西门子840D数控系统在龙门镗铣床中的应用

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:

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。

图2  伺服轨迹

图 3  测量内容

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 

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。

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。

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。

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

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：

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

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

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

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。