（机械工程专业论文）西门子611d驱动优化的工程应用研究.pdf

摘要 摘要 数控机床中的机电不匹配常常会引起的模具生产加工中的表面过切、表面 麻点等质量问题，本文以d m c 6 4 v 机床作为研究对象，研究6 1 1 d 驱动的系统参 数优化与机床匹配问题，以提高加工质量。 在理论研究上，通过机床机械传动结构的建模，结合频域响应的测量对振 动传递方式进行了理论分析。分析了d m c 6 4 v 机床采用的6 1 l d 驱动系统的运动 控制方法，通过分析速度、加速度和加加速等控制参数的作用，寻找指导这些 参数优化组合设置的理论依据。 在实际优化过程中，根据理论分析结果，从驱动系统的位置环、速度环和 电流环入手，对与控制参数相关的重要机床参数进行分析，设计优化调试实验 方案。对机床三个环的频域响应实测结果用“i b nt o o l ”软件进行分析，得到 相应参数的实际功效，在此基础上，得到d m c 6 4 v 机床6 1 1 d 驱动优化的具体调 试参数。实践加工的效果证明，驱动优化后的机床运行稳定，大大减少和消除 了加工中的表面过切、表面麻点问题。 关键词：驱动优化、数控机床、8 1 0 d 控制系统、6 1 1 d 驱动 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i cm a t c hi nt h en u m e r i cc o n t r o lm a c h i n e w o u l dc a u s em a n yq u a l i t yp r o b l e m si nt h em o d e lc u t t i n g s u c ha sr o u g hs u r f a c ea n d o v e r s h o tp o i n ts u r f a c e t h i st o p i cf o c u s e do nt h es o l u t i o nf o rt h ep r o b l e ma n dd i d r e s e a r c hi n6 1 1 dd r i v es y s t e mo p t i m i z a t i o no nt h em a c h i n ed m c 6 4 v i nt h e o r y , t h et o p i ca n a l y z e dt h ev i b r a t i o nt r a n s f e rb a s e do nt h em a c h i n em o d e w i t hc a l i b r a t i o no f t h ef r e q u e n c yr e s p o n s e i ta l s oe x p l a i n e dt h em o t i o nc o n t r o lf o rt h e 6 ii dd r i v es y s t e mo nd m c 6 4 v f r o mt h es e t t i n go fv e l o c i t y , a c c e l e r a t ea n dj e r k ，w e w a n t e dt of i n dt h eb a s i ct h e o r yo f t h ep a r a m e t e ro p t i m i z a t i o ns e t t i n g i np r a c t i c e ，t h et o p i co ft h i st h e s i sb e g a nt h er e s e a r c ho fp o s i t i o nc o n t r o l l e r , s p e e dc o n t r o l l e ra n dc u r r e n tc o n t r o l l e ri n6 1 1 dd r i v es y s t e mf r o mt h er e s u l to ft h e t h e o r y i ta n a l y z e dt h er e l e v a n tm a c h i n ed a t eo ft h ec o n t r o l l e rp a r a m e t e ra n dd e s i g n e d t h es c h e m eo ft h eo p t i m i z a t i o n f r o mt h et e s to fc a l c u l a t i n gt h ef r e q u e n c yr e s p o n s eo f t h et h r e ec o n t r o l l e r sw i t ht h es o f t w a r e “i b nt o o l ”，w ec o u l dk n o wt h ef u n c t i o no ft h e s y s t e mm a c h i n ed a t e b a s e do nt h ea b o v ew o r