西門子Start Up-Tool軟件在數(shù)控沖床上的運(yùn)用

卞正其，張志兵，韋 俊

（江蘇揚(yáng)力數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州225127）

0 引言

SINUMERIK 802D sl（solution line）是西門子公司新推出的一款經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。它配備了新一代SINAMICS S120 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊。它將數(shù)控系統(tǒng)中的所有模塊（CNC、PLC 和HMI）都集成在同一控制單元上，能夠在最大程度上滿足廣大用戶對(duì)于復(fù)雜加工的應(yīng)用需求。創(chuàng)新性的SINUMERIK 802D sl 數(shù)控系統(tǒng)具備了更高的性能價(jià)格比，可為機(jī)床制造商創(chuàng)造更大的效益。

對(duì)于數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，其最根本的任務(wù)就是對(duì)運(yùn)動(dòng)和邏輯的控制，而運(yùn)動(dòng)控制是由控制器的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于控制器來(lái)說(shuō)，其優(yōu)化是控制器設(shè)計(jì)的重要組成部分。對(duì)于整套數(shù)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其控制器的優(yōu)化是隨所連接的機(jī)床情況而進(jìn)行的，所以此優(yōu)化過(guò)程只能而且必須作為機(jī)床調(diào)試的一個(gè)環(huán)節(jié)。優(yōu)化主要分為電流環(huán)優(yōu)化、速度環(huán)優(yōu)化和位置環(huán)優(yōu)化，可以借助西門子Start Up-Tool 工具來(lái)完成該目標(biāo)。通過(guò)優(yōu)化處理，可在保證機(jī)床精度的前提下最大程度地提高電機(jī)的性能。

1 控制器描述

MP10-30 型數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床基本參數(shù)如表1 所示。

將其簡(jiǎn)化為彈簧阻尼和質(zhì)子的二階系統(tǒng)，如圖1、2、3 所示。

在此基礎(chǔ)上，通過(guò)輸入和輸出可簡(jiǎn)化為圖3 所示的波特圖。

數(shù)控系統(tǒng)也正是通過(guò)將采樣的實(shí)際值（電流、速度、位置等）和設(shè)定值進(jìn)行數(shù)字化的處理（例如快速傅里葉變換）反映出系統(tǒng)的特性，這樣才能對(duì)控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下有更好的輸出。

表1 沖床基本參數(shù)

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 簡(jiǎn)化圖

圖3 波特圖

2 控制器優(yōu)化

如圖4 所示為控制器優(yōu)化流程圖。

圖4 控制器優(yōu)化流程圖

2.1 電流環(huán)的優(yōu)化

對(duì)于電流環(huán)的優(yōu)化，一般只是觀察它的狀態(tài)（圖5），對(duì)于使用西門子 SINAMICS S120 驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電流環(huán)在出廠時(shí)就已做了很好的優(yōu)化。通過(guò)觀察可以幫助我們檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器或電機(jī)配置是否正確。

圖5 電流環(huán)狀態(tài)圖

若圖形與以上不符，可以檢查驅(qū)動(dòng)類型是否正確，或調(diào)整增益P1715 及電機(jī)數(shù)據(jù)計(jì)算P0340。

2.2 速度環(huán)的優(yōu)化

速度環(huán)是驅(qū)動(dòng)器核心，電流環(huán)是速度環(huán)的最內(nèi)環(huán)。速度環(huán)的優(yōu)化涉及速度環(huán)增益、積分時(shí)間和設(shè)定值濾波，參考模型等。它是可帶兩個(gè)設(shè)定值濾波器且可帶參考模型的PI 控制器，在Start Up-Tool 軟件中可直觀地發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)。圖6 為參考模型，參考模型的引入相當(dāng)于在干擾響應(yīng)特性方面增加一個(gè)積分器，從而使系統(tǒng)可以有更高的響應(yīng)性和穩(wěn)定性。

圖6 參考模型

輸入為實(shí)際轉(zhuǎn)矩值，輸出為實(shí)際轉(zhuǎn)速。由于這兩個(gè)信號(hào)相當(dāng)于控制器給機(jī)床的輸入輸出信號(hào)，所以通過(guò)對(duì)其特性的分析可以幫助我們對(duì)機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)有總體了解。

西門子Start Up-Tool 軟件提供自動(dòng)優(yōu)化功能，能滿足一般要求。可以對(duì)濾波、Kp和Tn進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，但是它不提供對(duì)參考模型的設(shè)定。有三種優(yōu)化方案可供選擇，分別為標(biāo)準(zhǔn)、較好動(dòng)態(tài)性（最后得到的Kp最大）和較好阻尼（最后得到的Kp最小）。

2.2.1 手動(dòng)優(yōu)化

對(duì)于高頻響應(yīng)設(shè)定為4000Hz 20 個(gè)測(cè)量區(qū)域。對(duì)于低頻響應(yīng)設(shè)定為400Hz 4 個(gè)測(cè)量區(qū)域。為減少測(cè)量干擾，可先設(shè)定Kp=P1460 到原值的1/10，設(shè)定Tn=P1462 原值的10 倍，設(shè)定好參數(shù)后（在確認(rèn)無(wú)機(jī)械安全隱患的前提下），在JOG 模式下按NCSTART 鍵（注：在進(jìn)行速度環(huán)優(yōu)化時(shí)軸是移動(dòng)的）。如圖7 所示。

圖7 速度環(huán)

