西門子840D SL伺服插補軸圓度測試的參數優化與研究

張義紅+張立群

摘 要：本文主要研究數控機床伺服插補軸圓弧輪廓軌跡精度的伺服參數優化方法。并結合Renishaw球桿儀和伺服Bode圖來針對伺服圓弧插補輪廓軌跡精度進行反復的測量，并根據測量結果不斷分析和優化相關伺服參數，使通過伺服參數優化后的數控機床伺服軸插補輪廓精度得以顯著提升。

關鍵詞：西門子840D Solution Line；伺服驅動參數優化；伺服圓度測試；Renishaw球桿儀

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）19-0075-02

1 概述

21世紀以來，由于機床加工工藝的不斷優化和完善，多伺服軸聯動插補的數控機床已經被廣泛應用于制造業的各個領域，并逐步取代普通機床成為具有核心競爭力的制造裝備之一。插補軸圓度輪廓軌跡精度的伺服參數優化工作是整個加工精度優化的重點步驟之一，也是提高數控機床整體加工質量的核心要素之一。因此，針對此項內容進行深入地分析和研究具有較高的學習應用價值。

2 球桿儀簡介

球桿儀主要用于檢測數控機床插補軸整圓輪廓幾何精度誤差以及插補軸動態響應特性匹配度的一種專用檢測儀器，是伺服圓度測試參數優化過程中必不可少的檢測儀器之一。該測量裝置的工作原理是將球桿儀的兩個磁性底座分別安裝在數控機床需要進行圓弧插補運動的兩個伺服進給軸工作臺面上。測量系統軟件通過球桿儀內部可伸縮的位移傳感器來精確測量兩個伺服軸插補運動所形成整圓軌跡輪廓的幾何精度誤差。其測量精度在常溫下可達±0.5μm，可以十分精確地測量兩個伺服軸整圓插補輪廓軌跡所發生的任何細微變化及精度誤差值。計算機可以通過藍牙通訊方式接收球桿儀位移傳感器所測得的伸縮量，并使用球桿儀自帶的測量軟件將這一測量軌跡與標準整圓輪廓軌跡進行比較，從而生成實際測量結果，并分析得到數控機床實際的誤差分布狀況。這些測量結果報告可用于評定數控機床伺服進給軸的動態響應性能以及插補整圓輪廓軌跡的圓度精度誤差等相關測量結果是否滿足相應的加工要求和設計精度要求。

在整個測試實驗過程中，將主要使用英國Renishaw公司自行設計研發的QC20-W高精度球桿測量儀來對數控機床的圓弧插補輪廓精度進行精度檢測。QC20-W球桿儀的安裝方式非常簡便且人性化（實際安裝方式如圖1所示），同時由于該精密測量儀器自帶無線藍牙通訊傳輸裝置，所以測試人員無須安裝數據傳輸電纜便可直接進行數據高速傳輸通訊。該裝置內部安裝了一整套Renishaw公司自行設計研發的高精度高靈敏度位移傳感器裝置，它可以精確測量球桿儀在圍繞一個固定點進行整圓輪廓軌跡插補運動時所產生的半徑變化量，并通過RenishawBallbar20應用軟件采集并記錄所以細微變化數據，從而自動生成測量結果和精度檢測報告，為伺服插補圓度測試提供了大量相關測試數據，是最為重要的伺服參數優化分析測量儀器之一[1][2]。

3 伺服插補圓度測試

通常數控機床都會擁有兩個伺服軸以上的插補聯動空間曲線插補加工方式，所以在完成單個伺服進給軸的全部伺服參數優化內容后，對參與插補的伺服進給軸實施聯動性能優化和調整是非常有必要的。比較常用的方法是伺服圓度測試，并通過伺服響應Bode圖和球桿儀測試報告進行合理分析和實施進一步的伺服參數優化[3]。在進行圓度測試之前，首先需要根據數控機床的實際機械性能計算出兩個插補伺服軸的頻率響應特性參數值，并根據此參數設置其它相關測量參數。這些測量參數將直接影響圓度測試的測量結果以及伺服參數優化的結果。首先調試人員需要計算得出兩個插補伺服軸的頻率響應特性參數值，其計算公式如下：

（1）

式中，V為兩插補軸的進給速度；

R為圓度測試時插補整圓輪廓的半徑值。

根據相關伺服理論論證得出結論如下：頻率響應特性參數值小于0.5Hz時，插補伺服軸處于較低動態響應階段；頻率響應特性參數值位于0.5Hz-1Hz時，插補伺服軸處于正常動態響應階段；頻率響應特性參數值位于1Hz-5Hz時，插補伺服軸處于較高動態響應階段；頻率響應特性參數值位于5Hz以上時，插補伺服軸處于超高動態響應階段[4]。因此調試人員同時也可以根據計算結果，合理設置插補伺服軸的進給速度和整圓輪廓半徑值等測量參數，用于選擇匹配數控機床機械性能的頻率響應特性參數值。整圓測試測量參數設定界面如圖2所示[5]。

