激光切割機伺服驅動器不匹配度測試及分析

劉愛偉

（江蘇金方圓數控機床有限公司，江蘇 揚州 225009）

如圖1 所示，通常激光切割機有X、Xa、Y、Z 四軸，通過EtherCAT 總線連接到倍福PLC，CNC 功能由倍福PLC 實現。X、Xa 軸位于龍門兩側，通過上位實現位置同步，共同驅動X、Xa。Z 軸由ServoA 驅動，Z 軸用來定位激光頭，保證激光頭和板材的合理距離。

圖1 激光切割機示意圖

1 測試內容與結果

用球桿儀檢測X、Y 軸圓度軌跡，檢測圖形直徑1m 的圓，檢測速度10m/min，X、Y 球桿儀順時針和逆時針各運行一圈。

經球桿儀檢測得到的機床實際運行軌跡如圖2所示，機床的運動軌跡呈橢圓或花生形，沿45°或135°對角方向拉伸變形。

圖2 機床實際運行軌跡

球桿儀檢測結果，伺服不匹配值如圖3 所示。檢測結果有兩個相關數據：伺服不匹配度和圓度。伺服不匹配按下述方式進行了量化，測試前的伺服不匹配為0.19ms，該數值表示機器的一根伺服軸超前于另一伺服軸的時間。該值根據不同被測軸間的關系可能為正，也可能為負。具體表述如表1 所示。

圖3 球桿儀檢測結果

表1 伺服不匹配測試表述

造成該問題的原因為：X、Y 軸伺服環增益不匹配時將發生伺服不匹配誤差，將導致一根軸超前于另一根軸而出現橢圓形的圖形。超前軸的增益較高。

圓度指激光X、Y 軸在做圓弧運動時球桿儀記錄的最大與最小半徑之間的差值。

通過調節X、Y 軸伺服參數發現，伺服不匹配時間受位置控制器濾波時間和位置環延時時間影響較大，而位置控制器濾波時間又受到速度控制濾波時間，速度環采樣時間和位置環延時時間共同影響。

由于驅動器位置控制采樣時間受驅動器本身性能決定為0.125ms。因此位置延時時間只能設置成0.125ms 的整數倍。位置延時時間對應伺服不匹配時間關系如表2 所示。

表2 位置延時對應伺服不匹配時間關系

通過測試數據可以分析得到：當X 軸位置延時時間=1.125ms時，伺服不匹配時間≈初始不匹配時間-（Y 軸位置延時時間/0.125ms）×0.125ms。需注意的是，球桿儀的計算精度為0.01ms，因此運算結果只保留小數點后兩位。

測試機床的初始不匹配時間=0.19ms，此時間太大，因此可以通過調整Y 軸位置延時時間來降低伺服不匹配時間。但是由于驅動器位置控制采樣時間限制，Y 軸位置延時時間只能設置采樣時間的整數倍，例如：0.125ms，0.25ms，0.375ms……。當Y 軸位置延時時間成0.125ms時，伺服不匹配時間達到最小值，為0.06ms。計算如圖4 所示。因此測試機床的伺服不匹配時間最小為0.06ms。

圖4 伺服不匹配計算示意圖

3 測試結果分析

X、Y 軸在進行球桿儀測試時，兩軸之間的性能是相互影響的，如果僅僅調節一軸參數，去匹配另一軸，則會影響該軸性能，位置誤差增大等，因此需要設置一個折中點。

由于驅動器設計原因，位置控制采樣時間固定為0.125ms，因此導致位置延時時間精度無法達到μs級，驅動器能夠調整到伺服不匹配為0.06ms。

初始不匹配時間受多方面因素影響（包括機械原因和電氣原因），不易調整。經測量機床切割的工件，伺服不匹配時間在0.06ms時，機床的切割精度滿足要求。