賀 毅

(中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司數(shù)控加工廠，四川成都610092)

隨著國內(nèi)制造業(yè)的快速發(fā)展，各類型數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用在我國不斷地加強(qiáng)，先進(jìn)機(jī)床的應(yīng)用水平得到了巨大的飛躍。目前機(jī)床加工在提高工件的加工精度、加工效率和降低加工成本等方面，解決了不少以前老式低速機(jī)床加工難以解決的關(guān)鍵問題?？傮w而言，國內(nèi)機(jī)床應(yīng)用廠家目前主要把提升加工效率放在第一位，相應(yīng)的維護(hù)、保障和管理等嚴(yán)重滯后。由此逐漸出現(xiàn)的新問題是加工效率雖然短時(shí)間能提升，工件加工表面質(zhì)量在機(jī)床剛交付時(shí)也不錯(cuò)，但經(jīng)過不長時(shí)間的使用后卻急劇惡化，機(jī)床的效率也不得不由此降低以滿足表面質(zhì)量的要求。

目前國內(nèi)研究數(shù)控系統(tǒng)伺服優(yōu)化主要集中在研究所、機(jī)床廠家和大專院校等單位。這些單位雖然對(duì)優(yōu)化的理論進(jìn)行了深入研究，但其優(yōu)化實(shí)踐多是處于機(jī)床機(jī)械狀態(tài)完好時(shí)進(jìn)行的優(yōu)化，一般僅給出了一些系統(tǒng)空轉(zhuǎn)時(shí)的最優(yōu)解，并且往往只針對(duì)一些三坐標(biāo)機(jī)床或結(jié)構(gòu)簡單的機(jī)床，對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)和虛擬軸等復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)床優(yōu)化的能力嚴(yán)重不足。最終用戶實(shí)際面臨的情況是經(jīng)過一段時(shí)間使用后，機(jī)械或電氣狀態(tài)已和初始安裝時(shí)有所變化，在這種狀態(tài)下進(jìn)行維修或保養(yǎng)后機(jī)床需要重新進(jìn)行優(yōu)化。另一種情況是最終用戶已知機(jī)械或電氣元件雖能勉強(qiáng)使用但狀態(tài)已經(jīng)不佳，但受制于昂貴的備件成本和嚴(yán)酷的生產(chǎn)形勢，需要在這種情況下盡力使機(jī)床能處于一個(gè)勉強(qiáng)可接受的加工狀態(tài)，保障生產(chǎn)的暫時(shí)進(jìn)行。

1 伺服優(yōu)化的理論

西門子有一套較為成熟嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋C(jī)床優(yōu)化方案，其840D系統(tǒng)主要使用611驅(qū)動(dòng)，優(yōu)化包含機(jī)床從開始設(shè)置單軸系統(tǒng)參數(shù)到最終機(jī)床全坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的全過程。

數(shù)控伺服系統(tǒng)包括電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，如圖1所示［5］，數(shù)控機(jī)床的性能依靠每一個(gè)環(huán)節(jié)都有正確和機(jī)床匹配的參數(shù)。一般在機(jī)床安裝時(shí)系統(tǒng)會(huì)給定一組默認(rèn)參數(shù)，但這些參數(shù)一般是為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的保守參數(shù)，主要作為試機(jī)驗(yàn)證使用。機(jī)床交付時(shí)參數(shù)處于最優(yōu)，但機(jī)床使用一段時(shí)間后，機(jī)械狀態(tài)必然發(fā)生變化，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)性能降低;由于各軸機(jī)械參數(shù)變化很可能不一致，從而產(chǎn)生各軸驅(qū)動(dòng)性能不匹配。這兩種情況影響驅(qū)動(dòng)軸的動(dòng)態(tài)誤差，致使誤差增大或機(jī)床的效率降低。驅(qū)動(dòng)優(yōu)化目的是在一定的機(jī)械狀態(tài)下盡可能提高系統(tǒng)的性能。

