谢浩炜，张贤军

（中航西飞汉中航空零组件制造有限公司，陕西 汉中 723213）

数控机床在工业生产中发挥出重要价值，随着科技进步，机床加工精度和效率明显提高。为满足多元化生产需要，以西门子840Dsl系统为基础，应用伺服电机泵进行运动控制，通过使用双向伺服泵技术进行运动控制，能够提高运动控制的响应效率和精度，充分满足高标准的生产需要。因此本文提出了运动控制方案，对于机床生产精度的提高具有突出价值。

1 伺服泵运动原理

基于西门子840Dsl系统的伺服泵运动控制设计，是根据双向伺服泵驱动和液压系统原理完成的。在滑块部件实际运动中，可以总结为以下五种工况：①快下。滑块向下快速定位到达目标位置，运动时，下腔支撑失效，伺服泵提供滑块支撑力；泵反转时，滑块失去支撑落下；泵抽取油液补充上腔，由于上腔截面较下腔大，需要对优良进行补充。②保压。保持压力，将板料压紧，Y2阀通电后，伺服泵出现反转，供油给上腔，在液压系统和补液量保证平衡后，电机进入堵转，形成上腔压力[1]。③工进。向下带载慢速运动，Y2阀通电，伺服泵发生反转，供油给上腔；在上腔压力超过下腔压力后，导通支撑阀，让下腔油液回流至流油箱中，滑块发生向下运动。④回程。滑块向上运动至目标位置，所有阀门处于失电状态下，伺服泵正常正转，供油给下腔，将滑块抬升向上，上腔油液被抽取至下腔，另外一部分通过补充油液排出油箱。⑤卸荷。让压紧力释放，滑块向上运动到达指定位置，Y2阀通电后，伺服泵正常运转，电机反向扭矩，释放上腔压力后，油液被抽取至下腔，滑块上移。

2 基于西门子840Dsl系统的伺服泵运动控制实现

2.1 电流环控制

为了让机床顺利运转，减少振动，从内至外调整三环回路，各伺服轴调整后检查伺服轴参数匹配情况，避免加工精度发生偏差，如果圆弧插补存在问题造成工件过切或者少切问题，表面会形成刀纹影。对电流环控制的测试主要对频率响应进行测试，检测电流环增益值是否处于合理范围内，驱动电机出厂时已经经过调整，无需二次调试。根据电流环频率测试，检出控制参数、匹配情况的程度，如果加工时出现伺服轴转或者机床振动问题，表示匹配性差。控制时先明确伺服轴电机，明确电机数据，利用机床控制数据的功能，自动载入数据。通常情况下载入机床数据范围较广。调试前检查载入数据，测试频率响应时振幅一般不超过0 dB，测量频率响应要求达到-180°，相位点频率大于等于1 000 Hz。对电流环进行频率响应测试时，加强对工作人员的安全保护，由于电机不受力，转矩达到最小值，机床轴会脱离系统控制，需要加固机床轴。

2.2 速度环控制

调整测试速度环前，需要关掉速度环滤波器，速度环滤波器不会影响系统稳定性，但会影响编码器和光栅尺的分析结果，造成结果不准确。为了让伺服系统精准定位，需要提高速度环动态性能、抗干扰性以及调速范围，加工期间发现振动或不稳定问题，需要对速度环伺服匹配问题进行调整。通过对速度控制器积分时间、比例增的调整，能够保证系统动态性能保持最优状态。速度环设定比例增益是按照电机型号，大转矩电机速度环增益值较高，一般情况下积分时间为10 ms，调试时优先选择驱动系统相对应的电机[2]。调试中由于增益值较小，积分时间长，为避免调整后电机共振出现啸叫，先根据频率特性找到机床共振点，分析参数值写入Tn和Kp参数中。进行频率响应检测是通过找到极点和零点实现，零点为相位差和幅值的最小值，极点是幅值和相位差的最大值。调整伺服时尽量规避极点，减少零点的出现。要想保证系统整体的稳定性，需要在幅频特性曲线降低区段消除零点以及极点，通过添加滤波器消除零点和极点，扩大工作区域。