通過(guò)測(cè)試，可以找到機(jī)械上的幾個(gè)極點(diǎn)（可能是機(jī)床/聯(lián)軸器/絲杠/軸等的固有頻率引起），通過(guò)觀察，我們可以利用電流設(shè)定值濾波器來(lái)增加這些極點(diǎn)的阻尼，濾波器可有效抑制極點(diǎn)可能造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定。電流設(shè)定值濾波器共有4 個(gè)，正常使用第2、3 兩個(gè)濾波器。帶止濾波器共有4 個(gè)參數(shù)：頻率設(shè)定為極點(diǎn)頻率Notch frequency；帶寬Bandwidth；帶深Notch Depth 和衰減Reduction（一般不用，其值為0，加衰減不如再加一低通濾波器，所以當(dāng)濾波器用完時(shí)考慮使用）。如圖8 所示。

圖8 低通濾波器

通過(guò)曲線可發(fā)現(xiàn)：Kp的值過(guò)大或Tn的值過(guò)小都會(huì)造成曲線的超調(diào)（同時(shí)伴隨尖銳的電機(jī)蜂鳴聲）。在增加濾波器的基礎(chǔ)上盡量增加Kp值，提高電機(jī)利用率（Tn值一般可設(shè)為10）。可以通過(guò)濾波器和適當(dāng)?shù)腒p值或Tn值得到優(yōu)化好的曲線。如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后的速度環(huán)

2.2.2 自動(dòng)優(yōu)化

該方法使用者較多，其詳細(xì)步驟為：①將要優(yōu)化的軸開(kāi)到機(jī)床的中心位置（優(yōu)化時(shí)軸會(huì)移動(dòng)）；②在“START UP 菜單中，選擇“Optimiz/test”；③選擇擴(kuò)展鍵“>”；④選擇“Auto ctrl setting”；⑤對(duì)軸的上限值和下限值進(jìn)行設(shè)定；⑥設(shè)置完成后，開(kāi)始自動(dòng)優(yōu)化，選擇“Start”，機(jī)床開(kāi)始自動(dòng)優(yōu)化；⑦當(dāng)出現(xiàn)“Start mechianical system measurement part 1?”后，選擇“OK”鍵確認(rèn)；⑧當(dāng)出現(xiàn)“Please press NC START”后，按下機(jī)床操作面板的“循環(huán)啟動(dòng)”鍵；⑨此刻電機(jī)會(huì)發(fā)出一些噪聲，另外優(yōu)化軸的絕對(duì)位置將隨之而改變（軸運(yùn)動(dòng)）；⑩第一步完成后，屏幕會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)“Start mechanical system measurement part 2 ? ”后，選擇“OK”鍵確認(rèn)；?當(dāng)出現(xiàn)“Please press NC START”后，按下機(jī)床操作面板的“循環(huán)啟動(dòng)”鍵；?此刻電機(jī)會(huì)發(fā)出一些噪聲，另外優(yōu)化軸的絕對(duì)位置將隨之而改變（軸運(yùn)動(dòng)）；?出現(xiàn)“Start measurement of current control circuit ? CAUTION:With vertical axes，ensure before performin the measurement that the brake is actived when the measurement is started.”確認(rèn)抱閘關(guān)閉后，選擇“OK”鍵確認(rèn)；?當(dāng)出現(xiàn)“Please press NC START”后，按下機(jī)床操作面板的“循環(huán)啟動(dòng)”鍵；?出現(xiàn)“Start computation of the controller data ? ”后，選擇“OK”鍵認(rèn)開(kāi)始計(jì)算控制器數(shù)據(jù)；?數(shù)據(jù)運(yùn)算后，系統(tǒng)將修改過(guò)的參數(shù)列在一張表中，左側(cè)是機(jī)床參數(shù)號(hào)和名稱，中間一列是修改前的參數(shù)值，右側(cè)一列是修改后的參數(shù)值。如果想修改參數(shù)，選擇“OK”鍵確認(rèn)。

2.3 位置環(huán)優(yōu)化

位置環(huán)控制是NC 控制器的核心。位置環(huán)優(yōu)化的主要目標(biāo)是選擇合適的Kv值，保證對(duì)設(shè)定值變化和干擾有好的響應(yīng)（跟隨誤差和輪廓誤差小，穩(wěn)定性好）。加工程序經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算IPO 后得到目標(biāo)位置和位移速度，再經(jīng)精插補(bǔ)FIPO 得到目標(biāo)位置、目標(biāo)加速度和目標(biāo)轉(zhuǎn)速，經(jīng)處理（比如防突變、速度和位置的一些限定），生成加速度、速度、位置設(shè)定值。

在“Trace”下，選擇不同的測(cè)試選項(xiàng)，通過(guò)對(duì)位置環(huán)的電機(jī)利用率、位置實(shí)際測(cè)量值等來(lái)得到合理的加速度值、位置環(huán)增益等。

3 總結(jié)

本文方法研究對(duì)象為數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，其他機(jī)床還有圓度測(cè)試和前饋優(yōu)化等。系統(tǒng)優(yōu)化是建立的機(jī)械裝配性能之上的，其理想情形并不存在，只能在現(xiàn)有機(jī)械水平的基礎(chǔ)上，使機(jī)床性能盡可能達(dá)到最佳狀態(tài)，即達(dá)到一個(gè)速度和精度的最佳平衡點(diǎn)。

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