優(yōu)化順序是從內(nèi)環(huán)向外環(huán)進(jìn)行。西門子伺服控制中位置環(huán)是一個(gè)簡單的比例調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)起來比較簡單。速度環(huán)和電流環(huán)是由比例積分調(diào)節(jié)器組成，是驅(qū)動(dòng)的核心部分，而在電流環(huán)中一般使用的是與數(shù)控系統(tǒng)配套的電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)，因而系統(tǒng)在組態(tài)電動(dòng)機(jī)時(shí)會(huì)給出比較好的優(yōu)化參數(shù)，一般不需要進(jìn)行手動(dòng)優(yōu)化，連接內(nèi)外環(huán)的速度環(huán)由此成為驅(qū)動(dòng)優(yōu)化重點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)優(yōu)化關(guān)鍵是提高速度環(huán)的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而獲取較好的位置環(huán)性能。當(dāng)單軸性能獲得最大提升后可通過各軸性能的匹配，提高整機(jī)的性能，加工件上表現(xiàn)為好的精度和表面質(zhì)量。

優(yōu)化一般而言，電流環(huán)主要確定電流環(huán)周期MD1000、電流環(huán)增益 MD1120、電流環(huán)時(shí)間常數(shù)MD1121等參數(shù)。速度環(huán)可以確定速度環(huán)增益MD1407、速度環(huán)時(shí)間常數(shù)MD1409等，在必要的時(shí)候需確定參考模式阻尼MD1414和濾波器相關(guān)的MD1200、MD1201等。位置環(huán)主要確定位置環(huán)增益MD32200、軸的加速度MD32300、軸的最大沖量限制MD32431、速度前饋量設(shè)置MD32810等。注意在速度環(huán)的波特圖中最大可允許超調(diào)到3 dB(如圖2)，但位置環(huán)的波特圖則必須保持在0 dB以下(如圖3)［4］，因?yàn)槲恢铆h(huán)的超調(diào)會(huì)導(dǎo)致精度問題。

2 伺服優(yōu)化方法

西門子的優(yōu)化方案必須建立在機(jī)床機(jī)械狀態(tài)處于完好的狀態(tài)，但實(shí)際情況中機(jī)床經(jīng)過最終用戶一段時(shí)間的使用后機(jī)床機(jī)械狀態(tài)已經(jīng)不是最優(yōu)。如齒輪齒條經(jīng)長期的使用已經(jīng)存在部分的磨損，而且由于操作工裝配工裝的習(xí)慣，這些磨損的區(qū)域往往是集中分布齒條一部分嚙合區(qū)域，磨損區(qū)的動(dòng)態(tài)特性已與正常情況有差異。對(duì)于一些翻板、轉(zhuǎn)臺(tái)等臥式加工的機(jī)床，其加工負(fù)載隨工裝和工件變化，雖然可以在空轉(zhuǎn)下進(jìn)行優(yōu)化，但由于實(shí)際加工效果與負(fù)載相關(guān)，因此機(jī)床須在最終用戶所具有最大負(fù)載加工的情況下還需進(jìn)行優(yōu)化，并且在實(shí)際應(yīng)用中以最終大負(fù)載優(yōu)化情況為主(如圖4)。翻板、轉(zhuǎn)臺(tái)等臥式加工的機(jī)床必須進(jìn)行兩種不同負(fù)載狀態(tài)優(yōu)化，主要原因是原參數(shù)不確定的情況下直接進(jìn)行大負(fù)載優(yōu)化可能損壞機(jī)床部件。圖4中1、3號(hào)線是無工作臺(tái)負(fù)載時(shí)的波形，2、4號(hào)線是有工作臺(tái)負(fù)載時(shí)的波形。

