99网
您的当前位置:首页基于西门子802D数控系统的机床进给爬行的模型分析及改进措施

基于西门子802D数控系统的机床进给爬行的模型分析及改进措施

来源:99网
数控・数显——基于西门子802D数控系统的机床进给爬行的模型分析及改进措施 机床电器2012.4 基于西门子802D数控系统的机床进给 爬行的模型分析及改进措施 张欣波(厦门理工学院,361024) 摘要:数控机床爬行问题是提高机床加工精度的重要研究课题之一,本文基于产生数控机床爬行现象的原理对 机床产生爬行原因进行了理论分析,并建立了爬行的数学模型。在对爬行原因进行合理分析的同时提出了解决数控 机床爬行现象的有效措施,并以市场上较为流行的西门子802D数控系统为例,阐述了如何通过相关的机床参数改善 进给爬行现象。该项研究对数控机床的设计、制造和维修具有重要意义。 关键词:数控机床;爬行;802D数控系统 中图分类号:TP273 文献标识码:B 文章编号:1004—0420(2012)04—0027—04 The machine tool crawling model analysis and improvement measures based on Siemens 802D CNC system ZHANG Xin—b0 (Xiamen University of Technology,361024) Abstract:Machining tool crawling problem is one of important research topic to improve the accuracy of CNC machine. The principle of creeping of CNC machine tools is analyzed based on reasons of the crawling phenomenon and the mathematical model of crawling is established.The effective measure of solving crawling problem is proposed based on the analysis of the reasons of CNC machine tools.How to change the parameters to improve the crawling phenomenon of the CNC machine tools is elaborated,the popular Siemens 802D CNC system in the market is used as example,This studies of this paper is useful to the design of CNC machine tools,manufacturing and maintenance. Key words:CNC machine tools;crawling;802D NC system O 前言 数控机床进给系统的运动部件(如工作台、滑座) 在低速运行时(如0 05 mm/min)时,往往不是做连续 的匀速运动,而是表现为开始不能运动,而后又突然加 1 机床运动插补轴运动的动态分析 1.1模型的建立 在数控机床中,一般定义工作台在 、】,方向为直 线运动轴,并单独由两个电机带动滚珠丝杠带动工作 速运动,再停止,然后又重新运动。 表现为时走时停、 忽快忽慢、时而停顿、时而跳跃,这种现象称之为机床 的爬行。数控机床出现爬行故障时,一般没有报警信 号,但它也是数控机床的故障,属于进给系统无报警故 障。 爬行与振动故障通常发生在机械部分和进给伺 服系统。进给系统在低速时爬行和机械传动部件的特 性有关,高速时的振动通常与进给传动链中的运动副 预紧力有关,而爬行和振动与伺服进给系统及位置控 制系统的增益密切相关。 