论文部分内容阅读
【摘 要】随着工业技术的快速发展，数控机床产业已经成为我国国民经济发展的基础性产业，是国防军工发展的战略性产业，是高新技术产业发展的载体，更是国家竞争力的重要标志之一，已经成为我国机床制造业发展的总趋势，目前在国内，三菱、FANUC、SINUMERIK数控系统广泛应用于各类数控机床上。对于机床制造商来说，数控系统的驱动伺服参数调整是非常有必要的，而且也是一个难题。本文结合笔者在采用西门子S120型数字交流伺服驱动的数控转台上的调试经验，对一些具体的伺服参数调整和优化过程作出了分析说明。
【关键词】数控机床;转台;伺服调试;驱动器优化;增益
1.转台的结构
机床转台的结构采用端面闭式静压导轨+径向滚动轴承结构，采用闭式静压导轨，可以提高端面跳动精度，吸收震动，承受双向载荷和倾覆力矩，滚动轴承可以方便控制径向精度，确保工作台在负载情况下的高刚度和高运动精度，工作平稳无爬行，承载能力高等特点，转台的回转角度是通过伺服电机经精密减速机构进行驱动，并且采用圆光栅进行全闭环控制，达到角度的分度精度要求。
2.转台电机的配置
该转台的伺服电机不是采用S120标准的带有Drive-cliq 接口的电机，因此首先需要经过SMC20进行编码器的接口转换，另外在系统的拓扑识别过程中，驱动器对该电机无法识别，需要手动进行电机数据的配置，配置方法有两种：一种是通过电机的型号，在样本查出电机的类型，电机的代码，以及编码器的代码，然后再系统上按[SHIFT]+[ALARM],进入系统画面，选择[机床数据]—[驱动器数据]—[Sinamics IBN]在显示的界面输入相应的电机代码、類型、以及编码器类型，然后点右侧垂直菜单的保存参数，最后一定要将P0010先设置成1，在将P3900修改为3，待到P3900自动变成0时将驱动器断电以确保电机数据生效。也可以用自动识别的方法，即在刚刚输入参数的界面点击[编码器数据],然后再弹出来的窗口按[继续]—[识别]—[继续]—[保存],也能完成不带有Drive-cliq接口的电机配置。第二种方法是采用西门子的专用调试软件Starter,通过对等网线将计算机与802DSL的以太网口（X5）连接好。然后利用Starter软件完成电机配置。
3.驱动器的参数调整与优化
全数控复合磨床是一种高精度高效率的磨床，在工件的加工过程中，要求横向拖板X轴和转台C轴进行两轴插补完成凸轮的加工，高精度伺服系统的动态跟随性能对凸轮的加工起到了决定性的作用，因此对于转台的动态伺服性能调节显得尤为重要，否则会因为转台的动态响应慢而在加工的过程中出现滞后等现象。
在驱动器的参数调整和优化前，先了解西门子802DSL的控制器模块图（图1）
图1
如图1所示，驱动部分有三个控制器：电流控制器、速度控制器、位置控制器。三个控制器分别构成了三个调节环：电流环、速度环、位置环。前一级的优化结果对后一级有影响，电流环影响速度环，速度环影响位置环，因此在优化时需要按照顺序进行优化：1、电流环，2、速度环，3、位置环。由于西门子同步伺服电机在出厂前电流环已经优化调试好，所以电流环这一环节我们不需要在进行优化，只需要对速度环和位置环进行优化。
在参数优化的过程中，可以用STARTUP_tool软件和Starter软件中的任意一种，用Startup_tool软件优化时，首先要进行软件的联机设置：1、在安装软件的时候，出现power line和solution line选项的时候，选择solution line，2、设置PG/PC接口，在应用程序访问点（A）：点击下拉菜单：找到SINUMERIK_CP (SINUMERIK 7xx)项，查看后面的连接是否是当前所需求的连接：
如果是通过网卡联机，则后面应该为 TCP/IP->网卡类型。用Startup_tool软件进行参数优化有两种方法：一种是自动优化，一种是手动优化。对于802DSL 系统，不论是自动优化还是手动优化，都需要联机进行，即PCU210上不支持界面优化。