进行频率响应测试要根据响应图形对增益值进行调整，多次测试频率响应，对增益值进行调整，最后明确临界极点，使用带阻滤波器，将极点降低至0。根据测试曲线对相频和幅频进行观察，明确误差情况，如果振幅和速度相同，在幅频曲线中以0 dB表示。调试时滤波器根据测量结果设定以获得最佳参数值，幅频曲线出现低谷和尖峰，并且尖峰大于0 dB，使用带宽滤波器消除尖峰，不能消除低谷。积分时间设定十分关键，若幅频曲线大于0 dB，根据机床刚性特征，一般情况下积分时间为2～20 ms。最佳调整结果为幅频曲线接近于0 dB，幅频响应值小于5 dB。测试时电机和工作台连接，需要将机电降低至0以下。将机床增益值和积分时间准确记录，在时间常数设为0的情况下检测增益值，可以避免检测时受到系统的影响。使用速度环检测，得到速度环波形图，观察响应是否出现过冲。判断时间参数合理性通过干扰阶跃检测判断，随着时间参数减小，波动动作速度加快，缩短驱动控制时间。如果直线电机没有传动环节，设定积分时间为2 ms，控制过冲现象。若机床配置不良造成摩擦阻力过大，需要调整偏移量消除摩擦。

2.3 位置环控制

机床调试维护中，改变参数值优先对位置环参数检查，很多参数会影响位置环控制器，包括电流环和速度环。调试位置环前检测机床坐标是否为真实坐标值，检查误差值是否为1。调整位置环控制器找出最佳增益值，用伺服跟踪对伺服轴稳定性和过冲问题进行检测，设定加速度限幅控制速度最大值。检测圆度能够判断两服轴，画圆换向时两轴配合程度。在系统中添加速度滤波器，随时修正尺寸，让控制机床取得更好的画圆效果。为控制幅频不过冲，测试后对控制器参考频率进行测试。控制器响应根据位置环增益值确定，增益值会对误差和精度产生影响，跟随误差和增益值成反比关系，增益值越大，误差越小。

在机床调试中，增益值为1～10，机床调整的位置环增益值设定相同，选择最小参数，才能测试得到最佳精度。如果伺服轴增益值需要设定不同值，必须添加动态适配功能，用于减小两轴跟随误差。在调整伺服时未考虑到机床负载情况，实际加工时较为复杂，机床运行不稳定。可以在机床保持大负载运行状态中调试，保证伺服轴偏移值足够大，对摩擦力起到抑制作用。如果设定偏置参数过小，会造成测试结果误差过大。时间参数设定不超过15 ms，若时间参数设定过大，过度调节位置环控制器，会造成调试结果不准确。通过设定生效参数和时间参数，调整写入参数最佳值，位置控制环根据速度环滤波器平衡。位置环加速通过调整加速度参数对加速度特性进行控制，即改变加速度提高稳定性。设置加速度能够平稳过渡机床启动和停止时间，保证机床加工质量以及动态响应。使用机床程序进行加速度控制，用跟随功能设置最大加速度，判断参数设定合理性。通过对机械性能的设定，能够同时控制加速度和动态响应。

2.4 运动控制

系统根据液压原理，接收控制和运动指令换算，由于下腔和油缸截面不同，在不同工况下滑块切换传动比以及速比。在不同工况下，压力和滑块运动的变化和油泵转动不一致，切换工况后控制质量和压力反馈、实际位置方向相反。西门子系统运动指令是经过CNC运动规划和插补后，生成指令发送给伺服驱动，对力矩、速度以及电流环控制。在NCU和驱动之间添加控制单元，截取速度指令。利用西门子系统进行泵转速换算-线速度以及闭环PID的处理，通过总线控制驱动。DCC程序应用于报文接口以及变量之间，NCU指令通过报文接口传递数据，处理数据后输出为变量，由伺服驱动执行[3]。

3 结论

综上所述，基于西门子840Dsl系统进行伺服泵运动控制方案设计，通过二次开发应用DCC实现对伺服泵系统的高精度控制。常规机床数控系统使用直线轴以及泵控液压轴两种系统，弥补了常规控制系统在液压控制的不足。目前在工业生产中已经得到应用，但仍然存在很多改进的空间。未来还需要进一步优化控制程序，提高控制精度以及响应效率，满足更高标准和多元化的生产需要。