基于倍福系統(tǒng)伺服優(yōu)化的研究

凌步軍，薛華軍，費永云

（江蘇亞威機床股份有限公司 江蘇省金屬板材智能裝備重點實驗室，江蘇 揚州 225200）

數(shù)控機床的控制核心是數(shù)控系統(tǒng)，為了使數(shù)控系統(tǒng)和機械部件之間得到最優(yōu)的匹配就需要對驅(qū)動器進行優(yōu)化。決定數(shù)控機床加工精度的直接執(zhí)行部件是伺服驅(qū)動器和伺服電機[1]，因此伺服優(yōu)化決定了數(shù)控機床的加工精度及效率。特別是高速加工的激光切割數(shù)控機床，其切割快速、切割圖案各異，影響其加工精度的主要因素有：機械反向間隙、伺服不匹配、數(shù)控系統(tǒng)等一系列因素。

目前很多數(shù)控系統(tǒng)都采用工業(yè)總線的方式進行通訊，比如西門子系統(tǒng)采用Profibus總線，倍福系統(tǒng)采用EtherCat總線，但其驅(qū)動優(yōu)化都集成在數(shù)控系統(tǒng)中。對于第三方驅(qū)動器則需要專門的驅(qū)動調(diào)試軟件進行驅(qū)動優(yōu)化，此時驅(qū)動器與系統(tǒng)之間通訊的實時性也顯得尤為重要。

1 伺服優(yōu)化的方法

本文主要介紹倍福驅(qū)動在倍福系統(tǒng)上的伺服優(yōu)化。利用倍福系統(tǒng)自帶的示波器軟件，通過跟隨誤差、給定速度、實際速度、轉(zhuǎn)矩使用率曲線對位置環(huán)和速度環(huán)進行PID優(yōu)化使數(shù)控機床達到最優(yōu)的切割精度及效率。

圖1 伺服數(shù)控系統(tǒng)

驅(qū)動軸是由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)組成，伺服數(shù)控系統(tǒng)如圖1所示。一般來說位置環(huán)是一個簡單的比例調(diào)節(jié)器，因而調(diào)節(jié)起來比較簡單，速度環(huán)和電流環(huán)是由比例積分調(diào)節(jié)器組成，是驅(qū)動的核心部分，因此速度環(huán)是驅(qū)動優(yōu)化的調(diào)整重點。驅(qū)動優(yōu)化的關(guān)鍵是提高速度環(huán)的動態(tài)特性，而提高動態(tài)特性的關(guān)鍵又在于提高速度環(huán)比例環(huán)節(jié)的增益，降低積分環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。

1.1 速度環(huán)的優(yōu)化

速度環(huán)的優(yōu)化是整個驅(qū)動優(yōu)化的重點，速度環(huán)主要的優(yōu)化參數(shù)有速度環(huán)增益和速度環(huán)積分時間常數(shù)[2]，速度環(huán)優(yōu)化參數(shù)如圖2所示。隨著速度環(huán)增益的增大，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)也越快，同時提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度；但該參數(shù)調(diào)整過大會導(dǎo)致電機剛性偏硬同時會發(fā)出嘯叫，電機也會不穩(wěn)定，該參數(shù)調(diào)整過小電機響應(yīng)慢，跟隨誤差也會變大，超調(diào)量增大同時會產(chǎn)生低頻振蕩[1]。速度環(huán)積分時間的減小可消除或減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。速度環(huán)調(diào)整的一般步驟是：先增大速度環(huán)增益直到出現(xiàn)嘯叫聲，再降低速度環(huán)增益直到電機的嘯叫聲以及電機的振動聲消失，從而找到臨界值；速度環(huán)增益調(diào)整后再調(diào)整速度環(huán)積分時間，通過減少速度環(huán)積分時間常數(shù)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 位置環(huán)的優(yōu)化

圖2 速度環(huán)參數(shù)

