西門子跟隨誤差補償功能在數控龍門鏜銑床上的應用

劉翔云 邵振廷

(濟南二機床集團有限公司，山東 濟南 250022)

?

西門子跟隨誤差補償功能在數控龍門鏜銑床上的應用

劉翔云 邵振廷

(濟南二機床集團有限公司，山東 濟南 250022)

介紹了西門子跟隨誤差補償功能的工作原理、參數設置，以及利用伺服軌跡、圓度測試等調整、優化跟隨誤差補償相關參數的方法。利用跟隨誤差補償功能，最大限度地減小輪廓偏差，改善加工質量，達到增大位置環增益同樣的效果。

跟隨誤差補償；輪廓誤差；伺服軌跡；圓度測試

當數控龍門鏜銑床的位置環增益(Kv)因各種原因無法增大時，在高速加工、圓弧插補時，會產生一個較大的跟隨誤差和圓度誤差，影響工件的加工精度。在不增加位置環增益(Kv)的情況下，為減小加工誤差,我們使用了西門子跟隨誤差補償功能，又稱前饋控制，提高機床加工精度。本文主要講述速度前饋控制。

1 工作原理

西門子系統的跟隨誤差(following error)一般是指位置環的位置編程值和實際值之間的差值，它反映了機床動態跟隨精度和靜態定位精度。跟隨誤差和位置環增益之間關系如下：

E=V/Kv

式中：E為跟隨誤差；V為運動速度；Kv為位置環增益。

由上式可見，當位置環增益(Kv)確定后，跟隨誤差與運動速度成正比，即速度越大誤差越大。數控龍門鏜銑床由于受機床傳動剛性、固有頻率等因素的影響，其位置環增益(Kv)無法達到較大值，因此當高速加工時會產生較大的跟隨誤差，降低機床加工精度。在不增大位置環增益的情況下，為減小上述誤差，西門子提供了跟隨誤差補償功能(Fllowing error compensation),又稱前饋控制(Feedforward control)，通過該功能可將跟隨誤差降到接近于零，達到增大位置環增益同樣的效果。西門子前饋控制有兩種，一種是扭矩前饋控制，一種是速度前饋控制，大部分是采用速度前饋控制，本文主要闡述速度前饋的調試及優化。其工作原理如圖1。

2 跟隨誤差補償功能的生效方式

跟隨誤差補償的生效方式，可以通過參數 MYMMA_FFW_ACTIVATION_MODE，設為總是有效或者通過程序指令選擇有效，通常選擇通過編程指令選擇有效。

跟隨誤差補償生效方式：

MD32630 MYMMA_FFW_ACTIVATION_MODE = 0 ；前饋控制總是有效

= 1 ；在程序中用指令選擇是否有效

編程指令： FFWON/FFWOFF 跟隨誤差補償生效/無效；

MD20150【23】=2 通道復位后生效

3 跟隨誤差補償功能的參數設置及優化

注：在使用跟隨誤差補償功能之前，各機床軸的位置環、速度環、電流環需經過優化。

3.1 跟隨誤差補償功能的相關參數

MD32610 VELO_FFW_WEIGHT

MD32620 MYMMA_FFW_MODE；前饋控制方式 3：速度前饋 4：扭矩前饋

MD32630 MYMMA_FFW_ACTIVATION_MODE；前饋生效方式

MD32810 MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME；速度環等效時間常數

3.2 速度環等效時間常數的調整與優化

速度前饋控制中唯一需要優化調整的參數是速度環等效時間常數MD32810 MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME。調整、優化該參數最簡便的方法就是做位置環階躍響應的特性，利用伺服軌跡測量位置給定值和位置實際值之間的差值(特別是在位置實際值到達目標值前20 μm的特性)，根據軸的定位特性，將其調整、優化至最佳值。為獲得良好的補償效果，必須將MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME準確地設置在機床數據中，該值越小速度前饋控制的作用越強。

(1)測試程序(以X軸為例)

在【Auto.】或【MDA】方式下，選擇執行下述程序：

FFWON

SOFT

LAB:

G01 X210 Fxxxx ; 軸的最大進給速度

G04 F0.5

MYMAA_SCTRACE[X]=1 ；trigger for servo trace

X260

G04 F0.5

GOTOB LAB

M30

(2)測試方法

利用伺服軌跡功能(如圖2)，選擇“測量”輸入測量內容(如圖3)，按【NC Start】鍵，執行程序和測量，根據測試曲線(如圖4)，分析機床軸的定位特性，調整參數MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME。

(3)位置環階躍響應曲線的分析與參數優化(以X軸為例)

