西門(mén)子840D SL伺服插補(bǔ)軸圓度測(cè)試的參數(shù)優(yōu)化與研究

張義紅+張立群

摘 要：本文主要研究數(shù)控機(jī)床伺服插補(bǔ)軸圓弧輪廓軌跡精度的伺服參數(shù)優(yōu)化方法。并結(jié)合Renishaw球桿儀和伺服Bode圖來(lái)針對(duì)伺服圓弧插補(bǔ)輪廓軌跡精度進(jìn)行反復(fù)的測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果不斷分析和優(yōu)化相關(guān)伺服參數(shù)，使通過(guò)伺服參數(shù)優(yōu)化后的數(shù)控機(jī)床伺服軸插補(bǔ)輪廓精度得以顯著提升。

關(guān)鍵詞：西門(mén)子840D Solution Line；伺服驅(qū)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化；伺服圓度測(cè)試；Renishaw球桿儀

中圖分類(lèi)號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）19-0075-02

1 概述

21世紀(jì)以來(lái)，由于機(jī)床加工工藝的不斷優(yōu)化和完善，多伺服軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)的數(shù)控機(jī)床已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，并逐步取代普通機(jī)床成為具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的制造裝備之一。插補(bǔ)軸圓度輪廓軌跡精度的伺服參數(shù)優(yōu)化工作是整個(gè)加工精度優(yōu)化的重點(diǎn)步驟之一，也是提高數(shù)控機(jī)床整體加工質(zhì)量的核心要素之一。因此，針對(duì)此項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行深入地分析和研究具有較高的學(xué)習(xí)應(yīng)用價(jià)值。

2 球桿儀簡(jiǎn)介

球桿儀主要用于檢測(cè)數(shù)控機(jī)床插補(bǔ)軸整圓輪廓幾何精度誤差以及插補(bǔ)軸動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性匹配度的一種專(zhuān)用檢測(cè)儀器，是伺服圓度測(cè)試參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中必不可少的檢測(cè)儀器之一。該測(cè)量裝置的工作原理是將球桿儀的兩個(gè)磁性底座分別安裝在數(shù)控機(jī)床需要進(jìn)行圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)伺服進(jìn)給軸工作臺(tái)面上。測(cè)量系統(tǒng)軟件通過(guò)球桿儀內(nèi)部可伸縮的位移傳感器來(lái)精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)伺服軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)所形成整圓軌跡輪廓的幾何精度誤差。其測(cè)量精度在常溫下可達(dá)±0.5μm，可以十分精確地測(cè)量?jī)蓚€(gè)伺服軸整圓插補(bǔ)輪廓軌跡所發(fā)生的任何細(xì)微變化及精度誤差值。計(jì)算機(jī)可以通過(guò)藍(lán)牙通訊方式接收球桿儀位移傳感器所測(cè)得的伸縮量，并使用球桿儀自帶的測(cè)量軟件將這一測(cè)量軌跡與標(biāo)準(zhǔn)整圓輪廓軌跡進(jìn)行比較，從而生成實(shí)際測(cè)量結(jié)果，并分析得到數(shù)控機(jī)床實(shí)際的誤差分布狀況。這些測(cè)量結(jié)果報(bào)告可用于評(píng)定數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給軸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能以及插補(bǔ)整圓輪廓軌跡的圓度精度誤差等相關(guān)測(cè)量結(jié)果是否滿(mǎn)足相應(yīng)的加工要求和設(shè)計(jì)精度要求。

