840D數控系統輪廓誤差報警及處理方法

羅興華

（成都飛機工業（集團）有限責任公司，四川成都 610092）

1 西門子840D數控系統的輪廓監控的功能

輪廓監控功能是監控輪廓誤差和跟隨誤差。輪廓誤差是通過測量的實際值和從NCK位置計算出的位置理論值之間的誤差。為了能提前計算出實際值，系統使用包括前饋控制在內的一個數學模型來模擬位置控制動態響應。跟隨誤差是插補器輸出與機床實際測量值比較結果，其監控就是判斷其值是否大于規定公差，跟隨誤差的監控功能在位置控制方式下生效，用于監控直線軸、旋轉軸或主軸位置控制，系統的加減速過程和恒速過程，連續或不連續的輪廓加工過程。如跟隨誤差超過輪廓監控公差帶，就會發生報警信息。

伺服系統的跟隨誤差e與進給速度V成正比，與伺服系統速度增益Kv成反比。因此，Kv越大，跟隨誤差就越小。但是Kv過大，會使系統穩定性變差。當系統穩定時，進給速度V越小，跟隨誤差越小。跟隨誤差使實際運動軌跡偏離指令軌跡，產生輪廓誤差［1－2］。

實際上，大多是連續控制系統中兩軸的增益持續特性常有差異，因此，加工圓弧會產生形狀誤差，即變成橢圓［4－5］。

數控系統進行連續控制加工時，由于跟隨誤差的影響會產生形狀誤差。欲減小該項誤差，除將各插補坐標的系統增益調整至盡量接近外，還要降低進給速度，但這會降低效率，其次是盡可能增大位置增益，而增益過大時可能會引起振動。減小跟隨誤差的另一種措施是充分利用伺服前饋控制功能。預先設置合適的前饋量，使其與伺服滯后值接近，運動指令直接移后控制，然后進行位置負反饋比較。這比通常的誤差控制要快的很多，而且極大地減少了增益大小的限制，會顯著減小跟隨誤差［3］。

2 輪廓監控報警原因分析

2.1 系統參數設置問題

首先查看輪廓監控的公差帶MD36400的設置，較大的公差帶設置難以影響由于負載變化引起的速度波動，但較小的公差帶又會使系統頻繁報警，因此設置合理的輪廓監控公差帶是必要的。

查看伺服增益因子KvMD32200在機床中的設置和位置控制器的優化情況，以確定坐標軸是否跟隨設定的設置點而沒有過沖。否則，必須改進速度控制器的優化狀態，或者必須減小伺服增益系數Kv（Kv決定于機床傳動裝置的一般響應速度和機床的質量）。

改進速度控制器的優化狀態，即查看軸的最大加速度MD32300在機床中設定值。加速度太大會使電流值達到極限，致使位置調節回路被斷開，一旦位置調節回路被接通，則丟失的實際值將以超調的形式被恢復，將 MD32300 的值改小，觀察是否有變化［4－5］。

2.2 伺服系統方面

查看電氣柜溫度和廠房環境溫度，通風過濾網、灰塵等造成驅動器運行不穩定，從而使系統動態特性能有所降低，特性較硬或偏軟將會導致輪廓誤差報警。

通過動力電纜線查看電動機相間是否平衡，對地絕緣狀態是否良好。如果狀態不好，將電動機與電纜分開，分別檢查電動機相間電阻。對地絕緣情況和電纜的通斷狀態和絕緣狀態。

查看驅動模塊上的狀態指示燈是否有報警信號以及光柵尺是否被污染，反饋電纜接口是否有松動，以及電纜通斷狀態以及屏蔽層是否損壞。

2.3 檢查機械方面

數控機床的進給傳動機構一般是由減速齒輪、聯軸器、滾珠絲杠副及支承軸支承軸承組成。在這些環節當中均存在間隙，在反向時，會產生反向間隙。對于半閉環伺服系統的數控機床，反向間隙存在會影響到機床的定位精度和重復定位精度，從而影響到機床的加工精度。數控機床的傳動機構，如直線導軌有損壞，或電動機連接軸承損壞，或者液壓系統故障造成平衡裝置出問題，都會造成機床運行時摩擦力過大，從而產生輪廓監控報警。機械故障原因可能在機械傳動系統上，一般先檢查測量元件是否松動，固定位置是否正確，如果松動或位置不當都會導致NC系統采集位置環的信號失真。檢查負載是否過大，工作臺在移動過程中速度是否太快導致工作慣性太大等。