在速度前饋不生效狀態下，測量軸的位置實際值、編程值、輪廓誤差和系統誤差，如圖5。

MD 32620 MYMMA_FFW_MODE 0

MD 32810 MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 0.0

激活速度前饋控制，測試軸的位置實際值、編程值、輪廓誤差和系統誤差。

參數設置：

MD 32610 VELO_FFW_WEIGHT 1.0

MD 32620 MYMMA_FFW_MODE 3

MD 32810 MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 0.0025

MD 32431 MYMMA_MAX_AX_JERK 80

測試曲線如圖6所示，當軸移動到目標位置前，定位成爬行狀態，說明MD 32810 MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 設定值過大，應減小。

參數設置：

MD 32610 VELO_FFW_WEIGHT 1.0

MD 32620 MYMMA_FFW_MODE 3

MD 32810 MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 0.0018

MD 32431 MYMMA_MAX_AX_JERK 80

測試曲線如圖7所示，當軸移動到目標位置前，有位置超調現象，說明MD 32810 MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 設定值過小，應增大。

參數設置：

MD 32610 VELO_FFW_WEIGHT 1.0

MD 32620 MYMMA_FFW_MODE 3

MD 32810 MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 0.002

MD 32431 MYMMA_MAX_AX_JERK 80

測試曲線如圖8所示，當軸移動到目標位置時，無超調和爬行現象，說明MD 32810 MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME優化至最佳狀態。

按照上述步驟，逐次優化機床各插補軸的速度環等效時間常數，然后取各插補軸 MYMMA_EQUIV_SPEEDCTRL_TIME 的最大值，設為各插補軸速度環等效時間常數。

注：所有插補軸上述參數應設置成相同值,否則在執行圓弧插補時，會導致圓度變成橢圓。

4 圓度測試

將速度前饋控制優化調整后，需使用圓度測試功能，在前饋控制功能生效的狀態下，對插補軸的動態特性進行分析和評估。

例：以XY軸為例

4.1 測試程序

FFWON ; 激活前饋控制

SOFT

G17 ; 選擇XY平面

G91 ; 增量

G02 I10 J0 F5000 TURN=30 ; R=10mm V=5000mm/min 重復執行30次

M30

4.2 測試結果

前饋控制功能生效后，做圓度測試時，通常圓的實際半徑會過大(如圖9)，此現象可通過調整動態匹配響應時間MYMMA_DYN_MATCH_TIME或加加速濾波器時間常量MD32410 MYMMA_AX_JERK_TIME參數進行修正。

(1)通過優化動態匹配時間常數，修正圓度的大小

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

通過參數 MYMMA_DYN_MATCH_ENABLE 激活動態匹配功能，并根據圓度測試的結果優化調整 MYMMA_DYN_MATCH_TIME 動態匹配時間常數的大小，直至圓的實際半徑與編程半徑的差在精度要求范圍之內，如圖10。

所有插補軸的動態匹配時間常數MYMMA_DYN_MATCH_ENABLE 應設置為相同數值，如果不同則影響圓周形狀，如圖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

(2)通過調整軸沖擊限制濾波器時間常數MD32410 MYMMA_AX_JERK_TIME，修正圓的大小

通過參數MYMMA_AX_JERK_ENABLE激活加速度變化率時間，并選擇加速度變化率模式MYMMA_AX_JERK_MODE，建議使用32402 AX_JERK_MODE=2，執行上電復位操作，激活上述設置。執行圓度測試程序，根據測試結果優化參數MYMMA_AX_JERK_TIME的大小，調整圓實際大小至要求的精度范圍內。如圖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

如果插補軸的加速度變化率時間設置不同，則圓周形狀會受到影響，如圖13。

X Y

32400 AX_JERK_ENABLE 1 1

32402 AX_JERK_MODE 2 2

32410 AX_JERK_TIME 0.023 0.025

5 結語

通過使用西門子840D數控系統的跟隨誤差補償功能,使筆者公司生產的3 m×6 m數控定梁龍門鏜銑床加工模具時，在圓弧、拐角等加速度發生變化的地方，輪廓偏差減小了0.03～0.05 mm,達到增大位置環增益的相同效果，改善了加工質量,滿足了機床的精度及加工要求。

[1]西門子，Optimization of the feedforward control[Z].

[2]西門子.CN_840D sl調試文檔V45_201404[Z].

(編輯 李 靜)

如果您想發表對本文的看法，請將文章編號填入讀者意見調查表中的相應位置。

Application of Siemens following error compensation in the gantry type CNC boring-milling machine

LIU Xiangyun, SHAO Zhenting

(Jier Machine-Tool Group Co.,Ltd., Ji’nan 250022, CHN)

This article introduces the principle and parameter setting of Siemens following error compensation, and the adjustment and optimization of following error compensation parameters using thee servo trace and circularity test function.Use following error compensation, reduce the contour error to maximum limit, improve the processing quality, to gain the same effect as improving the position loop.

following error compensation; contour errors; servo trace; circularity test

TG659

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.032

2016-07-05)

161139