在整個(gè)測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將主要使用英國(guó)Renishaw公司自行設(shè)計(jì)研發(fā)的QC20-W高精度球桿測(cè)量?jī)x來(lái)對(duì)數(shù)控機(jī)床的圓弧插補(bǔ)輪廓精度進(jìn)行精度檢測(cè)。QC20-W球桿儀的安裝方式非常簡(jiǎn)便且人性化（實(shí)際安裝方式如圖1所示），同時(shí)由于該精密測(cè)量?jī)x器自帶無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙通訊傳輸裝置，所以測(cè)試人員無(wú)須安裝數(shù)據(jù)傳輸電纜便可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)高速傳輸通訊。該裝置內(nèi)部安裝了一整套R(shí)enishaw公司自行設(shè)計(jì)研發(fā)的高精度高靈敏度位移傳感器裝置，它可以精確測(cè)量球桿儀在圍繞一個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行整圓輪廓軌跡插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的半徑變化量，并通過(guò)RenishawBallbar20應(yīng)用軟件采集并記錄所以細(xì)微變化數(shù)據(jù)，從而自動(dòng)生成測(cè)量結(jié)果和精度檢測(cè)報(bào)告，為伺服插補(bǔ)圓度測(cè)試提供了大量相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)，是最為重要的伺服參數(shù)優(yōu)化分析測(cè)量?jī)x器之一[1][2]。

3 伺服插補(bǔ)圓度測(cè)試

通常數(shù)控機(jī)床都會(huì)擁有兩個(gè)伺服軸以上的插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)空間曲線(xiàn)插補(bǔ)加工方式，所以在完成單個(gè)伺服進(jìn)給軸的全部伺服參數(shù)優(yōu)化內(nèi)容后，對(duì)參與插補(bǔ)的伺服進(jìn)給軸實(shí)施聯(lián)動(dòng)性能優(yōu)化和調(diào)整是非常有必要的。比較常用的方法是伺服圓度測(cè)試，并通過(guò)伺服響應(yīng)Bode圖和球桿儀測(cè)試報(bào)告進(jìn)行合理分析和實(shí)施進(jìn)一步的伺服參數(shù)優(yōu)化[3]。在進(jìn)行圓度測(cè)試之前，首先需要根據(jù)數(shù)控機(jī)床的實(shí)際機(jī)械性能計(jì)算出兩個(gè)插補(bǔ)伺服軸的頻率響應(yīng)特性參數(shù)值，并根據(jù)此參數(shù)設(shè)置其它相關(guān)測(cè)量參數(shù)。這些測(cè)量參數(shù)將直接影響圓度測(cè)試的測(cè)量結(jié)果以及伺服參數(shù)優(yōu)化的結(jié)果。首先調(diào)試人員需要計(jì)算得出兩個(gè)插補(bǔ)伺服軸的頻率響應(yīng)特性參數(shù)值，其計(jì)算公式如下：

（1）

式中，V為兩插補(bǔ)軸的進(jìn)給速度；

R為圓度測(cè)試時(shí)插補(bǔ)整圓輪廓的半徑值。

根據(jù)相關(guān)伺服理論論證得出結(jié)論如下：頻率響應(yīng)特性參數(shù)值小于0.5Hz時(shí)，插補(bǔ)伺服軸處于較低動(dòng)態(tài)響應(yīng)階段；頻率響應(yīng)特性參數(shù)值位于0.5Hz-1Hz時(shí)，插補(bǔ)伺服軸處于正常動(dòng)態(tài)響應(yīng)階段；頻率響應(yīng)特性參數(shù)值位于1Hz-5Hz時(shí)，插補(bǔ)伺服軸處于較高動(dòng)態(tài)響應(yīng)階段；頻率響應(yīng)特性參數(shù)值位于5Hz以上時(shí)，插補(bǔ)伺服軸處于超高動(dòng)態(tài)響應(yīng)階段[4]。因此調(diào)試人員同時(shí)也可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果，合理設(shè)置插補(bǔ)伺服軸的進(jìn)給速度和整圓輪廓半徑值等測(cè)量參數(shù)，用于選擇匹配數(shù)控機(jī)床機(jī)械性能的頻率響應(yīng)特性參數(shù)值。整圓測(cè)試測(cè)量參數(shù)設(shè)定界面如圖2所示[5]。

