西门子840D数控系统参数优化分析与研究

西门子840D数控系统参数优化分析与研究

宁家宝

(中国有色（沈阳）冶金机械有限公司沈阳市110000)

摘要：随着工业生产技术的进步，复杂多平面、多曲面零件的精密性成为机械加工行业攻坚克难的关键技术，研制出高精度的数控机床是其最重要解决手段之一。数控机床的数控系统控制参数的优化对机床的性能提高有着非常重大的意义，但系统参数优化一定要根据客观情况出发，尽可能最大限度的发挥机床的性能。由于本公司搬迁且已投入使用的设备多为西门子840D数控系统，因此本文主要就西门子840D数控系统参数优化为课题进行分析探究，并提出一些个人观点，以供参考。

关键词：西门子840D；数控系统；参数优化；

1西门子840D数控系统的组成

西门子840D是由数控及驱动单元(CCU或NCU)MMC,PLC模块三部分组成,由于在集成系统时总是将SIMODRIVE611D驱动和数控单元(CCU或NCU)并排放在一起并用设备总线互相连接,因此在说明时将二者划归一处。

1.1人机界面

人机交换界面负责NC数据的输入和显示,它由MMC和OP组成:包括OP单元MMC,MCP三部分。

1.1.1MMC

MMC实际上就是一台计算机有自己独立的CPU,还可以带硬盘带软驱；OP单元正是这台带有西门子MMC的控制软件的计算机的显示器。我们常用的MMC有两种：MMC100.2和MMC103,其中MMC100.2的CPU为486,不能带硬盘；而MMC103的CPU为奔腾可以带硬盘。一般情况，为西门子840D系统配MMC103。

PCU是专门为配合西门子的操作面板OP10、OP10S、OP10C、OP12、OP15等而开发的MMC模块，目前有三种PCU模块——PCU20、PCU50、PCU70,PCU20对应于MMC100.2，；PCU50、PCU70对应于MMC103且PCU50的软件是基于WINDOWSNT的。PCU的软件HMI又分为两种：嵌入式HMI和高级HMI。一般标准供货时PCU20装载的是嵌入式HMI,而PCU50和PCU70则装载高级HMI。

1.1.2OP

OP单元一般包括一个10.4〞TFT显示屏和一个NC键盘。根据用户不同的要求西门子为用户选配不同的OP单元如OP030,OP031,OP032,OP032S等其中OP031最为常用。

1.1.3MCP

MCP是专门为数控机床而配置的，它也是OPI上的一个节点，根据应用场合不同，其布局也不同，目前，有车床版MCP和铣床版MCP两种。通讯地址用MCP后面的S3开关设定。西门子840D应用了MPI（MultiplePointInterface）总线技术，传输速率为187.5k/秒。为提高人机交互的效率，又设置了OPI总线，它的传输速率为1.5M/秒。

1.2数控及驱动单元

840D的数控单元被称为NCU单元即中央控制单元,负责NC所有的功能,机床的逻辑控制,还有和MMC的通讯,它由一个COMCPU板，一个PLCCPU板和一个DRIVE板组成。数字驱动是运动控制的执行部分,由611D伺服驱动和1FT6(1FK6)电机组成。西门子840D配置的驱动一般都采用SIMODRIVE611D。它包括两部分：电源模块+驱动模块（功率模块）。

1.3PLC模块

840D系统的PLC使用的是西门子SIMATICS7-300的软件及模块，在同一条导轨上从左到右依次为电源模块、接口模块、输人输出模块和信号模块。PLC的CPU与NC的CPU集成在NCU中，PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输人输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。

2数控系统优化理论

交流数控系统在机床进给驱动中一般包括稳定平滑的瞬态响应能力，以及较小的稳态位置跟踪误差和动态位置跟踪误差，以实现优秀的位置控制性能。为保护机床的稳定性能，机床在出厂时会设定1组相对保守的默认参数，使机床系统的性能不能发挥出最大程度达到前期磨合时期保护机床的效果，通常在使用一段时间后便可重新个性化设置。数控优化就是依据频率响应特性测试、阶跃响应测试、跟踪功能和圆测试进行数控参数调节，在保持机械状态稳定的情况下下最大程度的提升系统的性能。

