基于西門(mén)子840Dsl系統(tǒng)的伺服泵運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)

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(jī)床在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮出重要價(jià)值，隨著科技進(jìn)步，機(jī)床加工精度和效率明顯提高。為滿(mǎn)足多元化生產(chǎn)需要，以西門(mén)子840Dsl系統(tǒng)為基礎(chǔ)，應(yīng)用伺服電機(jī)泵進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)使用雙向伺服泵技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，能夠提高運(yùn)動(dòng)控制的響應(yīng)效率和精度，充分滿(mǎn)足高標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)需要。因此本文提出了運(yùn)動(dòng)控制方案，對(duì)于機(jī)床生產(chǎn)精度的提高具有突出價(jià)值。

1 伺服泵運(yùn)動(dòng)原理

基于西門(mén)子840Dsl系統(tǒng)的伺服泵運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)，是根據(jù)雙向伺服泵驅(qū)動(dòng)和液壓系統(tǒng)原理完成的。在滑塊部件實(shí)際運(yùn)動(dòng)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(dá)目標(biāo)位置，運(yùn)動(dòng)時(shí)，下腔支撐失效，伺服泵提供滑塊支撐力；泵反轉(zhuǎn)時(shí)，滑塊失去支撐落下；泵抽取油液補(bǔ)充上腔，由于上腔截面較下腔大，需要對(duì)優(yōu)良進(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)液量保證平衡后，電機(jī)進(jìn)入堵轉(zhuǎn)，形成上腔壓力[1]。③工進(jìn)。向下帶載慢速運(yùn)動(dòng)，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(guò)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(yùn)動(dòng)。④回程。滑塊向上運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)位置，所有閥門(mén)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(guò)補(bǔ)充油液排出油箱。⑤卸荷。讓壓緊力釋放，滑塊向上運(yùn)動(dòng)到達(dá)指定位置，Y2閥通電后，伺服泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)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(mén)子840Dsl系統(tǒng)的伺服泵運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)

2.1 電流環(huán)控制

為了讓機(jī)床順利運(yùn)轉(zhuǎn)，減少振動(dòng)，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(bǔ)存在問(wèn)題造成工件過(guò)切或者少切問(wèn)題，表面會(huì)形成刀紋影。對(duì)電流環(huán)控制的測(cè)試主要對(duì)頻率響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)電流環(huán)增益值是否處于合理范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)出廠時(shí)已經(jīng)經(jīng)過(guò)調(diào)整，無(wú)需二次調(diào)試。根據(jù)電流環(huán)頻率測(cè)試，檢出控制參數(shù)、匹配情況的程度，如果加工時(shí)出現(xiàn)伺服軸轉(zhuǎn)或者機(jī)床振動(dòng)問(wèn)題，表示匹配性差?？刂茣r(shí)先明確伺服軸電機(jī)，明確電機(jī)數(shù)據(jù)，利用機(jī)床控制數(shù)據(jù)的功能，自動(dòng)載入數(shù)據(jù)。通常情況下載入機(jī)床數(shù)據(jù)范圍較廣。調(diào)試前檢查載入數(shù)據(jù)，測(cè)試頻率響應(yīng)時(shí)振幅一般不超過(guò)0 dB，測(cè)量頻率響應(yīng)要求達(dá)到-180°，相位點(diǎn)頻率大于等于1 000 Hz。對(duì)電流環(huán)進(jìn)行頻率響應(yīng)測(cè)試時(shí)，加強(qiáng)對(duì)工作人員的安全保護(hù)，由于電機(jī)不受力，轉(zhuǎn)矩達(dá)到最小值，機(jī)床軸會(huì)脫離系統(tǒng)控制，需要加固機(jī)床軸。

2.2 速度環(huán)控制

調(diào)整測(cè)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(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，但會(huì)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(dòng)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(dòng)或不穩(wěn)定問(wèn)題，需要對(duì)速度環(huán)伺服匹配問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)對(duì)速度控制器積分時(shí)間、比例增的調(diào)整，能夠保證系統(tǒng)動(dòng)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(jī)型號(hào)，大轉(zhuǎn)矩電機(jī)速度環(huán)增益值較高，一般情況下積分時(shí)間為10 ms，調(diào)試時(shí)優(yōu)先選擇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的電機(jī)[2]。調(diào)試中由于增益值較小，積分時(shí)間長(zhǎng)，為避免調(diào)整后電機(jī)共振出現(xiàn)嘯叫，先根據(jù)頻率特性找到機(jī)床共振點(diǎn)，分析參數(shù)值寫(xiě)入Tn和Kp參數(shù)中。進(jìn)行頻率響應(yīng)檢測(cè)是通過(guò)找到極點(diǎn)和零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，零點(diǎn)為相位差和幅值的最小值，極點(diǎn)是幅值和相位差的最大值。調(diào)整伺服時(shí)盡量規(guī)避極點(diǎn)，減少零點(diǎn)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(xiàn)降低區(qū)段消除零點(diǎn)以及極點(diǎn)，通過(guò)添加濾波器消除零點(diǎn)和極點(diǎn)，擴(kuò)大工作區(qū)域。