3 實例分析

例1 一配置西門子840D數控系統的臥式五坐標銑床，其X坐標軸采用的是雙軸驅動，在加工工件時X1軸出現25050輪廓監控報警，觀察驅動控制板上沒有報警燈亮。清除報警，手動開動X軸，運行一段距離就出現25050輪廓監控報警。查看驅動服務菜單，發現X1軸平滑電流波動很大，X2軸的電流波動要小些，而且X軸在運動過程中聲音比較大。在運動過程中觸摸加工平臺時感覺有點抖動，判斷應該是機械傳動過程阻力過大或不均勻引起的。于是機床主管人員對X1軸的反向間隙進行了檢查，X1軸的絲杠竄動有0.02～0.03 mm，X2有0.02 mm;對絲杠的軸承和導軌滾動體潤滑情況進行了檢查，潤滑情況良好，但發現絲杠兩端的軸承座發熱較快，拆開絲杠X1軸和X2軸的絲杠兩端的軸承座，發現里面的復合軸承有不同程度的損壞。更換新的軸承，處理完畢后，檢查絲杠傳動不到0.01 mm，機床報警消除。

例2 一配置西門840D系統的落地鏜銑床在加工工件過程中出現Y向輪廓監控報警。查看驅動控制板上沒有報警燈亮，在手動方式下開動Y軸，查看驅動服務菜單，Y軸的平滑電流值5 A左右，負載維持在10%左右正常，但是當Y軸停止時出現25050輪廓監控報警，偶爾出現25080位置監控報警，25040剛性監控報警。針對此現象，于是調整M34600輪廓公差帶、MD32200伺服增益和MD32300加速度的值后，故障現象依舊。將診斷菜單調出，觀察Y軸實際位置值和系統給定值的變化情況比較發現，當Y軸出現報警時，實際位置值都下降2～5 mm。進一步驗證，架百分表檢查Y軸實際下降情況，也是下降2～5 mm。進一步檢查發現，機床在按下急停鈕的情況下也是要下降。于是問題集中在Y軸電動機剎車和機械配重情況下，檢查機械配重，沒有發現松動和卡殼，在傳動部分和配重傳動鏈上添加潤滑油。現象依舊。綜合分析之后，問題應該是由于帶剎車的Y軸伺服電動機引起，更換Y軸電動機后，機床按急停鈕情況下，不再下降，運行Y軸報警消失。

4 預防輪廓監控報警的措施

（1）定期檢查機床精度。按計劃對主軸跳動、各坐標的反向間隙、定位精度和重復定位精度，導軌是否有損傷、液壓系統工作是否正常、垂直坐標平衡系統工作是否正常、各坐標的潤滑是否充分進行檢查。

（2）優化系統參數。利用西門子系統自帶的測試功能和優化功能，測試各個坐標的穩態和動態響應特性，必要時可以對某些坐標進行優化。

（3）優化加工程序。充分根據機床的機構特點和加工工件的特性，選取合適的工藝參數，如加工半徑較小的圓弧時，應盡量降低進給速度。而加工半徑較大的圓弧時，應盡量提高進給速度，以提高加工效率。

（4）加強機床保養。按計劃節點檢查電氣柜溫度和廠房環境溫度，通風過濾網、粉塵等這些造成驅動運行不穩定，使系統動態性能有所降低（特性較硬或者較軟），導致產生輪廓監控報警的因素。這時我們可以針對不同情況進行處理，如更換損壞的過濾網或風機，對系統進行除塵，將參數進行重新調整或優化等。檢查光柵尺周圍是否臟了、反饋線路虛接、屏蔽層接觸不良、動力電纜線是否破損，三相電阻是否平衡等。

［1］SIEMENS.Sinumerik840D_810Di簡明調試指南［Z］.2002.

［2］王洪波.數控機床電機維修技術—SIEMENS，Sinumerik840D_810D系統［M］.北京:電子工業出版社，2007.

［3］祝林.解決輪廓監控報警的幾種方法［J］.設備管理與維修，2010（2）.

［4］陳安民.加工中心圓輪廓誤差的研究［J］.機械設計與自動化，2006.

［5］李恩林.數控系統插補原理通論［M］.北京:國防工業出版社，2007.