基于靜態頻率曲線測試的數控機床伺服參數優化

宋 嘎，崔劍平

（山東職業學院，山東 濟南250104）

0 前言

數控機床的參數尤其是伺服相關參數對數控機床極其重要，其設定的合理與否將直接影響數控機床的精度和穩定性。隨著數控機床向高速高精方向發展，其在高速運行時會產生振動變大、加工精度下降等一系列不穩定的情況。很多機床在出廠前只是進行了加減速時間常數、柔性齒輪比、速度環增益等基本的伺服參數設定，未根據機床實際情況進行最優調整，故無法發揮機床的最優性能；即使進行了伺服參數的優化調整，但機床經過長期運行后，其機械性能會發生變化，若伺服參數未及時進行相應調整，則會導致加工精度下降。由上述可見，做好伺服參數的優化調整工作是非常重要的。

目前，伺服調整與優化方面已有很多的文獻報道，但是更多的側重于理論研究[1-3]，基于工作現場的實用性研究還相對偏少[4-5]。對于FANUC數控系統，除了根據個人經驗手動調整外，可利用專門的伺服調試軟件進行在線調整[6]。靜態頻率響應測試是伺服參數優化的重要手段，可以根據頻率響應曲線的波形來明確機床的機械特性并進行相應的伺服優化。本文在對伺服控制原理進行分析的基礎上，基于靜態頻率曲線測試，研究如何優化數控機床的伺服參數，從而指導技術人員快速高效地做好伺服調整工作，以提升機床整體性能。

1 伺服控制模型

如圖1所示，數控系統發出的指令位置與位置檢測裝置檢測的實際位置進行比較，實現機床位置的閉環控制。指令位置與實際位置之間的差值，作為速度指令值輸出至速度調節器，伺服電機一般利用自身的編碼器來測量其實際轉速。速度指令值與編碼器給出的速度反饋值相比較，實現速度環的閉環控制。速度環的輸出信號作為電流環的輸入信號，和電流反饋信號相比較，實現電流環的閉環控制。因此，伺服系統由內至外依次包含電流環、速度環和位置環，這三個環均采用負反饋。位置環是保證對位置進行準確控制，速度環是保證對速度進行準確控制，電流環能夠保證系統工作時電流能始終保持最好的波形。伺服調試工作就是要根據機械及負載情況，實現三環高效、協調一致地工作。

圖1 伺服系統的三環控制原理

2 基本伺服參數設定

在伺服優化前，需要保證數控機床能夠正常運轉，這就需要先設定好基本的伺服參數，這些參數包括：①基本參數（伺服電機初始化、速度環相關參數等）；②前饋參數（快速移動前饋、先行前饋系數等）；③背隙加速參數（反向背隙加速量、背隙加速時間等）；④時間常數參數（插補后時間常數、鈴型加減速時間常數等）。設定好上述參數后，才能進行伺服參數優化，從而實現數控機床的高速高精。

3 靜態頻率曲線測試

速度環增益是影響數控機床伺服響應的極其重要的參數。一般在進行伺服參數優化前，首先進行速度環增益的調整。借助SERVO GUIDE伺服調整軟件，可以執行機床靜態頻率曲線測試，以確定速度環增益的最佳值。頻率響應測試的原理是通過測試首先確定各伺服軸的共振點，并通過相關參數的設定來抑制共振；然后，在機械系統不產生振動并且共振點被抑制的情況下，盡可能增加速度環增益以提高伺服系統的響應性。

3.1 頻率響應曲線

圖2所示為某機床伺服軸的頻率響應曲線，其包括兩條曲線，上方曲線1為幅頻特性曲線，下方曲線2為相頻特性曲線。在進行伺服調試時，幅頻特性曲線是進行伺服優化的主要參考。根據FANUC技術手冊，對應于幅頻特性曲線的函數是Y=20Log（輸出/輸入）。理想情況下，輸出應該等于輸入；若出現機械摩擦力過大或電機轉矩不足等情況時，系統的響應會滯后。當輸出能夠較好地響應輸入時，根據公式Y=20Log（輸出/輸入），幅頻特性曲線應該為一條接近0 dB的曲線。頻率特性曲線可根據頻率大小劃分為兩個區：低頻特性響應區和高頻特性衰減區。低頻特性響應區的頻率范圍一般為10 Hz～200 Hz，該區域內接近0 dB的曲線越寬，系統的響應特性越好。通過提高速度增益，可增加響應帶寬。高頻特性衰減區的頻率范圍一般為200 Hz～1 000 Hz，此區域可以用來確定系統的高頻振蕩點。借助系統的過濾器可以抑制振蕩點，系統具有4個HRV濾波器，因此最多可以過濾4個高頻振蕩點。若數控機床伺服軸的機械性能不好，高頻特性衰減區的振蕩點可能會多于4個，此時應從多個振蕩點中選擇幾個相對突出的振蕩點進行抑制。良好的頻率響應需要滿足以下三點要求：①響應帶寬要足夠寬，以提高系統響應性。②截止頻率所對應的幅值應小于10 dB，此處所指的截止頻率為曲線開始下降處所對應的頻率。③曲線上1 000 Hz處所對應的幅值應小于-20 dB。