位置環(huán)主要是位置調(diào)節(jié)器的優(yōu)化，位置環(huán)優(yōu)化參數(shù)如圖3所示。主要優(yōu)化參數(shù)有位置環(huán)增益和加速度前饋[3]。位置環(huán)參數(shù)調(diào)整的前提是速度環(huán)增益及積分時間常數(shù)已調(diào)整完成。位置環(huán)增益越大，系統(tǒng)的跟隨誤差越小。該參數(shù)調(diào)整過大會導(dǎo)致超調(diào)甚至出現(xiàn)系統(tǒng)振蕩。一般只要滿足數(shù)控系統(tǒng)的加工精度即可，參數(shù)調(diào)整過硬會導(dǎo)致參數(shù)的通用性不高，畢竟每臺數(shù)控機床的機械特性有所差異。

圖3 位置環(huán)參數(shù)

1.3 伺服優(yōu)化前后波形對比

優(yōu)化前后伺服參數(shù)如表1所示，優(yōu)化前波形圖如圖4所示，伺服優(yōu)化后波形圖如圖5所示。

由波形圖可知，跟隨誤差由75μm下降到15μm，其精度得到了提升，響應(yīng)時間由原來的195ms減小到150ms，整個機床的動態(tài)性能及精度都得到了有效提升。

表1 伺服優(yōu)化前后參數(shù)

2 海德漢圓度測試結(jié)果

根據(jù)驅(qū)動優(yōu)化結(jié)果，利用海德漢二維光柵，在激光切割機上實時模擬切割頭的加工軌跡并對加工半徑5mm的圓孔進行圓度誤差分析。

2.1 實驗數(shù)據(jù)

圖4 優(yōu)化前波形

圖5 優(yōu)化后波形

海德漢ACCOM數(shù)據(jù)處理軟件在測試結(jié)果中給出了反向間隙、反向尖角、圓偏差、半徑偏差等誤差，半徑偏差是指實際軌跡與理論軌跡的偏差；圓偏差是實際軌跡上的兩個同心圓的最小半徑，具體數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 半徑5mm圓孔圓度測試結(jié)果

2.2 初步分析

在速度轉(zhuǎn)換點處存在反向間隙誤差，其中X方向的反向間隙略大于Y軸。由于反向間隙沒有得到有效補償，導(dǎo)致伺服驅(qū)動不能及時響應(yīng)而出現(xiàn)了反向尖角誤差。反向間隙主要是由于齒輪齒條的擬合不好導(dǎo)致。根據(jù)測試結(jié)果在數(shù)控系統(tǒng)中分別對X、Y軸進行反向間隙補償。

倍福系統(tǒng)調(diào)整參數(shù)分別為：①lr_param.anahl_losekomp：P-AXIS-00021（反向間隙補償功能），0：關(guān)閉反向間隙補償功能；1：正向補償；2：反向補償。②getriebe[0].lose：P-AXIS-：00103（反向間隙值），單位為0.1um或0.0001。③r_param.n_backlash_cyc：P-AXIS-00243（補償周期），設(shè)置為 10，補償分步在10個掃描周期進行。

2.3 參數(shù)優(yōu)化后的測試結(jié)果

數(shù)控系統(tǒng)對X、Y軸進行反向間隙補償后，進行圓度測試，最佳結(jié)果如圖7所示。

X軸反向補償值5.3μm，Y軸反向補償值2.1μm，直徑為5mm的圓度誤差有了明顯改善。此后增大或減小速度環(huán)、位置環(huán)的增益、比例積分時間，其圓度誤差值并沒有得到有效改善。

3 總結(jié)

圖7 參數(shù)優(yōu)化后最佳結(jié)果

通過采集驅(qū)動器的速度、跟隨誤差、電流波形圖對速度環(huán)、位置環(huán)進行PID優(yōu)化，盡管波形圖曲線良好，但到直接執(zhí)行部件的軌跡會有略微的差別。再者，激光切割機在高速運行時，其自身的振動、機床的反向間隙、反向尖角度沒有得到有效補償導(dǎo)致實際軌跡與理論軌跡存在17.4μm誤差。因此，驅(qū)動優(yōu)化是電氣與機械系統(tǒng)相互匹配的過程，兩者共同決定機床的精度和速度。

[1]王偉平.國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的伺服優(yōu)化研究 [J].科技與企業(yè)，2015，（10）.

[2]黃敏高，陳葉娣.基于FANUC18I系統(tǒng)的數(shù)控機床伺服控制優(yōu)化應(yīng)用[J].煤礦機械，2011，32（2）：213-215.

[3]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].機電工程，2011，28（4）：444-447.