浅谈西门子840D伺服控制系统的应用与实践

浅谈西门子840D伺服控制系统的应用与实践

于鹏徐文强

(天津钢管集团股份有限公司天津市300301)

【摘要】本文首先简单介绍了西门子840D伺服控制系统的结构，然后结合使用实例，对西门子840D伺服控制系统的参数优化和故障维护进行了讨论，提供了一些该系统的使用和实践经验。

【关键词】840D伺服控制系统实践

前言

西门子840D伺服控制系统，在我国的数控机床中得到了广泛使用，其很好的提高了机床的加工精度和加工效率。本文将从伺服控制系统的参数优化和故障检测和维修两个方面，对伺服控制系统的应用和实践进行分析，希望可以为相关工程师或从业者提供一定的参考价值。

一、西门子840D伺服控制系统简介

伺服系统由功率放大器、伺服控制电路以及伺服电机组成。其可以将来自数控装置控制信息转化成各坐标轴方向的定位运动及进给运动。840D伺服系统在数控机床上，通过采用控制节，提高了控制精度、信号响应，以及动态性能等，进而提高了加工效率。驱动模块和电源模块共同组成了西门子840D的数字伺服驱动。

二、西门子840D伺服控制系统的参数优化

为了适应生产，现代数控机床对伺服控制的精度和速度要求很高，所以，伺服控制的跟随精度和响应速度就变得极为重要。正常情况下，在对机床进行调试时，伺服控制系统会给一组默认参数，但这些参数通常比较保守，只能保证系统运行正常，并不一定能够满足生产的需求，所以在伺服控制系统的使用中，伺服参数的优化，是一个值得深入研究的问题，下面将结合实例简单介绍伺服参数的优化过程。

（1）速度环优化

一般情况下，伺服电机与驱动模块是互相匹配的，所以电流环很少需要优化，所以，本文将从速度环优化开始讲解。而速度环控制器使用的事比例积分控制，参数优化过程中主要调整的事速度控制器的比例增益以及积分时间常数。在性能允许的情况下，为了提高机床的响应速度以及跟踪精度,Kp应该尽可能的大,而为了提高机床的抗干扰能力，Tn应该尽可能的小。在进行参数优化前，要是使用“频率响应”测试来调整Kp和Tn，并通过“扰动阶跃响应”测试来检它们否满足要求[1]。

（2）频率响应测试

调整凡的过程中需要进行频率响应测试,而频率特性这需要图来描绘。为了使系统快速响应,希望图中的幅频特性曲线带宽应该尽可能高。但随着凡值的增大,会出现幅频特性曲线在带宽频率之前超出线的情况。

系统响应速度主要受到比例控制的影响,所以需要通过阶跃相应测试来检测确定的Kp。较大的Kp回导致响应速度会增加,但超过了调量和振荡会增加,所以对这些性能综合起来考虑。而系统的看扰动性能主要受到积分控制影响。

（3）位置环优化

位置环使用比例控制,位置增益是这里涉及到的主要参数。增大凡就会提高带宽,但过大的Kp将使幅频特性曲线在带宽频率处超出线,这在位置环优化中不被允许。上图中给出了优化前后的曲线,其中第一幅图的曲线为优化前,第二幅图的曲线为优化后。在伺服跟踪时Kp,越大则跟踪精度就越高,但是过大的Kp会导致超调。在测试时如果跟踪曲线出现振荡,那么可以适当的降低加速度限制值。

（5）圆测试优化

对单轴进行优化后，要使用圆测试来检测两个轴的插补精度。在进行圆测试时,过象限点可能出现凸起现象,这主要是因为过象限点时,其中一个轴的速度立即开始加速,然而在由于摩擦的存在,在实际请框中，这个轴并不能立刻加速,这就导致了凸起现象的出现。如果凸起比较明显,需要用摩擦补偿参数对其进行弥补。补偿的办法是在轴换向时，提前增加一个速度信号,不过这个速度信号需要实际的误差相匹配，否则可能出现补偿过度或者补偿不够的情况。如果遇到速度不匹配的问题,可以使用西门子动态时间匹配功能来进行调节。它的调节方法是在速度较快的轴上设置一个动态时间匹配参数,而数控系统会根据这个参数来降低该轴的速度,使其与另一个轴的速度相匹配。

