HRV3控制對(duì)于提高加工精度的研究*

劉志華 朱麗輝 李 琳 謝小四

（云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，云南昆明 650203）

HRV控制從硬件和軟件方面對(duì)交流電動(dòng)機(jī)矢量控制進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)伺服裝置的高性能化，從而使數(shù)控機(jī)床的加工達(dá)到高速和高精。

1 HRV控制工作原理

HRV是“高響應(yīng)矢量”（High Response Vector）的意義。其工作原理圖如圖1。

HRV控制功能改進(jìn)了數(shù)字伺服電流環(huán)的特性。由于減少電流環(huán)中的控制延遲從而提高了電動(dòng)機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的速度控制特性。同時(shí)，在高速運(yùn)行或穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)時(shí)，削減了死區(qū)電流，減少了電動(dòng)機(jī)的熱損耗。在高速加工時(shí)減小了電流環(huán)的延遲，所以對(duì)于電動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)速度環(huán)的電流特性也得到提高，當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在1 500 r/min以上的高速加工時(shí)，加工工件形狀有明顯的改善。

使用HRV控制和高速速度環(huán)增益可以提高伺服系統(tǒng)的剛性，并且可以實(shí)現(xiàn)高增益的速度控制。利用高增益的速度環(huán)控制可提高抵抗外界干擾。

通過(guò)位置環(huán)、速度環(huán)的高增益化，可以改善伺服系統(tǒng)的響應(yīng)性和剛性，從而可以在機(jī)床上減小切削外形誤差，加快定位速度。同時(shí)，可以使伺服調(diào)整變得簡(jiǎn)單。只要將伺服HRV控制與CNC的前饋控制、AI輪廓控制、AI納米輪廓控制、高精度輪廓控制串聯(lián)就可以得到更加理想的結(jié)果。

圖2表示伺服HRV控制的增益調(diào)整結(jié)果，通過(guò)比較可以看出:提高基于伺服HRV控制的電流環(huán)路的響應(yīng)，有利于減少速度控制和位置控制響應(yīng)時(shí)間，從而在不使用反向間隙加速功能調(diào)節(jié)時(shí)也能減小象限凸起。

2 HRV3控制的設(shè)定

HRV3控制增加了排除低剛性機(jī)床的低頻振動(dòng)的外力干擾過(guò)濾器，通過(guò)伺服放大器、檢測(cè)器的高精度化來(lái)實(shí)現(xiàn)平順的進(jìn)給。由于采用高速DSP，可以在標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)比以往更加高速的電流控制周期。因此，HRV3控制也叫做“高速HRV電流控制”。

為觀察HRV3控制對(duì)于加工精度的改進(jìn)，采用以下設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證:L650立式加工中心，F(xiàn)anuc 0iMD數(shù)控系統(tǒng)，SVPM20/20/40伺服驅(qū)動(dòng)器和βis12/2000伺服電動(dòng)機(jī)。

2.1 伺服HRV3控制的設(shè)定

（1）加減速調(diào)整，見(jiàn)表1。

表1 加減速調(diào)整

（2）減小形狀誤差的設(shè)定，見(jiàn)表2。

（3）使用HRV3時(shí)的設(shè)定，見(jiàn)表3。

2.2 HRV3設(shè)定注意事項(xiàng)

（1）對(duì)于軸卡，如果使用HRV3控制，一條FSSB光纜只能連接4個(gè)坐標(biāo)軸的放大器（都是單軸放大器）和一個(gè)獨(dú)立位置檢測(cè)器接口（必須是C205型）。同時(shí)，同一條FSSB線上所有伺服軸必須使用相同的HRV3控制方式（FSSB周期=電流采樣周期），也就是1～4軸必須都是HRV3（62.5 μs），而第五軸可以使用HRV2 或 HRV1（125 μs/250 μs）進(jìn)行控制。

表2 減小形狀誤差的參數(shù)設(shè)定

表3 使用HRV3（高速HRV）時(shí)設(shè)定的參數(shù)

（2）如果使用HRV3控制，伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩限制中，電動(dòng)機(jī)的最大電流鉗制在放大器的最大電流值的70%。

（3）采用HRV3控制模式時(shí)，加工程序中必須指定HRV3控制即 G05.4Q1，否則為一般控制模式，HRV3控制不起作用。

（4）HRV3方式的診斷，可在診斷號(hào)700里觀察，如果參數(shù)設(shè)置正確并且相應(yīng)的硬件支持HRV3控制方式，數(shù)控系統(tǒng)電源斷電重新啟動(dòng)后，在診斷號(hào)700#1變?yōu)?時(shí)，表示可以使用HRV3功能。在診斷號(hào)700#1為1狀態(tài)下使用指令G05.4Q1時(shí)，診斷號(hào)700#0在切削進(jìn)給指令時(shí)變?yōu)?，表示電流控制周期為高速，使用了HRV3增益倍率。

（5）當(dāng)HRV3有效時(shí)，從電動(dòng)機(jī)一側(cè)能聽(tīng)到較高頻率的噪聲（相對(duì)于一般控制方式），在使用HRV2控制時(shí)也有這種聲音，這是由于控制電動(dòng)機(jī)的電流頻率變高了，是正常的聲音，不會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)造成損害。