k t h ed r i v es y s t e mo p t i m i z a t i o n s c h e m ew o u l db em a d eu pa n dp u ti np r a c t i c e i tw a sp r o v e db yo n e e x a m p l et h a tt h e m a c h i n ec o u l da l m o s te l i m i n a t et h ea b o v ep r o b l e ma n dw o r k ss t a b l ea f t e rd r i v e o p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：d r i v eo p t i m i z a t i o n ，n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e ，810 dc o n t r o ls y s t e m ， 6 1 1 dd r i v e ， i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规 定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢 利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于 学术活动。 学位论文作者签名：崩戳 冽7 年多月陟日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本 授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名：妫戳 加- 7 年3 月j 2 ，日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 概述 d m g 公司是欧洲最大的机床生产厂家之一，于2 0 0 3 年开始在国内建设投 产，d m c 6 4 v 是d m g 公司2 0 0 4 年国内开始生产的一款重要的机型。机床采用 了西门子8 1 0 d 数控系统和6 1 1 d 驱动系统，可以实现各种复杂工件的加工。同 时机床x 轴采用了当今先进的西门子直线电机技术，其优点是动态响应和运行 速度快，精度高，驱动部件没有接触，无需摩擦补偿；主轴采用电主轴的技 术，特点是驱动力矩大，加速时间短。因此该机床在各种中、高端的产品生产 和模具生产中都有广泛的应用。 d m c 6 4 v 机床在生产制造阶段全部采用标准的系统和驱动参数，虽然标准 参数的系统设定可以满足一般精度的加工要求，但对于一些动态性能非常好的 特殊的模具加工中，由于驱动参数没有进行相应的优化，常常会造成机电匹配 不够理想的现象，轻则影响j o t 表面质量，重则引起机床的振动，无法实现正 常的加工。 在实际的模具生产加工中，d m c 6 4 v 机床在没有经过驱动优化的情况下， 常常会导致一系列的加工质量问题，主要表现为： ( 1 ) 机床加工时，手扶机床板金，有明显的振动感觉，特别是加工轴换向 时，抖动现象更加明显。 ( 2 ) 切削软质金属如：铜、铝等，切削量小于l m m 的情况下，加工表面容 易产生过切现象，形成拉丝状，通过肉眼可以观察到。 ( 3 ) 切削软质金属如：铜、铝等，切削量小于l m m 的情况下，加工表面容 易产生麻点，通过肉眼可以观察到。 在研究上述问题时，抛开由于工件材料本身的问题，如材料的机械加工特 性、残余应力等，影响工件表面加工质量的因素有很多，如：机床本身的机械 精度、机床的机械结构、刀具的质量、控制系统的性能、伺服电机的问题和各 种电子元器件的质量等，同时还包括环境、温度、湿度等一些列外部因素的影 响。但综合起来考虑，上述的原因可以分成两种：即内因和外因。内因是控制 系统和伺服电机，这是机床产生运动的根本；外因则是除此之外的其他的因 第1 章引言 素，它们属于运动的传递和保障，虽然不能主导工件的j o t ，却能影响整个加 工质量。作为外因来讲，由于受到当今制造技术水平和其他因素的限制，提升 的空间已经不大，其效果也不与其成正比。为此对于此类问题主要从内因进行 分析研究，从根本上找出问题产生的原因，并加以解决，即通过对系统6 1 1 d 的驱动参数进行优化，实现机床机械与电器更好的匹配性。 驱动优化的研究意义在于进一步了解西门子6 11 d 驱动系统的控制方式， 为驱动优化的研究提供一些经验，同时也解决数控机床在模具加工中由于机电 不匹配而造成的一些表面加工质量问题，实现了生产效率和效益的最大化，满 足了现代化先进生产制造技术的需要，具有很强的实际工程应用价值。 1 26 1 1 d 驱动优化的国内外发展现状和趋势 6 1 l d 驱动是西门子公司在2 0 世纪9 0 年代初推出的一种实用型数控驱动系 统，它是一种交流数字驱动系统，可以以数字量方式驱动和控制交流伺服电 机，即实现软件控制代替硬件控制。