自动优化的步骤：1）启动Start up Tool ,进入“启动（Strat up）”操作区2）在驱动/伺服轴—扩展键—Auto ctr (自动控制设置)—选定需要优化的轴(C)；3）按右侧垂直菜单的Start键启动，此时显示“开始机械系统测量部分1”—确认；4）在JOG操作方式下，按“NC-Start”，电机正转。然后显示“开始机械系统测量部分2”—确认；5）再次按“NC-Start”，电机反转。然后显示“启动当前控制的测量”—确认；6）再次按“NC- Start”，然后显示“控制器数据开始计算”—确认；7）提示是否将优化后的参数写入系统，点“确认”这时系统会显示出特性曲线图。可以看出，自动优化出来的结果并不理想，大部分情况还需要手动进行调整，速度控制器比例增益（Kp,MD1460）的默认值是基于电机的型号，速度控制器的积分时间（Tn，MD1462）的默认值是10ms，增益Kp积分时间Tn都是在调试阶段选择好驱动和电机后通过拓扑识别后自动装载到相应参数的，此默认值为了保证在大多数机械状况下，驱动上电后，电机不会“嗡嗡叫”但是我们优化的目的是为了在机械允许的情况下获得更好的机械特性曲线，因此可以根据实际情况手动调节速度控制器的增益Kp1460和积分时间Tn1462，参考频率响应反映了在一定频率范围内实际速度值对设定值的跟随性，幅频曲线中的0db说明速度实际值与设定值具有同样的幅值，相频曲线中的0相位说明实际值没有滞后，Kp和Tn的设定会影响幅频和相频曲线，如果积分时间Tn的值大于50ms,这时积分时间是无效的，可以单独的调整增益Kp，尽量使幅频曲线中0db线延伸到更高的频率。我们可以利用下面的公式得到增益的参考值（最小）：如果速度控制器周期是125μs则1460≈1200*电机惯量；如果速度控制器周期是62.5μs，则1460≈2000*电机惯量.根据经验，1460能达到缺省值的3倍系统就已经很理想了。
4.结论
本文以西门子S120伺服驱动为例，讲述了通过伺服电机控制转台，如何进行电机的配置，并且用软件如何进行电机参数的调整与优化，希望对其他数控爱好者有所帮助。
【参考文献】
［１］SIEMENS公司.SINUMERIK 802DSL简明调试指南.
［２］SIEMENS公司.SINUMERIK 840D简明调试指南.
【关键词】数控机床;转台;伺服调试;驱动器优化;增益
1.转台的结构
机床转台的结构采用端面闭式静压导轨+径向滚动轴承结构，采用闭式静压导轨，可以提高端面跳动精度，吸收震动，承受双向载荷和倾覆力矩，滚动轴承可以方便控制径向精度，确保工作台在负载情况下的高刚度和高运动精度，工作平稳无爬行，承载能力高等特点，转台的回转角度是通过伺服电机经精密减速机构进行驱动，并且采用圆光栅进行全闭环控制，达到角度的分度精度要求。
2.转台电机的配置
该转台的伺服电机不是采用S120标准的带有Drive-cliq 接口的电机，因此首先需要经过SMC20进行编码器的接口转换，另外在系统的拓扑识别过程中，驱动器对该电机无法识别，需要手动进行电机数据的配置，配置方法有两种：一种是通过电机的型号，在样本查出电机的类型，电机的代码，以及编码器的代码，然后再系统上按[SHIFT]+[ALARM],进入系统画面，选择[机床数据]—[驱动器数据]—[Sinamics IBN]在显示的界面输入相应的电机代码、類型、以及编码器类型，然后点右侧垂直菜单的保存参数，最后一定要将P0010先设置成1，在将P3900修改为3，待到P3900自动变成0时将驱动器断电以确保电机数据生效。也可以用自动识别的方法，即在刚刚输入参数的界面点击[编码器数据],然后再弹出来的窗口按[继续]—[识别]—[继续]—[保存],也能完成不带有Drive-cliq接口的电机配置。第二种方法是采用西门子的专用调试软件Starter,通过对等网线将计算机与802DSL的以太网口（X5）连接好。然后利用Starter软件完成电机配置。
3.驱动器的参数调整与优化
