數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化方法

康世斌

摘 要：如何提高伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和零件加工精度，是維修、調(diào)試人員必須掌握的一項(xiàng)工作。機(jī)床各軸的驅(qū)動(dòng)、電機(jī)的數(shù)據(jù)，比如速度環(huán)、位置環(huán)的增益會(huì)直接影響軸的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性。如果這些參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，就可能出現(xiàn)機(jī)床振動(dòng)、伺服電機(jī)嘯叫等現(xiàn)象，使加工無法進(jìn)行，甚至導(dǎo)致絲桿或?qū)к墦p壞。目前，數(shù)控機(jī)床配置的數(shù)控系統(tǒng)主要為日本的FANUC和德國的SIEMENS系統(tǒng)。以這2種系統(tǒng)為例，闡述了驅(qū)動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化方法及其具有的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：伺服驅(qū)動(dòng)；速度環(huán)；位置環(huán)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）24-0012-03

1 優(yōu)化的基本原理

伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的目的是使機(jī)電系統(tǒng)的匹配達(dá)到最佳選擇，從而獲得較高的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。在數(shù)控機(jī)床中，機(jī)電系統(tǒng)間的不匹配通常會(huì)引起機(jī)床震動(dòng)、加工零件表面過切或表面質(zhì)量不合格等問題。尤其在磨具加工中，優(yōu)化伺服驅(qū)動(dòng)是必須的。

數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)包括3個(gè)反饋回路，即位置回路、速度回路和電流回路，具體如圖1所示。最內(nèi)環(huán)回路的反應(yīng)速度最快，但中間環(huán)節(jié)的反應(yīng)速度必須高于最外環(huán)。如果沒有遵守上述原則，則會(huì)造成震動(dòng)或反應(yīng)不良。

伺服優(yōu)化的一般原則為“位置控制回路的速度不能高于速度控制回路的反應(yīng)速度”。因此，如果要增加位置回路增益，則必須先增加速度回路的增益。如果僅增加了位置回路增益，機(jī)床則很容易振動(dòng)，進(jìn)而使速度指令和定位時(shí)間增加。在優(yōu)化伺服時(shí)，必須了解機(jī)床的機(jī)械性能，這是因?yàn)橄到y(tǒng)優(yōu)化是建立在機(jī)械裝配的性能上的。因此，不僅要確保伺服驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)，還必須確保機(jī)械系統(tǒng)具備高剛性。

2 FANUC 0iC系統(tǒng)的優(yōu)化過程

以日本的FANUC 0iC系統(tǒng)為例，主要優(yōu)化伺服的調(diào)整畫面，其畫面如圖2所示。

將功能位參數(shù)P2003的位3設(shè)定為“1”，回路增益參數(shù)P1825設(shè)定為“3 000”，速度增益參數(shù)P2021從200增加，每增加100后，采用JOG移動(dòng)坐標(biāo)檢測是否震動(dòng)，或檢測伺服波形（TCMD）是否平滑。值得注意的是，速度增益=[負(fù)載慣量比（參數(shù)P2021）+256]/256×100. 負(fù)載慣量比表示電機(jī)的慣量和負(fù)載的慣量比，其直接與具體的機(jī)床相關(guān)，一定要調(diào)整。

在伺服波形顯示中，將參數(shù)P3112#0改為“1”（調(diào)整完成后，還原0），關(guān)機(jī)后重新開機(jī)。將采樣時(shí)間設(shè)定為“5 000”后，如果要調(diào)整X軸，則設(shè)定數(shù)據(jù)為“51”，并檢查實(shí)際速度，具體如圖3所示。

啟動(dòng)時(shí)，如果波形不光滑，則表示伺服增益不足，需要再次提高；如果在中間的直線上有波動(dòng)，則可能是因高增益引起的震動(dòng)，可通過設(shè)定參數(shù)“2 066=-10”（增加伺服電流環(huán)250 um）解決該問題。具體如圖4所示。

在N脈沖的抑制中，因提高了速度增益，導(dǎo)致機(jī)床在停止時(shí)出現(xiàn)了小范圍的震蕩（低頻）。從伺服調(diào)整畫面位置的誤差中可看出，在沒有下達(dá)指令時(shí)，誤差在0左右變化。使用單脈沖抑制功能可消除此震蕩，我們可按以下2步調(diào)整：①如果震蕩在0～1的范圍內(nèi)變化，則設(shè)置參數(shù)2003#4為“1”；②設(shè)置參數(shù)2099為“400”。