由于电力电子技术和控制理论、微处理器 等微电子技术的快速发展，软件运算及处理能力的提高，采用高速微处理器和 专用数字信号处理器( d s p d i g i t a ls i g r i a lp r o c e s s o r ) 的全数字交流伺服系统出 现后，使系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少，一些现代控制理论中 的先进算法如速度前馈、加速度前馈、低通滤波、凹陷滤波等得到实现，大大 提高了伺服系统的性能例。 1 2 18 1 1 d 驱动优化的国内外发展现状 6 1 1 d 驱动自推出市场以来，由于其出色的控制性能得到了广泛的应用，并 实现了机床控制的高速、高效和高精度，如今在西门子的中高端数控系统8 1 0 d 和8 4 0 d 控制系统中都采用了6 1 1 d 的驱动系统，因此在国外，早在2 0 世纪9 0 年代末，就开始对6 1 1 d 驱动在数控系统中的应用进行研究，并随着6 1 1 d 驱动 系统的发展逐步更新，特别是在德国西门子内部，已经先后完成了6 1 1 d 驱动 优化测量软件“i b nt o o l ”的开发，以及理论基础的研究，但6 1 1 d 驱动系统是 一个非常复杂的系统，各种不同性能的机床对驱动系统性能要求也是不尽相 同，为此，在实际的应用方面可供参考的文献不多。 在国内，随着西门子6 1 l d 驱动系统应用的不断推广，以及磨具行业的快 速增长，机床加工精度和表面光洁度的要求也越来越高，这不仅对控制系统提 2 第1 章引言 出了更高的要求，同时也进一步促进了驱动系统的快速发展。由于西门子控制 系统和6 1 1 d 驱动系统进入中国市场相对比较晚，对此系统地认识也比较浅， 虽然经历了一段时间的发展和应用，西门子6 1 1 d 驱动系统得到了广泛的应 用，但是对于在应用中出现的机电不匹配的问题，直到近几年才逐步被关注。 如今，国内一些大的数控机床生产产家已经开始认识到机电匹配的重要性，并 开始联同些高校研究6 1 1 d 驱动的优化。与此同时，西门予中国也在近两年 开始进一步关注6 1 1 d 驱动优化的问题，在近两年对此进行了大量的培训，并 逐步应用到工程实践中，部分已经取得了一定的效果。因此，国内对西门子 6 1 l d 驱动优化的研究还尚处于起步和发展阶段。 1 2 。26 1 1 d 驱动优化的发展趋势 当前，世界数控技术及其装备发展趋势之一是高速、高效、高精度。从8 0 年代开始，由于数控机床的主轴、进给系统等功能部件的突破，数控机床的主 轴转速和进给速度都有了大幅度的提高，以及制造技术的全面进步。使金属切 削加工进入了高速切削的新阶段。9 0 年代以来，欧、美、曰各国争相开发应用 新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。为了实现高速、高精度加 工，与之配套的功能部件如大功率高速电主轴、高加减速直线电机驱动进给部 件以及高性能控制系统得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。 西门子6 1 1 d 驱动作为西门子最先进的驱动系统之一，随着控制系统的不 断发展而更新，其控制的特点为： ( 1 1 高速，6 1 1 d 驱动电机，可以在5 s 内将电机转速从0 加速到 1 2 0 0 0 r m i n ，也可在5 s 内将电机转速从1 2 0 0 0 r m i n 减速到0 。 ( 2 ) 高精度，6 1 1 d 驱动电机，可以对电流环、速度环和位置环进行控制， 并采用了速度前馈、加速度前馈的控制方式，可以实现高精度的控制模 式，对于转速的控制误差一般可以保证在0 5 之内，位置的控制误差 可以实现o 1 p m ，甚至更高。 ( 3 ) 参数化，全数字的6 1 1 d 驱动全部采用数字的方式进行显示和设置，简 单易懂，操作方便。 “) 智能化，6 1 l d 驱动发展到现在，已经实现了速度环的自动优化功能， 通过自动优化，可以实现速度环增益和滤波器的自动设定。 ( 5 1 网络化，6 1 1 d 驱动除了与数控系统( n c ) 的数据交换，还可以通过接 3 第1 章引言 口实现与计算机的数据交换，大大方便了诊断和维修的工作。 西门子6 1 1 d 驱动系统的发展趋势： ( 1 ) 随着直线电机、电主轴和动态性能更高的电机的不断更新，数控技术的 不断发展，驱动系统也将向更高控制速度和精度的方向发展。如今， 6 1 1 d 驱动系统在d m c 6 4 v 上已经实现了对直线电机和电主轴的驱动。 ( 2 ) 6 1 1 d 驱动虽然实现了速度环的自动优化，但是对速度环的优化效果仍 然不够理想，同时也不能实现对电流环和位置环的自动优化，为此，随 着数控技术智能化水平的不断提高，驱动的智能化也是驱动系统的一个 重要的发展方向。 ( 3 ) 网络化的发展，西门子6 1 1 d 驱动系统仍然采用m u l t i - p o i n ti n t e r f a c e ( m p i ) 的通讯模式，传输速率为1 8 7 5 1 d s ，为了更好的满足快速传输 的需要，西门子最新推出的s i n a m i e 驱动采用了网线的通讯模式，传输 速率达n t1 0 1 0 0 m s 。