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西门子直接驱动技术在成型磨齿机上的应用 |
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作者：秦川机床工具集团 王红旭 |
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近年来，直接驱动技术在国际上发展很快，因其传动系刚性好，无传动间隙、无磨损和可用性高等诸多优点，在高速加工中心和工业母机等领域的应用越来越广泛。直接驱动技术有旋转运动和直接运动两种基本方式。直接驱动旋转轴（A、B、C轴）的伺服电机称为直接驱动旋转（DDR）电机，通常要求低转速、大扭矩、转角高分辨率。直接驱动数控系统直线轴（X、Y、Z轴）的伺服电机称为直接驱动直线（DDL）电机，直线电机主要由以下几部分组成：线圈总成（通常是动子）、永磁体总成（通常是静子）和直线编码器以及直线导轨、轴承等框架设计的机械结构等。
西门子公司自动化与驱动集团在这个过程中，一直致力于将先进的控制技术应用于国内创新的机床设计上，拓展机床设计的思路，提高机床的性能，为此向中国的机床市场提供了全系列的数控系统和驱动产品，其中包括直线电机、力矩电机和内装主轴/电主轴等直接驱动产品。
2005年公司着手开发新一代数控成型磨齿机YK7340，鉴于以往的中小规格成型磨齿机的头架传动部分一般采用普通伺服电机，传动链结构复杂，并需配置专门的消隙机构，成本较高，传动精度却仍难以保证。我公司通过广泛调研，最终决定选用西门子力矩电机直接驱动头架，尝试在成型磨齿机的头架驱动设计方面探索出一条新路。
相关理论
目前，力矩电机在成型磨齿机开发中的应用在国内尚属空白，无相关的技术资料和经验可供借鉴和参考。力矩电机的构造和原理比较特殊，因此在考虑电机防护等级，热敏保护及循环冷却等问题的同时，尤其需要通过反复的研究和实验对电机的选型、控制方法及驱动参数的配置等相关的控制技术加以验证和优化。
图1 电机的控制原理框图
1.电机的控制原理
电机的控制原理框图如图1所示。电流环是为伺服电机提供转矩的电路。一般情况下它与电动机的匹配调节已由制造者作好了或者指定了相应的匹配参数，其反馈信号也在伺服系统内联接完成，因此不需接线与调整。速度环是控制电动机转速亦即坐标轴运行速度的电路。速度调节器是比例积分（PI）调节器，其P、I调整值完全取决于所驱动坐标轴的负载大小和机械传动系统（导轨、传动机构）的传动刚度与传动间隙等机械特性。位置环是控制坐标轴按指令位置精确定位的控制环节。位置环将最终影响坐标轴的位置精度及工作精度。这其中有两方面的因素：一是位置测量元件的精度与CNC系统脉冲当量的匹配问题。测量元件单位移动距离发出的脉冲数目经过外部倍频电路和/或CNC内部倍频系数的倍频后要与数控系统规定的分辨率相符；二是位置环增益系数Kv值的正确设定与调节。在速度环最佳化调节后Kv值的设定则成为反映机床性能好坏、影响最终精度的重要因素。Kv值是机床运动坐标自身性能优劣的直接表现而并非可以任意放大。关于Kv值的设置要注意两个问题，首先要满公式Kv=v/Δ，式中v为坐标运行速度（m/min），Δ为跟踪误差（mm）。
位置反馈一种是半闭环控制，即位置测量元件不在坐标轴最终运动部件上，也就是说还有部分传动环节在位置闭环控制之外，这种情况要求环外传动部分应有相当的传动刚度和传动精度，加入反向间隙补偿和螺距误差补偿之后，可以得到很高的位置控制精度；第二种是全闭环控制，即位置测量元件安装在坐标轴的最终运动部件上，理论上这种控制的位置精度情况最好，但是它对整个机械传动系统的要求更高而不是低，如若不然，则会严重影响两坐标的动态精度，而使得机床只能在降低速度环和位置精度的情况下工作。
