西門子數控系統摩擦力補償功能在解決加工質量問題中的應用
2023-2-17 來源： 昌河飛機工業（集團）有限責任公司 作者：胡輝
數控機床各軸在移動過程中，傳動鏈上的導軌與齒輪中的摩擦力會影響到機床軸的動態特性，尤其是機床軸從靜止狀態開始加速啟動，從靜摩擦到動摩擦轉變過程中產生的摩擦力，會引起短暫的跟隨誤差增大。當該軸與其它軸進行插補運動時，會造成明顯的輪廓誤差。比較典型的是在加工圓形輪廓轉換方向時，在過象限處，一根軸靜止且換向，會產生負面效應。
為了改善這些位置的輪廓精度，西門子數控系統提供了摩擦力補償功能，在機床軸從靜止狀態開始加速時，提供一個附加的設定值速度脈沖（以下簡稱附加脈沖），但這個附加脈沖需要調試，與實際偏差相匹配，不能太大，也不能太小，否則就會出現補償不足或補償過度的現象。
1、摩擦力補償功能簡介
根據使用需求，西門子數控系統提供的摩擦力補償功能可分為以下三種類型 :
（1）補償值恒定的摩擦力補償不考慮機床軸的加速度，始終為速度設定值提供相同的附加脈沖（如圖 1 所示），可設置調整附加脈沖的振幅和失效時間。
圖 1 補償值恒定的特性曲線
（2）帶自適應特性曲線的摩擦力補償
可通過設置三個不同的加速度控制點，以及附加脈沖的最小振幅、最大振幅和失效時間，形成一條附加脈沖的幅值特性曲線，如圖 2 所示。
圖 2 帶自適應的特性曲線
（3）高階版帶自適應特性曲線的摩擦力補償可設定四條附加脈沖補償特性曲線，每條曲線可包含至多 9 個加速度控制點，如圖 3 所示。
圖 3 高階版帶自適應的特性曲線
針對每個加速度值設置附加脈沖的振幅、生效時間和失效時間設定權重系數。若附加脈沖滿足不了要求，可考慮再增加一個附加轉矩脈沖。（該功能需許可證功能選件:6FC5800-0AS06-0YB0）以上三種摩擦力補償功能，其中第一種較為簡單且常用，另外兩種使用起來較為復雜，尤其是第三種，還需要購買相關的功能選項才能激活使用。在機械狀態良好的情況下，使用第一種功能基本上就能解決常見問題，如果不能解決且對輪廓精度要求較高的話，才會考慮使用第二、第三種補償功能。
以下就以第一種摩擦力補償功能為例，簡單介紹一下該功能在解決加工質量問題中的應用方法。
2、 應用案例
（1）故障現象
一臺四軸臥式加工中心， 配置西門子840DSL 數控系統，加工一工件時，在圓弧輪廓過渡處有明顯的接刀痕（如圖 4 所示），無法滿足工件精度要求。
圖 4 工件接刀痕
（2）問題分析及解決方案
在排除了操作方法、工件材料、刀具、工裝等工藝相關問題后，將分析的重點轉向設備本身。檢查機床潤滑單元、導軌絲杠潤滑情況，以及機床軸的反向間隙，均沒有發現明顯問題。仔細分析工件接刀痕，發現該接刀痕是在圓弧輪廓換向處，在機床 Y 軸換向時出現。
因此，考慮使用西門子數控系統自帶的圓度測試功能，對機床 X、Y 軸進行圓度測試，檢查兩軸之間的插補精度以及動態匹配性。圓度測試程序如下 :
G91; 增量編程方式
G17;X、Y 平面
G02 I20 J0 F2000 TURN=10;
半徑 20mm，循環執行 10 次圓弧插補
M30; 程序結束
通過執行以上圓度測試程序，測試結果如圖5 所示，發現在 Y 方向過象限處有明顯的凹尖點，與工件接刀痕一致，同時發現 X 軸在過象限處也有同樣的故障現象。
圖 5 圓度測試結果
因此，使用補償值恒定的摩擦力補償功能對X、Y 軸進行補償，補償后用圓度測試進行測試，重復幾次直到圓度測試最佳狀態，無明顯尖點（如圖 6 所示），調整后的參數如下表所示。
圖 6 補償后圓度測試結果
摩擦力補償參數表
補償值恒定的摩擦力補償相關參數 :MD32500 FRICT_COMP_ENABLE[< 軸 >] ;=0: 補償功能關閉，= 1: 補償功能激活MD32520 $MA_FRICT_COMP_CONST_MAX[< 軸 >]; 附加脈沖振幅MD32540 $FRICT_COMP_TIME[< 軸 >] ;附加脈沖失效時間重新加工工件，表面質量明顯改善，接刀痕現象基本消失（如圖 7 所示），完全滿足工件精度要求。
圖 7 補償后工件接刀痕
3、結語
隨著數控機床使用年限的增長，機械性能逐年劣化，機床動態特性降低，加工工件的精度和表面質量也隨著變差，已無法達到新機床的加工效果。
在不進行機械大修或者更換老化部件的情況下，如何利用數控系統補償功能，對機床動態特性進行優化，彌補機械劣化損失，對于設備維護人員來說，這是一個值得探索的技術方向。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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