2.1 電流環(huán)的優(yōu)化

最終用戶在進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)候一般不會(huì)改變機(jī)床的硬件配置，因此系統(tǒng)的一些基本配置相關(guān)的參數(shù)(如系統(tǒng)周期MD10050、系統(tǒng)插補(bǔ)周期MD10070等)不用改變［1］。不更換西門子電動(dòng)機(jī)時(shí)原電流環(huán)的參數(shù)調(diào)整一般也不做重點(diǎn)考慮，只需經(jīng)過一次簡單檢查即可，但如果使用非西門子電動(dòng)機(jī)則最好對(duì)電流環(huán)進(jìn)行詳細(xì)檢查。

2.2 速度環(huán)的優(yōu)化

機(jī)床在非最優(yōu)機(jī)械狀態(tài)時(shí)進(jìn)行優(yōu)化前應(yīng)先找到磨損部位。磨損較大的部位其電流、輪廓誤差等與正常情況不完全一致，可以利用西門子的相關(guān)servo trace工具根據(jù)找到相應(yīng)的部位，如圖5中異常處為導(dǎo)軌磨損處(該處結(jié)果可重復(fù))，此處電流變化較為劇烈。

通過上述步驟找到磨損部位后可先做圓度測試，保存結(jié)果以便最終優(yōu)化完后再進(jìn)行對(duì)比。然后開始進(jìn)行速度環(huán)的優(yōu)化，通過開環(huán)頻率響應(yīng)查看系統(tǒng)零點(diǎn)和極點(diǎn)，參考頻率響應(yīng)(如圖6)測試可獲得速度環(huán)增益MD1407和積分時(shí)間MD1409的初步優(yōu)化值。注意此時(shí)首先應(yīng)去除濾波器。

設(shè)定點(diǎn)階躍信號(hào)響應(yīng)(如圖7)測試驗(yàn)證MD1407的值是否合適，在調(diào)整前將MD1409設(shè)為0。擾動(dòng)階躍信號(hào)響應(yīng)(如圖8)測試可驗(yàn)證MD1409的值是否合適［2］，此時(shí)需將MD1409設(shè)回原值。在必要時(shí)可進(jìn)行參考模型測試和最后使用濾波器。注意如果使用濾波器，可能會(huì)改變圓度。

2.3 位置環(huán)的優(yōu)化

速度環(huán)優(yōu)化完畢后開始進(jìn)行位置環(huán)的優(yōu)化。位置環(huán)的變化可能會(huì)影響機(jī)床加工精度。如果進(jìn)行位置環(huán)的優(yōu)化，最終驗(yàn)收時(shí)必須進(jìn)行工件試切。首先通過位置環(huán)的參考頻率響應(yīng)測試獲得MD32200的初步優(yōu)化值，必要的時(shí)候也可以進(jìn)行濾波確定優(yōu)化值，然后通過程序和servo trace工具可以進(jìn)行position step測試［3］，用以檢查軸的過沖和平穩(wěn)性?？梢赃x擇使用SOFT(即jerk功能)去平滑軸加速響應(yīng)，通過servo trace工具和service display下的control deviation中的可以看出MD32431值是否合理。最后優(yōu)化機(jī)床前饋控制狀態(tài)，可以通過service display下的control deviation檢查MD32610、MD32810。

