化电流环、速度环，最终提 高位置环增益，减小系统跟随误差；使用位置控制的附 加调整参数提高系统动态性能。如：调整过象 限补 偿参数，减小伺服轴 圆弧插补在过象 限时的轮廓尖角；调整 J E R K加速度限制参数，减小加工时的冲击；加工曲线轮廓时，联动轴的加减速不 同步，引起轮廓误 差，利用速度前馈 与扭矩前馈
5、控制可以使 系统 的跟随 误差减小到零；使用动态匹配功能，在不降低控制质 量的前提下，使具有不同伺服增益因子的各轴获得相 同的跟随误差，得到应有的精度。1 优化 闭环控 制器。减小跟 随误差 跟随误差是插补器输 出的位置设定值与位置测量 系统检测 的位置实际值之 间的误差。跟随误差与速度 成正比，与位置环增益成反比，加工速度一定时，减小 跟随误差的方法就是提高位置环增益。位置环增益的 提高会导致控制 回路不稳定，所 以需要 首先优化电流 环、速度环，提高内环的响应，最后达到提高位置环增 益的 目的。闭环控制单元 的闭环控制 回路如图 1所示，包括 电流环、速度环、位置环。三环 的调节按 由内到
6、外，即 2 0 0 9 1 1 按电流环、速度环、位置环的顺序进行优化。辅囤辩 一 l 1 问 接 位 置 反 馈 l 1 兰 三 竺 J_ 三 亘 亘 至 三 垂 圆 图 1 闭环控 制回路(1)优化电流环 电流环主要作用是把输入到电流调节器的电流信 号，转换为电压指令，输 入到功率驱动器，驱动交流 电 动机工作。引入 电流反馈环节可以改善交流驱动器的 电气特性，提高驱动器 的动态性 能，增强系统 的稳定 性。电流环的重要环节是电流调节器，其作用是加 快 电流环的响应速度，缩短系统启动过程，并减小 低速轻载时电流的断续对系统稳定性的影响。根据 8 4 0 D数控系统 HMI 提供 的优化界面
7、，设定 测量参数，得出电流环幅频特性如图 2所示。多 次 调 整 电流 环 增 益 参 数 1 1 2 0 C U R R C T R L G A I N及 电流环积分 时问常数参数 1 1 2 1 C U R R C T R L I NTEGRATOR_T I ME，最终优化结果如图2所示。对 于西门子标准 电动 机，1 1 2 0、1 1 2 1等参数 在做 电动机配置时已经 自动设定，适合大多数的应用，一般 不需要改动。l 3 3 幅频 20 O O0 号0 趔 馨 、相频 l 80 OO0 趟 18 0 O OO 频率 H z 幅频特性曲线 -，-_ ；i 1 00 0 1 0 1 0
8、0 1 00 0 4 00 0 0 00 频率 Hz (b)相频特性 曲线 图2 电流环优化幅频 曲线(2)优化速度环 速度环的重要环节是速度调节器，将指令速度与 反馈速度 比较，得出速度误差。再根据速度误差求 出 转矩信号和电流信号，控制交流电动机的转动，最终消 除速度误差，达到指令速度要求。优化速度环频响特性 时，速度设定点过滤器要关 掉(1 5 0 0 N U M S P E E D F I L T E R S=0)，因其对速度控 制回路 的稳定性无影响但会影响测量结果。根据 8 4 0 D数控系统 HM I 提供的优化界 面，设定 测量参数，得 出速度环幅频特性如图 3所示。幅频 2O
9、 0 OO 趔0 馨 =：憾 I L I 1 iIll I I 频率 Hz (b)相频特性曲线 图3 速度环优化幅频曲线 速度环优化主要是使用 电流滤波器，将 出现的幅 频高点、补偿深度设定在相应参数中，多次优化调试，使幅频高点降低，稳定速度控制器，提高速度环增益，抑制机械噪声。电流滤波器有 4个，第 1个滤波器设为低通滤波 器，其余 3个一般设为带阻滤波器。带阻滤波器用于消除电流调节器在某一 固定频率 点、幅频特性曲线中幅值超过 0 d B的尖波。这种尖波 可能导致驱动链 中出现明显啸叫噪声。如果尖波出现 的频率点并不固定，而是随着不同的条件漂移，最好使 用低通滤波器。尽可能使用少的滤波器，
10、增加滤波器 后，需重调速度环增益。电流滤波器的参数设定如下：1 2 0 0 NUMCURRE NTF I L T E R S 电流 设定值过滤器数量 1 2 0 1 C URRENT_F I LT ERC O N F I G 电流设定值过滤器类型 1 2 0 2 C URRENT_F I LT ER一1一F R E Q U E N C Y 电流过滤器 1的正常频率 1 2 0 3 C URRENTF I LT ER一1一D A MP I NG 电流过滤器 1的阻尼 1 2 1 3 CURREN TF I L T ER_2一S UP P RF R E Q电流过滤器 2的堵转频率 1 2 1 4