因此，驱动系统的网络化正以高效和稳定的方 向发展。 1 3 本文的主要结构和技术路线 本课题针对d m c 6 4 v 机床在实际生产加工中存在表面过切、表面麻点等问 题，对机床进行建模，分析其振动传递和运动控制的方式，对机床采用的西门 子8 1 0 d 控制系统的控制方式和6 1 1 0 驱动的控制流程进行研究。寻找引起机床 机电不匹配的系统驱动参数，并对其进行调整和优化。 本论文的结构如下： 第一章，包括西门子6 1 1 d 驱动优化的意义和问题的提出，国内外研究的 现状和发展趋势，提出了研究方法和论文的结构。 第二章，通过对d m c 6 4 v 机床的建模，分析其振动和运动控制的方式，提 出机床振动传递和运动控制中的一些概念，为实际测量和分析机床的频率响应 特性和运动控制优化提供理论依据。 第三章，分析了西门子6 1 1 d 驱动系统的控制方式，对其中的位置环、速 度环和电流环中的一些重要参数进行研究，寻找引起d m c 6 4 v 机床加工的产生 问题的原因。 第四章，使用“i b nt o o l ”软件对驱动系统进行各种信号测量，对西门子 4 第1 章引言 6 1 1 d 驱动参数进行优化，找出机床不合理参数的设置，提供相应的合理参数配 置的方法。 第五章，以d m c 6 4 v 为实验对象，针对上述问题制定一套驱动参数优化方 案，并进行实践，通过实际加工效果的比较，得出结论。 第六章，结论和总结 本课题研究所采用的技术路线如图1 1 ： 图1 16 1 1 d 驱动优化研究的技术路线 5 第2 章6 1 1 d 驱动优化研究的理论基础 第2 章数控系统驱动优化的理论基础 2 1 机床的振动响应的影响 2 1d m c 6 4 v 机床的建模 d m c 6 4 v 是德马吉公司最近在中国制造的一款机型，该机共有x 、y 、z 三个轴外加一主轴和刀库，x 、z 轴控制主轴位置运动，y 轴控制控制工作台位 置运动，换刀方式采用抓到方式；该机型配置1 2 0 0 0 r p m 电主轴，还可以选配 1 8 0 0 0 r p m 的电主轴，用于模具制造和高速切削；x 轴采用直线电机，由于没有 磨损，快移速度达7 0m m i n ，动态性能和精度非常高；控制系统采用带 s h o p m i l l 的s i e m e n s8 1 0 1 ) p o w 盯l m e ，其特点是高科技部件功率大，存储性能 好，同时又符合人机工程学。其结构示意图如图2 1 。 图2 1d m c 6 4 v 机床机构示意简图 d m c 6 4 v 机床采用伺服电机带动丝杆进行传动( 除x 轴直线电机) ，伺服 电机固定于机床床身的一侧，电机转子通过联轴节与丝杆相联，并带动机床工 6 第2 章6 l l d 驱动优化研究的理论基础 作台实现直线运动，其响应的结构原理如图2 2 所示： n o i s es i g n a l w i t h a a n s w e r t o t h e n o i s e s i g n a l w i d ef r e q u e n c ya r e a f t o mt h el i n e a rs c a l e 图2 2 机床振动响应结构原理图 在图2 2 中可以看出，电机是固定于床身的，同时也是产生振动的噪声 源，对于机床振动的响应情况，主要是分析其噪声的响应。为此，可将振动源 记为x m o t ，其响应记为x j o a d ，传动中的阻尼记为d ，弹性常数记为c ，图2 2 的振动传递可以做如下图2 3 的简化： 咝圈 e d 芦峰 图2 3 振动响应传递简化图 2 1 2 系统特性测试 系统特性的分析方法常分为时域分析法和频域分析法。时域分析法直接分 析时间变量的函数，研究系统的时间响应特性，利用经典方法或卷积积分方法 求解常微分方程式，频域分析法将时域函数变换成相应频域的函数，研究其频 域特性。频域分析可将时域分析中的微分、积分运算转化为乘法、除法运算， 在解决问题时，处理较为简单【5 】 7 第2 章6 1 1 d 驱动优化研究的理论基础 对于上述的机床响应的分析，首先需要从振动源信号x m o t 开始，机床在 实际加工过程中，存在速度的变化、负载的变化等情况，因此其信号x m o t 是 一个随机信号，不是一个确定的时间函数，且幅值、相位的变化是不可预知 的。因此对于此类的随机信号的分析一般采用频域分析法。 图2 2 中，输入信号和输出信号的关系可以用一个线性微分方程( 代数方 程可以看作零阶微分方程) 来描述，如果对此微分方程作傅立叶变换，取 x m o t 的傅立叶变换x ( w ) ，x l o a d 的傅立叶变化为y ( w ) ，则有 日( w ) ：旦堕 五【m ( 2 1 ) i - i ( w ) 称为系统的频率响应函数，简称频响函数。 根据振动学理论，输入、输出的关系可用一个二阶微分方程来描述： m y + c y + k y = x ( 2 2 ) 故h ( w ) 的解是一复数，可以分解为幅值和相位两方面的表达： 日( w ) = l ( w 堆叫烈仃 其中h ( w ) 的模i h ( w ) 称为系统的幅频特性，而h ( w ) 的相角妒( 忉成为系统 的相频特性。 