2.4 伺服聯(lián)動(dòng)的調(diào)試

前面各單軸的優(yōu)化完成后可以開始進(jìn)行伺服聯(lián)動(dòng)的調(diào)試，主要包括動(dòng)態(tài)匹配時(shí)間和摩擦補(bǔ)償。動(dòng)態(tài)匹配時(shí)間在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下可以使響應(yīng)過快的軸減慢響應(yīng)速度，但不可以加快響應(yīng)速度，因此，動(dòng)態(tài)匹配時(shí)間只能作用于響應(yīng)快的軸上。鑒于動(dòng)態(tài)匹配時(shí)間是減慢軸的響應(yīng)速度，因此一般在增益調(diào)整困難時(shí)才使用，以保證系統(tǒng)性能。摩擦補(bǔ)償要和后面的圓度測試一起使用。當(dāng)圓的形狀調(diào)整好以后，有時(shí)會(huì)在圓弧的4個(gè)象限點(diǎn)附近出現(xiàn)凸包，這是因?yàn)樵谶^象限點(diǎn)時(shí)其中有1個(gè)軸需要換向，由于摩擦力的影響會(huì)造成該軸在換向點(diǎn)有滯后的現(xiàn)象產(chǎn)生大的跟隨誤差，出現(xiàn)明顯的“尖角”現(xiàn)象。位置環(huán)控制中的參數(shù)如摩擦補(bǔ)償MD32500和反向間隙MD32450等參數(shù)，往往在機(jī)床出廠前都已經(jīng)過測量后設(shè)定，大多數(shù)情況無需再做優(yōu)化，但必須再檢查。

圓度測試用于檢測在最惡劣的圓度半徑和進(jìn)給速度下軸的圓度精度。在圓度測試前，先在手動(dòng)狀態(tài)下檢測圓度測試中的兩個(gè)軸所對(duì)應(yīng)的相同速度的跟蹤誤差.兩個(gè)軸的跟蹤誤差必須一致，否則軌跡就會(huì)是一個(gè)橢圓。一般這由各軸相同增益MD32200保證。速度設(shè)定點(diǎn)濾波器可被用于控制實(shí)際軌跡圓的半徑。圓度測試后需要重新運(yùn)行ref frequency response測試，以保證增益值不超過0 db。

目前數(shù)控系統(tǒng)有多種控制方式，如主從控制、龍門控制等等。優(yōu)化前需注意西門子版本，某些早期的西門子版本對(duì)主從、龍門同步支持有限，這種情況下對(duì)其優(yōu)化可能需仔細(xì)考慮優(yōu)化主動(dòng)軸對(duì)從動(dòng)軸的影響。

3 伺服優(yōu)化評(píng)估

對(duì)最終用戶而言，評(píng)估伺服優(yōu)化的方式主要有3種，機(jī)床加工時(shí)間的變化、工件加工尺寸的精度和加工表面質(zhì)量，球頭(部分廠家稱為ballbar)的測試。機(jī)床加工時(shí)間主要與機(jī)床最大速度、加速度、加加速度等相關(guān)，一般磨損機(jī)床進(jìn)行優(yōu)化后加工時(shí)間會(huì)有所增加，但增加的量不會(huì)很大。最終用戶最關(guān)心工件加工尺寸的精度和加工表面質(zhì)量，在無明顯問題的工件試切情況下，可以按照機(jī)床驗(yàn)收時(shí)使用的試切標(biāo)準(zhǔn)檢查。三坐標(biāo)機(jī)床一般使用三坐標(biāo)NAS件，五坐標(biāo)可使用三坐標(biāo)NAS件，五坐標(biāo)錐臺(tái)和S試件進(jìn)行驗(yàn)證。但試切件驗(yàn)證是有一定局限性的，特別對(duì)于五坐標(biāo)機(jī)床，試切件在擺角上有行程的局限性，因此使用球頭來進(jìn)行檢測(圖9)也顯得非常必要。目前使用球頭進(jìn)行檢測并無嚴(yán)格通用標(biāo)準(zhǔn)，但根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，如果檢查AC軸機(jī)床的的球頭，在C軸旋轉(zhuǎn)平面無問題的情況下主要檢查A軸的狀態(tài)，A軸在機(jī)床幾何軸3個(gè)方向都要架表進(jìn)行檢查;如果是AB軸，則A、B兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸在機(jī)床幾何軸的3個(gè)方向都要架表進(jìn)行檢查，A軸檢查時(shí)可使B軸處于0°位，B軸檢查時(shí)可使A軸處于0°位，以免A、B軸的狀態(tài)相互影響，最后可以A、B兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動(dòng)檢查一次，確定最大偏差。首次檢查球頭開始前注意加上BRISK和FFWOF以取消參數(shù)的補(bǔ)償，第二次檢查可再加上SOFT和FFWON。檢查時(shí)要注意記錄各轉(zhuǎn)動(dòng)軸的極限行程位置處和0°角的變化值，同時(shí)注意各位置機(jī)床啟動(dòng)或換向時(shí)表針的跳動(dòng)值。一般各位置值的總偏差不超過±0.05 mm，總跳動(dòng)不超過±0.1 mm，這樣的精度一般勉強(qiáng)能滿足公差在±0.2 mm的零件的要求。檢查球頭的過程中最好能和前面優(yōu)化過的沖量限制和前饋限制一起進(jìn)行，一邊調(diào)整一邊檢查，得出最好的實(shí)際狀態(tài)。注意有時(shí)機(jī)床磨損嚴(yán)重時(shí)其各軸矢量關(guān)系可能已發(fā)生變化，此時(shí)要注意權(quán)衡各種性能。