11、CURREN TF I L T ER_2一B AN D WI D T H 电流过滤器 2的带宽 1 21 5 CURREN TF I L T ER2 B W N U M 电流过滤器 2的带宽分子(补偿深度)1 2 2 3 CURRENTF I L T ER 2一BSE R E Q 电流过滤器 2的正常 B S F 频率 8 0 (3)优化位置环 位置调节器是一个 比例调节器，只有参数 3 2 2 0 0：伺服增益 因子，决定位置控制器响应，主要影响系统跟 随误差和轮廓精度。进给速度一定时，跟随误差与伺 服因子成反比，所以应使用较 大的伺服增益 因子。但 太大的伺服增益因子会导致系统不稳定或造成
12、系统超 调。要达到高增益，除电流环和速度环 的动态响应要 快外，结构的刚性、共振 的消除、位置环 的周期时间对 其都有影 响。增大位置调节器伺服增益因子的前提条件是速度 调节器有较高的比例增益。速度调节器特性软，即使 增大位置环增益，实际的跟随误差也不会有明显减小，所以速度环优化很重要。当电动机与机床 之间的扭矩变化和 间隙 比较大 时，电动机与机械之间发生扭转变形，机床速度和电动 机速度在加减速时会 出现很大差异，这很难保证高 的 位置环增益。频率 n z (b)相频特性曲线 图4 位 置环优化 幅频 曲线 等 u I c N c s e m 数控专栏 速度前馈控制时：E q u i v a
13、 l e n t=MD 3 2 8 1 0：E Q U I V S P E E D C T R L T I ME 扭矩前馈控制时：T e q u i v a l e n t=MD 3 2 8 0 0：E Q U I V C U R R C T R L T I ME 2 2 前馈控制功能 跟随误差与速度变化有关，特别是加工 曲线轮廓 时，联动轴的加减速不同步，引起轮廓误差。利用速度 前馈与扭矩前馈控制可 以使系统 的跟随误差减小到 零。一般先选择速度前馈控制，观察系统控制效果，即 跟随误差变化情况，若不满足要求，再使用扭矩前馈控 制。使用速度前馈时需要调整以下参数：MD 3 2 6 2 0：MA
14、 F F w MO D E(前馈控 制方式)；=3，选择速 度前馈 使用位置控制器参考频响，优化位置环增益，若有 必要增加速度设定过滤器平滑响应。借助工件程序和 伺服跟踪工具检查系统稳定性和超调。J E R K加速度 限制可获得平滑的加速度响应。使用圆度测试检查轮 廓精度，圆度 测试 完 成 后，使用“R E F F R E Q U E N C E R E S P O”再次检查位置环控制器。经过上述调整步骤 后，获得优化后的位置环频响曲线如图4所示，幅频I f 甘 线不超过 0 d B。2 位置控制的附加调整参数功能 采用 图5所示的位置控制的附加调整功能，以下 逐一介绍其功能。M D 3 o
15、。嚣 高 羹，变 过 滤 器 类 型 M D 3 2 2 0 0 _M D 3 2 4 0 2 轴 向 突 变 限 制 过 滤 器 类 型 MD3 2 4 1 0 轴向突变过滤器时间常数 1 M D 3 3 0 0 0 M D 3 2 9 0 0 j l M D 3 2 5 0 o 摩 擦 力 偿 插 补类 型 动 态 调 整 功 能 j I M D 3 2 4 0 0 轴 运 动 方 向 MD3 2 91 o 动态：I二=匹配时间常数：MD3 2 6 2 0 选择前馈控制 方式 MD3 2 6 3 0 前馈控制 MD3 2 6 1 0 速度前馈 因子 MD3 2 65 0 扭矩前馈力矩 实
16、际值 处 理 MD3 211 0反馈极性 MD3 27 0 0 螺补有效 MD3 2 4 5 0 反向间隙补偿 MD3 2 4 5 2 反向间隙补偿 因子 MD3 2 8 1 0 前馈控制速度控制回路等效时间常数 MD3 2 8 0 0 前馈控制电流控制回路等效时间常数 图5 位置 控制 的附加 调整参数 2 1 动态 匹配 功能 机床各坐标轴在联动时，其轨迹会 因各坐标轴不 同的跟随误差发生畸变。减小跟随误差就要减小各坐 标轴之问的机械特性差异，使其 有基本相同的动态 响 应。为确保精度，各插补轴应具有相同的 K V因子，若 各插补轴间有不同的 KV因子，应使用动态匹配功能，在不降低控制质量