实际作图时常用分贝数d b ( 2 0 1 9 l m w ) 1 ) 表示幅值坐标，而频率坐标采用 对数分度，这样绘制的幅频特性和相频特性曲线称为波特图( b o d e ) 图。波特 图与时域分析图之间存在一定的关系，如图2 4 所示。 8 第2 章6 1 l d 驱动优化研究的理论基础 图2 4 波特图与时域分析图之间的联系 当幅频特性曲线的分贝数达到2 2 d b 时，从图2 4 中可以看出在时域响应图 振动传递过程中，振幅放大了近1 2 6 倍，振幅的放大是机电不匹配的一个重要 信号，也是必需要避免的，为了控制机床的振动幅值，在调试过程中，实际经 验表明，幅频特性曲线的分贝数一般不超过o d b 。 2 2 位置控制影响 数控系统的优越性最终反映在快速、准确的定位，为此了解控制系统位置 控制的基础知识，对于调节整个驱动有很强的指导意义。 在整个位置控制基础知识中，除了将涉及到位置、速度和加速度的概念之 外，还将引入加加速( j e r k ) 的概念，其含义即为加速度的变化速度，它反映了加 速度的特性，单位为米秒的立方。 位置、速度、加速度和加加速的概念，分别可以从以下公式中得出四者之 间的关系。 9 第2 章6 1 i d 驱动优化研究的理论基础 工= v f v = a f 口= j t 其中x 为位置、v 为速度、a 为加速度、j 为加加速。 2 2 1 加速度 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 加速度是整个位置控制的一个重要因素，加速度的大小将直接影响整个机 床的动态响应，为了进一步研究加速度限制带来的效果，可以从理论上进行以 下的分析。 2 2 1 1 无加速度限制的情况 无加速度限制时，加速度为无穷大，即速度的变化是瞬间的，速度从0 变 为设定的值，所需要的时间几乎为0 ，在这种情况下位置的变化是一条斜线， 速度的大小将影响斜线的斜率，以5 0 m m 内的运动情况为例进行如下分析。 设x = 5 0 r a m ，v = 1 0 m m i n ，则机床轴到达位置所需要的时间为o 3 s 。 r ：三：坐塑：0 3 ( ，) v1 0 x 1 0 0 0 ( 2 7 ) 其运动方式如图2 5 所示 蓦 邑 m o 譬 暑 毫 = 誊 图2 5 无加速度限制时的轴运动状况 1 0 第2 章6 1 i d 驱动优化研究的理论基础 在上述情况下，加速度的变化是瞬间的，即加速度从0 变为设定的值，理 想状态下，所需要的时间为0 ，在这种情况下速度的变化是一条斜线。 2 2 1 2 较大加速度限制 当存在加速度变化时，位置的变化则随着加速度大小的不同有明显的区 别，在此情况下，同样可以分析轴在5 0 m m 内的运动情况进行比较。 设x = 5 0 r a m ，v = 1 0 m m i n 当加速度为a = 4 m s 2 ，则速度从0 加速到 l o r e r a i n 的时间为 = 吾2 最= 0 0 4 1 6 7 ( 2 8 ) 2 二2 丽 ( 鲋 f ，m 速度从1 0m r a i n 加速到0 的时间为 f 2 ：兰；旦；0 0 4 1 6 7 ( s ) a6 0 x 4 ( 2 9 ) 匀速运行的时间为 x 一2 o 5 a t 2 t 1 = 一 ( 2 1 0 ) ：5 0 - 4 0 0 0 x 0 0 4 1 6 7 2 6 0 ：2 5 8 3 2 7 ( s ) 1 0 1 0 0 0 故总的时间为 t = t + t 2 + t s = o 0 4 1 6 7 + o 0 4 1 6 7 + 0 2 5 8 3 3 ( 2 1 1 ) = 0 3 4 1 6 7 0 3 4 2 ( s ) 其运动方式如图2 6 所示。 2 2 1 3 较, j 、3 n 速度限制 加速度口= o 5 m s 2 时，分析5 0 m m 内的运动情况。 设x = 5 0 m m ，v = 1 0 m m i n 假设速度可以在5 0 m m 的运动时间内加速到1 0 m m i n 则速度从0 加速到1 0 m m i n 的时间为 f ：兰：j l ：0 3 3 3 3 ( j ) - 2 ：2 i 丽了2 5 ) ( 2 1 2 ) 速度从1 0r n m i n 加速到0 的时间为 厶：三：旦：0 3 3 3 3 ( n f 22 二2 i 丽2 5 ) ( 2 1 3 ) 第2 章6 1 1 d 驱动优化研究的理论基础 7 i 、f 2 时间内移动的距离为 z ：0 5 v + o 5 v f 2 ：l o x l = o 0 0 0 3 3 3 3 6 0 = 5 5 5 5 6 5 0 r n m 所以轴可以加速到1 0 m r a i n 的假设不成立。 因此，总的运行时间f 可以分为加速用时间f i 和减速用时间f 2 ， x = o 5 斫+ o 5 谢； 所以 f - 2 - 2 、v 5 0 x 0 5 0 0 0 1 = 0 6 3 2 其运动方式如图2 7 所示。 