在250 um加速反饋方面，電機(jī)與機(jī)床彈性連接，負(fù)載慣量比電機(jī)的慣量大。在調(diào)整負(fù)載慣量比時(shí)（>512），會(huì)產(chǎn)生50～150 Hz的振動(dòng)。此時(shí)，不要降低負(fù)載慣量的比值，可設(shè)定此參數(shù)改善。此功能將加速度反饋增益乘以電機(jī)速度反饋信號(hào)的微分值，通過補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩指令Tcmd，達(dá)到抑制速度環(huán)震蕩的目的。

速度回路和位置回路的高增益可改善伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度和剛性，進(jìn)而減少機(jī)床的加工形狀誤差，提高定位速度，使伺服得以簡化。HRV2控制可改善整個(gè)系統(tǒng)的伺服性能。伺服采用HRV2調(diào)整后，可用HRV3改善高速電流控制，從而可進(jìn)行高精度的機(jī)械加工。標(biāo)準(zhǔn)HRV2高精度伺服設(shè)定控制設(shè)定參數(shù)如表1所示。

3 SIEMENS810/840D系統(tǒng)的自動(dòng)優(yōu)化

SIEMENS810/840D系統(tǒng)具有自動(dòng)優(yōu)化的功能。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在負(fù)載狀態(tài)下的自動(dòng)測試器和分析調(diào)節(jié)器具有的頻率特性，可確保調(diào)節(jié)器的比例增益和積分時(shí)間常數(shù)。如果自動(dòng)優(yōu)化的結(jié)果不理想，達(dá)不到機(jī)床的最佳控制效果，則需要在此基礎(chǔ)上手工優(yōu)化。

下面對(duì)自動(dòng)優(yōu)化的具體步驟作一詳細(xì)介紹。

在優(yōu)化SIEMENS810/840D系統(tǒng)前，要使機(jī)床在JOG方式下運(yùn)行，在如圖5所示。調(diào)節(jié)畫面中可選“Without PLC”，這樣在優(yōu)化過程中PLC不生效。

SIEMENS840D中PCU50軸優(yōu)化的具體步驟有以下9步：①菜單→啟動(dòng)→驅(qū)動(dòng)/伺服軸→擴(kuò)展→自動(dòng)控制設(shè)置。②自動(dòng)控制窗口的設(shè)置。設(shè)置PLC不生效和上限、下限。③按右側(cè)垂直菜單的啟動(dòng)鍵，顯示“開始機(jī)械系統(tǒng)測量部分1”后點(diǎn)擊“確認(rèn)”。④按“程序啟動(dòng)”，電機(jī)正轉(zhuǎn)，顯示“開始機(jī)械系統(tǒng)測量部分2”后點(diǎn)擊“確認(rèn)”。⑤再次按“程序啟動(dòng)”，電機(jī)反轉(zhuǎn)，顯示“啟動(dòng)當(dāng)前控制的測量”后點(diǎn)擊“確認(rèn)”。⑥再次按“程序啟動(dòng)”顯示“控制器數(shù)據(jù)開始計(jì)算”后點(diǎn)擊“確認(rèn)”。⑦窗口顯示。具體如圖6所示。⑧按右側(cè)垂直菜單的“保存”，顯示“開始測量速度控制回路”后點(diǎn)擊“確認(rèn)”。⑨再次按“程序啟動(dòng)”，手動(dòng)適當(dāng)修改驅(qū)動(dòng)參數(shù)1407.

4 SIEMENS810/840D系統(tǒng)的手動(dòng)優(yōu)化

由于自動(dòng)優(yōu)化的結(jié)果并不理想，所以，大部分情況下采取手工優(yōu)化。手工優(yōu)化利用自動(dòng)優(yōu)化的結(jié)果，在原調(diào)節(jié)器比例增益和積分時(shí)間常數(shù)的基礎(chǔ)上，更好地確定調(diào)節(jié)器比例增益和積分時(shí)間常數(shù)。此外，還要根據(jù)測量結(jié)果設(shè)定各種濾波器控制數(shù)據(jù)，以消除驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的共振點(diǎn)。

4.1 速度控制環(huán)的手動(dòng)優(yōu)化

速度控制環(huán)優(yōu)化分為比例增益和積分時(shí)間常數(shù)兩個(gè)方面，應(yīng)先確定比例增益，再優(yōu)化積分時(shí)間常數(shù)。如果將速度調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)MD1409調(diào)整到500 ms，則積分環(huán)節(jié)會(huì)處于無效狀態(tài)。此時(shí)PI速度調(diào)節(jié)器也會(huì)轉(zhuǎn)化為P調(diào)節(jié)器。為了確定比例增益的初值，可從較小的值開始，逐漸增加比例增益，直到機(jī)床發(fā)生共振或伺服電機(jī)發(fā)出嘯叫聲為止。我們將此時(shí)的比例增益乘以0.5，作為首次測量的初值。