17、的前提下，使具有不同伺服增益 因 子的各轴获得相同的跟随误差，得到应有的精度。MD 3 2 9 0 0：DYNMAT CHE N AB L E=1 激活动态调整功能 MD 3 2 9 1 0：DYNMAT CH_T I M E n 动态匹配时间常数 如动态匹配的各轴位置环等效时 间常数分别为：轴 1动态响应时间最长 3 0 m s，轴 2动态响应时间 2 0 m s，轴 3动态响应时间 2 4 m s。则 MD 3 2 91 0：DYNMA TCHT I ME a x 1 =O MD 3 2 91 0：DYNMATCHT I ME a x 2 =1 0 MD 3 2 91 0：DYNMATCH
18、_T I ME a x 3 =6 各轴位置环等效时间常数的计算公式如下：无前馈控制时：T e q u i v a l e n t=一1 MD 3 2 2 0 0：P OS C TRLG A I N 1 s MD3 2 6 3 0：MAFF WAC TI VATI ONMODE MD 3 2 6 1 0：MAVEL OF F WW EI GHT MD 3 2 81 0：MAE Q U I V S P E E D C T R L T I ME 控制方式；=1，前馈控制 由工 件程序激 活；速度前馈控制 因子；速度控制 回路 的 等效 时间常数 速度控制回路的等效时间常数，需要测量速度控 制环的阶跃
19、 响应来确 定，也可 以从位 置控制环获得。若优化了速度环，且正确测量了等效时间常数，那么前 馈控制因子大约等于 1。精调参数过程如下：编制如下加工程序：G1 17 2 0 0 0 0 F F W ON L OOP：X1 0 0 0 X 0 GOT OB L OOP M3 O 在程序 中激 活前馈控制，运行此程序，在“诊断”“服务显示”轴调整界面查看“跟随误差”。若 坐标轴 正 向运 动时，“跟随误 差”显示值 为正，说明 MD 3 2 6 1 0 、MD 3 2 8 1 0设定值太小；若坐标轴正 向运动时，“跟 随 误差”显示值为负，说明 MD 3 2 6 1 0、MD 3 2 8 1 0设
20、定值太 大。运行此程序，依据 以上原则，多次修改参数，直到 达到“跟随误差”显示值为零。为准确读出跟随误差，需要一个较长的加速过程，所 以参数最大加速度应设 定较小的值、进给速度设定较大的值。参数设定如下：MD3 2 3 0 0：MAMAXAXACCEL=0 1 MD3 2 0 0 0：MAMAXAXVEL O=2 0 0 0 0 2 3过象 限补偿 在机床传动装置与导轨间存在着各种摩擦力。机 床在执行圆弧插补过象限时，一个 坐标轴 以最大的速 度运动，而另一个坐标轴从负速度加速到正速度，当其 始专栏 0 N O S o m In a r 速度过零时，摩擦力的方 向也随之发生转变，从而产生 大
21、的跟随误差，出现明显 的“尖角”现象。摩擦力补偿 功能就是通过加入一个额外的给定信号，补偿静态摩 擦力变化引起的轮廓误差，从而消除过象限误差。大多数情况下，在伺服轴加速过程中，系统引入一 个恒定的摩擦力补偿值。常规摩擦力补偿功能需修改 如下参数：MD 3 2 4 9 0：F RI C TCOMPMO D E=1；选择常 规摩擦力补 偿功 能有效 MD 3 2 5 0 0：FRI CTCOMP_E N A B L E=1 ；摩擦力补偿功能生效 MD 3 2 5 2 0：F RI CTCOMP_C ONS T_MA X n ；摩擦力补偿值 MD 3 2 5 4 0：F RI CTCOMP_T I
22、ME n ；摩擦力补偿时间常数 以上参数 MD 3 2 5 2 0和 MD 3 2 5 4 0需要根据 圆度 测试结果，反复修改参数值，直到圆度测试后的结果满 足加工要求为止。当恒定补偿无法完全消除象限误差，或加工精度 要求较高时，还可通过参数引入摩擦力补偿 自适应功 能(MD 3 2 5 1 0：F R I C T C O M P A D A P T E N A B L E=1)，使摩擦力补偿值在加速过程中，随加速度的变化而变 化。2 4 J E R K 加速 度 限制功 能 铣削多纹表面使用 J E R K过滤器，通过减小机床 振动，平滑位置设定，获得平 滑的加工表面。用 S O F T