p o 磷幽g 耐e = 0 3 1 2 。e c ： 一j 一；- | 一并j j 一 一? 一一一一i 一一一? e 一j 一一一一厂一一一j 一一一一 ：= = ： i 每i ： = = = = i 禹i i = = = ： ， 霉 三 。 乏 一4 一一 一一一j 一 一- 一一 - 一一一 一一一一 一一一一 一一一一 一一一 一一一一 一 一一 一一一 一一一一 一一一- 。“” 9 7 t 。 o l 图2 6 加速度a = 4 m s 2 ，无加加速限制轴的运动状况 ( 2 1 4 ) 并且 = f 2 ( 2 ，1 5 ) ( 2 1 6 ) g 呈 o 山 第2 章6 1 1 d 驱动优化研究的理论基础 图2 7 加速度a - - 0 5 m s 2 ，无加加速限制轴的运动状况 由此可见，在实际的加工过程中。加速度的大小非常关键，加速度越大， 动态性能越好，但容易产生从过冲，加速度越小，则动态性能就越差，为此加 速度的设定要针对实际的情况，给定适当的加速度大小，以满足实际的需要。 例如：在实现光滑过渡时，要适当的减小加速度的大小。 2 2 2 加加速度 加加速限制可以直接影响加速度的变化，如果加加速过大( 突变) ，可在短 时间内实现加速，但同时会造成机床的振动，从而使所加工表面出现条纹，降 低了表面加工质量；如果加加速过小，动态性能表现差，很难实现快速加工， 1 3 第2 苹6 1 1 d 驱动优化研冤的理论基础 无法满足现代化生产的需要。 2 2 2 1 较大加加速限制 为了进一步了解加加速限制的影响，可以进行举例分析。 当加加速，= 2 0 0 m s 3，分析5 0 m m 内的运动情况， 设x = 5 0 m m ，v = l o m m i n ，a = 4 1 1 1 $ 2 1 加减速阶段的时间 加速阶段，加速度从0 加速到4m s 2 的时间为f l ，加速度4m s 2 运动的时 间为t 2 ，加速度从4 m s 2 减至, j0 的时间为毛，其中 = 厶。 t l ：岛= _ a = 熹= 0 0 2 ( j ) 27 j 2 了2 面2 0 2 ( 5 ) 1 ，= o s j t ? + o 5 詹+ a t 2 ( 2 1 7 ) 一l o 一2 0 0 0 0 2 2 f 2 = 盟_ 一= 0 0 2 2 ( s ) 加速阶段的时间为+ = t l + f 2 + 如2 0 0 6 2 ( s ) 减速阶段和加速阶段的耗时是一致的，t 一2 f + 2 0 0 6 2 ( 5 ) 2 加减速阶段的距离 由于加减速阶段的运动具有互补性，为此在加减速阶段移动的距离之和 为： 铲v ”，+ ) = 0 5 x 半x 0 1 2 4 = 1 0 3 3 ( m r ) ( 2 1 8 ) 3 匀速阶段的时间 f。：尘丑一(50-1033)x60 0 2 3 8 ( s ) 4 v1 0 1 0 0 0 7 ( 2 1 9 ) 4 总的时间 t = t 4 州一+ 02 0 3 6 2 ( s ) ( 2 2 0 ) 其运动方式如图2 8 所示。 1 4 e e 一 誉 t 冒 呈 一 g 第2 章6 1 1 d 驱动优化研究的理论基础 矿2 越 呈。 皇之 o ：7 ijli l ! 7 一1 - i t 育7 一r j 一i 一 一一一 一一一一 一：一一i 图2 8 加速度限制j = 2 0 0 m s 3 轴的运动状况 2 2 2 2 较小加加速限制 当加加速_ ，= l o r e s 3 时，分析5 0 m m 内的运动倩况。 设x = 5 0 m m ，v = l o m m i n ，a = 4 m s 2 假设在此5 0 m m 的运动中，加速度始终没有达到a = 4 m s 2 ，速度可达到 v = 1 0 m m i n ， 1 加减速阶段的时间 1 5 第2 苹6 1 l d 驱动优化研究的理论基础 加速阶段，加速度上升阶段的时间为f 1 ，加速度下降阶段的时间为，2 ，其 巾 2 f 2 v = 0 5 j t ? + o 5 j t ； ( 2 2 1 ) 所以 卜铲伊焉一o 啪 亿。：， 因此在加速阶段的时间为+ 3 t l + t 22 o 2 5 8 ( s ) 同样在减速阶段的时间与加速阶段一致，故，一2t + 2 0 2 5 8 ( s ) 2 加减速阶段的距离 由于加减速阶段的运动具有互补性，为此在加减速阶段移动的距离之和 为： 铲o 5 v i f 一+ r + 5 警0 5 1 6( 2 2 3 ) = 4 3 ( r a m ) ，。，。一 戮t ：a , r n p l i t u r e s p o n s e “ 9 。”# ”r4 矿门。a m p “黪黝罂绎襁獬锌潮滋缴攀绰潭黼泼谶学铡溺锑铺衿 2 00 0 0 蘸 j ； i ：j ： j j j ：j j ： 骥i ：l ：i霉毯 ：门瀚 r 一。