西門子Simotion運動控制器在處理機床橫梁故障中的應用

畢俊喜,智伯雄,劉洪兵

(內蒙古工業大學機械學院,內蒙古 呼和浩特 010051)

西門子Simotion運動控制器在處理機床橫梁故障中的應用

畢俊喜,智伯雄,劉洪兵

(內蒙古工業大學機械學院,內蒙古 呼和浩特 010051)

大型數控車床的裝配精度問題一直備關注.對大型數控車床的精度調試工作更是機床在裝配過程中必不可少的重要環節.其中,機床橫梁升降的精度會直接影響機床加工的質量.本文基于對型號為GTC250110的大型立式車床橫梁升降故障的調試過程為例,給出了一種基于西門子SIMOTION D435運動控制器為基礎的調試方法.經實際檢驗結果表明,此方式有效的使機床精度恢復正常.由此為解決類似機床故障提供實際參考.

立式車床; 橫梁; 精度; simotion D運動控制器

1概述

型號GTC250110是一臺配有西門子840D數控系統的雙Y軸大型動梁立式車床.該設備采用雙伺服電機驅動絲杠旋轉帶動橫梁升降.采用四組液壓壓板鎖緊橫梁以完成整個橫梁升降過程.在機床調試過程中發生了嚴重的橫梁升降精度超差現象,且此類現象極為少見.筆者結合多年西門子數控系統調試經驗,并通過分析相關零件的實際情況與Ansys有限元分析結果作比對,在短時間內使橫梁升降精度恢復到要求的范圍內.

2 故障現象

檢測橫梁升降側母線精度時,將1500mm檢棒裝卡在鎖死的工作臺上.將百分表的磁力表座吸在機床滑枕上.在機床滑枕與十字滑板相對靜止時,橫梁不動,僅松開、壓緊橫梁壓板,百分表示數穩定.當機床橫梁上升小段距離,鎖緊橫梁壓板后,百分表示數+0.05 mm.松開橫梁壓板繼續上升橫梁,百分表示數無變化,仍為+0.05 mm.橫梁與左立柱接觸的側表面下方,0.02 mm塞尺不入.反之,當機床橫梁下降時,下降小段距離鎖緊壓板后,百分表示數-0.05 mm.松開橫梁壓板繼續下降橫梁一段距離,鎖死橫梁壓板后百分表示數仍為-0.05.橫梁與左立柱接觸的側表面下方,可塞入0.02 mm塞尺.整個橫梁升降過程中伴有震顫現象.橫梁升降速度越快,震顫越明顯.

圖1 GTC250110部件位置圖Fig.1 Location of components of GTC250110

3 故障分析及診斷過程

根據沿機床坐標軸X方向上出現了可塞入塞尺的情況.首先對橫梁與立柱沿機床坐標軸X方向接觸面(鑲條與立柱接觸面)進行檢測[1].在立柱表面涂抹檢驗藍油,在鑲條表面涂抹鉛粉,完成一次橫梁上升動作,取下鑲條后結果如圖2所示:鑲條與立柱接觸面不完全,出現了規律的部分接觸,部分不接觸的現象[2].依照常規做法,重新刮研鑲條,但并沒有解決上述故障.

圖2 檢驗后的鑲條實物圖Fig.2 The test result of panel

依照鑲條規律的部分接觸,部分不接觸的現象,根據機床橫梁實際受力,對機床進行建模分析[3].分析結果如圖3所示:橫梁與立柱沿機床坐標軸X方向受力不均勻,且在上下鑲條所在處出現了明顯應力集中現象[4].在排除橫梁壓板動作失效及鑲條刮研不良等問題后.判斷為帶動橫梁升降的雙伺服電機由于負載等其他原因,出現了不同步情況,導致上述故障現象.橫梁升降時的震顫是鑲條與立柱表面接觸不均勻導致的.因此應對兩伺服電機及其驅動絲杠在SINAMICS S120中的SERVO控制模式下作同步調試.