3西门子840D数控系统参数优化分析

3.1电流环优化

一般西门子电动机与驱动是相配的，出厂时参数设置也比合适，在以后的电流环优化中还会进行自我调节，如果不使用非西门子电动机，电流环的优化不需要做很大的变化。进行电流环优化一般调节两个参数就行：

（1）电流环增益MD1120，它是影响电流环控制器反应速度的主要参数；

（2）电流环积分控制时间MD1121，它决定着电流环的稳定程度。在优化过程中，应使幅频曲线0dB的范围越宽越好，相频曲线-180°对应的频率至少在1000Hz以上。在依据整体要求稳定的实际情况下，随着MD1120从25提高到35，幅频曲线相对更平稳，衰减频率也有向高频发展的趋势，系统性能提高。

3.2速度环优化

对连接系统内环和外环之间的速度换进行优化是数控系统优化最重要的一步。速度环优化主要调节速度环增益KP（MD1407）来优化速度控制器的反应速度，在优化过程中电机可能出现“啸叫”，通过调节积分时间Tn（MD1409）增强数控系统的稳定性，从而使系统运行性能达到最优值。

3.3位置环优化

优化电流环和速度环之后整个系统的稳定相会有相对较大的提升，此时位置环的基本特性也会有很大的改善。位置环主要参数是位置环增益Kv，由形同稳定状态下的频率曲线来进行优化。增大位置环增益MD32200，提高位置环的宽带曲线，有利于提升动态特性反应速度。但是一味地增Kv会让幅频曲线在带宽频率附近超出0dB，使位置阶跃响应出现超调量，这在系统优化中是禁止的，所以不能一昧提升职位换的频率曲线。位置环还可以借助速度环进行优化，用法和电流滤波器基本一致。

4西门子840D数控系统应用实例

为了验证数控系统控制参数优化效果，我们选取一台使用西门子840D数控系统的轴齿轮滚齿机作为实验对象。该机床由840D数控系统控制五个轴，利用系统提供的电子齿轮箱功能控制两个旋转轴的耦合运动，从而实现连续滚切，所以数控系统控制的这两个旋转轴需要有非常好的动态性能。在没有进行数控驱动系统控制参数优化之前，出现旋转轴响应不及时而导致的振动、卡刀等现象。分别对数控系统的位置环、速度环和电流环控制参数进行优化。

4.1电流环优化

下图为电流环优化前后结果。电流环优化主要用于对电流的滤波调节，通过控制流程图可以看出，内部电流环的调节会影响外部速度环的性能，因此为了防止电流的不稳定波对电动机造成影响，设置滤波器类型为低通滤波，将MD1120的参数从26.6调节为40，优化后幅频曲线更平稳，且衰减频率更趋向高频，使得电机性能更高。

4.3位置环优化

位置环直接面向机床轴的实际位置，调节位置环增益MD32200（位置环控制器P增益），可优化位置环控制器的反应速度，更加精确地到达数控系统设定的位置，提高机床定位精度。将MD32200的参数从2改为5。优化后位置环增益在高频更趋近与平稳。在对数控系统的位置环、速度环以及电流环进行优化后，两个旋转轴之间的同步误差也由0.21°降低到0.09°，切削效果改善明显，不再出现啸叫和卡刀的现象，并且齿轮表面光洁度和精度也得到显著提高。

结束语：

综上所述，随着工业技术的发展，数控技术在机床加工领域的应用，使得加工技术变得的越来越现代化，能极大的满足各种对于加工件的设计要求。而这一切都依赖于数控系统的开发和应用，西门子作为目前使用较多的，较为稳定的数控系统，其参数的设置复杂多样，本文只能简单举例其优化的效果，所有制造及使用的工程师应从使用中摸索经验优化参数，因此更好的推动工业发展，提高数控技术的使用效率。

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