圓度測(cè)試就是讓兩個(gè)插補(bǔ)軸以一定的速度走一個(gè)固定半徑的整圓，然后通過(guò)球桿儀和HMI_Advanced軟件（生成Bode圖）來(lái)測(cè)量檢測(cè)以下兩點(diǎn)內(nèi)容：①兩個(gè)插補(bǔ)伺服軸整圓軌跡的輪廓圓度；②插補(bǔ)圓弧過(guò)象限特性檢測(cè)。

在伺服插補(bǔ)圓度測(cè)試之前需要調(diào)試人員編寫(xiě)一個(gè)整圓運(yùn)動(dòng)軌跡的NC加工程序，并運(yùn)行它來(lái)檢測(cè)兩個(gè)插補(bǔ)軸在相同速度下的位置跟蹤誤差是否一致，如果不一致將會(huì)導(dǎo)致整圓的輪廓呈橢圓形。調(diào)試人員在啟動(dòng)并執(zhí)行NC加工程序時(shí)，需要提前在伺服軸參數(shù)優(yōu)化界面中選擇圓度測(cè)試這一優(yōu)化測(cè)試項(xiàng)目，并且需要提前設(shè)定這一測(cè)試項(xiàng)目的相關(guān)測(cè)量參數(shù)值，其中測(cè)量半徑需要與NC加工程序中的整圓半徑值保持一致。如果測(cè)量結(jié)果的圖形呈現(xiàn)橢圓形，則需檢查兩個(gè)插補(bǔ)軸的位置環(huán)增益Kv值是伐一致，因?yàn)槿绻撛鲆鎱?shù)設(shè)定值不一致將會(huì)直接影響加工整圓的形狀。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)研究證明，適量調(diào)高伺服系統(tǒng)位置環(huán)增益值以及速度環(huán)增益值，將能有效改善整圓輪廓的圓度值。如果此時(shí)還不能有效優(yōu)化兩軸插補(bǔ)整圓輪廓精度，則需要開(kāi)通伺服插補(bǔ)軸響應(yīng)延時(shí)功能（設(shè)置參數(shù)MD32900=1），該功能通過(guò)延遲某伺服軸的響應(yīng)速度來(lái)優(yōu)化兩插補(bǔ)軸的整圓輪廓軌跡。調(diào)試人員需根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定延時(shí)參數(shù)MD32910，一般設(shè)定值在0～0.001的范圍之間。優(yōu)化前后對(duì)比圖如圖3所示，優(yōu)化前整圓輪廓呈明顯的橢圓形，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的兩伺服軸插補(bǔ)更為協(xié)調(diào)且速率一致，橢圓度也得到了明顯的改善，機(jī)床整體的加工輪廓精度和質(zhì)量也得到了大幅度的優(yōu)化和改善。endprint

當(dāng)整圓的幾何輪廓形狀優(yōu)化完成后，有時(shí)調(diào)試人員會(huì)發(fā)現(xiàn)在圓弧過(guò)象限點(diǎn)處會(huì)呈現(xiàn)凸起狀，這是因?yàn)閮刹逖a(bǔ)軸在圓弧過(guò)象限點(diǎn)運(yùn)行時(shí)其中一個(gè)伺服插補(bǔ)軸需要轉(zhuǎn)換運(yùn)行方向并且速度會(huì)降至零速隨后重新加速啟動(dòng)至NC加工程序設(shè)定的插補(bǔ)速度。但是由于數(shù)控加工設(shè)備的機(jī)械摩擦力、機(jī)械裝配精度等因素的干擾影響，這將會(huì)造成這一伺服插補(bǔ)軸在運(yùn)動(dòng)到方向轉(zhuǎn)換點(diǎn)時(shí)有運(yùn)行滯后的現(xiàn)象發(fā)生。如果過(guò)象限誤差過(guò)大，將會(huì)對(duì)加工輪廓精度造成嚴(yán)重影響。因此針對(duì)這一現(xiàn)象，調(diào)試人員可以使用數(shù)控系統(tǒng)自帶的過(guò)象限誤差補(bǔ)償功能來(lái)對(duì)這一滯后現(xiàn)象進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。具體的補(bǔ)償原理是在插補(bǔ)軸轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)方向時(shí)提前施加一個(gè)速度信號(hào)用于彌補(bǔ)伺服軸運(yùn)行滯后的現(xiàn)象發(fā)生，但這個(gè)預(yù)設(shè)定信號(hào)的幅值大小以及時(shí)間參數(shù)值必須和實(shí)際誤差值之間相互匹配，否則將造成補(bǔ)償不足或補(bǔ)償過(guò)渡的現(xiàn)象發(fā)生。調(diào)試人員在使用過(guò)象限誤差補(bǔ)償功能時(shí)需要設(shè)置以下伺服軸參數(shù)：①M(fèi)D32500：摩擦補(bǔ)償是否生效；②MD32520：摩擦補(bǔ)償?shù)姆担虎跰D32540：摩擦補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間常數(shù)。優(yōu)化前后對(duì)比如圖4所示，優(yōu)化后的過(guò)象限尖峰圖形得到了有效的消除和改善，加工工件的表面質(zhì)量也得到了優(yōu)化和提高。調(diào)試人員需要使用伺服Bode圖以及Renishaw球桿儀針對(duì)以上步驟進(jìn)行多次測(cè)量檢測(cè)，并根據(jù)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)一步分析并優(yōu)化相關(guān)伺服參數(shù)，直到圓度測(cè)試結(jié)果完全滿(mǎn)足調(diào)試精度要求[6-8]。