本文分析了机床进给爬行 的相关数学模型,并以市场上较为流行的西门子802D 数控系统为例,阐述了如何通过相关的机床参数改善 进给爬行现象。 台作直线运动,其可以简化为一维结构。如图1所示, 为工作台运动时电动机转动输出扭矩,通过滚珠丝杠 传递到运动工作台上,由于传动过程中并不是完全刚 性,所以工作台和电机运动并不完全一致。工作台沿 导轨水平面内移动,相当于质量m的质量块的移动, 受到导轨之间摩擦力影响。图1所示为工作台的简化 振动模型,图2为工作台运动的简化振动模型。 其中:Q一电机输出角度的位移,I, 一电机转动惯 量, 一滚珠丝杠转动惯量,负载质量块跟随电机转 动,对此系统而言,若把Q看作是输入,则 是输出, 位移 必须很好地跟随转角Q。 一27— 机床电器2012.4 数控・数显——基于西门子802D数控系统的机床进给爬行的模型分析及改进措施 图1工作台简化模型 ( 缩x 根据图1、图2模型可以建立力平衡方程,将电 机、工作台作为一个系统,工作台受到的摩擦力F 为: F。= (1) 其中:肛一为滚动摩擦系数;N一压力。为了简化 分析,将摩擦力表示为等效阻尼的形式。根据能量等 效原理,摩擦力的等效粘性阻尼表示为: G : Ge : f2 ) “ 盯 式中: 一振动角速度; 一振幅。 根据拉格朗日方程和瑞利耗散函数,运动过程中 系统的动能 表示为: : 1(., +J)Q + 1僦 (3) 2x(aT)一面OT=Q (4) d ∞式中:Q 一作用在物体上的广义外力;q一广义 变量。 对于工作台和电机,将式(3)代入(4)得到: m =F2一F (5) (., +J2)Q=F y (6) 由式(5)、(6)可得: m互一( )西:F 一F 一F (7) m互+C + : 西+C O+ Q(8) 式中:C。=C+C。,C一粘性阻尼系数; 一丝杠等 的弹性系数。 对式(8)进行拉氏变换得: zx( )+CoX( )+kx( ): z (s)+C ys6)(S)+kyO(s) (9) 所以,对于电机输出转角,系统简化模传递函数为: G(s)= z 、 = S"1- L%FC S+I ̄r广(10) 公式(8)为工作台运动部件运动的微分方程。公 式(10)为系统简化模传递函数。 1.2爬行原因分析 根据对数学模型分析得出,影响数控机床爬行的 因素主要有导轨的摩擦特性(导轨副的材料、表面加工 和处理、导轨润滑油的性能)、传动链的刚度、运动部件 的质量、系统的阻尼等。特别是与滑动面的摩擦特性 有密切的关系,这是一个复杂的动态特性问题。产生 的主要原因如下: 1.2.1静摩擦阻力大于动摩擦阻力,即静摩擦系数 大于动摩擦系数 这是由于相互滑动的两个物体间的摩擦条件决定 的。静摩擦系数和动摩擦系数之间的差值越大,产生 爬行的情况就越严重。实际机床中常表现为工作件与 导轨副摩擦面之间出现研伤,改变了它们之间的摩擦 条件,易引起爬行。 1.2.2传动件刚性不足 传动系数的弹性系数 越小,就越容易产生爬行。 如果传动件为刚体,则主动件,传动件及运动件构成一 体。当主动件作匀速运动时,运动件以同样的速度作 匀速运动,则不会产生爬行。但实际上传动件都不是 刚体的,其自身或多或少都会存在弹性形变,如机械传 动中的轴、齿轮、丝杆、螺母、凸轮与杠杆等,受力会产 生弯曲变形。这样,当主运动件作匀速运动时,由于运 动件与导轨之间的摩擦阻力的变化以及传动件的刚性 不足,将使工作件产生时走时停的现象,即爬行。 1.2.3运动部件的质量越大,越容易产生爬行 数控机床爬行现象产生与机床运动部件的质量有 密切的关系。质量是惯性的量度,质量越大,惯性越大 越容易产生爬行。这就是重型机床比中小型机床更容 易产生爬行的原因。 1.2.4运动部件与导轨间阻尼过小,也容易产生爬行 爬行是一个自激振荡的过程。振动系统的阻尼 大,产生振动就越困难。即使偶然因素引起振动,振幅 也会因为阻尼过大而很快衰退。 2爬行对策及检修手段 数控机床出现爬行现象时,首先要找到故障发生的 部位。从数控机床的组成原理图3可以看到,从数控系 统发出指令到故障直接发生的运动部件,要经过数控系 统和伺服系统及检测部分才能实现移动部件的运动,所 以这些部件出现故障都可能引起机床爬行。