三、西门子840D数控系统故障诊断与维修

（1）西门子840D数控系统故障诊断方法

根据实践使用经验，伺服控制系统的故障诊断方法一共有五种，分别是感官分析法、自我诊断报警、参数校对、备份元件更换、逻辑分析。感官分析法，即在伺服系统出现故障时，维护工程师根据现场的情况、温度、气味等来对故障进行分析，是最简单的分析方法；自我诊断预警，则是在通过系统软件来进行自我诊断，但出现故障时，系统会进行报警，并未维护工程师提供一定帮助；参数的校对，即维护工程师需要定期检查伺服控制系统的各种参数，在出现故障时，就可以根须参数来迅速诊断出系统的故障，这样的诊断方法效率非常高：备份元件的更换。系统出现故障时，运维人员可以通过更换备用元件的方法，更换存在疑点的元件，从而找出故障部位，将故障损失降到最低；逻辑分析法即对伺服控制系统进行故障诊断时，进行逻辑分析，其方法是根据伺服系统的工作原理，从数控逻辑上进行分析，进而了解故障发生的原因及部位。这样的故障诊断方法，对维护工程师的专业素养要求比较高，只有充分了解伺服系统各个部件和数控原理的人才能进行有效的分析。

（2）西门840D伺服系统故障维修方法

在对840D伺服控制系统进行维修时，可以通过一些比较常见的维修技术来提高维修效率。例如，如零点调整技术，该技术有三个步骤，第一个步骤是将设备的后盖拆卸，然后对编码器进行零点调整：第二个步骤是，重新设置一下编码器的参数：第三个步骤是对编码器进行参数校正。通过这三个步骤，可以对840D数控系统完成零点调整。根据实践经验，840D伺服控制系统的功率模块最容易出现故障，维护工程师应该定期对功率模块进行检查，使其可以稳定运行。功率模块一般用万能表来进行检查，万能表可以准确的测量系统的电压值和电流值等参数，并将测量值和标准参数进行对比，从而了解系统的故障状况，如果伺服控制系统运行正常，万能表测量出的电阻值将会无穷大[2]。下面将对一些故障的维修方法做简单介绍。

伺服控制系统正常运行，Z轴出现振动和定位不准的故障，这种情况下伺服系统的电气部分一般不存在故障，其主要是由机械部分说引起，因此需要拆卸传动箱检查里面的齿轮，以及尺座的螺钉；当遇到润滑暂停，系统预警报警灯开始闪烁且系统停止运行的情况时，则应该查看润滑油是否不足，或者润滑油路是否堵塞，以及润滑油泵电机是否过量加载等。其操作的具体步骤是，先查看压力开关，如果压力开关正常，再检测油箱被润滑的部分，如果这一部分依然没问题，再检查由管是否堵塞；当工厂假期后复工时，数控系统启动后，三个给进轴的运动情况始终一致，这种情况可能是有总控制位置出现异常所致。这个时候，需要检查系统电气柜检，如果电气柜板面有预警提示和低压提示，就是系统电源出现了故障；当系统主轴在旋转时发出哒哒的异常声响，且在调低转速后，这种声音依然存在，且声音持续一段时间后系统自动报警，那么需对主轴机械部位进行全面的检查，看看是否有机械损伤，然后再用万能表对电机线圈进行检查，最后再检查主轴的编码器和驱动器。

结束语

本文对840D伺服控制系统的使用实践进行总结，提供了一些该系统参数优化的方法，并分析使用该系统时比较常见的故障和解决方法，希望能对相关设备的使用者或维护工程师提供一定的参考。

参考文献:

[1]马国春.西门子840D系统驱动优化详解[J].金属加工，2016（08）：45-66.

[2]李林.数控机床交流伺服控制系统的设计与仿真[D].三峡大学，2017（04）：32-38.