西門子Simotion運(yùn)動(dòng)控制器在處理機(jī)床橫梁故障中的應(yīng)用

畢俊喜,智伯雄,劉洪兵

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

西門子Simotion運(yùn)動(dòng)控制器在處理機(jī)床橫梁故障中的應(yīng)用

畢俊喜,智伯雄,劉洪兵

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

大型數(shù)控車床的裝配精度問題一直備關(guān)注.對(duì)大型數(shù)控車床的精度調(diào)試工作更是機(jī)床在裝配過程中必不可少的重要環(huán)節(jié).其中,機(jī)床橫梁升降的精度會(huì)直接影響機(jī)床加工的質(zhì)量.本文基于對(duì)型號(hào)為GTC250110的大型立式車床橫梁升降故障的調(diào)試過程為例,給出了一種基于西門子SIMOTION D435運(yùn)動(dòng)控制器為基礎(chǔ)的調(diào)試方法.經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果表明,此方式有效的使機(jī)床精度恢復(fù)正常.由此為解決類似機(jī)床故障提供實(shí)際參考.

立式車床; 橫梁; 精度; simotion D運(yùn)動(dòng)控制器

1概述

型號(hào)GTC250110是一臺(tái)配有西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的雙Y軸大型動(dòng)梁立式車床.該設(shè)備采用雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)橫梁升降.采用四組液壓壓板鎖緊橫梁以完成整個(gè)橫梁升降過程.在機(jī)床調(diào)試過程中發(fā)生了嚴(yán)重的橫梁升降精度超差現(xiàn)象,且此類現(xiàn)象極為少見.筆者結(jié)合多年西門子數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn),并通過分析相關(guān)零件的實(shí)際情況與Ansys有限元分析結(jié)果作比對(duì),在短時(shí)間內(nèi)使橫梁升降精度恢復(fù)到要求的范圍內(nèi).

2 故障現(xiàn)象

檢測(cè)橫梁升降側(cè)母線精度時(shí),將1500mm檢棒裝卡在鎖死的工作臺(tái)上.將百分表的磁力表座吸在機(jī)床滑枕上.在機(jī)床滑枕與十字滑板相對(duì)靜止時(shí),橫梁不動(dòng),僅松開、壓緊橫梁壓板,百分表示數(shù)穩(wěn)定.當(dāng)機(jī)床橫梁上升小段距離,鎖緊橫梁壓板后,百分表示數(shù)+0.05 mm.松開橫梁壓板繼續(xù)上升橫梁,百分表示數(shù)無變化,仍為+0.05 mm.橫梁與左立柱接觸的側(cè)表面下方,0.02 mm塞尺不入.反之,當(dāng)機(jī)床橫梁下降時(shí),下降小段距離鎖緊壓板后,百分表示數(shù)-0.05 mm.松開橫梁壓板繼續(xù)下降橫梁一段距離,鎖死橫梁壓板后百分表示數(shù)仍為-0.05.橫梁與左立柱接觸的側(cè)表面下方,可塞入0.02 mm塞尺.整個(gè)橫梁升降過程中伴有震顫現(xiàn)象.橫梁升降速度越快,震顫越明顯.

圖1 GTC250110部件位置圖Fig.1 Location of components of GTC250110

3 故障分析及診斷過程

根據(jù)沿機(jī)床坐標(biāo)軸X方向上出現(xiàn)了可塞入塞尺的情況.首先對(duì)橫梁與立柱沿機(jī)床坐標(biāo)軸X方向接觸面(鑲條與立柱接觸面)進(jìn)行檢測(cè)[1].在立柱表面涂抹檢驗(yàn)藍(lán)油,在鑲條表面涂抹鉛粉,完成一次橫梁上升動(dòng)作,取下鑲條后結(jié)果如圖2所示:鑲條與立柱接觸面不完全,出現(xiàn)了規(guī)律的部分接觸,部分不接觸的現(xiàn)象[2].依照常規(guī)做法,重新刮研鑲條,但并沒有解決上述故障.

圖2 檢驗(yàn)后的鑲條實(shí)物圖Fig.2 The test result of panel

依照鑲條規(guī)律的部分接觸,部分不接觸的現(xiàn)象,根據(jù)機(jī)床橫梁實(shí)際受力,對(duì)機(jī)床進(jìn)行建模分析[3].分析結(jié)果如圖3所示:橫梁與立柱沿機(jī)床坐標(biāo)軸X方向受力不均勻,且在上下鑲條所在處出現(xiàn)了明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象[4].在排除橫梁壓板動(dòng)作失效及鑲條刮研不良等問題后.判斷為帶動(dòng)橫梁升降的雙伺服電機(jī)由于負(fù)載等其他原因,出現(xiàn)了不同步情況,導(dǎo)致上述故障現(xiàn)象.橫梁升降時(shí)的震顫是鑲條與立柱表面接觸不均勻?qū)е碌?因此應(yīng)對(duì)兩伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)絲杠在SINAMICS S120中的SERVO控制模式下作同步調(diào)試.