對(duì)于一些條件較好的廠家，上述檢查還可以繼續(xù)完善，如可以在優(yōu)化前做一次激光補(bǔ)償測試和球桿儀(有些廠家稱球桿儀為ballbar，這容易與前面的球頭測試混淆)測試，并記下結(jié)果。球桿儀的結(jié)果比機(jī)床自帶圓度測試更能接近實(shí)際的加工情況，因?yàn)樗侵苯訉?duì)主軸的測試，而西門子的圓度測試僅僅是測量系統(tǒng)的圓度狀態(tài)。用戶在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的時(shí)候也可以用IBN tool軟件來進(jìn)行檢查，圖10為某橋式機(jī)床優(yōu)化后的效果對(duì)比。

4 結(jié)語

本文主要提出了對(duì)一些機(jī)床機(jī)械上存在輕微磨損時(shí)西門子系統(tǒng)的優(yōu)化方法，但由于機(jī)械狀態(tài)是機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)，這些方法僅能臨時(shí)性的局部改善機(jī)床的加工結(jié)果，不能從根本上解決機(jī)床的問題，因此如果有條件仍然需要優(yōu)先恢復(fù)機(jī)床的機(jī)械狀態(tài)。而且由于磨損常常是非線性的，即使經(jīng)過上述的處理，一些復(fù)雜工件的加工仍有可能存在超差、波紋和麻點(diǎn)等問題。很有可能出現(xiàn)精度調(diào)好后，實(shí)際加工工件卻反而超差，精度調(diào)得不好但加工一些工件反而合格的狀態(tài)，這時(shí)要和工藝部門一起分析，找出是工件、刀具、工藝方案或后置等哪方面引起的問題。不論最后調(diào)試結(jié)果怎樣(即使機(jī)床精度檢查不在最好狀態(tài))，最后應(yīng)以加工零件的最終狀態(tài)為主。由于個(gè)人水平有限，本文未能說明復(fù)雜同步(如龍門同步和主從同步之間嵌套后)和虛擬軸機(jī)床的優(yōu)化問題。希望本文的方法能對(duì)最終用戶使用及優(yōu)化機(jī)床有一定的幫助。

［1］曲改玉，周生偉，李敏.優(yōu)化840D數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高精度加工［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2009(11):133 －136.

［2］楊誠，張為民.西門子611D驅(qū)動(dòng)工程應(yīng)用的優(yōu)化研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2008(3):53－56.

［3］SIEMENS 公司.Siemens Automalion Group，Manual Basle Functions 840D/810D［Z］，2006.

［4］SIEMENS公司.SINUMERIK 810D/840D 安裝與調(diào)試指南［Z］.

［5］西南交通大學(xué).西門子840D數(shù)控系統(tǒng)伺服優(yōu)化方法［Z］.