840D数控系统轮廓误差报警及处理方法

罗兴华

（成都飞机工业（集团）有限责任公司，四川成都 610092）

1 西门子840D数控系统的轮廓监控的功能

轮廓监控功能是监控轮廓误差和跟随误差。轮廓误差是通过测量的实际值和从NCK位置计算出的位置理论值之间的误差。为了能提前计算出实际值，系统使用包括前馈控制在内的一个数学模型来模拟位置控制动态响应。跟随误差是插补器输出与机床实际测量值比较结果，其监控就是判断其值是否大于规定公差，跟随误差的监控功能在位置控制方式下生效，用于监控直线轴、旋转轴或主轴位置控制，系统的加减速过程和恒速过程，连续或不连续的轮廓加工过程。如跟随误差超过轮廓监控公差带，就会发生报警信息。

伺服系统的跟随误差e与进给速度V成正比，与伺服系统速度增益Kv成反比。因此，Kv越大，跟随误差就越小。但是Kv过大，会使系统稳定性变差。当系统稳定时，进给速度V越小，跟随误差越小。跟随误差使实际运动轨迹偏离指令轨迹，产生轮廓误差［1－2］。

实际上，大多是连续控制系统中两轴的增益持续特性常有差异，因此，加工圆弧会产生形状误差，即变成椭圆［4－5］。

数控系统进行连续控制加工时，由于跟随误差的影响会产生形状误差。欲减小该项误差，除将各插补坐标的系统增益调整至尽量接近外，还要降低进给速度，但这会降低效率，其次是尽可能增大位置增益，而增益过大时可能会引起振动。减小跟随误差的另一种措施是充分利用伺服前馈控制功能。预先设置合适的前馈量，使其与伺服滞后值接近，运动指令直接移后控制，然后进行位置负反馈比较。这比通常的误差控制要快的很多，而且极大地减少了增益大小的限制，会显著减小跟随误差［3］。

2 轮廓监控报警原因分析

2.1 系统参数设置问题

首先查看轮廓监控的公差带MD36400的设置，较大的公差带设置难以影响由于负载变化引起的速度波动，但较小的公差带又会使系统频繁报警，因此设置合理的轮廓监控公差带是必要的。

查看伺服增益因子KvMD32200在机床中的设置和位置控制器的优化情况，以确定坐标轴是否跟随设定的设置点而没有过冲。否则，必须改进速度控制器的优化状态，或者必须减小伺服增益系数Kv（Kv决定于机床传动装置的一般响应速度和机床的质量）。

改进速度控制器的优化状态，即查看轴的最大加速度MD32300在机床中设定值。加速度太大会使电流值达到极限，致使位置调节回路被断开，一旦位置调节回路被接通，则丢失的实际值将以超调的形式被恢复，将 MD32300 的值改小，观察是否有变化［4－5］。

2.2 伺服系统方面

查看电气柜温度和厂房环境温度，通风过滤网、灰尘等造成驱动器运行不稳定，从而使系统动态特性能有所降低，特性较硬或偏软将会导致轮廓误差报警。

通过动力电缆线查看电动机相间是否平衡，对地绝缘状态是否良好。如果状态不好，将电动机与电缆分开，分别检查电动机相间电阻。对地绝缘情况和电缆的通断状态和绝缘状态。

查看驱动模块上的状态指示灯是否有报警信号以及光栅尺是否被污染，反馈电缆接口是否有松动，以及电缆通断状态以及屏蔽层是否损坏。

2.3 检查机械方面

数控机床的进给传动机构一般是由减速齿轮、联轴器、滚珠丝杠副及支承轴支承轴承组成。在这些环节当中均存在间隙，在反向时，会产生反向间隙。对于半闭环伺服系统的数控机床，反向间隙存在会影响到机床的定位精度和重复定位精度，从而影响到机床的加工精度。数控机床的传动机构，如直线导轨有损坏，或电动机连接轴承损坏，或者液压系统故障造成平衡装置出问题，都会造成机床运行时摩擦力过大，从而产生轮廓监控报警。机械故障原因可能在机械传动系统上，一般先检查测量元件是否松动，固定位置是否正确，如果松动或位置不当都会导致NC系统采集位置环的信号失真。检查负载是否过大，工作台在移动过程中速度是否太快导致工作惯性太大等。