參考頻率響應(yīng)是Kp（MD1407）和Tn（MD1409）優(yōu)化最重要的方法之一。優(yōu)化后顯示的幅值（db）和相位如圖7所示：速度實(shí)際值會(huì)隨設(shè)定值的變化而變化；0 db表示實(shí)際速度與設(shè)定速度值的幅值相同；0相位表明實(shí)際速度隨設(shè)定值具有最小延時(shí)。手動(dòng)優(yōu)化大量、反復(fù)、多次地調(diào)整Kp和Tn的數(shù)值，目的是使頻率特性幅值在0 db處保持盡可能寬的范圍，不出現(xiàn)不穩(wěn)定的振蕩情況。必要時(shí)，也需要不斷調(diào)整濾波器的參數(shù)。

4.2 位置控制環(huán)的優(yōu)化

位置環(huán)的優(yōu)化主要是指位置調(diào)節(jié)器的優(yōu)化。影響位置調(diào)節(jié)器的主要控制數(shù)據(jù)是伺服增益因子，這是因?yàn)橄到y(tǒng)的跟隨誤差與它密切關(guān)系。調(diào)整位置調(diào)節(jié)器伺服增益因子的前提條件是速度調(diào)節(jié)器具有較高的比例增益。因此，速度調(diào)節(jié)器的優(yōu)化是位置調(diào)節(jié)器特性調(diào)整的基礎(chǔ)。

調(diào)整伺服增益因子的目標(biāo)是使系統(tǒng)的跟隨誤差降至最低。增加伺服增益因子可減少系統(tǒng)的跟隨誤差，但伺服增益因子不能調(diào)整得過大，否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)，甚至出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。一般情況下，為了獲得較高的輪廓加工精度，應(yīng)盡可能地增大伺服增益因子。此外，伺服增益因子應(yīng)在機(jī)床參數(shù)MD3220中設(shè)置。

優(yōu)化位置調(diào)節(jié)器最簡單的方法是觀察它的跟隨特性。當(dāng)伺服增益系數(shù)改變時(shí)，在操作面板可看到Following error（跟隨誤差）的變化，進(jìn)而可判斷伺服增益因子是否達(dá)到最佳狀態(tài)。具體如圖8所示。

5 結(jié)束語

對(duì)FANUC和SIEMENS系統(tǒng)速度環(huán)、位置環(huán)調(diào)試后發(fā)現(xiàn)，機(jī)床參數(shù)調(diào)整是一項(xiàng)復(fù)雜、煩瑣的工作，參數(shù)之間會(huì)相互影響，且需要反復(fù)調(diào)試確定。因此，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)可改善加工效果。

參考文獻(xiàn)

[1]郭亮，梅雪松，張東升，等.840D數(shù)控系統(tǒng)的伺服參數(shù)優(yōu)化[J].機(jī)電工程，2011（04）.

[2]楊誠.西門子611D驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的工程應(yīng)用研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

〔編輯：張思楠〕

摘 要：如何提高伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和零件加工精度，是維修、調(diào)試人員必須掌握的一項(xiàng)工作。機(jī)床各軸的驅(qū)動(dòng)、電機(jī)的數(shù)據(jù)，比如速度環(huán)、位置環(huán)的增益會(huì)直接影響軸的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性。如果這些參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，就可能出現(xiàn)機(jī)床振動(dòng)、伺服電機(jī)嘯叫等現(xiàn)象，使加工無法進(jìn)行，甚至導(dǎo)致絲桿或?qū)к墦p壞。目前，數(shù)控機(jī)床配置的數(shù)控系統(tǒng)主要為日本的FANUC和德國的SIEMENS系統(tǒng)。以這2種系統(tǒng)為例，闡述了驅(qū)動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化方法及其具有的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：伺服驅(qū)動(dòng)；速度環(huán)；位置環(huán)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）24-0012-03

1 優(yōu)化的基本原理

伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的目的是使機(jī)電系統(tǒng)的匹配達(dá)到最佳選擇，從而獲得較高的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。在數(shù)控機(jī)床中，機(jī)電系統(tǒng)間的不匹配通常會(huì)引起機(jī)床震動(dòng)、加工零件表面過切或表面質(zhì)量不合格等問題。尤其在磨具加工中，優(yōu)化伺服驅(qū)動(dòng)是必須的。