彰 ti、ii ri l - 1r2 i 雾翁黪黪渤鲫镗缀辫黪缨熬熬黪黝 篓 壕 露 l + * 黼卜h - 彩即- * l 习撒一仙l 目t 再 辫 鬻辩熟 毯k 激瀚一 图4 7 采用设定点模式和未采用设定点模式对测量效果的影响 4 4 7 速度滤波器的设置 速度滤波器对速度闭环控制的稳定性没有任何影响，因为此滤波器在控制 环的外侧，但可以平稳来自位置环控制器传递到速度环控制器的速度，同时可 以稳定位置环控制器。在p i ( i 七例积分控制) 中，采用与积分时间相同的时间常 数速度滤波器可以减小设定点的过冲。 速度滤波器可以稳定速度环控制器，同时在必要时，速度滤波器还可以用 于稳定位置滤波器。速度滤波器的设置使得位置环控制器和驱动之间产生一定 的滞后，因此可以平稳位置环的响应，根据实际的应用，一般的滞后时间为 l m s 1 0 m s ，特殊情况可达5 0 m s 。 4 3 第4 章6 1 l d 驱动参数的优化分析 通常情况下，第一滤波器通过p l c 来触发，实际设置使用第二滤波器。 设置滤波器与没有设置滤波器对测量结果的影响如图4 8 。 表4 1 4 速度滤波器参数设置的对比说明表 t r l 、t r 3 ( 绿色t 陀、t r 4 ( 蓝色 参数 内容 线)线) 1 5 0 0 n u ms p e e df 工l t e r s 02 1 5 0 1 s p e e df i l t e rt y p e 02 0 0 1 5 0 3s p e e df i l t e r2t i m e06 图4 8 速度滤波器设置对测量效果的影响 4 5 位置环控制器优化 4 5 1 位置环控制器优化的主要相关参数 在系统初始化过程中，有很多的机床参数对位景控制环有影响，为了确保 位置环优化的有效进行，首先需要对两个基本系统进行验证。 l 验证位置的显示是否与轴的实际运动相符 2 验证跟随误差和从默认值为1 计算位置环增益。 位置控制环主要与下列参数相关，见表4 1 5 。 第4 章6 1 l d 驱动参数的优化分析 表4 1 5 位置控制环器与电流、速度环相关参数说明表 参数内容设置值解释 1 0 0 5 0 s y s c l o c k c y c l e t i m e 0 0 0 1系统循环时间 1 0 0 6 0 p o s c t r l s y s c l o c k - t i m e r a t i o l 位置环系统时间比例 1 0 0 8 2 c t r l o u t l e a d t i m e 0 速度设定点引导时间 3 2 6 4 0 s t i f f n e s s c o n t r o l e n a b l e 0 硬性控制使能 位置控制输出的低通 3 2 9 3 0 p o s c t r l o u t f i l t e r e n a b l e o 滤波器使能 位置控制输出的低通 3 2 9 4 0 p o s c t r l o u t f i l t e r - - t i m e 0 滤波器时间 3 2 2 0 0 p o s c t r l g a i n 1 位置控制环增益 1 5 0 0 n u m s p e e d f i l t e r s 0 速度滤波器数量 1 5 0 1 s p e e d f i l t e r t y p e 2 0 0 速度滤波器类型 速度滤波器2 时间常 1 5 0 3 s p e e d f i l t e r 2 t i m e 2 4 数 下列数据对测量频率响应的结果有很大的影响，但对位置环控制器闭环的 稳定性没有任何影响，因此在测量时，需要被屏蔽。 表4 1 6 位置环运动相关参数说明表 参数 内容设置值解释 3 2 6 2 0f f wm o d e 0 前馈模式 3 2 9 0 0 d y n m a t c h e n a b l e 0 动态适配器使能 3 2 9 1 0 d y n j 填t c h t i m e 0 动态适配器时间 3 2 4 0 0 a x j e r k e n a b l e 0 轴的加加速使能 3 2 4 2 0 a x j e r k m o d e 1轴的加加速模式 3 2 4 1 0 a x j e r k _ t i m e 0 0 3 轴的加加速时间 4 5 2 优化位置环控制器 位置环控制器控制的系统连接速度控制环和机械结构，因此可以将传递的 功能放大，在幅频响应图中放大成几何级增加。位置环控制器的优化原则如 下： 1 参数m d 3 2 2 0 0 的优化通过位置环控制器的”参考频率响应”进行测量和设 置，如果需要，可以通过设置速度滤波器来平衡频率的响应。 2 检测过冲和稳定性则使用机床程序的位置步进和”伺服跟踪”工具，为平 衡加速度的响应，可以设置加加速限制。 3 圆度测试主要检测加工轮廓精度，为控制圆的实际尺寸，可以设置速度 4 5 第4 章6 1 l d 驱动参数的优化分析 滤波器。 4 圆度测试结束后，必须从新检测位置环控制器”参考频率响应”，以确保 幅频响应不超过o d b 。 4 5 2 1 位置环增益( m d 3 2 2 0 0 ) 位置环增益决定了位置环控制器的响应，因此会影响跟随误差和轮廓精度 的结果。