前馈控制与反馈相反，它是将指令值取出部分预加到后面的调节电路，其主要作用是减小跟踪误差以提高动态响应特性从而提高位置控制精度。
2.SIEMENS DOConCD
SIMODRIVE Linear Motors 1FN1 and 1FN3(PJLM)（选型/安装/参数）
SINUMERIK 840D Installation and Start-Up Guide(IAD)（调试）
Build-in torque motor 1FW6 planning guide (2003.5)
整体控制方案
YK7340数控成型磨齿机最终选择了西门840Dpower line,611digital drive驱动力矩电机1FW6090，需满足：Fmax应用 < Fmax电机；F有效应用齿轮传动机构，简化了设计，降低了机床成本，提高了回转和插补精度。
低转速、大转矩：由于直接驱动没有中间机械传动环节（齿轮箱、丝杠/螺母、齿轮/齿条、齿轮/齿形带、皮带/皮带轮、联轴器）的降低转速/放大转矩的作用，要求直接驱动电机低转速/大转矩，故又称直接驱动电机为力矩电机。
免维护：由于直接驱动没有中间机械传动环节（齿轮箱、丝杠-螺母、齿轮-齿条、齿轮-齿形带、皮带-皮带轮、联轴器等），无需对中间传动环节进行机械维护。只有直接驱动直流无刷电机一个驱动部件，由于直流无刷电机没有电刷也不需要维护。
零间隙、高刚度（低柔性）：由于直接驱动没有中间机械传动环节，不存在中间机械传动环节的传动间隙（齿轮间隙、丝杠/螺母间隙），没有中间机械传动环节存在的柔性的问题。
极好的伺服性能：由于直接驱动具有零间隙、高刚度、伺服环（速度环、位置环）可有较高的闭环带宽。高带宽使系统有极快的响应速度和抗负载扰动的能力。
具有较大的加/减速负载的能力：电机的加速能力全部用来加速负载，无需加速中间机械传动环节。
极好的低速和高速性能：直接驱动直线电机可以获得低于1μm/s的低速和获得5m/s以上的高速。
极高的精度：由于没有中间机械传动环节的传动误差，直接驱动可以获得极高的位置精度。定位精度（绝对位置精度）取决于反馈装置的精度，重复定位精度取决于系统的分辨率。
紧凑、坚实的外形：无框架直接驱动电机是机器的一部分，使机器的外形更加美观。
静音运行：运行时没有中间机械传动环节的运行噪声。
力矩电机1FW6090为液体冷却，多级永磁交流同步电机，带空心转子。
1.直接驱动参数的配置及优化
（1）配置驱动：选择驱动类型SLM，根据订货号选择功率模块。
（2）修改轴数据：如MD30130、MD30240驱动生效，速度等。
（3）选择电机：根据订货号选择电机，比较早HMI没有力矩电机的订货号，必须手动输入电机参数。
（4）选择测量系统：选择测量系统（根据实际使用光栅尺选择），选择转子位置识别方式，必须进行转子位置识别，确定速度实际值是否取反，输入光栅尺的栅距。
（5）电机温度监控：如果没有选择SMExx模块，可设置MD1608=80（任意值）取消电机温度监控，在硬件连接中将力矩电机中PTC温度检测通过中间继电器（3RN1013-1GW10）转化为开关量信号输入到PLC中通过程序控制以防止电机温度过高。如果有SMExx模块，温度监控可直接进入驱动内部通过系统自动控制。
（6）为了调试安全，暂时限制电机电流，如将MD1105设为20%。
（7）MD1075：电机+增量光栅：基于感应的位置识别算发，MD1075=1；电机+增量光栅：基于运动的位置识别算法，MD1075=3；存驱动启动文件，NCK复位，然后根据使用的测量系统调试。
（8）设置MD1017=1启动测试，在手动模式下移动轴使其通过零点，转子位置差别会自动存放到MD1016。此时会出现报警300799，保存参数并NCK复位。
（9）检查轴运动方向，不对改MD32100。
（10）回参考点。
（11）设置软限位。
（12）优化驱动。
