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西门子840D数控系统在龙门镗铣床中的应用

未知 2019-10-21 09:59

一、引言

当数控龙门镗铣床的位置环增益(Kv)因各种原因无法提高时,在高速加工、圆弧插补时,会产生一个较大的跟随误差和圆度误差,影响工件的加工精度。在不增加位置环增益(Kv)的情况下,为减少加工误差,我们使用了西门子跟随误差补偿功能,又称前馈控制,提高机床加工精度。本文主要讲述速度前馈控制。

二、工作原理

西门子系统的跟随误差(Following ?Error)一般是指位置环的位置编程值和实际值之间的差值,它反映了机床动态跟随精度和静态定位精度。跟随误差和位置环增益之间关系式如下:

E=V/Kv

式中: ?E ?– 跟随误差

V ?– 运动速度

Kv – 位置环增益

由上式可见,当位置环增益(Kv)确定后,跟随误差与运动速度成正比,即速度越大误差越大。数控龙门镗铣床由于受机床传动刚性、固有频率等因素的影响,其位置环增益(Kv)无法达到较高值,因此当高速加工时会产生较大的跟随误差,降低机床加工精度。在不增加位置环增益的情况下,为减小上述误差,西门子提供了跟随误差补偿功能(Fllowing error compensation),又称前馈控制(Feedforward ?control),通过该功能可将跟随误差降到接近于零,达到提高位置环增益同样的效果。西门子前馈控制有两种,一种是扭矩前馈控制,一种是速度前馈控制,大部份是采用速度前馈控制,本文主要阐述速度前馈的调试及优化。其工作原理如图1:

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图1 ?速度前馈控制

三、跟随误差补偿功能的生效方式:

跟随误差补偿的生效方式,可以通过参数 $MA_FFW_ACTIVATION_MODE,设为总是有效或者通过程序指令选择有效,通常选择通过编程指令选择有效。

跟随误差补偿生效方式:

MD32630 ?$MA_FFW_ACTIVATION_MODE ?= 0 ? ;前馈控制总是有效

= 1 ? ;在程序中用指令选择是否有效

编程指令: FFWON/FFWOFF ? 跟随误差补偿生效/无效;

MD20150【23】=2 ? ? ? ? ? 通道复位后生效

四、跟随误差补偿功能的参数设置及优化:

注:在使用跟随误差补偿功能之前,各机床轴的位置环、速度环、电流环需经过优化 !

1.跟随误差补偿功能的相关参数

MD32610 VELO_FFW_WEIGHT ? ? ? ? ? ? ? ?

MD32620 $MA_FFW_MODE ? ? ? ? ? ? ?;前馈控制方式 3:速度前馈 4:扭矩前馈

MD32630 $MA_FFW_ACTIVATION_MODE ;前馈生效方式

MD32810 $MA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME ;速度环等效时间常数

2.速度环等效时间常数的调整与优化

速度前馈控制中唯一需要优化调整的参数是速度环等效时间常数MD32810 $MA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME。调整、优化该参数最简便的方法就是做位置环阶跃响应的特性,利用伺服轨迹测量位置给定值和位置实际值之间的差值(特别是在位置实际值到达目标值前20μm的特性),根据轴的定位特性,将其调整、优化至最佳值。为获得良好的补偿效果,必须将$MA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME准确的设置在机床数据中,该值越小速度前馈控制的作用越强。

1)测试程序:(以X轴为例)

在【Auto.】或【MDA】方式下,选择执行下述程序:

FFWON?

SOFT?

LAB:?

G01 X210 Fxxxx ? ?; 轴的最大进给速度

G04 F0.5?

$AA_SCTRACE[X]=1 ?;trigger for servo trace?

X260?

G04 F0.5?

GOTOB LAB?

M30

2)测试方法

利用伺服轨迹功能(如图2),选择“测量”输入测量内容(如图3)按【NC ?Start】键,执行程序和测量 根据测试曲线(如图4),分析机床轴的定位特性,调整参数$MA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME。

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图2 ?伺服轨迹

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图 3 ?测量内容

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图4 ?测试曲线

3)位置环阶跃响应曲线的分析与参数优化:(以X轴为例)

在速度前馈不生效状态下,测量轴的位置实际值、编程值、轮廓误差和系统误差,如图5:

MD 32620 ?$MA_FFW_MODE ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0

MD 32810 ?$MA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME ? ? 0.0?