23、指令激活平滑加速度 功能，用 B R I S K指令取 消此功 能。J E R K加速度限制通过限制加速度的变化平滑加 速度响应，在加速度轮廓的开始和结束处平滑拐角。3 2 4 0 0 A X jE R K E N A B L E=1 ；轴 向突变限制使能 3 2 4 0 2 A X jE R K M O D E 2 ；轴 向突变限制新过滤器类型 3 2 4 0 2 A X jE R K M OD E 1；轴 向突变限制过滤器类型 3 2 4 1 0 A X jE R K T I ME ；轴 向突变过滤器 的时间常量 最后进行精调整：运动各轴，通过观察服务界面下 的”s e r v o t r
24、 a c e”图，改变参数 3 2 4 1 0进行精调整，得 到 平滑的加工曲线。J E R K功能相关参数：3 2 4 2 0 J OGANDP O S jE R K E N AB L E=1 ；轴向突变限制使能 3 2 4 3 0=1 J O G A N D P O S MA X _ J E R K ；轴突变 3 2 4 3 1 MAXA X JE R K ；路径运行 的最大轴突 变，2 O3 O中型机床，1 5 2 0大机床 3 2 4 3 2 P ATHT R A N S jE R K L I M ；在程序段转换时的最 大轴突变 3 结语 通过对数控系统功能参数的合理调试，机床的动 态
25、性能指标大大提高，满足了用户的高精度加工需求。第一作者：曲改玉，高工，从事数控机床的电气设 计。(编辑徐洁兰)(收稿 日期：2 0 0 9 0 3 1 7)文章编号：9 I 1 4 6 如果您想发表对本文的看法，请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。书 讯 A u t o C A D 2 0 0 8中文版机械设计快速入门实例教程席俊杰等编著，2 0 0 8年 1月出版 邮购价：4 6元(含 1 C D)本书以实 际应用实例为媒介，在实 战演练 的过程中溶人了 A u t o C A D 2 0 0 8知识 的精髓，尤其 是关注 了 A u t o C A D 2 0 0 8新功能 的介
26、绍与应用，重点介绍了 A u t o C A D 2 0 0 8的各种基本方法和操作技巧。全 书共 分 1 1章，完整地讲解 了 A u t o C A D 2 0 0 8环境设 置、二 维绘 图、基本绘图工具、二维编辑命令、文本与表格、尺寸标注、图块、设计中心与工具选项板、零件图与装配图、绘制和编辑三维表面、实 体造型；每章不仅最后以一个综合性应用实例对本章的理论知识进行具体应用和演练，而且还配有上机实验和思考练习题，可以帮 助读者提高实际操 作能力，及时巩固所学知识。随书配送的光盘中包含全书所有实例源文件和每章综合实例演练过程的视频文件，可以帮助读者形象直观地学习和掌握本书 内容。本书适合
27、于各级大中专以及职业培训机构用作课堂讲解教材，也可以作为 A u t o C A D爱好者的自学教材。简 明机械加工工艺手册陈宏钧 主编，2 0 0 8年 1月出版 邮购价：1 1 5元 简明机械加工工艺手册 一书，以实用性、科学性、先进性相结合为宗旨，以内容少而精为原则，精选出在实际工作中常用必备 的技术资料。全书共分 1 0章，主要内容包括：常用资料、法定计量单位及其换算，极限与配合、形状和位置公差、表面粗糙度，机械 加工一般标准规范，常用零件规定画法，常用材料及性能，刀具及磨料磨 具，机械 零件，机械加工 工艺过程 的设 计及典 型生产实例，通用机床技术参数及通用夹具，车削加工、螺纹加工
28、、镜 削加工、齿轮加工、磨削加工、镗削加工、刨 削、插削 加工、难加工材料 的切 削 加工，钳工加工及装配，机械加工工序间加工余量，机械零件测量方法及量具等。本书可供中、小型企业从事机械加主的工程技术 人员、技师、高级技术工人及工科院校相关专业 的师生使用。旋压技术与应用(北京有色金属研究总院建院5 5周年系列丛书)赵云豪，李彦利编著，2 0 0 8年 1 月出版 邮购价：3 4元 书中阐述了普通拉深旋压、缩径和扩径旋压的变形特征；变薄旋压机理；变薄旋压工艺；特殊旋压工艺；旋压件质量控制；产品 缺陷分析和消除措施；旋压设备及工装；工艺要素与变形；旋压技术实施；材料与产品；工艺实例。论述侧重实践与应用，可供从事 旋压工作的研究人员、技术人员及相关专业的大专院校师生参考。来款请寄：北京市朝阳区望京路 4号，机床 杂志社收，邮编：1 0 0 1 0 2。6