除了上文 分析的机械部分的自身原因外,也可能是相关的部分出 数控・数显——基于西门子802D数控系统的机床进给爬行的模型分析及改进措施 机床电器2012.4 现问题,如数控系统、伺服系统、反馈系统等。这取决于 控制系统的速度环、反馈环及位置环,在排除故障时应 主要检查伺服及检测反馈部分的电气硬件(如电机、编 码器及相关电路)和软件(系统参数)设置。 数控系统 图3数控机床组成原理 2.1 先排除机械部分故障 在维修机床时遵循的一个基本原则是先静态后动 态,先解决机械部分,然后解决电气部分。数控机床的 进给部分主要部件为丝杠、导轨、齿轮及支撑座等,都 是引起机床爬行现象的主要因素。 a.进给传动链轴承、丝杠螺母副和丝杠本身是否 预紧,预紧是否合理; b.传动问隙是否过大,机械系统连接是否完好无 损,机械部件(如联轴器)是否损坏; C.润滑部分是否良好,导致装配时是否调整好。 对于滑动导轨,检查是否有杂质或异物阻碍导轨副运 动;对于滚动导轨,则应检查预紧措施是否得当。 2.2机械故障排除后检查电气故障 机械故障排除后转查电气部分,依然采用排除法。 检查电气故障时遵循的原则是先检查软件(主要是系 统参数),再检查硬件(调节器、电机及测量元件)。 2.2.1 软件 主要查看系统参数设置和数控加工程序。数控系 统的参数设置决定了数控机床进行机械加工的运行环 境,尤其是新安装的机床,如果参数设置不正确,会引起 整个调试系统的不稳定,在低速运转时就会造成爬行现 象。针对机床的爬行现象,应主要检查数控系统的放大 倍数,适当减小放大倍数,采用改变短路棒的方式切除 反馈电阻。如果爬行现象出现在机械加工过程中,还要 考虑机械加工时所用的程序。有时加工程序编制得不 合理也会导致机床爬行现象的产生。如FANUC 6M系 统切削加工时使用G61指令,就会每加工一段进行一次 到位检查,从而影响机床出现爬行现象。 2.2.2硬件 数控机床的爬行若表现为移动部件发生故障则属 于速度问题,这主要涉及到给定信号、电机及测量反馈 元件。首先,要保证给定信号的正确。进给系统的信 号主要包括给定信号和反馈信号。给定信号可以通过 信号速度调节器输出的模拟信号检测判别,如果调节 器输出的信号为周期性振荡信号,表示速度调节器这 一部分有问题,此时应转向D/A转换器或偏差计数器 查找原因。如果测量结果没有任何振荡的周期性波 形,就表示给定信号没有问题。那就应该重点检查反 馈信号,就要检测电机及测量元件。数控机床的控制 实际上是以电机作为控制对象,电机经机械传动系统 驱动机床移动部件,故电机的转动速度与移动部件的 速度是对应的。检查电动机时,首先要检查电机内部 结构是否有损坏,包括碳刷、整流子表面情况,滚珠轴 承的润滑情况。如果有损坏应更换损坏部件,并进行 相关的润滑。然后要检查电机电枢线圈接触状况,线 圈接触不良也会引起机床的爬行。判断数控机床的测 量反馈部分是否有故障,应将位置环、速度环断开,盘 转电动机,利用示波器或专用检测元件判断,若出现电 压波形突然下跌的情况,说明反馈部件接触不良,也可 以通过更换备件的方法检测反馈元件是否出现问题。 3 针对爬行故障西门子802D数控系 统设定调整方法 3.1 闭环伺服系统的传递函数 SINUMERIK802D数控系统配置的SIMODRIVE 611UE伺服系统的三个环设计了一些特殊功能。SIN UMERIK802D数控系统中的电流环、速度环和位置环 的反馈控制全部数字化,伺服的全部控制模型和动态 补偿均由高速微处理器及控制软件进行实时处理,采 样周期只有零点几毫秒。三环反馈全由CNC软件进 行数字PID控制算式处理,PID控制的参数K,、 、K。 可以设定,并自由改变,软件伺服比硬件伺服更灵活, 算法结构和参数均可以改变,因此可以比硬件伺服更 好的动态、静态性能。 