圖2 頻率響應曲線

3.2 振動抑制

見圖3對于各伺服軸的振動，應首先明確是低頻振動還是高頻振動，然后設定相應的參數進行抑制。若是低頻振動，可通過轉矩指令過濾器來抑制，其對應參數為No.2067。此參數的設定值與截止頻率有關系，設定時可參考表1給出的經驗值，而截止頻率一般設定為振動頻率的50%左右。

圖3 濾波器設定界面

表1 設定值與截止頻率的關系

如果是高頻振動，應通過HRV濾波器進行抑制。HRV濾波器設定時主要有三個參數：中心頻率（No.2360）、帶寬（No.2361）和阻尼（No.2362）。將高頻特性衰減區高于-20 dB的最高點，投影至曲線的橫坐標即可確定中心頻率；衰減帶寬一般設定在50～200之間；衰減阻尼一般設定在1%～100%之間，此值設定越大，衰減的幅度反而越小。需要說明的是：數控機床拷入其它機床的備份參數后，若執行電機初始化操作，則會清掉“中心頻率”參數，此時如果不清除帶寬和阻尼參數，將會導致伺服系統運行不穩定。因此，在執行電機初始化后務必檢查濾波器相關參數，確保清除掉帶寬和阻尼參數。

振動點被抑制后，為提高伺服響應性，應增大速度增益的設定值，一旦速度增益發生變化，就應接著進行頻率響應測試，如此反復進行，直至確定好最優值。

3.3 全行程檢驗

圖2所示的頻率響應曲線給出的是伺服軸在某一點的靜態特性，其無法體現伺服軸在整個工作范圍內的靜態特性。為此，應在伺服軸正向極限位置、負向極限位置以及中間位置處分別進行靜態頻率響應測試。

4 伺服優化實例

4.1 測試對象

測試對象為YL559數控銑床實訓設備，配備FANUC 0i mate-TD數控系統，伺服放大器為FANUC SV20，伺服電機采用βis4/4000，伺服電機與滾珠絲杠直連。該設備已運行近5年，機械性能已發生明顯變化，現需要根據其各軸的靜態頻率曲線對其進行伺服參數優化。下面以Y軸為例介紹其優化過程。

4.2 通訊設定

打開Servo Guide伺服調整軟件，進行通訊設定。主要設定的內容有：數控機床的主機地址、計算機的IP地址、通道號和超時時間等。只有正確設定好上述通訊參數后，才可用PCMCIA-LAN卡將PC與機床進行連接并進行“測試”，如果設定及連接正常，則在“結果”框里顯示“OK”。

4.3 測試及優化

測試前對該數控設備進行了電機初始化操作，因此清除了濾波器參數。打開SERVO GUIDE軟件，依次選擇[工具]→[頻率響應]→[測量]菜單選項，并選擇Y軸作為測試軸，然后按[開始]鍵進行測試。幾秒鐘后，得到圖4所示的頻率響應曲線。圖4中，在頻率為310 Hz處存在一個高頻振動點，應該用HRV濾波器進行過濾。

圖4 頻率響應曲線（無濾波器）

在Servo Guide濾波器設定畫面加入Y軸的HRV濾波器，中心頻率設定為310，帶寬為80，阻尼為10，再次進行靜態頻率響應測試，得到圖5所示的頻率響應曲線。如圖5所示，通過上述舉措，有效地抑制了高頻振蕩點。

在高頻振蕩點抑制后，應盡可能提高速度環增益。速度環增益每次增加50，并且每次改變速度環增益后，需重新進行伺服頻率響應測試，如此重復多次，直至滿足要求。最終優化后的頻率響應曲線如圖6所示。此時，速度環增益為160。

圖6 Y軸的頻率響應曲線（優化后）

5 結束語

借助SERVO GUIDE伺服調試軟件，基于靜態頻率曲線測試研究了如何進行數控機床速度環增益等伺服參數的優化工作。需要指出的是，該伺服軟件只適用于某個伺服軸的伺服調整與優化，無法對多軸同時進行伺服優化，因而也就無法體現其聯動性能。要進一步檢驗和優化機床的多軸聯動性能，應借助球桿儀等設備進行進一步測試。