數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)包括3個(gè)反饋回路，即位置回路、速度回路和電流回路，具體如圖1所示。最內(nèi)環(huán)回路的反應(yīng)速度最快，但中間環(huán)節(jié)的反應(yīng)速度必須高于最外環(huán)。如果沒有遵守上述原則，則會(huì)造成震動(dòng)或反應(yīng)不良。

伺服優(yōu)化的一般原則為“位置控制回路的速度不能高于速度控制回路的反應(yīng)速度”。因此，如果要增加位置回路增益，則必須先增加速度回路的增益。如果僅增加了位置回路增益，機(jī)床則很容易振動(dòng)，進(jìn)而使速度指令和定位時(shí)間增加。在優(yōu)化伺服時(shí)，必須了解機(jī)床的機(jī)械性能，這是因?yàn)橄到y(tǒng)優(yōu)化是建立在機(jī)械裝配的性能上的。因此，不僅要確保伺服驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)，還必須確保機(jī)械系統(tǒng)具備高剛性。

2 FANUC 0iC系統(tǒng)的優(yōu)化過程

以日本的FANUC 0iC系統(tǒng)為例，主要優(yōu)化伺服的調(diào)整畫面，其畫面如圖2所示。

將功能位參數(shù)P2003的位3設(shè)定為“1”，回路增益參數(shù)P1825設(shè)定為“3 000”，速度增益參數(shù)P2021從200增加，每增加100后，采用JOG移動(dòng)坐標(biāo)檢測是否震動(dòng)，或檢測伺服波形（TCMD）是否平滑。值得注意的是，速度增益=[負(fù)載慣量比（參數(shù)P2021）+256]/256×100. 負(fù)載慣量比表示電機(jī)的慣量和負(fù)載的慣量比，其直接與具體的機(jī)床相關(guān)，一定要調(diào)整。

在伺服波形顯示中，將參數(shù)P3112#0改為“1”（調(diào)整完成后，還原0），關(guān)機(jī)后重新開機(jī)。將采樣時(shí)間設(shè)定為“5 000”后，如果要調(diào)整X軸，則設(shè)定數(shù)據(jù)為“51”，并檢查實(shí)際速度，具體如圖3所示。

啟動(dòng)時(shí)，如果波形不光滑，則表示伺服增益不足，需要再次提高；如果在中間的直線上有波動(dòng)，則可能是因高增益引起的震動(dòng)，可通過設(shè)定參數(shù)“2 066=-10”（增加伺服電流環(huán)250 um）解決該問題。具體如圖4所示。

在N脈沖的抑制中，因提高了速度增益，導(dǎo)致機(jī)床在停止時(shí)出現(xiàn)了小范圍的震蕩（低頻）。從伺服調(diào)整畫面位置的誤差中可看出，在沒有下達(dá)指令時(shí)，誤差在0左右變化。使用單脈沖抑制功能可消除此震蕩，我們可按以下2步調(diào)整：①如果震蕩在0～1的范圍內(nèi)變化，則設(shè)置參數(shù)2003#4為“1”；②設(shè)置參數(shù)2099為“400”。

在250 um加速反饋方面，電機(jī)與機(jī)床彈性連接，負(fù)載慣量比電機(jī)的慣量大。在調(diào)整負(fù)載慣量比時(shí)（>512），會(huì)產(chǎn)生50～150 Hz的振動(dòng)。此時(shí)，不要降低負(fù)載慣量的比值，可設(shè)定此參數(shù)改善。此功能將加速度反饋增益乘以電機(jī)速度反饋信號(hào)的微分值，通過補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩指令Tcmd，達(dá)到抑制速度環(huán)震蕩的目的。

速度回路和位置回路的高增益可改善伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度和剛性，進(jìn)而減少機(jī)床的加工形狀誤差，提高定位速度，使伺服得以簡化。HRV2控制可改善整個(gè)系統(tǒng)的伺服性能。伺服采用HRV2調(diào)整后，可用HRV3改善高速電流控制，從而可進(jìn)行高精度的機(jī)械加工。標(biāo)準(zhǔn)HRV2高精度伺服設(shè)定控制設(shè)定參數(shù)如表1所示。

3 SIEMENS810/840D系統(tǒng)的自動(dòng)優(yōu)化

SIEMENS810/840D系統(tǒng)具有自動(dòng)優(yōu)化的功能。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在負(fù)載狀態(tài)下的自動(dòng)測試器和分析調(diào)節(jié)器具有的頻率特性，可確保調(diào)節(jié)器的比例增益和積分時(shí)間常數(shù)。如果自動(dòng)優(yōu)化的結(jié)果不理想，達(dá)不到機(jī)床的最佳控制效果，則需要在此基礎(chǔ)上手工優(yōu)化。