圓度測試就是讓兩個插補軸以一定的速度走一個固定半徑的整圓，然后通過球桿儀和HMI_Advanced軟件（生成Bode圖）來測量檢測以下兩點內容：①兩個插補伺服軸整圓軌跡的輪廓圓度；②插補圓弧過象限特性檢測。

在伺服插補圓度測試之前需要調試人員編寫一個整圓運動軌跡的NC加工程序，并運行它來檢測兩個插補軸在相同速度下的位置跟蹤誤差是否一致，如果不一致將會導致整圓的輪廓呈橢圓形。調試人員在啟動并執行NC加工程序時，需要提前在伺服軸參數優化界面中選擇圓度測試這一優化測試項目，并且需要提前設定這一測試項目的相關測量參數值，其中測量半徑需要與NC加工程序中的整圓半徑值保持一致。如果測量結果的圖形呈現橢圓形，則需檢查兩個插補軸的位置環增益Kv值是伐一致，因為如果該增益參數設定值不一致將會直接影響加工整圓的形狀。經大量實驗研究證明，適量調高伺服系統位置環增益值以及速度環增益值，將能有效改善整圓輪廓的圓度值。如果此時還不能有效優化兩軸插補整圓輪廓精度，則需要開通伺服插補軸響應延時功能（設置參數MD32900=1），該功能通過延遲某伺服軸的響應速度來優化兩插補軸的整圓輪廓軌跡。調試人員需根據實際情況設定延時參數MD32910，一般設定值在0～0.001的范圍之間。優化前后對比圖如圖3所示，優化前整圓輪廓呈明顯的橢圓形，經過優化后的兩伺服軸插補更為協調且速率一致，橢圓度也得到了明顯的改善，機床整體的加工輪廓精度和質量也得到了大幅度的優化和改善。endprint

當整圓的幾何輪廓形狀優化完成后，有時調試人員會發現在圓弧過象限點處會呈現凸起狀，這是因為兩插補軸在圓弧過象限點運行時其中一個伺服插補軸需要轉換運行方向并且速度會降至零速隨后重新加速啟動至NC加工程序設定的插補速度。但是由于數控加工設備的機械摩擦力、機械裝配精度等因素的干擾影響，這將會造成這一伺服插補軸在運動到方向轉換點時有運行滯后的現象發生。如果過象限誤差過大，將會對加工輪廓精度造成嚴重影響。因此針對這一現象，調試人員可以使用數控系統自帶的過象限誤差補償功能來對這一滯后現象進行優化調整。具體的補償原理是在插補軸轉換運動方向時提前施加一個速度信號用于彌補伺服軸運行滯后的現象發生，但這個預設定信號的幅值大小以及時間參數值必須和實際誤差值之間相互匹配，否則將造成補償不足或補償過渡的現象發生。調試人員在使用過象限誤差補償功能時需要設置以下伺服軸參數：①MD32500：摩擦補償是否生效；②MD32520：摩擦補償的幅值；③MD32540：摩擦補償的時間常數。優化前后對比如圖4所示，優化后的過象限尖峰圖形得到了有效的消除和改善，加工工件的表面質量也得到了優化和提高。調試人員需要使用伺服Bode圖以及Renishaw球桿儀針對以上步驟進行多次測量檢測，并根據實際檢測結果，進一步分析并優化相關伺服參數，直到圓度測試結果完全滿足調試精度要求[6-8]。

4 結語

完成圓度測試后，兩伺服軸插補的運動控制性能也得到了顯著提升。插補過程中運行平順，過象限時沒有過多的凸起，且過渡平滑，這樣就能在加工過程中獲得較為優異的表面加工質量和輪廓幾何精度。在高精度多伺服軸插補的數控機床伺服優化調試過程中，圓度測試是最后也是最為關鍵的一項測試項目。調試人員需要意識到這一優化環節的重要性，并認真對待和處理這一優化環節，并通過大量的測試實驗，總結和分析相關伺服參數優化經驗，這樣才能使數控機床在伺服優化后獲得更為優異的加工精度。

參考文獻

[1]雷尼紹公司.雷尼紹QC10球桿儀簡介[M].上海：雷尼紹公司，2003.

[2]王家興，郭宏偉，趙峰，馬曉波，孫名佳.基于球桿儀的數控車床幾何誤差檢測和補償[J].制造技術與機床，2011，（10）：132-135.

[3]孫亮，秦鴻濤.數控鏜銑床數控加工圓度的誤差的調整方法[J].黑龍江科技信息，2012，（26）：43-43.

[4]SIEMENS Automation Group. SINAMICS S120 Drive Functions[M].Nuernberg： Siemens， 2014.

[5]郭亮，梅雪松，張東升，盛曉超.840D數控系統的伺服參數優化[J].機電工程，2011（4）：444-447.

[6]沈超，賈歆瑩，化春雷，李焱.五軸聯動機床的誤差補償與優化研究[J].機床電器，2011，（2）：22-25.

[7]李鑫，劉闊，陳大明，朱鐵軍.數控機床進給速度對圓度的影響測試與分析[J].機械與電子，2014，（2）：53-55.

[8]余緯.數控加工中圓度誤差的機電調整實例分析[J].機床與液壓，2006，（12）：241-242.endprint