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图5 ?前馈不生效时测试曲线

激活速度前馈控制,测试轴的位置实际值、编程值、轮廓误差和系统误差。

参数设置:

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

测试曲线如图6所示,当轴移动到目标位置前定位成爬行状态,说明MD 32810 ?$MA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 设定值过大,应减小。

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图6 ?前馈生效时的响应曲线1

参数设置:

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

测试曲线如图7所示,当轴移动到目标位置前,有位置超调现象,说明MD 32810 ?$MA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 设定值过小,应增大。

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图 7 ?前馈生效时的响应曲线2

参数设置:

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

如图8所示:当轴移动到目标位置时,无超调和爬行现象,说明MD 32810 ?$MA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME优化至最佳状态。

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图8 ?前馈生效时的响应曲线3

按照上述步骤,逐次优化机床各插补轴的速度环等效时间常数,然后取各插补轴 $MA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 的最大值,设为各插补轴速度环等效时间常数。

注:所有插补轴上述参数应设置成相同值,否则在执行圆弧插补时,会导致圆度变成椭圆。

五、圆度测试:

将速度前馈控制优化调整后,需使用圆度测试功能,在前馈控制功能生效的状态下,对插补轴的动态特性进行分析和评估。

例:以XY轴为例?

1.测试程序

FFWON ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?; 激活前馈控制

SOFT

G17 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?; 选择XY平面

G91 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?; 增量

G02 I10 J0 F5000 TURN=30 ? ; R=10mm ?V=5000mm/min ?重复执行30次

M30

2.测试结果

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图9 ?XY 圆度测试曲线1

前馈控制功能生效后,做圆度测试时,通常圆的实际半径会过大(如图9),此现象可通过调整动态匹配响应时间$MA_DYN_MATCH_TIME或加加速滤波器时间常量MD32410 $MA_AX_JERK_TIME参数进行修正。

通过优化动态匹配时间常数,修正圆度的大小 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 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?

通过参数 $MA_DYN_MATCH_ENABLE 激活动态匹配功能,并根据根据圆度测试的结果优化调整 $MA_DYN_MATCH_TIME 动态匹配时间常数的大小,直至圆的实际半径与编程半径的差在精度要求范围之内,如图10:

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图10 ?XY圆度测试2

所有插补轴的动态匹配时间常数$MA_DYN_MATCH_ENABLE 应设置为相同数值,如果不同则影响圆周形状,如图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

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图11 ?XY圆度测试3

通过调整轴冲击限制滤波器时间常数MD32410 $MA_AX_JERK_TIME,修正圆的大小

通过参数$MA_AX_JERK_ENABLE激活加速度变化率时间,并选择加速度变化率模式$MA_AX_JERK_MODE,建议使用32402 AX_JERK_MODE=2,执行上电复位操作,激活上述设置。执行圆度测试程序,根据测试结果优化参数$MA_AX_JERK_TIME的大小,调整圆实际大小至要求的精度范围内。如图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

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图12 ?XY圆度测试4

如果插补轴的加速度变化率时间设置不同,则圆周形状会受到影响,如图13:

X ? ? ? ?Y

32400 AX_JERK_ENABLE ? ? ? ? ? 1 ? ? ? ? 1

32402 AX_JERK_MODE ? ? ? ? ? ? 2 ? ? ? ? ?2

32410 AX_JERK_TIME ? ? ? ? ? ? 0.023 ? ? 0.025

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图 13 ?XY圆度测试5

六、结语:

通过使用西门子840D数控系统的跟随误差补偿功能,使我公司生产的3x6米数控定梁龙门镗铣床加工模具时,在圆弧、拐角等加速度发生变化的地方,轮廓偏差降低了0.03~0.05mm,达到提高位置环增益的相同效果,改善加工质量,满足了机床的精度及加工要求。

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