位置环增益的默认值为l ，当位置环增益增加时，跟随误差会成比例 的下降，对于一般的机床应用，最终的位置环增益在1 到1 0 之间。最低的机床 自然频率常常是位置环增益的限制因数。为了达到良好的轮廓精度，各个插补 轴位置环增益的设置必须一致，且采用设置最低值的数据。如果需要在两个轴 之间采用不同的位置环增益，必须采用动态适配功能以减小轴之间的跟随误 差。但在设置位置环增益时，必须考虑机床的机械极限和最大的工件质量。 如果机床优化时没有负载，在实际加工中负载比较大的时候，会出现过冲 和不稳定，为了避免这种情况，可以在工作台带最大负载的情况下进行优化， 同时在开始优化之前，检测机床的预负载极限。 位置环增益通过位置环控制器的”参考频率响应”进行测量和设置，并考虑 闭环控制的各个环节，包括工件和负载情况，因此设定数据的结果会根据机床 的机械特性和闭环控制反馈类型的不同而不同。 在实际测量时，必须考虑偏置足够大( 约3 0 0 m m m i n ) 以克服摩擦力的影 响，偏置设置太小，会产生测量结果的失真。 位置环反馈可以分为间接反馈和直接反馈，闻接反馈主要由编码器实现， 直接反馈一般由光栅尺实现。 采用电机编码器进行闭环的位置控制环没法反应机械的影响，幅频响应曲 线比较平滑，因此在设置位置环增益时，相对可以设置得很高。 采用光栅尺进行闭环的位置控制环，可以直接测量机床实际位置，因此测 量数据包含电机到工作台之间的所有机械结构影响。 机床结构的最低自然响应频率波峰对设置位置环增益的限制很大，这个波 峰随着负载的不同会有频率和幅值的变化。一般来说，设置位置环增益的大小 为最低自然响应频率波峰值频率1 0 。 采用位置环光栅尺直接反馈不同位置环增益对测量结果的影响如图4 9 。 第4 章6 l l d 驱动参数的优化分析 表4 1 7 不同位置环增益的设定说明 图4 9 不同位置环增益的设定对测量效果的影响 当然，在进行位置控制环的反馈测量时，还可以通过设置设定点模式对相 应的m d 3 2 2 0 0 ，m d l 4 1 4 ，m d l 4 1 5 等参数进行优化。调节方式可参照速度环 设置设定点模式的方式，详见本文4 4 6 。 4 5 2 2 位置环控制器优化时设置速度滤波器 设置速度滤波器对位置环的优化效果跟设定点模式相似，但是在优化时时 间常数m d l 5 0 3 设置不能太高，一般小于1 5 m s ，如果此参数设置过高，可能会 引起位置控制环器的过度调整，影响位置环优化的效果。与此同时，还会对来 自前馈控制的测量值产生负面的影响。 设置阻尼效果可以通过m d 3 2 9 3 0 和m d 3 2 9 4 0 进行设置，这些低通滤波器 对前馈控制没有影响。 速度滤波器常用于平衡位置控制环的响应，实现在存在机床最低自然响应 频率影响的情况下，得到优化的砌d 3 2 2 0 0 数据。 设置速度滤波器的参数和效果可参考速度控制环中速度滤波器效果，详见 本文4 4 7 。 4 7 第4 章6 1 1 d 驱动参数的优化分析 4 5 3 位置环伺服跟踪 4 5 3 1 不带前馈控制的位置检测 在不带前馈控制的情况下，任意时刻的速度都不允许过冲。如果幅频响应 曲线始终处于0 d b 以下，可以防止位置环控制器不稳定造成的振动，如果实际 的位置产生振动，可以降低最大加加速的设置，以此调节位置环的稳定。 在测试位置环伺服跟踪时，必须使机床轴处于运动状态，为此需要编制 n c 程序，参考程序如下： f f w o f s o f t s t a r t ： g 0 1x 1 0f 1 0 0 0 0 g - 0 4f 0 ，5 g 0 1 x 6 0 0 0 4 f 0 5 g o t o bs t a r t m 3 0 上述程序中f f w o f 命令表示关闭前馈控制，f f w o n 表示打开前馈控制， s o f t 命令是激活加加速控制，b r i s k 命令位加加速控制失效。 在程序执行过程中，通过“i b nt o o l ”软件触发进行伺服跟踪测试，测试 结果如图4 1 0 。 其中t r _ l 、t r - 3 为x 轴的设定位置，t r _ 2 、t r _ 4 为x 轴的实际位置 第4 章6 1 1 d 驱动参数的优化分析 图4 1 0 伺服跟踪测量示意图 从上图中可以发现1 r - l 、n j 之间没有过冲，曲线比较符合要求，但跟 随误差比较大，应加大加速度的设置，或采用前馈控制；t r _ 3 、t l j 之间轮廓 偏差比较大，所以应尽量采用前馈控制。如果没有采用前馈控制，则必须进行 圆度测试，反之，圆度测试可以省略，只需进行前馈控制的设定。 4 5 3 2 加加速限制 加加速限制通过限制加速度的变化来稳定加速度响应，加加速限制的结果 是加速度启动和结束时的平稳。 加加速控制可以通过编程中的“s o f t ”和“b r i s k ”来激活和屏蔽，同时 也可以将“s o f t ”模式通过m d 2 0 1 5 0 1 2 0 设置为默认模式。 加加速最大限制是轴的一个重要参数，通过伺服跟踪的测量，可以实现此 参数的合理设置。对于优化整个机床来说，寻找每一个轴的最大加加速控制是 整个优