西门子Simotion运动控制器在处理机床横梁故障中的应用

毕俊喜,智伯雄,刘洪兵

(内蒙古工业大学机械学院,内蒙古 呼和浩特 010051)

西门子Simotion运动控制器在处理机床横梁故障中的应用

毕俊喜,智伯雄,刘洪兵

(内蒙古工业大学机械学院,内蒙古 呼和浩特 010051)

大型数控车床的装配精度问题一直备关注.对大型数控车床的精度调试工作更是机床在装配过程中必不可少的重要环节.其中,机床横梁升降的精度会直接影响机床加工的质量.本文基于对型号为GTC250110的大型立式车床横梁升降故障的调试过程为例,给出了一种基于西门子SIMOTION D435运动控制器为基础的调试方法.经实际检验结果表明,此方式有效的使机床精度恢复正常.由此为解决类似机床故障提供实际参考.

立式车床; 横梁; 精度; simotion D运动控制器

1概述

型号GTC250110是一台配有西门子840D数控系统的双Y轴大型动梁立式车床.该设备采用双伺服电机驱动丝杠旋转带动横梁升降.采用四组液压压板锁紧横梁以完成整个横梁升降过程.在机床调试过程中发生了严重的横梁升降精度超差现象,且此类现象极为少见.笔者结合多年西门子数控系统调试经验,并通过分析相关零件的实际情况与Ansys有限元分析结果作比对,在短时间内使横梁升降精度恢复到要求的范围内.

2 故障现象

检测横梁升降侧母线精度时,将1500mm检棒装卡在锁死的工作台上.将百分表的磁力表座吸在机床滑枕上.在机床滑枕与十字滑板相对静止时,横梁不动,仅松开、压紧横梁压板,百分表示数稳定.当机床横梁上升小段距离,锁紧横梁压板后,百分表示数+0.05 mm.松开横梁压板继续上升横梁,百分表示数无变化,仍为+0.05 mm.横梁与左立柱接触的侧表面下方,0.02 mm塞尺不入.反之,当机床横梁下降时,下降小段距离锁紧压板后,百分表示数-0.05 mm.松开横梁压板继续下降横梁一段距离,锁死横梁压板后百分表示数仍为-0.05.横梁与左立柱接触的侧表面下方,可塞入0.02 mm塞尺.整个横梁升降过程中伴有震颤现象.横梁升降速度越快,震颤越明显.

图1 GTC250110部件位置图Fig.1 Location of components of GTC250110

3 故障分析及诊断过程

根据沿机床坐标轴X方向上出现了可塞入塞尺的情况.首先对横梁与立柱沿机床坐标轴X方向接触面(镶条与立柱接触面)进行检测[1].在立柱表面涂抹检验蓝油,在镶条表面涂抹铅粉,完成一次横梁上升动作,取下镶条后结果如图2所示:镶条与立柱接触面不完全,出现了规律的部分接触,部分不接触的现象[2].依照常规做法,重新刮研镶条,但并没有解决上述故障.

图2 检验后的镶条实物图Fig.2 The test result of panel

依照镶条规律的部分接触,部分不接触的现象,根据机床横梁实际受力,对机床进行建模分析[3].分析结果如图3所示:横梁与立柱沿机床坐标轴X方向受力不均匀,且在上下镶条所在处出现了明显应力集中现象[4].在排除横梁压板动作失效及镶条刮研不良等问题后.判断为带动横梁升降的双伺服电机由于负载等其他原因,出现了不同步情况,导致上述故障现象.横梁升降时的震颤是镶条与立柱表面接触不均匀导致的.因此应对两伺服电机及其驱动丝杠在SINAMICS S120中的SERVO控制模式下作同步调试.

图3 横梁与立柱接触面有限元分析图Fig.3 The Interface finite element analysis between Beam and column

配置好SIMOTION D435驱动器后,在S120的SERVO中修改P1300及P1317的参数.对比r61读取的编码器速度值,检测编码器反馈值准确.SERVO中的速度控制器实现的是比例积分PI控制,其参数设定直接决定机械性能.传统的PID控制是通过以下算法实现的[5]:

传递函数对应计算机表达式算法:

数字PID对应计算机表达差分方程:

增量式PID对应计算机表达式:

通过推出增量式PID算法,可以有效地对应上位机,如输出控制指令为零时的故障,仍可保持前一步的位置.而且可以减少Jog与Auto切换时带来的冲击.在SINAMICS SERVO控制模式下,只需改变P1910,P1960等参数即可.并降低P1958加速度参数,减少P1082最高转速,延长速度变化斜坡参数p1958等[6].由于配置以上参数后,上述故障扔存在.随即对两根丝杠进行电子凸轮同步配置[7].配置同步框图,如图4所示,设定两丝杠轴名称分别为Axis_1,Axis_2.在给定两轴使能的情况下,利用电子凸轮定义两轴位置关系.电子凸轮生效后,通过两轴相对位置的Cam曲线检验两丝杠轴的实时位置.

图4 Axis_1,Axis_2配置框图Fig.4 Allocation Axis_1,Axis_2

调用SIMOTION命令库中的_enableCamming命令建立同步,利用ST语言进行同步功能程序编写[8].命名Axis_1为主丝杠,Axis_2为从丝杠,缩小同步长度至8 mm.重新编写电子凸轮同步程序.

在SCOUT环境下对配置好的两根轴在行程为1 200 mm的范围内两丝杠带负载时的同步监控,如图5所示.在Cam曲线中得出结论,电子凸轮重新配置的Axis_1,Axis_2两者的相对位置得到了改善,近乎趋近理想精度.如图6所示,每8 mm的同步长度内两轴监测点的位置关系.在建立同步期间,Axis_2状态显示为BASIC_MOTION_ACTIVE,基本保持了同步状态.有效的消除了横梁升降精度超差及伴有震颤的故障.

图5 1 200 mm范围内两丝杠轴同步监控图Fig.5 The range of 1 200 mm two screw axis synchronous control chart

图6 8 mm同步长度内两轴位置关系Fig.6 The relationship between the two positions in 8mm

4 结语

型号GTC250110立式车床横梁升降沿机床坐标轴X方向精度超差故障.经过对相关部件的检测及对横梁的建模有限元分析,可以大致判断出导致故障的元件.通过重新配置SIMOTION D435中的相关控制参数,确定了两个丝杠轴不同步的可能.通过重新配置电子凸轮的方式,使故障得以解决.在对机床的故障诊断过程中,如果可以以上述方式准确的找到引起超差的问题所在,不仅可以为整个检验过程节约时间,更避免了由于多次拆卸横梁导致的其余精度问题.

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WANG Kaikai.Research of multi-axis synchronous motion control system for industrial computed tomography[D].Chongqing：Chongqing University,2013.

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

内蒙古自然科学基金项目(2016ms0539)

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

TH 17

A

1672-5581(2016)06-0537-04