另外,SINUMERIK802D位置伺服应用了现代控制 理论,在位置环采用前馈与反馈结合的复合控制,可以 实现高精度和高速度,这种系统在理论上可以完全消 除系统的静态位置误差、速度与加速度误差,以及由一 定的外界扰动所引起的误差,即实现完全的“无差调 节”。如图4所示: 扛匝 L— ——— 图4复合控制系统框图 从图4所示复合控制系统的原理结构,不难推导 一29— 机床电器2012.4 数控・数显——基于西门子802D数控系统的机床进给爬行的模型分析及改进措施 出系统误差的表达式,以拉氏变换表示为: = ㈩ 式(11)中:E(s)一伺服误差的拉氏变换;Go(S)一 被控对象的传递函数;日(s)一反馈回路的传递函数;F (s)一前馈回路的传递函数;G (s)一调节器部分的传 递函数;尺(s)一输入函数。 从式(11)可以看出,要使误差E(S)=0,必须满足 下列关系: F(s) 隶 ( 2) 即前馈环节的传递函数F(s)必须等于被控对象 和反馈环节两者传递函数乘积的倒数。从式(12)的 分母表达式还可以看出,引入前馈控制并不影响原系 统的稳定性。若取G (s)=K G。(s)=÷[H(s)]=1 则图4可以简化成图5: 图5带前馈控制的特例框图 由此可见,对于被控制对象积分环节的相对滞后, 可以用具有微分环节的前馈控制来加以消除。引入前 馈控制减少伺服误差已在的SINUMERIK802D数字伺 服系统中得到证实。 3.2 西门子802D交流进给伺服系统的设定调整方法 SINUMERIK802D交流数字式伺服闭环控制系统 可通过自动优化调整,根据需要还可以手动调整,调整 特殊功能参数。针对这些特殊功能参数的调整,会改 善机械传动链及润滑良好情况下的机床进给运动部件 的爬行状况。 SINUMERIKS02D位置伺服设有如下一些特殊功能: a.停止时振荡压缩功能:电机不转动时,很小的偏 差扰动会被速度环的比例增益放大,可能产生微小移 动,由速度反馈作用产生一个反向转矩,若它大于机床 的摩擦力矩,会使电机不停的来回摆动,为了抑制这种 摆动,必须从速度环的比例分量中扣除电机反向产生 的速度反馈脉冲,N脉冲振荡压缩功能扣除了转矩的 比例分量,因而消除了电机的摆动; b.250 Ixs加速反馈功能:加速反馈功能是利用电 机速度的反馈信号乘以反馈增益,对速度和加速度指 令值作差值计算,对转矩命令进行补偿,从而实现对速 度环的振荡进行控制,该功能在摆动频率为150 Hz以 30一 下时特别有效,但是若加速反馈的增益太大、在加减速 期间会出现异常响声和振荡,为解决这一问题,应降低 增益的绝对值; c.机械速度反馈功能:机床的速度反馈功能可以 把机床本身的速度加到闭环的速度控制中,从而使位 置环稳定。该功能是把机床速度反馈增益 ,用该反 馈校正转矩命令。当K =1时,机床速度对转矩命令 的校正值等于电机速度的校正值; d.观测器功能:当观测器的功能生效时的估计速 度用作速度控制回路的速度反馈。由于扰动转矩的影 响而造成的实际电机速度中的高频分量(150 Hz以 上)可能会被速度环放大,从而使整个系统以高频而振 荡。用观测器的输出作为速度反馈可以消除实际电机 速度中的高频分量。将相位延时小的低频分量反馈, 又可以减小速度环的高频振荡; e.超调补偿功能:图6中,K。一位置比例增益;1/S 一积分器;K 一速度环积分增益, 一速度环传动 比。当NC系统发出1个脉冲命令,由于此时位置反 馈和速度为“0”,命令脉冲乘以位置增益 后产生速 度指令值(VCMD),由于机床导轨摩擦力的影响,电机 并不立即转动,积分对VCMD指令累计,当该值产生 的转矩足以克服机床的摩擦力矩时,电机转动由于位 置反馈的作用,MCMD与位置反馈值相等时,使得VC. MD为零。电机开始移动时的转矩TCMD1大于机床 的静态摩擦转矩。当电机移动了一个脉冲的当量后, 转矩命令变为TCMD2。若TCMD2少于动摩擦时电动 机转动一个脉冲当量后应当停止;但若TCMD2大于动 摩擦时,电动机不会停止而产生超调,超调补偿功能是 避免出现上述超调现象的功能; f.