下面對(duì)自動(dòng)優(yōu)化的具體步驟作一詳細(xì)介紹。

在優(yōu)化SIEMENS810/840D系統(tǒng)前，要使機(jī)床在JOG方式下運(yùn)行，在如圖5所示。調(diào)節(jié)畫面中可選“Without PLC”，這樣在優(yōu)化過程中PLC不生效。

SIEMENS840D中PCU50軸優(yōu)化的具體步驟有以下9步：①菜單→啟動(dòng)→驅(qū)動(dòng)/伺服軸→擴(kuò)展→自動(dòng)控制設(shè)置。②自動(dòng)控制窗口的設(shè)置。設(shè)置PLC不生效和上限、下限。③按右側(cè)垂直菜單的啟動(dòng)鍵，顯示“開始機(jī)械系統(tǒng)測量部分1”后點(diǎn)擊“確認(rèn)”。④按“程序啟動(dòng)”，電機(jī)正轉(zhuǎn)，顯示“開始機(jī)械系統(tǒng)測量部分2”后點(diǎn)擊“確認(rèn)”。⑤再次按“程序啟動(dòng)”，電機(jī)反轉(zhuǎn)，顯示“啟動(dòng)當(dāng)前控制的測量”后點(diǎn)擊“確認(rèn)”。⑥再次按“程序啟動(dòng)”顯示“控制器數(shù)據(jù)開始計(jì)算”后點(diǎn)擊“確認(rèn)”。⑦窗口顯示。具體如圖6所示。⑧按右側(cè)垂直菜單的“保存”，顯示“開始測量速度控制回路”后點(diǎn)擊“確認(rèn)”。⑨再次按“程序啟動(dòng)”，手動(dòng)適當(dāng)修改驅(qū)動(dòng)參數(shù)1407.

4 SIEMENS810/840D系統(tǒng)的手動(dòng)優(yōu)化

由于自動(dòng)優(yōu)化的結(jié)果并不理想，所以，大部分情況下采取手工優(yōu)化。手工優(yōu)化利用自動(dòng)優(yōu)化的結(jié)果，在原調(diào)節(jié)器比例增益和積分時(shí)間常數(shù)的基礎(chǔ)上，更好地確定調(diào)節(jié)器比例增益和積分時(shí)間常數(shù)。此外，還要根據(jù)測量結(jié)果設(shè)定各種濾波器控制數(shù)據(jù)，以消除驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的共振點(diǎn)。

4.1 速度控制環(huán)的手動(dòng)優(yōu)化

速度控制環(huán)優(yōu)化分為比例增益和積分時(shí)間常數(shù)兩個(gè)方面，應(yīng)先確定比例增益，再優(yōu)化積分時(shí)間常數(shù)。如果將速度調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)MD1409調(diào)整到500 ms，則積分環(huán)節(jié)會(huì)處于無效狀態(tài)。此時(shí)PI速度調(diào)節(jié)器也會(huì)轉(zhuǎn)化為P調(diào)節(jié)器。為了確定比例增益的初值，可從較小的值開始，逐漸增加比例增益，直到機(jī)床發(fā)生共振或伺服電機(jī)發(fā)出嘯叫聲為止。我們將此時(shí)的比例增益乘以0.5，作為首次測量的初值。

參考頻率響應(yīng)是Kp（MD1407）和Tn（MD1409）優(yōu)化最重要的方法之一。優(yōu)化后顯示的幅值（db）和相位如圖7所示：速度實(shí)際值會(huì)隨設(shè)定值的變化而變化；0 db表示實(shí)際速度與設(shè)定速度值的幅值相同；0相位表明實(shí)際速度隨設(shè)定值具有最小延時(shí)。手動(dòng)優(yōu)化大量、反復(fù)、多次地調(diào)整Kp和Tn的數(shù)值，目的是使頻率特性幅值在0 db處保持盡可能寬的范圍，不出現(xiàn)不穩(wěn)定的振蕩情況。必要時(shí)，也需要不斷調(diào)整濾波器的參數(shù)。

4.2 位置控制環(huán)的優(yōu)化

位置環(huán)的優(yōu)化主要是指位置調(diào)節(jié)器的優(yōu)化。影響位置調(diào)節(jié)器的主要控制數(shù)據(jù)是伺服增益因子，這是因?yàn)橄到y(tǒng)的跟隨誤差與它密切關(guān)系。調(diào)整位置調(diào)節(jié)器伺服增益因子的前提條件是速度調(diào)節(jié)器具有較高的比例增益。因此，速度調(diào)節(jié)器的優(yōu)化是位置調(diào)節(jié)器特性調(diào)整的基礎(chǔ)。