全数控复合磨床是一种高精度高效率的磨床，在工件的加工过程中，要求横向拖板X轴和转台C轴进行两轴插补完成凸轮的加工，高精度伺服系统的动态跟随性能对凸轮的加工起到了决定性的作用，因此对于转台的动态伺服性能调节显得尤为重要，否则会因为转台的动态响应慢而在加工的过程中出现滞后等现象。
在驱动器的参数调整和优化前，先了解西门子802DSL的控制器模块图（图1）
图1
如图1所示，驱动部分有三个控制器：电流控制器、速度控制器、位置控制器。三个控制器分别构成了三个调节环：电流环、速度环、位置环。前一级的优化结果对后一级有影响，电流环影响速度环，速度环影响位置环，因此在优化时需要按照顺序进行优化：1、电流环，2、速度环，3、位置环。由于西门子同步伺服电机在出厂前电流环已经优化调试好，所以电流环这一环节我们不需要在进行优化，只需要对速度环和位置环进行优化。
在参数优化的过程中，可以用STARTUP_tool软件和Starter软件中的任意一种，用Startup_tool软件优化时，首先要进行软件的联机设置：1、在安装软件的时候，出现power line和solution line选项的时候，选择solution line，2、设置PG/PC接口，在应用程序访问点（A）：点击下拉菜单：找到SINUMERIK_CP (SINUMERIK 7xx)项，查看后面的连接是否是当前所需求的连接：
如果是通过网卡联机，则后面应该为 TCP/IP->网卡类型。用Startup_tool软件进行参数优化有两种方法：一种是自动优化，一种是手动优化。对于802DSL 系统，不论是自动优化还是手动优化，都需要联机进行，即PCU210上不支持界面优化。
自动优化的步骤：1）启动Start up Tool ,进入“启动（Strat up）”操作区2）在驱动/伺服轴—扩展键—Auto ctr (自动控制设置)—选定需要优化的轴(C)；3）按右侧垂直菜单的Start键启动，此时显示“开始机械系统测量部分1”—确认；4）在JOG操作方式下，按“NC-Start”，电机正转。然后显示“开始机械系统测量部分2”—确认；5）再次按“NC-Start”，电机反转。然后显示“启动当前控制的测量”—确认；6）再次按“NC- Start”，然后显示“控制器数据开始计算”—确认；7）提示是否将优化后的参数写入系统，点“确认”这时系统会显示出特性曲线图。可以看出，自动优化出来的结果并不理想，大部分情况还需要手动进行调整，速度控制器比例增益（Kp,MD1460）的默认值是基于电机的型号，速度控制器的积分时间（Tn，MD1462）的默认值是10ms，增益Kp积分时间Tn都是在调试阶段选择好驱动和电机后通过拓扑识别后自动装载到相应参数的，此默认值为了保证在大多数机械状况下，驱动上电后，电机不会“嗡嗡叫”但是我们优化的目的是为了在机械允许的情况下获得更好的机械特性曲线，因此可以根据实际情况手动调节速度控制器的增益Kp1460和积分时间Tn1462，参考频率响应反映了在一定频率范围内实际速度值对设定值的跟随性，幅频曲线中的0db说明速度实际值与设定值具有同样的幅值，相频曲线中的0相位说明实际值没有滞后，Kp和Tn的设定会影响幅频和相频曲线，如果积分时间Tn的值大于50ms,这时积分时间是无效的，可以单独的调整增益Kp，尽量使幅频曲线中0db线延伸到更高的频率。我们可以利用下面的公式得到增益的参考值（最小）：如果速度控制器周期是125μs则1460≈1200*电机惯量；如果速度控制器周期是62.5μs，则1460≈2000*电机惯量.根据经验，1460能达到缺省值的3倍系统就已经很理想了。
4.结论
本文以西门子S120伺服驱动为例，讲述了通过伺服电机控制转台，如何进行电机的配置，并且用软件如何进行电机参数的调整与优化，希望对其他数控爱好者有所帮助。
【参考文献】
［１］SIEMENS公司.SINUMERIK 802DSL简明调试指南.
［２］SIEMENS公司.SINUMERIK 840D简明调试指南.