电流环的优化：如果是西门子的驱动加电机，通常不需要优化；如果是西门子驱动带第三方电机，可能要优化。测试手段：频率响应；相关参数：1000电流控制器循环、1120电流控制器比例增益、1121电流控制器积分时间。在幅频曲线中，曲线尽量靠近0dB，且频率越高越好（注意：请不要对垂直轴作此项测试）。电流环频率响应如图2所示。
图2 电流环频率响应曲线图
速度环的优化：优化速度环就是为了得到最大的Kp（速度环增益）和最小的Tn(速度环积分时间)，但在增加Kp和减小Tn时会引起机床共振，因此就需增加电流滤波器来镇压机床共振。优化速度环必须将速度环的滤波器关闭，即1500=0。
系统在选定电机后，就会默认添加一个低通滤波器。所以我们在添加滤波器时应该从滤波器2开始，一般为带阻滤波器，并尽可能少的使用滤波器数量。
调整Kp。将Tn加大到150ms，关闭积分时间。增加Kp值使电机啸叫后适当减小Kp，进行“参考频率响应”测试，找到极点加入电流环滤波器1200，使幅频特性波形低于0dB，反复调整测试直到接近或大于Kp≈1200Xmotorinertia=1200XMD1117。如果速度环循环时间是125μs，Kp≈2000Xmotor inertia=2000XMD1117。如果速度环循环时间是62.5μs，为了系统的安全性将最大可能达到的值减小10%。
速度设定点阶跃响应：用于检查速度环增益（MD1407），采用阶越改变信号测试，记录Tn值且将其设为0（注意：请不要对垂直轴作此项测试）。调整Tn。减小Tn到20~2ms范围内，进行“参考频率响应”测试，使幅频特性波形低于3dB，反复调整测试直到最小。
速度干扰阶跃响应：用于检查速度环积分时间（MD1409）。
速度环的最佳调节应该在位置环开环条件下；测量元件的安装问题影响位置环的精度，千万不可轻视。
速度环频率响应如图3所示。机械频率响应（具有双测量回路）：确定机械固有频率。
图3 速度环频率响应曲线图
位置环的优化：MD32200、MD32431最大值取决于机械的自然频率。MD32200使用位置环频响特性测试找到极点加入速度环滤波器1500，增加Kv值且保证在整个频率范围内小于0dB。
对于插补轴必须设定相同的Kv值，即依照最差轴为准。前馈的加入必须是在上述三个控制环均最佳调试完毕后方可进行；各联动坐标轴的Kv值必须相同，以保证合成运动时的精度。
位置环频率响应如图4所示：位置环设定点阶越、位置环干扰阶跃。
图4 位置环频率响应曲线图
伺服跟踪：（相关参数）32431路径运行的最大轴突变，32810向前进给控制的等效时间恒定速度控制回路。
用下面的程序经过测试后如图5所示：
FFWON
SOFT
START：
G01 C10 F10000
G04 F0.5
$AA_SCTRACE[C]=1；Trigger for Servo-Trace
G01 C60
G04 F0.5
GOTOB START
M30
圆测试：在磨削过程中用圆测试检查了C/Z的插补。
通过以上各种调试手段的运用，机床达到要求精度。
图5 伺服跟踪曲线图
西门子直接控制技术在数控成型磨齿机上的应用，取消了传统的齿轮传动机构，简化了设计。虽然电机采购成本有所增加，但由于取消了机械机构上许多造价昂贵的部件，机床在加工规格加大的情况下，整体成本反而大幅降低，机床精度稳定在四级，从而大大提升了产品的市场竞争力。首台样机成为北京国际机床展览会的一大亮点，受到业内人士的广泛关注和好评。为直接驱动技术在以后新产品发的使用奠定了坚实的理论和实践基础。(end)
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(10/27/2009) |
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