調(diào)整伺服增益因子的目標(biāo)是使系統(tǒng)的跟隨誤差降至最低。增加伺服增益因子可減少系統(tǒng)的跟隨誤差，但伺服增益因子不能調(diào)整得過大，否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)，甚至出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。一般情況下，為了獲得較高的輪廓加工精度，應(yīng)盡可能地增大伺服增益因子。此外，伺服增益因子應(yīng)在機(jī)床參數(shù)MD3220中設(shè)置。

優(yōu)化位置調(diào)節(jié)器最簡單的方法是觀察它的跟隨特性。當(dāng)伺服增益系數(shù)改變時(shí)，在操作面板可看到Following error（跟隨誤差）的變化，進(jìn)而可判斷伺服增益因子是否達(dá)到最佳狀態(tài)。具體如圖8所示。

5 結(jié)束語

對(duì)FANUC和SIEMENS系統(tǒng)速度環(huán)、位置環(huán)調(diào)試后發(fā)現(xiàn)，機(jī)床參數(shù)調(diào)整是一項(xiàng)復(fù)雜、煩瑣的工作，參數(shù)之間會(huì)相互影響，且需要反復(fù)調(diào)試確定。因此，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)可改善加工效果。

參考文獻(xiàn)

[1]郭亮，梅雪松，張東升，等.840D數(shù)控系統(tǒng)的伺服參數(shù)優(yōu)化[J].機(jī)電工程，2011（04）.

[2]楊誠.西門子611D驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的工程應(yīng)用研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

〔編輯：張思楠〕

摘 要：如何提高伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和零件加工精度，是維修、調(diào)試人員必須掌握的一項(xiàng)工作。機(jī)床各軸的驅(qū)動(dòng)、電機(jī)的數(shù)據(jù)，比如速度環(huán)、位置環(huán)的增益會(huì)直接影響軸的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性。如果這些參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，就可能出現(xiàn)機(jī)床振動(dòng)、伺服電機(jī)嘯叫等現(xiàn)象，使加工無法進(jìn)行，甚至導(dǎo)致絲桿或?qū)к墦p壞。目前，數(shù)控機(jī)床配置的數(shù)控系統(tǒng)主要為日本的FANUC和德國的SIEMENS系統(tǒng)。以這2種系統(tǒng)為例，闡述了驅(qū)動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化方法及其具有的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：伺服驅(qū)動(dòng)；速度環(huán)；位置環(huán)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）24-0012-03

1 優(yōu)化的基本原理

伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的目的是使機(jī)電系統(tǒng)的匹配達(dá)到最佳選擇，從而獲得較高的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。在數(shù)控機(jī)床中，機(jī)電系統(tǒng)間的不匹配通常會(huì)引起機(jī)床震動(dòng)、加工零件表面過切或表面質(zhì)量不合格等問題。尤其在磨具加工中，優(yōu)化伺服驅(qū)動(dòng)是必須的。

數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)包括3個(gè)反饋回路，即位置回路、速度回路和電流回路，具體如圖1所示。最內(nèi)環(huán)回路的反應(yīng)速度最快，但中間環(huán)節(jié)的反應(yīng)速度必須高于最外環(huán)。如果沒有遵守上述原則，則會(huì)造成震動(dòng)或反應(yīng)不良。

伺服優(yōu)化的一般原則為“位置控制回路的速度不能高于速度控制回路的反應(yīng)速度”。因此，如果要增加位置回路增益，則必須先增加速度回路的增益。如果僅增加了位置回路增益，機(jī)床則很容易振動(dòng)，進(jìn)而使速度指令和定位時(shí)間增加。在優(yōu)化伺服時(shí)，必須了解機(jī)床的機(jī)械性能，這是因?yàn)橄到y(tǒng)優(yōu)化是建立在機(jī)械裝配的性能上的。因此，不僅要確保伺服驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)，還必須確保機(jī)械系統(tǒng)具備高剛性。

2 FANUC 0iC系統(tǒng)的優(yōu)化過程

以日本的FANUC 0iC系統(tǒng)為例，主要優(yōu)化伺服的調(diào)整畫面，其畫面如圖2所示。

將功能位參數(shù)P2003的位3設(shè)定為“1”，回路增益參數(shù)P1825設(shè)定為“3 000”，速度增益參數(shù)P2021從200增加，每增加100后，采用JOG移動(dòng)坐標(biāo)檢測是否震動(dòng)，或檢測伺服波形（TCMD）是否平滑。值得注意的是，速度增益=[負(fù)載慣量比（參數(shù)P2021）+256]/256×100. 負(fù)載慣量比表示電機(jī)的慣量和負(fù)載的慣量比，其直接與具體的機(jī)床相關(guān)，一定要調(diào)整。

