西门子840D数控系统在龙门镗铣床中的应用
一、引言
当数控龙门镗铣床的位置环增益（kv）因各种原因无法提高时，在高速加工、圆弧插补时，会产生一个较大的跟随误差和圆度误差，影响工件的加工精度。在不增加位置环增益（kv）的情况下，为减少加工误差,我们使用了西门子跟随误差补偿功能，又称前馈控制，提高机床加工精度。本文主要讲述速度前馈控制。
二、工作原理 西门子系统的跟随误差（following error）一般是指位置环的位置编程值和实际值之间的差值，它反映了机床动态跟随精度和静态定位精度。跟随误差和位置环增益之间关系式如下：
e=v/kv
式中： e – 跟随误差
v – 运动速度
kv – 位置环增益
由上式可见，当位置环增益（kv）确定后，跟随误差与运动速度成正比，即速度越大误差越大。数控龙门镗铣床由于受机床传动刚性、固有频率等因素的影响，其位置环增益（kv）无法达到较高值，因此当高速加工时会产生较大的跟随误差，降低机床加工精度。在不增加位置环增益的情况下，为减小上述误差，西门子提供了跟随误差补偿功能（fllowing error compensation）,又称前馈控制（feedforward control），通过该功能可将跟随误差降到接近于零，达到提高位置环增益同样的效果。西门子前馈控制有两种，一种是扭矩前馈控制，一种是速度前馈控制，大部份是采用速度前馈控制，本文主要阐述速度前馈的调试及优化。其工作原理如图1:
图1 速度前馈控制
三、跟随误差补偿功能的生效方式： 跟随误差补偿的生效方式，可以通过参数 $ma_ffw_activation_mode，设为总是有效或者通过程序指令选择有效，通常选择通过编程指令选择有效。
跟随误差补偿生效方式：
md32630 $ma_ffw_activation_mode = 0 ；前馈控制总是有效
= 1 ；在程序中用指令选择是否有效
编程指令： ffwon/ffwoff 跟随误差补偿生效/无效；
md20150【23】=2 通道复位后生效
四、跟随误差补偿功能的参数设置及优化： 注：在使用跟随误差补偿功能之前，各机床轴的位置环、速度环、电流环需经过优化 ！
1.跟随误差补偿功能的相关参数
md32610 velo_ffw_weight
md32620 $ma_ffw_mode ；前馈控制方式 3：速度前馈 4：扭矩前馈
md32630 $ma_ffw_activation_mode ；前馈生效方式
md32810 $ma_equiv_speedctrl_time ；速度环等效时间常数
2.速度环等效时间常数的调整与优化
速度前馈控制中唯一需要优化调整的参数是速度环等效时间常数md32810 $ma_equiv_speedctrl_time。调整、优化该参数最简便的方法就是做位置环阶跃响应的特性，利用伺服轨迹测量位置给定值和位置实际值之间的差值（特别是在位置实际值到达目标值前20μm的特性），根据轴的定位特性，将其调整、优化至最佳值。为获得良好的补偿效果，必须将$ma_equiv_speedctrl_time准确的设置在机床数据中，该值越小速度前馈控制的作用越强。
1)测试程序：（以x轴为例）
在【auto.】或【mda】方式下，选择执行下述程序：
ffwon
soft
lab:
g01 x210 fxxxx ; 轴的最大进给速度
g04 f0.5
$aa_sctrace[x]=1 ；trigger for servo trace
x260
g04 f0.5
gotob lab
m30
2)测试方法
利用伺服轨迹功能（如图2），选择“测量”输入测量内容（如图3）按【nc start】键，执行程序和测量 根据测试曲线（如图4），分析机床轴的定位特性，调整参数$ma_equiv_speedctrl_time。
图2 伺服轨迹
图 3 测量内容
图4 测试曲线
3)位置环阶跃响应曲线的分析与参数优化：（以x轴为例）
在速度前馈不生效状态下，测量轴的位置实际值、编程值、轮廓误差和系统误差，如图5：
md 32620 $ma_ffw_mode 0
md 32810 $ma_equiv_speedctrl_time 0.0
图5 前馈不生效时测试曲线
激活速度前馈控制，测试轴的位置实际值、编程值、轮廓误差和系统误差。
参数设置：
md 32610 velo_ffw_weight 1.0
md 32620 $ma_ffw_mode 3
md 32810 $ma_equiv_speedctrl_time 0.0025
md 32431 $ma_max_ax_jerk 80
测试曲线如图6所示，当轴移动到目标位置前定位成爬行状态，说明md 32810 $ma_equiv_speedctrl_time 设定值过大，应减小。
图6 前馈生效时的响应曲线1
参数设置：
md 32610 velo_ffw_weight 1.0
md 32620 $ma_ffw_mode 3
md 32810 $ma_equiv_speedctrl_time 0.0018