3 相關(guān)參數(shù)調(diào)整后研究

3.1 頻率響應(yīng)

為了實(shí)現(xiàn)高速高精控制，修改好相應(yīng)的參數(shù)后，可能會(huì)帶來(lái)機(jī)床特性的一些變化。如:使用了HRV3控制后，可能會(huì)出現(xiàn)伺服軸高頻共振的問(wèn)題，所以對(duì)相關(guān)的參數(shù)須進(jìn)一步的調(diào)整，通過(guò)利用伺服調(diào)整軟件Servo Guide觀察相關(guān)軸運(yùn)動(dòng)的波形，找到共振點(diǎn)中心頻率、帶寬等，如果是低頻振動(dòng)，可以設(shè)定2067參數(shù)，利用TCMD來(lái)抑制振動(dòng)，設(shè)定值與截止頻率有關(guān)系，一般設(shè)在2000，如果是高頻振動(dòng)，則可以利用HRV濾波器來(lái)消除高頻振動(dòng)，消除共振后，就可以設(shè)置更高的速度環(huán)增益，不過(guò)修改后要重新測(cè)量頻率響應(yīng)，重復(fù)幾次，直到滿足要求為止。

在此次實(shí)驗(yàn)中，沒(méi)有調(diào)整相關(guān)的HRV濾波器前，出現(xiàn)了高頻振動(dòng)，經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整相關(guān)參數(shù)和使用了HRV濾波器后，削除了高頻振動(dòng)，圖3、圖4為調(diào)整后測(cè)得的X軸、Y軸頻率響應(yīng)特性波形。

3.2 觀測(cè)TMCD，SPEED、ERR的波形

利用Servo Guide檢測(cè)各軸直線運(yùn)動(dòng)的TMCD及速度波形，確定位置環(huán)的增益為250。走直線程序主要觀測(cè)TMCD、SPEED、ERR的波形，如果加速時(shí)間太短或增益設(shè)定太高，則TMCD波形會(huì)有較大的沖擊或波動(dòng)，好的波形在加減速的地方電流波形平滑過(guò)渡，而在直線部分從頭到尾幅度應(yīng)該相同，如果逐漸變粗，表示增益過(guò)高。圖5為調(diào)整好的X軸直線運(yùn)動(dòng)波形。

3.3 測(cè)量X軸－Y軸圓弧運(yùn)動(dòng)軌跡的誤差波形

利用 Servo Guide測(cè)量X軸－Y軸圓弧運(yùn)動(dòng)軌跡的誤差波形。如果上面的直線運(yùn)動(dòng)調(diào)整得比較好，則圓弧運(yùn)動(dòng)就相對(duì)容易。在調(diào)整過(guò)程中，如果圓弧顯示變形，可能是由于背隙補(bǔ)償造成，可以在測(cè)試前將1851號(hào)參數(shù)改成1，如果圓弧的半徑誤差比較大，可以設(shè)定前饋系數(shù)，利用前饋功能來(lái)縮短由于伺服系統(tǒng)的跟蹤延遲導(dǎo)致的誤差;如果象限有凸起或過(guò)切，可以通過(guò)調(diào)整速度增益和背隙加速等參數(shù)來(lái)調(diào)整。在高速加工時(shí)相對(duì)于一般加工，高速加工時(shí)減小了電流環(huán)延遲，電動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)速度環(huán)的電流特性也得到了提高，當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在1 500 r/min以上進(jìn)行高速加工時(shí)，加工工件的形狀有了明顯的改善。圖6是采用了HRV3控制高速加工時(shí)的形狀誤差。

4 HRV高精度矢量控制系統(tǒng)的試件切削

相關(guān)參數(shù)調(diào)整完成后，在主軸上裝一直徑為10 mm的立銑刀，用X軸與Y軸同時(shí)插補(bǔ)，循圓測(cè)試，試切削工件為鑄鐵，循圓直徑為300 mm，切削速度F為3 000 mm/min，主軸旋轉(zhuǎn)速度S為4 000 r/min。切削完成后，經(jīng)檢測(cè)加工表面的粗糙度與精度達(dá)到了相應(yīng)的要求，比未采用HRV3控制的加工工件最大誤差減小了近 70 μm。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)調(diào)整機(jī)床的HRV3的高精控制相關(guān)參數(shù)與伺服軌跡的進(jìn)一步調(diào)整后，進(jìn)行試切削加工，加工的試件產(chǎn)品經(jīng)檢驗(yàn)比未采用HRV3控制的機(jī)床進(jìn)行加工的精度和速度得到了提高。說(shuō)明采用HRV3控制可以提高機(jī)床的加工精度與速度。

［1］FANUC ACSERVO MOTOR βi series參數(shù)說(shuō)明書(shū)［Z］.FANUC，2009.

［2］0I－D 簡(jiǎn)明聯(lián)機(jī)調(diào)試手冊(cè)［Z］.FANUC，2009.

［3］FANUC0I－D 參數(shù)手冊(cè)［Z］.FANUC，2009.

［4］陳伯時(shí).自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［5］朱仕學(xué).HRV控制對(duì)數(shù)控機(jī)床加工質(zhì)量的作用及方法［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2009，31（5）.