西门子840D系统驱动优化详解(上).pdf

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1、西门子 8 4 0 D系统驱动优化详解(上)中捷机床有限公司(辽宁沈阳1 1 0 0 4 3)边江马国春 1 驱动优化的必要性 数控系统的主要功能是把编制的 N C程序转变成相 应轴的机械位移，在轴位移的过程中，好的动态特性和 稳定性是驱动稳定高效运行的关键。特别在模具的高速 加工中，要求系统有良好的动态和静态特性。一般在机 床调试时系统会给定一组相应轴的默认参数，但这些参 数一般是为了保证系统正常运行的比较保守参数，驱动 优化的目的是在现有的基础上尽可能提高系统的动态 性。2 驱动轴的结构 机床的结构如图 1所示 ,1 动态特性 1 根据图 1的机械结构可以看出来，实际的机床运动 链是电动机

2、根据系统的运动指令位移相应的角度，电动 机的旋转运动经过联轴器传递到丝杠，丝杠又通过和工 作台联接在一起的螺母把旋转运动转变成工作台的直线 运动。图2是轴的给定值和实际值的曲线图，从图上可 以看出来，给定值和实际值之间有一个差值，这个差值 是因为系统的惯性和连接元件中的弹性变形引起的，这 个差值就是系统动态误差的主要组成部分。动态特性 mm 1 O 0 1 O 图2 影响系统的动态特性主要有以下几个方面 墨 2 0 0 9年第 4期 WWW m et al wo r ki ng 7 9 50 com 参磊 工冷 加 工 (1)直线移动部分的质量 比如工作台和工件的大 小。(2)惯性旋转移动部分

3、的惯性。(3)摩擦力 主要有工作台导轨之间，丝杠和螺母 之间的摩擦力。这些因素在机床设计以后就定下来了，所以大型机 床的动态特性很难和中小型的机床比，同时机床的润滑 情况也会影响系统的动态特性。除了这些因素，连接元件中的弹性变形也是影响系 统动态性能的关键因素，比如联轴器等。一般说来，系 统的刚性越好，系统的动态特性就越好，所以在优化之 前先尽量在机械方面提高系统的刚性，比如检查联轴器 的连接、丝杠的间隙等。图 3是机床结构的简化图。xx L 一L 一 化 o a d 图3 从图上可以看出，电动机的输I叶 I 传递到工作台也就 是负载上时要经过中间一些传递环节，对应传递环节的 输出和输入比就是

4、传递函数。从理论上讲，一个理想的 驱动传递函数是一个纯线性环节，只有这样，输出会真 实地跟随输入，但实际上在传递环节中存在好多的弹性 环节，所以一个近似的传递环节可以简化为一个线性环 节和一个弹性环节的组合，并且弹性环节部分的频率常 常是好多的频率组合起来的。这样在传递环节的输出部 分，有的输入会被压抑，从而降低系统的动态特性，而 有的输入则会被放大，也就是俗称的“共振”。这些共 振是造成机床不稳定的致命因素，而驱动优化的大部分 工作就是找出这些共振点，通过加电子滤波器的方法来 抑制这些共振，增加系统的稳定性，这样就可以提高系 统的增益来提高系统的动态特性。3 驱动优化的原理 驱动轴是由电流环

5、、速度环和位置环组成，一般来 说位置环是一个简单的比例调节器，因而调节起来比较 简单，速度环和电流环是由比例积分调节器组成，是驱 动的核心部分，因而速度环又是驱动优化的调整重点。驱动优化的关键是提高速度环的动态特性，而提高动态 特性的关键又在于提高速度环比例环节的增益，降低积 分环节的时间常数。如前所述，找出驱动部分的共振频 率是提高系统动态特性的首要条件，但怎样找出这些频 率来呢?怎样评价驱动环节的动态特性 呢?如图 4所 示 丽厂 L 数控系统(S in u me r i k 8 0 2 D s)I 传 输 函 数=频 率 响 应 一 宽 ；号 图4 让电动机端输入一个涵盖很宽频率的噪声信

6、号，再 检查输出端的应答信号，根据它们的关系绘制一个输入 和输出的关系图。为了计算方便一般用波特图的方式来 表示。图的上半部分是表示输出和输入幅值的比，下半 部分是输出和输入信号的相位差。理想的情况是输出的 幅值等于输入信号的幅值，并且没有相位差，但实际中 的图形都会有偏差，图5是一个实际的波特图。从图5可以看出图形的低频部分输入和输出的幅值 比在O d B附近，大于O d B表示输入的幅值小于输出的幅 值，也就是有点超调，当达到 3 d B时候，超调的值接近 4 0 ，系统有振荡的危险；小于 O d B表示输出被衰减，当为 一l O d B时，衰减幅度达到 7 0，这时的输 出基本 被抑制。

7、同时，输入信号的相位也滞后，当滞后的值接 近 1 8 0。时，这个频率的信号接近被完全抑制。驱动轴正 常工作时，根据电动机的速度可以推算出输出到电动机 的电源的频率，一般都较低，在几十到几百赫兹左右。但在系统加减速过程中，输出到电动机的电源频率会有 很宽的范围，一般能到千赫左右。在波特图中，当幅值 比从0 d B往下降且相位滞后接近 1 8 0。时，这个频率称为 拐点频率。这个频率越高，驱动的动态特性越好，反之 越低 1 0 0 0 0 0 d B 一 0 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 0 m m m 1 n 一2 0 0 0 0 0 L 3一+-一 十 一一 一 I 一 一 一 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 Ll n ms 图8 MW(待续)(收稿 日期：2 0 0 8 1 2 0 1)奄 ：I,jjQ-r 2 0 0 9 年 第 4 期 苫 i：www m et a l wor k i n g1 9 50 com