md 32431 $ma_max_ax_jerk 80
测试曲线如图7所示，当轴移动到目标位置前，有位置超调现象，说明md 32810 $ma_equiv_speedctrl_time 设定值过小，应增大。
图 7 前馈生效时的响应曲线2
参数设置：
md 32610 velo_ffw_weight 1.0
md 32620 $ma_ffw_mode 3
md 32810 $ma_equiv_speedctrl_time 0.002
md 32431 $ma_max_ax_jerk 80
如图8所示：当轴移动到目标位置时，无超调和爬行现象，说明md 32810 $ma_equiv_speedctrl_time优化至最佳状态。
图8 前馈生效时的响应曲线3
按照上述步骤，逐次优化机床各插补轴的速度环等效时间常数，然后取各插补轴 $ma_equiv_speedctrl_time 的最大值，设为各插补轴速度环等效时间常数。
注：所有插补轴上述参数应设置成相同值,否则在执行圆弧插补时，会导致圆度变成椭圆。
五、圆度测试： 将速度前馈控制优化调整后，需使用圆度测试功能，在前馈控制功能生效的状态下，对插补轴的动态特性进行分析和评估。
例：以xy轴为例
1.测试程序
ffwon ; 激活前馈控制
soft
g17 ; 选择xy平面
g91 ; 增量
g02 i10 j0 f5000 turn=30 ; r=10mm v=5000mm/min 重复执行30次
m30
2.测试结果
图9 xy 圆度测试曲线1
前馈控制功能生效后，做圆度测试时，通常圆的实际半径会过大（如图9），此现象可通过调整动态匹配响应时间$ma_dyn_match_time或加加速滤波器时间常量md32410 $ma_ax_jerk_time参数进行修正。
通过优化动态匹配时间常数，修正圆度的大小 x y
32200 posctrl_gain 3.2 3.2
32610 velo_ffw_weight 1.0 1.0
32620 ffw_mode 3 3
32810 equiv_speedctrl_time 0.002 0.002
32900 dyn_match_enable 1 1
32910 dyn_match_time 0.0062 0.0062
通过参数 $ma_dyn_match_enable 激活动态匹配功能，并根据根据圆度测试的结果优化调整 $ma_dyn_match_time 动态匹配时间常数的大小，直至圆的实际半径与编程半径的差在精度要求范围之内，如图10：
图10 xy圆度测试2
所有插补轴的动态匹配时间常数$ma_dyn_match_enable 应设置为相同数值，如果不同则影响圆周形状，如图11：
x y
32200 posctrl_gain 3.2 3.2
32610 velo_ffw_weight 1.0 1.0
32620 ffw_mode 3 3
32810 equiv_speedctrl_time 0.002 0.002
32900 dyn_match_enable 1 1
32910 dyn_match_time 0.0035 0.0037
图11 xy圆度测试3
通过调整轴冲击限制滤波器时间常数md32410 $ma_ax_jerk_time，修正圆的大小
通过参数$ma_ax_jerk_enable激活加速度变化率时间，并选择加速度变化率模式$ma_ax_jerk_mode，建议使用32402 ax_jerk_mode=2，执行上电复位操作，激活上述设置。执行圆度测试程序，根据测试结果优化参数$ma_ax_jerk_time的大小，调整圆实际大小至要求的精度范围内。如图12：
x y
32200 posctrl_gain 3.2 3.2
32610 velo_ffw_weight 1.0 1.0
32620 ffw_mode 3 3
32810 equiv_speedctrl_time 0.002 0.002
32900 dyn_match_enable 0 0
32400 ax_jerk_enable 1 1
32402 ax_jerk_mode 2 2
32410 ax_jerk_time 0.023 0.023
图12 xy圆度测试4
如果插补轴的加速度变化率时间设置不同，则圆周形状会受到影响，如图13：
x y
32400 ax_jerk_enable 1 1
32402 ax_jerk_mode 2 2
32410 ax_jerk_time 0.023 0.025
图 13 xy圆度测试5
六、结语： 通过使用西门子840d数控系统的跟随误差补偿功能,使我公司生产的3x6米数控定梁龙门镗铣床加工模具时，在圆弧、拐角等加速度发生变化的地方，轮廓偏差降低了0.03～0.05mm,达到提高位置环增益的相同效果，改善加工质量,满足了机床的精度及加工要求。