4 結(jié)語(yǔ)

完成圓度測(cè)試后，兩伺服軸插補(bǔ)的運(yùn)動(dòng)控制性能也得到了顯著提升。插補(bǔ)過(guò)程中運(yùn)行平順，過(guò)象限時(shí)沒(méi)有過(guò)多的凸起，且過(guò)渡平滑，這樣就能在加工過(guò)程中獲得較為優(yōu)異的表面加工質(zhì)量和輪廓幾何精度。在高精度多伺服軸插補(bǔ)的數(shù)控機(jī)床伺服優(yōu)化調(diào)試過(guò)程中，圓度測(cè)試是最后也是最為關(guān)鍵的一項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目。調(diào)試人員需要意識(shí)到這一優(yōu)化環(huán)節(jié)的重要性，并認(rèn)真對(duì)待和處理這一優(yōu)化環(huán)節(jié)，并通過(guò)大量的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，總結(jié)和分析相關(guān)伺服參數(shù)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，這樣才能使數(shù)控機(jī)床在伺服優(yōu)化后獲得更為優(yōu)異的加工精度。

參考文獻(xiàn)

[1]雷尼紹公司.雷尼紹QC10球桿儀簡(jiǎn)介[M].上海：雷尼紹公司，2003.

[2]王家興，郭宏偉，趙峰，馬曉波，孫名佳.基于球桿儀的數(shù)控車(chē)床幾何誤差檢測(cè)和補(bǔ)償[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2011，（10）：132-135.

[3]孫亮，秦鴻濤.數(shù)控鏜銑床數(shù)控加工圓度的誤差的調(diào)整方法[J].黑龍江科技信息，2012，（26）：43-43.

[4]SIEMENS Automation Group. SINAMICS S120 Drive Functions[M].Nuernberg： Siemens， 2014.

[5]郭亮，梅雪松，張東升，盛曉超.840D數(shù)控系統(tǒng)的伺服參數(shù)優(yōu)化[J].機(jī)電工程，2011（4）：444-447.

[6]沈超，賈歆瑩，化春雷，李焱.五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的誤差補(bǔ)償與優(yōu)化研究[J].機(jī)床電器，2011，（2）：22-25.

[7]李鑫，劉闊，陳大明，朱鐵軍.數(shù)控機(jī)床進(jìn)給速度對(duì)圓度的影響測(cè)試與分析[J].機(jī)械與電子，2014，（2）：53-55.

[8]余緯.數(shù)控加工中圓度誤差的機(jī)電調(diào)整實(shí)例分析[J].機(jī)床與液壓，2006，（12）：241-242.endprint