西門子Start Up-Tool軟件在數控沖床上的運用

卞正其，張志兵，韋 俊

（江蘇揚力數控機床有限公司，江蘇 揚州225127）

0 引言

SINUMERIK 802D sl（solution line）是西門子公司新推出的一款經濟型數控系統。它配備了新一代SINAMICS S120 驅動系統，結構緊湊。它將數控系統中的所有模塊（CNC、PLC 和HMI）都集成在同一控制單元上，能夠在最大程度上滿足廣大用戶對于復雜加工的應用需求。創新性的SINUMERIK 802D sl 數控系統具備了更高的性能價格比，可為機床制造商創造更大的效益。

對于數控機床來說，其最根本的任務就是對運動和邏輯的控制，而運動控制是由控制器的功能來實現的。對于控制器來說，其優化是控制器設計的重要組成部分。對于整套數控系統來說，其控制器的優化是隨所連接的機床情況而進行的，所以此優化過程只能而且必須作為機床調試的一個環節。優化主要分為電流環優化、速度環優化和位置環優化，可以借助西門子Start Up-Tool 工具來完成該目標。通過優化處理，可在保證機床精度的前提下最大程度地提高電機的性能。

1 控制器描述

MP10-30 型數控轉塔沖床基本參數如表1 所示。

將其簡化為彈簧阻尼和質子的二階系統，如圖1、2、3 所示。

在此基礎上，通過輸入和輸出可簡化為圖3 所示的波特圖。

數控系統也正是通過將采樣的實際值（電流、速度、位置等）和設定值進行數字化的處理（例如快速傅里葉變換）反映出系統的特性，這樣才能對控制器進行調節，以保證系統在穩定的前提下有更好的輸出。

表1 沖床基本參數

圖1 機械結構示意圖

圖2 簡化圖

圖3 波特圖

2 控制器優化

如圖4 所示為控制器優化流程圖。

圖4 控制器優化流程圖

2.1 電流環的優化

對于電流環的優化，一般只是觀察它的狀態（圖5），對于使用西門子 SINAMICS S120 驅動器和電機的控制系統來說，電流環在出廠時就已做了很好的優化。通過觀察可以幫助我們檢測驅動器或電機配置是否正確。

圖5 電流環狀態圖

若圖形與以上不符，可以檢查驅動類型是否正確，或調整增益P1715 及電機數據計算P0340。

2.2 速度環的優化

速度環是驅動器核心，電流環是速度環的最內環。速度環的優化涉及速度環增益、積分時間和設定值濾波，參考模型等。它是可帶兩個設定值濾波器且可帶參考模型的PI 控制器，在Start Up-Tool 軟件中可直觀地發現其結構。圖6 為參考模型，參考模型的引入相當于在干擾響應特性方面增加一個積分器，從而使系統可以有更高的響應性和穩定性。

圖6 參考模型

輸入為實際轉矩值，輸出為實際轉速。由于這兩個信號相當于控制器給機床的輸入輸出信號，所以通過對其特性的分析可以幫助我們對機床機械系統有總體了解。

西門子Start Up-Tool 軟件提供自動優化功能，能滿足一般要求。可以對濾波、Kp和Tn進行自動優化，但是它不提供對參考模型的設定。有三種優化方案可供選擇，分別為標準、較好動態性（最后得到的Kp最大）和較好阻尼（最后得到的Kp最小）。

2.2.1 手動優化

對于高頻響應設定為4000Hz 20 個測量區域。對于低頻響應設定為400Hz 4 個測量區域。為減少測量干擾，可先設定Kp=P1460 到原值的1/10，設定Tn=P1462 原值的10 倍，設定好參數后（在確認無機械安全隱患的前提下），在JOG 模式下按NCSTART 鍵（注：在進行速度環優化時軸是移動的）。如圖7 所示。

圖7 速度環

通過測試，可以找到機械上的幾個極點（可能是機床/聯軸器/絲杠/軸等的固有頻率引起），通過觀察，我們可以利用電流設定值濾波器來增加這些極點的阻尼，濾波器可有效抑制極點可能造成的系統不穩定。電流設定值濾波器共有4 個，正常使用第2、3 兩個濾波器。帶止濾波器共有4 個參數：頻率設定為極點頻率Notch frequency；帶寬Bandwidth；帶深Notch Depth 和衰減Reduction（一般不用，其值為0，加衰減不如再加一低通濾波器，所以當濾波器用完時考慮使用）。如圖8 所示。

圖8 低通濾波器

通過曲線可發現：Kp的值過大或Tn的值過小都會造成曲線的超調（同時伴隨尖銳的電機蜂鳴聲）。在增加濾波器的基礎上盡量增加Kp值，提高電機利用率（Tn值一般可設為10）。可以通過濾波器和適當的Kp值或Tn值得到優化好的曲線。如圖9所示。

圖9 優化后的速度環

2.2.2 自動優化

該方法使用者較多，其詳細步驟為：①將要優化的軸開到機床的中心位置（優化時軸會移動）；②在“START UP 菜單中，選擇“Optimiz/test”；③選擇擴展鍵“>”；④選擇“Auto ctrl setting”；⑤對軸的上限值和下限值進行設定；⑥設置完成后，開始自動優化，選擇“Start”，機床開始自動優化；⑦當出現“Start mechianical system measurement part 1?”后，選擇“OK”鍵確認；⑧當出現“Please press NC START”后，按下機床操作面板的“循環啟動”鍵；⑨此刻電機會發出一些噪聲，另外優化軸的絕對位置將隨之而改變（軸運動）；⑩第一步完成后，屏幕會自動出現“Start mechanical system measurement part 2 ? ”后，選擇“OK”鍵確認；?當出現“Please press NC START”后，按下機床操作面板的“循環啟動”鍵；?此刻電機會發出一些噪聲，另外優化軸的絕對位置將隨之而改變（軸運動）；?出現“Start measurement of current control circuit ? CAUTION:With vertical axes，ensure before performin the measurement that the brake is actived when the measurement is started.”確認抱閘關閉后，選擇“OK”鍵確認；?當出現“Please press NC START”后，按下機床操作面板的“循環啟動”鍵；?出現“Start computation of the controller data ? ”后，選擇“OK”鍵認開始計算控制器數據；?數據運算后，系統將修改過的參數列在一張表中，左側是機床參數號和名稱，中間一列是修改前的參數值，右側一列是修改后的參數值。如果想修改參數，選擇“OK”鍵確認。

2.3 位置環優化

位置環控制是NC 控制器的核心。位置環優化的主要目標是選擇合適的Kv值，保證對設定值變化和干擾有好的響應（跟隨誤差和輪廓誤差小，穩定性好）。加工程序經插補運算IPO 后得到目標位置和位移速度，再經精插補FIPO 得到目標位置、目標加速度和目標轉速，經處理（比如防突變、速度和位置的一些限定），生成加速度、速度、位置設定值。

在“Trace”下，選擇不同的測試選項，通過對位置環的電機利用率、位置實際測量值等來得到合理的加速度值、位置環增益等。

3 總結

本文方法研究對象為數控轉塔沖床，其他機床還有圓度測試和前饋優化等。系統優化是建立的機械裝配性能之上的，其理想情形并不存在，只能在現有機械水平的基礎上，使機床性能盡可能達到最佳狀態，即達到一個速度和精度的最佳平衡點。

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