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西门子840D SL伺服插补轴圆度测试的参数优化与研究
作者：张义红 张立群
来源：《中国科技纵横》2017年第19期
摘 要：本文主要研究数控机床伺服插补轴圆弧轮廓轨迹精度的伺服参数优化方法。并结合Renishaw球杆仪和伺服Bode图来针对伺服圆弧插补轮廓轨迹精度进行反复的测量，并根据测量结果不断分析和优化相关伺服参数，使通过伺服参数优化后的数控机床伺服轴插补轮廓精度得以显著提升。
关键词：西门子840D Solution Line；伺服驱动参数优化；伺服圆度测试；Renishaw球杆仪
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）19-0075-02 1 概述
21世纪以来，由于机床加工工艺的不断优化和完善，多伺服轴联动插补的数控机床已经被广泛应用于制造业的各个领域，并逐步取代普通机床成为具有核心竞争力的制造装备之一。插补轴圆度轮廓轨迹精度的伺服参数优化工作是整个加工精度优化的重点步骤之一，也是提高数控机床整体加工质量的核心要素之一。因此，针对此项内容进行深入地分析和研究具有较高的学习应用价值。 2 球杆仪简介
球杆仪主要用于检测数控机床插补轴整圆轮廓几何精度误差以及插补轴动态响应特性匹配度的一种专用检测仪器，是伺服圆度测试参数优化过程中必不可少的检测仪器之一。该测量装置的工作原理是将球杆仪的两个磁性底座分别安装在数控机床需要进行圆弧插补运动的两个伺服进给轴工作台面上。测量系统软件通过球杆仪内部可伸缩的位移传感器来精确测量两个伺服轴插补运动所形成整圆轨迹轮廓的几何精度误差。其测量精度在常温下可达±0.5μm，可以十分精确地测量两个伺服轴整圆插补轮廓轨迹所发生的任何细微变化及精度误差值。计算机可以通过蓝牙通讯方式接收球杆仪位移传感器所测得的伸缩量，并使用球杆仪自带的测量软件将这一测量轨迹与标准整圆轮廓轨迹进行比较，从而生成实际测量结果，并分析得到数控机床实际的误差分布状况。这些测量结果报告可用于评定数控机床伺服进给轴的动态响应性能以及插补整圆轮廓轨迹的圆度精度误差等相关测量结果是否满足相应的加工要求和设计精度要求。 在整个测试实验过程中，将主要使用英国Renishaw公司自行设计研发的QC20-W高精度球杆测量仪来对数控机床的圆弧插补轮廓精度进行精度检测。QC20-W球杆仪的安装方式非常
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简便且人性化（实际安装方式如图1所示），同时由于该精密测量仪器自带无线蓝牙通讯传输装置，所以测试人员无须安装数据传输电缆便可直接进行数据高速传输通讯。该装置内部安装了一整套Renishaw公司自行设计研发的高精度高灵敏度位移传感器装置，它可以精确测量球杆仪在围绕一个固定点进行整圆轮廓轨迹插补运动时所产生的半径变化量，并通过
RenishawBallbar20应用软件采集并记录所以细微变化数据，从而自动生成测量结果和精度检测报告，为伺服插补圆度测试提供了大量相关测试数据，是最为重要的伺服参数优化分析测量仪器之一[1][2]。
3 伺服插补圆度测试
通常数控机床都会拥有两个伺服轴以上的插补联动空间曲线插补加工方式，所以在完成单个伺服进给轴的全部伺服参数优化内容后，对参与插补的伺服进给轴实施联动性能优化和调整是非常有必要的。比较常用的方法是伺服圆度测试，并通过伺服响应Bode图和球杆仪测试报告进行合理分析和实施进一步的伺服参数优化[3]。在进行圆度测试之前，首先需要根据数控机床的实际机械性能计算出两个插补伺服轴的频率响应特性参数值，并根据此参数设置其它相关测量参数。这些测量参数将直接影响圆度测试的测量结果以及伺服参数优化的结果。首先调试人员需要计算得出两个插补伺服轴的频率响应特性参数值，其计算公式如下： （1）
式中