在伺服波形顯示中，將參數(shù)P3112#0改為“1”（調(diào)整完成后，還原0），關(guān)機(jī)后重新開機(jī)。將采樣時(shí)間設(shè)定為“5 000”后，如果要調(diào)整X軸，則設(shè)定數(shù)據(jù)為“51”，并檢查實(shí)際速度，具體如圖3所示。

啟動(dòng)時(shí)，如果波形不光滑，則表示伺服增益不足，需要再次提高；如果在中間的直線上有波動(dòng)，則可能是因高增益引起的震動(dòng)，可通過設(shè)定參數(shù)“2 066=-10”（增加伺服電流環(huán)250 um）解決該問題。具體如圖4所示。

在N脈沖的抑制中，因提高了速度增益，導(dǎo)致機(jī)床在停止時(shí)出現(xiàn)了小范圍的震蕩（低頻）。從伺服調(diào)整畫面位置的誤差中可看出，在沒有下達(dá)指令時(shí)，誤差在0左右變化。使用單脈沖抑制功能可消除此震蕩，我們可按以下2步調(diào)整：①如果震蕩在0～1的范圍內(nèi)變化，則設(shè)置參數(shù)2003#4為“1”；②設(shè)置參數(shù)2099為“400”。

在250 um加速反饋方面，電機(jī)與機(jī)床彈性連接，負(fù)載慣量比電機(jī)的慣量大。在調(diào)整負(fù)載慣量比時(shí)（>512），會(huì)產(chǎn)生50～150 Hz的振動(dòng)。此時(shí)，不要降低負(fù)載慣量的比值，可設(shè)定此參數(shù)改善。此功能將加速度反饋增益乘以電機(jī)速度反饋信號(hào)的微分值，通過補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩指令Tcmd，達(dá)到抑制速度環(huán)震蕩的目的。

速度回路和位置回路的高增益可改善伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度和剛性，進(jìn)而減少機(jī)床的加工形狀誤差，提高定位速度，使伺服得以簡化。HRV2控制可改善整個(gè)系統(tǒng)的伺服性能。伺服采用HRV2調(diào)整后，可用HRV3改善高速電流控制，從而可進(jìn)行高精度的機(jī)械加工。標(biāo)準(zhǔn)HRV2高精度伺服設(shè)定控制設(shè)定參數(shù)如表1所示。

3 SIEMENS810/840D系統(tǒng)的自動(dòng)優(yōu)化

SIEMENS810/840D系統(tǒng)具有自動(dòng)優(yōu)化的功能。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在負(fù)載狀態(tài)下的自動(dòng)測試器和分析調(diào)節(jié)器具有的頻率特性，可確保調(diào)節(jié)器的比例增益和積分時(shí)間常數(shù)。如果自動(dòng)優(yōu)化的結(jié)果不理想，達(dá)不到機(jī)床的最佳控制效果，則需要在此基礎(chǔ)上手工優(yōu)化。

下面對(duì)自動(dòng)優(yōu)化的具體步驟作一詳細(xì)介紹。

在優(yōu)化SIEMENS810/840D系統(tǒng)前，要使機(jī)床在JOG方式下運(yùn)行，在如圖5所示。調(diào)節(jié)畫面中可選“Without PLC”，這樣在優(yōu)化過程中PLC不生效。

SIEMENS840D中PCU50軸優(yōu)化的具體步驟有以下9步：①菜單→啟動(dòng)→驅(qū)動(dòng)/伺服軸→擴(kuò)展→自動(dòng)控制設(shè)置。②自動(dòng)控制窗口的設(shè)置。設(shè)置PLC不生效和上限、下限。③按右側(cè)垂直菜單的啟動(dòng)鍵，顯示“開始機(jī)械系統(tǒng)測量部分1”后點(diǎn)擊“確認(rèn)”。④按“程序啟動(dòng)”，電機(jī)正轉(zhuǎn)，顯示“開始機(jī)械系統(tǒng)測量部分2”后點(diǎn)擊“確認(rèn)”。⑤再次按“程序啟動(dòng)”，電機(jī)反轉(zhuǎn)，顯示“啟動(dòng)當(dāng)前控制的測量”后點(diǎn)擊“確認(rèn)”。⑥再次按“程序啟動(dòng)”顯示“控制器數(shù)據(jù)開始計(jì)算”后點(diǎn)擊“確認(rèn)”。⑦窗口顯示。具體如圖6所示。⑧按右側(cè)垂直菜單的“保存”，顯示“開始測量速度控制回路”后點(diǎn)擊“確認(rèn)”。⑨再次按“程序啟動(dòng)”，手動(dòng)適當(dāng)修改驅(qū)動(dòng)參數(shù)1407.