3 实例分析

例1 一配置西门子840D数控系统的卧式五坐标铣床，其X坐标轴采用的是双轴驱动，在加工工件时X1轴出现25050轮廓监控报警，观察驱动控制板上没有报警灯亮。清除报警，手动开动X轴，运行一段距离就出现25050轮廓监控报警。查看驱动服务菜单，发现X1轴平滑电流波动很大，X2轴的电流波动要小些，而且X轴在运动过程中声音比较大。在运动过程中触摸加工平台时感觉有点抖动，判断应该是机械传动过程阻力过大或不均匀引起的。于是机床主管人员对X1轴的反向间隙进行了检查，X1轴的丝杠窜动有0.02～0.03 mm，X2有0.02 mm;对丝杠的轴承和导轨滚动体润滑情况进行了检查，润滑情况良好，但发现丝杠两端的轴承座发热较快，拆开丝杠X1轴和X2轴的丝杠两端的轴承座，发现里面的复合轴承有不同程度的损坏。更换新的轴承，处理完毕后，检查丝杠传动不到0.01 mm，机床报警消除。

例2 一配置西门840D系统的落地镗铣床在加工工件过程中出现Y向轮廓监控报警。查看驱动控制板上没有报警灯亮，在手动方式下开动Y轴，查看驱动服务菜单，Y轴的平滑电流值5 A左右，负载维持在10%左右正常，但是当Y轴停止时出现25050轮廓监控报警，偶尔出现25080位置监控报警，25040刚性监控报警。针对此现象，于是调整M34600轮廓公差带、MD32200伺服增益和MD32300加速度的值后，故障现象依旧。将诊断菜单调出，观察Y轴实际位置值和系统给定值的变化情况比较发现，当Y轴出现报警时，实际位置值都下降2～5 mm。进一步验证，架百分表检查Y轴实际下降情况，也是下降2～5 mm。进一步检查发现，机床在按下急停钮的情况下也是要下降。于是问题集中在Y轴电动机刹车和机械配重情况下，检查机械配重，没有发现松动和卡壳，在传动部分和配重传动链上添加润滑油。现象依旧。综合分析之后，问题应该是由于带刹车的Y轴伺服电动机引起，更换Y轴电动机后，机床按急停钮情况下，不再下降，运行Y轴报警消失。

4 预防轮廓监控报警的措施

（1）定期检查机床精度。按计划对主轴跳动、各坐标的反向间隙、定位精度和重复定位精度，导轨是否有损伤、液压系统工作是否正常、垂直坐标平衡系统工作是否正常、各坐标的润滑是否充分进行检查。

（2）优化系统参数。利用西门子系统自带的测试功能和优化功能，测试各个坐标的稳态和动态响应特性，必要时可以对某些坐标进行优化。

（3）优化加工程序。充分根据机床的机构特点和加工工件的特性，选取合适的工艺参数，如加工半径较小的圆弧时，应尽量降低进给速度。而加工半径较大的圆弧时，应尽量提高进给速度，以提高加工效率。

（4）加强机床保养。按计划节点检查电气柜温度和厂房环境温度，通风过滤网、粉尘等这些造成驱动运行不稳定，使系统动态性能有所降低（特性较硬或者较软），导致产生轮廓监控报警的因素。这时我们可以针对不同情况进行处理，如更换损坏的过滤网或风机，对系统进行除尘，将参数进行重新调整或优化等。检查光栅尺周围是否脏了、反馈线路虚接、屏蔽层接触不良、动力电缆线是否破损，三相电阻是否平衡等。

［1］SIEMENS.Sinumerik840D_810Di简明调试指南［Z］.2002.

［2］王洪波.数控机床电机维修技术—SIEMENS，Sinumerik840D_810D系统［M］.北京:电子工业出版社，2007.

［3］祝林.解决轮廓监控报警的几种方法［J］.设备管理与维修，2010（2）.

［4］陈安民.加工中心圆轮廓误差的研究［J］.机械设计与自动化，2006.

［5］李恩林.数控系统插补原理通论［M］.北京:国防工业出版社，2007.