進(jìn)行頻率響應(yīng)測(cè)試要根據(jù)響應(yīng)圖形對(duì)增益值進(jìn)行調(diào)整，多次測(cè)試頻率響應(yīng)，對(duì)增益值進(jìn)行調(diào)整，最后明確臨界極點(diǎn)，使用帶阻濾波器，將極點(diǎn)降低至0。根據(jù)測(cè)試曲線(xiàn)對(duì)相頻和幅頻進(jìn)行觀察，明確誤差情況，如果振幅和速度相同，在幅頻曲線(xiàn)中以0 dB表示。調(diào)試時(shí)濾波器根據(jù)測(cè)量結(jié)果設(shè)定以獲得最佳參數(shù)值，幅頻曲線(xiàn)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(shí)間設(shè)定十分關(guān)鍵，若幅頻曲線(xiàn)大于0 dB，根據(jù)機(jī)床剛性特征，一般情況下積分時(shí)間為2～20 ms。最佳調(diào)整結(jié)果為幅頻曲線(xiàn)接近于0 dB，幅頻響應(yīng)值小于5 dB。測(cè)試時(shí)電機(jī)和工作臺(tái)連接，需要將機(jī)電降低至0以下。將機(jī)床增益值和積分時(shí)間準(zhǔn)確記錄，在時(shí)間常數(shù)設(shè)為0的情況下檢測(cè)增益值，可以避免檢測(cè)時(shí)受到系統(tǒng)的影響。使用速度環(huán)檢測(cè)，得到速度環(huán)波形圖，觀察響應(yīng)是否出現(xiàn)過(guò)沖。判斷時(shí)間參數(shù)合理性通過(guò)干擾階躍檢測(cè)判斷，隨著時(shí)間參數(shù)減小，波動(dòng)動(dòng)作速度加快，縮短驅(qū)動(dòng)控制時(shí)間。如果直線(xiàn)電機(jī)沒(méi)有傳動(dòng)環(huán)節(jié)，設(shè)定積分時(shí)間為2 ms，控制過(guò)沖現(xiàn)象。若機(jī)床配置不良造成摩擦阻力過(guò)大，需要調(diào)整偏移量消除摩擦。

2.3 位置環(huán)控制

機(jī)床調(diào)試維護(hù)中，改變參數(shù)值優(yōu)先對(duì)位置環(huán)參數(shù)檢查，很多參數(shù)會(huì)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(cè)機(jī)床坐標(biāo)是否為真實(shí)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(duì)伺服軸穩(wěn)定性和過(guò)沖問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)定加速度限幅控制速度最大值。檢測(cè)圓度能夠判斷兩服軸，畫(huà)圓換向時(shí)兩軸配合程度。在系統(tǒng)中添加速度濾波器，隨時(shí)修正尺寸，讓控制機(jī)床取得更好的畫(huà)圓效果。為控制幅頻不過(guò)沖，測(cè)試后對(duì)控制器參考頻率進(jìn)行測(cè)試?？刂破黜憫?yīng)根據(jù)位置環(huán)增益值確定，增益值會(huì)對(duì)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(jī)床調(diào)試中，增益值為1～10，機(jī)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(cè)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(dòng)態(tài)適配功能，用于減小兩軸跟隨誤差。在調(diào)整伺服時(shí)未考慮到機(jī)床負(fù)載情況，實(shí)際加工時(shí)較為復(fù)雜，機(jī)床運(yùn)行不穩(wěn)定。可以在機(jī)床保持大負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)中調(diào)試，保證伺服軸偏移值足夠大，對(duì)摩擦力起到抑制作用。如果設(shè)定偏置參數(shù)過(guò)小，會(huì)造成測(cè)試結(jié)果誤差過(guò)大。時(shí)間參數(shù)設(shè)定不超過(guò)15 ms，若時(shí)間參數(shù)設(shè)定過(guò)大，過(guò)度調(diào)節(jié)位置環(huán)控制器，會(huì)造成調(diào)試結(jié)果不準(zhǔn)確。通過(guò)設(shè)定生效參數(shù)和時(shí)間參數(shù)，調(diào)整寫(xiě)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(guò)調(diào)整加速度參數(shù)對(duì)加速度特性進(jìn)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(guò)渡機(jī)床啟動(dòng)和停止時(shí)間，保證機(jī)床加工質(zhì)量以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)。使用機(jī)床程序進(jìn)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(guò)對(duì)機(jī)械性能的設(shè)定，能夠同時(shí)控制加速度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2.4 運(yùn)動(dòng)控制

系統(tǒng)根據(jù)液壓原理，接收控制和運(yùn)動(dòng)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(dòng)比以及速比。在不同工況下，壓力和滑塊運(yùn)動(dòng)的變化和油泵轉(zhuǎn)動(dòng)不一致，切換工況后控制質(zhì)量和壓力反饋、實(shí)際位置方向相反。西門(mén)子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)指令是經(jīng)過(guò)CNC運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和插補(bǔ)后，生成指令發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)，對(duì)力矩、速度以及電流環(huán)控制。在NCU和驅(qū)動(dòng)之間添加控制單元，截取速度指令。利用西門(mén)子系統(tǒng)進(jìn)行泵轉(zhuǎn)速換算-線(xiàn)速度以及閉環(huán)PID的處理，通過(guò)總線(xiàn)控制驅(qū)動(dòng)。DCC程序應(yīng)用于報(bào)文接口以及變量之間，NCU指令通過(guò)報(bào)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(dòng)執(zhí)行[3]。

3 結(jié)論

綜上所述，基于西門(mén)子840Dsl系統(tǒng)進(jìn)行伺服泵運(yùn)動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用DCC實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服泵系統(tǒng)的高精度控制。常規(guī)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)使用直線(xiàn)軸以及泵控液壓軸兩種系統(tǒng)，彌補(bǔ)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(jìn)的空間。未來(lái)還需要進(jìn)一步優(yōu)化控制程序，提高控制精度以及響應(yīng)效率，滿(mǎn)足更高標(biāo)準(zhǔn)和多元化的生產(chǎn)需要。