圖3 橫梁與立柱接觸面有限元分析圖Fig.3 The Interface finite element analysis between Beam and column

配置好SIMOTION D435驅動器后,在S120的SERVO中修改P1300及P1317的參數.對比r61讀取的編碼器速度值,檢測編碼器反饋值準確.SERVO中的速度控制器實現的是比例積分PI控制,其參數設定直接決定機械性能.傳統的PID控制是通過以下算法實現的[5]:

傳遞函數對應計算機表達式算法:

數字PID對應計算機表達差分方程:

增量式PID對應計算機表達式:

通過推出增量式PID算法,可以有效地對應上位機,如輸出控制指令為零時的故障,仍可保持前一步的位置.而且可以減少Jog與Auto切換時帶來的沖擊.在SINAMICS SERVO控制模式下,只需改變P1910,P1960等參數即可.并降低P1958加速度參數,減少P1082最高轉速,延長速度變化斜坡參數p1958等[6].由于配置以上參數后,上述故障扔存在.隨即對兩根絲杠進行電子凸輪同步配置[7].配置同步框圖,如圖4所示,設定兩絲杠軸名稱分別為Axis_1,Axis_2.在給定兩軸使能的情況下,利用電子凸輪定義兩軸位置關系.電子凸輪生效后,通過兩軸相對位置的Cam曲線檢驗兩絲杠軸的實時位置.

圖4 Axis_1,Axis_2配置框圖Fig.4 Allocation Axis_1,Axis_2

調用SIMOTION命令庫中的_enableCamming命令建立同步,利用ST語言進行同步功能程序編寫[8].命名Axis_1為主絲杠,Axis_2為從絲杠,縮小同步長度至8 mm.重新編寫電子凸輪同步程序.

在SCOUT環境下對配置好的兩根軸在行程為1 200 mm的范圍內兩絲杠帶負載時的同步監控,如圖5所示.在Cam曲線中得出結論,電子凸輪重新配置的Axis_1,Axis_2兩者的相對位置得到了改善,近乎趨近理想精度.如圖6所示,每8 mm的同步長度內兩軸監測點的位置關系.在建立同步期間,Axis_2狀態顯示為BASIC_MOTION_ACTIVE,基本保持了同步狀態.有效的消除了橫梁升降精度超差及伴有震顫的故障.

圖5 1 200 mm范圍內兩絲杠軸同步監控圖Fig.5 The range of 1 200 mm two screw axis synchronous control chart

圖6 8 mm同步長度內兩軸位置關系Fig.6 The relationship between the two positions in 8mm

4 結語

型號GTC250110立式車床橫梁升降沿機床坐標軸X方向精度超差故障.經過對相關部件的檢測及對橫梁的建模有限元分析,可以大致判斷出導致故障的元件.通過重新配置SIMOTION D435中的相關控制參數,確定了兩個絲杠軸不同步的可能.通過重新配置電子凸輪的方式,使故障得以解決.在對機床的故障診斷過程中,如果可以以上述方式準確的找到引起超差的問題所在,不僅可以為整個檢驗過程節約時間,更避免了由于多次拆卸橫梁導致的其余精度問題.

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WANG Kaikai.Research of multi-axis synchronous motion control system for industrial computed tomography[D].Chongqing：Chongqing University,2013.

Application of SIEMENS Simotion motional controller for machine beam faults

BI Jun-xi,ZHI Bo-xiong,LIU Hong-bing

(Mechanical Engineering Institute,Inner Monggolia University of Technology,Hohhot 010051,China)

As the assembly precision of large-scale numerical control lathe has been continuously concerned, the precision debugging plays an important role in assembly process, while the lifting precision of machine beam is directly affected by machining quality. Based on the lifting faults of a large-scale vertical lathe, a method based on the SIEMENS D435 GTC250110 motional is proposed. Accordingly, it is found from testing results that this approach is effective machine precision restoring. Therein, this provides a practical reference to similar machine faults.

vertical lathe; cross beam; precision; Simotion D Motion controller

內蒙古自然科學基金項目(2016ms0539)

畢俊喜(1974-),男,博士,副教授.E-mail:445381532@qq.com

TH 17

A

1672-5581(2016)06-0537-04