前馈控制功能:前馈功能是对伺服系统运算滞 后的一种补偿功能,从SINUMERTIK802D参数可知, 有前馈参数a,当前馈量加大时,可使由伺服系统产生 的跟随误差而引起的形状误差减小。由于电机的转矩 J… j… 是有限的,(T= +., UW),所提供的动态加减速度 U U 受到一定,所以a增大时机床加、减速的冲击误差 也增大。但是若运动命令的加减速时间常数增加(变 大)的话,可以允许加大a值。总之,前馈控制功能在 插补前加减速可进一步降低轮廓误差。 图6闭环控制框图 (下转第36页) 机床电器2012.4 存器如图7所示。 主站 从站 区 FX2N-485——BD FX2N-485——BD 图6并行通信连接图 主站M8070:ON 从站M8071:ON 自动通信 M8oo—M899/D490—499 自动通信 M9O0一M999/D500—509 图7一般模式下通信连接 2.3通信实例 2.3.1 系统控制要求 在图6所示的并行通信系统中,控制要求如下: a.主站点的输入XO—x7的ON/OFF状态输出到 从站点的Y0~Y7; b.当主站点的计算结果(D0+D2)大于100时,从 站点YIO导通; e.从站点的M0~M7的ON/OFF状态输出到主站 点的Y0~Y7; d.从站点中D10的值被用来设置主站点中的定 时器。 2.3.2系统软件设计 根据控制要求主站点梯形图如图8所示: 图8并行通信主站点梯形图 从站点梯形图如图9所示: M8 H h——————_——— _( !!) I1  H Ⅱ Ⅱ 丑 匝卫匦 亘圃 l _l— l。X1 0’一丽丽卫 。。。。。。。。。。。。。。’。。。’。。 。。。。 。。。。。 ’’’。。。’ ’。’。‘’。’’ ’。。。’’。。。。’ 。’。。’。。。一 H H Q l  l l图9并行通信从站点梯形图 3 结束语 本文讨论了三菱FX系列PLC通信原理及实现方 36一 PLC・变频器・计算机——Fx系列PLC通信原理及应用 法,重点介绍了两种典型通信网络即N:N网络和并行 链接网络的通信解决方案,软硬件设计方法,对于每一 种连接网络均提供详细的应用实例。PLC通信的基本 思想是构建硬件连接网络,通过编写程序(梯形图), 读取各站点PLC的公用软元件数据即可,类似于计算 机网络中访问共享文件夹操作,所以软硬件实现十分 容易和方便。 参考文献: [1]孙振强.可编程控制器原理及应用教程[M].北京:清 华大学出版社,2008. [2]孙小智.FX系列PLC与计算机之间的通信[J].机床 电器.2009,(4):51—52. [3] 海波,陈莉.PLC通信系统的设计和应用[J].机床 电器.2006,(5):39—41. 收稿日期:2012—02—13 作者简介:黄克亚(1982一),男,硕士,讲师、软件设计师,研 究方向为电气自动化。 (上接第30页) 4 结束语 数控机床爬行现象作为一种故障,对于机床所造 成的直接后果相当严重,经济损失也是相当可观的。 其引发的原因主要有机械、液压润滑、电气等很多方 面。只有从原理人手合理分析,找出原因及相应的对 策,同时在实践中不断积累经验,才能找到解决问题的 最佳方案。西门子802D数控系统作为西门子数控系 统的中低端产品在市场上占有很大的比例,在保证机 械传动及润滑的良好的情况下,分析其伺服系统控制 原理,找出可以改善机床爬行故障的方法,并可将其推 广到其它数控系统控制的机床应用中。 参考文献: [1]李亚芹,龙泽明,韩阳阳.数控机床爬行问题的分析与 研究[J].组合机床与自动化加工技术,2006,(10):16 —18. [2]王海燕.浅析数控机床爬行原因及解决方法[J].机电 信息,2011,(18):88—89. [3] 陆书法.数控机床出现低速爬行的原因及其设计对策 [J].机械研究与应用,2011,(2):134—135. 收稿日期:2012—03—01 作者简介:张欣波(1970一),男,硕士,高级工程师,从事数控 机床改造,数控机床维修维护工作。 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容