圖3 橫梁與立柱接觸面有限元分析圖Fig.3 The Interface finite element analysis between Beam and column

配置好SIMOTION D435驅(qū)動(dòng)器后,在S120的SERVO中修改P1300及P1317的參數(shù).對(duì)比r61讀取的編碼器速度值,檢測(cè)編碼器反饋值準(zhǔn)確.SERVO中的速度控制器實(shí)現(xiàn)的是比例積分PI控制,其參數(shù)設(shè)定直接決定機(jī)械性能.傳統(tǒng)的PID控制是通過以下算法實(shí)現(xiàn)的[5]:

傳遞函數(shù)對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)表達(dá)式算法:

數(shù)字PID對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)表達(dá)差分方程:

增量式PID對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)表達(dá)式:

通過推出增量式PID算法,可以有效地對(duì)應(yīng)上位機(jī),如輸出控制指令為零時(shí)的故障,仍可保持前一步的位置.而且可以減少Jog與Auto切換時(shí)帶來的沖擊.在SINAMICS SERVO控制模式下,只需改變P1910,P1960等參數(shù)即可.并降低P1958加速度參數(shù),減少P1082最高轉(zhuǎn)速,延長(zhǎng)速度變化斜坡參數(shù)p1958等[6].由于配置以上參數(shù)后,上述故障扔存在.隨即對(duì)兩根絲杠進(jìn)行電子凸輪同步配置[7].配置同步框圖,如圖4所示,設(shè)定兩絲杠軸名稱分別為Axis_1,Axis_2.在給定兩軸使能的情況下,利用電子凸輪定義兩軸位置關(guān)系.電子凸輪生效后,通過兩軸相對(duì)位置的Cam曲線檢驗(yàn)兩絲杠軸的實(shí)時(shí)位置.

圖4 Axis_1,Axis_2配置框圖Fig.4 Allocation Axis_1,Axis_2

調(diào)用SIMOTION命令庫中的_enableCamming命令建立同步,利用ST語言進(jìn)行同步功能程序編寫[8].命名Axis_1為主絲杠,Axis_2為從絲杠,縮小同步長(zhǎng)度至8 mm.重新編寫電子凸輪同步程序.

在SCOUT環(huán)境下對(duì)配置好的兩根軸在行程為1 200 mm的范圍內(nèi)兩絲杠帶負(fù)載時(shí)的同步監(jiān)控,如圖5所示.在Cam曲線中得出結(jié)論,電子凸輪重新配置的Axis_1,Axis_2兩者的相對(duì)位置得到了改善,近乎趨近理想精度.如圖6所示,每8 mm的同步長(zhǎng)度內(nèi)兩軸監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置關(guān)系.在建立同步期間,Axis_2狀態(tài)顯示為BASIC_MOTION_ACTIVE,基本保持了同步狀態(tài).有效的消除了橫梁升降精度超差及伴有震顫的故障.

圖5 1 200 mm范圍內(nèi)兩絲杠軸同步監(jiān)控圖Fig.5 The range of 1 200 mm two screw axis synchronous control chart

圖6 8 mm同步長(zhǎng)度內(nèi)兩軸位置關(guān)系Fig.6 The relationship between the two positions in 8mm

4 結(jié)語

型號(hào)GTC250110立式車床橫梁升降沿機(jī)床坐標(biāo)軸X方向精度超差故障.經(jīng)過對(duì)相關(guān)部件的檢測(cè)及對(duì)橫梁的建模有限元分析,可以大致判斷出導(dǎo)致故障的元件.通過重新配置SIMOTION D435中的相關(guān)控制參數(shù),確定了兩個(gè)絲杠軸不同步的可能.通過重新配置電子凸輪的方式,使故障得以解決.在對(duì)機(jī)床的故障診斷過程中,如果可以以上述方式準(zhǔn)確的找到引起超差的問題所在,不僅可以為整個(gè)檢驗(yàn)過程節(jié)約時(shí)間,更避免了由于多次拆卸橫梁導(dǎo)致的其余精度問題.

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Application of SIEMENS Simotion motional controller for machine beam faults

BI Jun-xi,ZHI Bo-xiong,LIU Hong-bing

(Mechanical Engineering Institute,Inner Monggolia University of Technology,Hohhot 010051,China)

As the assembly precision of large-scale numerical control lathe has been continuously concerned, the precision debugging plays an important role in assembly process, while the lifting precision of machine beam is directly affected by machining quality. Based on the lifting faults of a large-scale vertical lathe, a method based on the SIEMENS D435 GTC250110 motional is proposed. Accordingly, it is found from testing results that this approach is effective machine precision restoring. Therein, this provides a practical reference to similar machine faults.

vertical lathe; cross beam; precision; Simotion D Motion controller

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2016ms0539)

畢俊喜(1974-),男,博士,副教授.E-mail:445381532@qq.com

TH 17

A

1672-5581(2016)06-0537-04