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二、工作原理 西门子系统的跟随误差（following error）一般是指位置环的位置编程值和实际值之间的差值，它反映了机床动态跟随精度和静态定位精度。跟随误差和位置环增益之间关系式如下：
e=v/kv
式中： e – 跟随误差
v – 运动速度
kv – 位置环增益
由上式可见，当位置环增益（kv）确定后，跟随误差与运动速度成正比，即速度越大误差越大。数控龙门镗铣床由于受机床传动刚性、固有频率等因素的影响，其位置环增益（kv）无法达到较高值，因此当高速加工时会产生较大的跟随误差，降低机床加工精度。在不增加位置环增益的情况下，为减小上述误差，西门子提供了跟随误差补偿功能（fllowing error compensation）,又称前馈控制（feedforward control），通过该功能可将跟随误差降到接近于零，达到提高位置环增益同样的效果。西门子前馈控制有两种，一种是扭矩前馈控制，一种是速度前馈控制，大部份是采用速度前馈控制，本文主要阐述速度前馈的调试及优化。其工作原理如图1:
图1 速度前馈控制
三、跟随误差补偿功能的生效方式： 跟随误差补偿的生效方式，可以通过参数 $ma_ffw_activation_mode，设为总是有效或者通过程序指令选择有效，通常选择通过编程指令选择有效。
跟随误差补偿生效方式：
md32630 $ma_ffw_activation_mode = 0 ；前馈控制总是有效
= 1 ；在程序中用指令选择是否有效
编程指令： ffwon/ffwoff 跟随误差补偿生效/无效；
md20150【23】=2 通道复位后生效
四、跟随误差补偿功能的参数设置及优化： 注：在使用跟随误差补偿功能之前，各机床轴的位置环、速度环、电流环需经过优化 ！
1.跟随误差补偿功能的相关参数
md32610 velo_ffw_weight
md32620 $ma_ffw_mode ；前馈控制方式 3：速度前馈 4：扭矩前馈
md32630 $ma_ffw_activation_mode ；前馈生效方式
md32810 $ma_equiv_speedctrl_time ；速度环等效时间常数
2.速度环等效时间常数的调整与优化
速度前馈控制中唯一需要优化调整的参数是速度环等效时间常数md32810 $ma_equiv_speedctrl_time。调整、优化该参数最简便的方法就是做位置环阶跃响应的特性，利用伺服轨迹测量位置给定值和位置实际值之间的差值（特别是在位置实际值到达目标值前20μm的特性），根据轴的定位特性，将其调整、优化至最佳值。为获得良好的补偿效果，必须将$ma_equiv_speedctrl_time准确的设置在机床数据中，该值越小速度前馈控制的作用越强。
1)测试程序：（以x轴为例）
在【auto.】或【mda】方式下，选择执行下述程序：
ffwon
soft
lab:
g01 x210 fxxxx ; 轴的最大进给速度
g04 f0.5
$aa_sctrace[x]=1 ；trigger for servo trace
x260
g04 f0.5
gotob lab
m30
2)测试方法
利用伺服轨迹功能（如图2），选择“测量”输入测量内容（如图3）按【nc start】键，执行程序和测量 根据测试曲线（如图4），分析机床轴的定位特性，调整参数$ma_equiv_speedctrl_time。
图2 伺服轨迹
图 3 测量内容
图4 测试曲线
3)位置环阶跃响应曲线的分析与参数优化：（以x轴为例）
在速度前馈不生效状态下，测量轴的位置实际值、编程值、轮廓误差和系统误差，如图5：
md 32620 $ma_ffw_mode 0
md 32810 $ma_equiv_speedctrl_time 0.0
图5 前馈不生效时测试曲线
激活速度前馈控制，测试轴的位置实际值、编程值、轮廓误差和系统误差。
参数设置：
md 32610 velo_ffw_weight 1.0
md 32620 $ma_ffw_mode 3
md 32810 $ma_equiv_speedctrl_time 0.0025
md 32431 $ma_max_ax_jerk 80
测试曲线如图6所示，当轴移动到目标位置前定位成爬行状态，说明md 32810 $ma_equiv_speedctrl_time 设定值过大，应减小。
图6 前馈生效时的响应曲线1
参数设置：
md 32610 velo_ffw_weight 1.0
md 32620 $ma_ffw_mode 3
md 32810 $ma_equiv_speedctrl_time 0.0018
md 32431 $ma_max_ax_jerk 80
测试曲线如图7所示，当轴移动到目标位置前，有位置超调现象，说明md 32810 $ma_equiv_speedctrl_time 设定值过小，应增大。
图 7 前馈生效时的响应曲线2
参数设置：
md 32610 velo_ffw_weight 1.0