4 SIEMENS810/840D系統(tǒng)的手動(dòng)優(yōu)化

由于自動(dòng)優(yōu)化的結(jié)果并不理想，所以，大部分情況下采取手工優(yōu)化。手工優(yōu)化利用自動(dòng)優(yōu)化的結(jié)果，在原調(diào)節(jié)器比例增益和積分時(shí)間常數(shù)的基礎(chǔ)上，更好地確定調(diào)節(jié)器比例增益和積分時(shí)間常數(shù)。此外，還要根據(jù)測量結(jié)果設(shè)定各種濾波器控制數(shù)據(jù)，以消除驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的共振點(diǎn)。

4.1 速度控制環(huán)的手動(dòng)優(yōu)化

速度控制環(huán)優(yōu)化分為比例增益和積分時(shí)間常數(shù)兩個(gè)方面，應(yīng)先確定比例增益，再優(yōu)化積分時(shí)間常數(shù)。如果將速度調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)MD1409調(diào)整到500 ms，則積分環(huán)節(jié)會(huì)處于無效狀態(tài)。此時(shí)PI速度調(diào)節(jié)器也會(huì)轉(zhuǎn)化為P調(diào)節(jié)器。為了確定比例增益的初值，可從較小的值開始，逐漸增加比例增益，直到機(jī)床發(fā)生共振或伺服電機(jī)發(fā)出嘯叫聲為止。我們將此時(shí)的比例增益乘以0.5，作為首次測量的初值。

參考頻率響應(yīng)是Kp（MD1407）和Tn（MD1409）優(yōu)化最重要的方法之一。優(yōu)化后顯示的幅值（db）和相位如圖7所示：速度實(shí)際值會(huì)隨設(shè)定值的變化而變化；0 db表示實(shí)際速度與設(shè)定速度值的幅值相同；0相位表明實(shí)際速度隨設(shè)定值具有最小延時(shí)。手動(dòng)優(yōu)化大量、反復(fù)、多次地調(diào)整Kp和Tn的數(shù)值，目的是使頻率特性幅值在0 db處保持盡可能寬的范圍，不出現(xiàn)不穩(wěn)定的振蕩情況。必要時(shí)，也需要不斷調(diào)整濾波器的參數(shù)。

4.2 位置控制環(huán)的優(yōu)化

位置環(huán)的優(yōu)化主要是指位置調(diào)節(jié)器的優(yōu)化。影響位置調(diào)節(jié)器的主要控制數(shù)據(jù)是伺服增益因子，這是因?yàn)橄到y(tǒng)的跟隨誤差與它密切關(guān)系。調(diào)整位置調(diào)節(jié)器伺服增益因子的前提條件是速度調(diào)節(jié)器具有較高的比例增益。因此，速度調(diào)節(jié)器的優(yōu)化是位置調(diào)節(jié)器特性調(diào)整的基礎(chǔ)。

調(diào)整伺服增益因子的目標(biāo)是使系統(tǒng)的跟隨誤差降至最低。增加伺服增益因子可減少系統(tǒng)的跟隨誤差，但伺服增益因子不能調(diào)整得過大，否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)，甚至出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。一般情況下，為了獲得較高的輪廓加工精度，應(yīng)盡可能地增大伺服增益因子。此外，伺服增益因子應(yīng)在機(jī)床參數(shù)MD3220中設(shè)置。

優(yōu)化位置調(diào)節(jié)器最簡單的方法是觀察它的跟隨特性。當(dāng)伺服增益系數(shù)改變時(shí)，在操作面板可看到Following error（跟隨誤差）的變化，進(jìn)而可判斷伺服增益因子是否達(dá)到最佳狀態(tài)。具體如圖8所示。

5 結(jié)束語

對(duì)FANUC和SIEMENS系統(tǒng)速度環(huán)、位置環(huán)調(diào)試后發(fā)現(xiàn)，機(jī)床參數(shù)調(diào)整是一項(xiàng)復(fù)雜、煩瑣的工作，參數(shù)之間會(huì)相互影響，且需要反復(fù)調(diào)試確定。因此，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)可改善加工效果。

參考文獻(xiàn)

[1]郭亮，梅雪松，張東升，等.840D數(shù)控系統(tǒng)的伺服參數(shù)優(yōu)化[J].機(jī)電工程，2011（04）.

[2]楊誠.西門子611D驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的工程應(yīng)用研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

〔編輯：張思楠〕