md 32620 $ma_ffw_mode 3
md 32810 $ma_equiv_speedctrl_time 0.002
md 32431 $ma_max_ax_jerk 80
如图8所示：当轴移动到目标位置时，无超调和爬行现象，说明md 32810 $ma_equiv_speedctrl_time优化至最佳状态。
图8 前馈生效时的响应曲线3
按照上述步骤，逐次优化机床各插补轴的速度环等效时间常数，然后取各插补轴 $ma_equiv_speedctrl_time 的最大值，设为各插补轴速度环等效时间常数。
注：所有插补轴上述参数应设置成相同值,否则在执行圆弧插补时，会导致圆度变成椭圆。
五、圆度测试： 将速度前馈控制优化调整后，需使用圆度测试功能，在前馈控制功能生效的状态下，对插补轴的动态特性进行分析和评估。
例：以xy轴为例
1.测试程序
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soft
g17 ; 选择xy平面
g91 ; 增量
g02 i10 j0 f5000 turn=30 ; r=10mm v=5000mm/min 重复执行30次
m30
2.测试结果
图9 xy 圆度测试曲线1
前馈控制功能生效后，做圆度测试时，通常圆的实际半径会过大（如图9），此现象可通过调整动态匹配响应时间$ma_dyn_match_time或加加速滤波器时间常量md32410 $ma_ax_jerk_time参数进行修正。
通过优化动态匹配时间常数，修正圆度的大小 x y
32200 posctrl_gain 3.2 3.2
32610 velo_ffw_weight 1.0 1.0
32620 ffw_mode 3 3
32810 equiv_speedctrl_time 0.002 0.002
32900 dyn_match_enable 1 1
32910 dyn_match_time 0.0062 0.0062
通过参数 $ma_dyn_match_enable 激活动态匹配功能，并根据根据圆度测试的结果优化调整 $ma_dyn_match_time 动态匹配时间常数的大小，直至圆的实际半径与编程半径的差在精度要求范围之内，如图10：
图10 xy圆度测试2
所有插补轴的动态匹配时间常数$ma_dyn_match_enable 应设置为相同数值，如果不同则影响圆周形状，如图11：
x y
32200 posctrl_gain 3.2 3.2
32610 velo_ffw_weight 1.0 1.0
32620 ffw_mode 3 3
32810 equiv_speedctrl_time 0.002 0.002
32900 dyn_match_enable 1 1
32910 dyn_match_time 0.0035 0.0037
图11 xy圆度测试3
通过调整轴冲击限制滤波器时间常数md32410 $ma_ax_jerk_time，修正圆的大小
通过参数$ma_ax_jerk_enable激活加速度变化率时间，并选择加速度变化率模式$ma_ax_jerk_mode，建议使用32402 ax_jerk_mode=2，执行上电复位操作，激活上述设置。执行圆度测试程序，根据测试结果优化参数$ma_ax_jerk_time的大小，调整圆实际大小至要求的精度范围内。如图12：
x y
32200 posctrl_gain 3.2 3.2
32610 velo_ffw_weight 1.0 1.0
32620 ffw_mode 3 3
32810 equiv_speedctrl_time 0.002 0.002
32900 dyn_match_enable 0 0
32400 ax_jerk_enable 1 1
32402 ax_jerk_mode 2 2
32410 ax_jerk_time 0.023 0.023
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如果插补轴的加速度变化率时间设置不同，则圆周形状会受到影响，如图13：
x y
32400 ax_jerk_enable 1 1
32402 ax_jerk_mode 2 2
32410 ax_jerk_time 0.023 0.025
图 13 xy圆度测试5
六、结语： 通过使用西门子840d数控系统的跟随误差补偿功能,使我公司生产的3x6米数控定梁龙门镗铣床加工模具时，在圆弧、拐角等加速度发生变化的地方，轮廓偏差降低了0.03～0.05mm,达到提高位置环增益的相同效果，改善加工质量,满足了机床的精度及加工要求。
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eSATA接口是什么
SEPIC方程和分量额定值
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