摘 要：本文分析了三菱數(shù)控伺服驅(qū)動控制原理及相關(guān)伺服參數(shù)作用與關(guān)系，闡述了伺服驅(qū)動參數(shù)調(diào)整要領(lǐng)及相關(guān)伺服驅(qū)動參數(shù)設(shè)定與調(diào)整方法。實(shí)踐證明，通過對伺服驅(qū)動參數(shù)的最佳化調(diào)整，解決了銑面光潔度差、加工面有刀痕等問題。

關(guān)鍵詞：三菱數(shù)控；伺服驅(qū)動參數(shù)；調(diào)整

1 引言

數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動參數(shù)調(diào)整的好壞，直接影響到機(jī)床的加工精度和性能。很多數(shù)控機(jī)床在出廠前，都進(jìn)行過伺服驅(qū)動參數(shù)基本設(shè)定，能滿足一般精度的加工要求。但在動態(tài)性能要求高的模具加工中，由于伺服驅(qū)動參數(shù)沒有進(jìn)行最佳調(diào)整，造成電氣系統(tǒng)與機(jī)械特性匹配不合理，導(dǎo)致加工中出現(xiàn)質(zhì)量問題。例如，銑球面光潔度差、加工圓弧呈橢圓、加工面在象限切換處出現(xiàn)刀痕等等。根據(jù)三菱數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，筆者總結(jié)了伺服驅(qū)動參數(shù)調(diào)整要領(lǐng)及伺服驅(qū)動參數(shù)設(shè)定與調(diào)整方法。

2 伺服驅(qū)動參數(shù)分析

三菱伺服驅(qū)動控制原理如圖1所示。

三菱伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用圖1所示的三環(huán)控制方式。整個(gè)控制流程是通過位置環(huán)到速度環(huán)，再到電流環(huán)，最終到伺服電機(jī)。而伺服電機(jī)則將電流信號和速度信號分別反饋給電流環(huán)和速度環(huán)、位置環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的運(yùn)動控制。

2.1 電流環(huán)

電流環(huán)的作用是限制最大電流，使系統(tǒng)有足夠大的加速扭矩。電流環(huán)控制參數(shù)主要包含電流回路q軸進(jìn)給補(bǔ)償#2209、電流回路d軸進(jìn)給補(bǔ)償#2210、電流回路q 軸增益#2211、電流回路d軸增益#2212，這些參數(shù)由伺服電機(jī)的電氣特性決定的，根據(jù)電機(jī)型號設(shè)定相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值。

2.2 速度環(huán)

速度環(huán)的作用是抑制速度波動，增強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動的能力。速度環(huán)控制參數(shù)主要有：速度回路增益1（#2205，簡稱：VGN1）、速度回路增益2（#2206，簡稱：VGN2）、速度回路延遲補(bǔ)償（#2207，簡稱：VIL）、速度回路進(jìn)給補(bǔ)償(#2208，簡稱：VIA)。

速度回路增益1，是決定伺服控制響應(yīng)性的重要參數(shù)，對機(jī)床的切削精度和切削循環(huán)時(shí)間有很大的影響，增大設(shè)定值則控制精度相應(yīng)提高，但機(jī)械容易發(fā)生振動。使用濾波器參數(shù)抑制機(jī)械振動，盡可能提高速度環(huán)增益1設(shè)定值，是伺服調(diào)整之關(guān)鍵所在。

速度環(huán)超前補(bǔ)償參數(shù)#2208主要決定速度環(huán)的低頻帶特性。標(biāo)準(zhǔn)值為1364，高速高精度控制時(shí)的設(shè)定為1900。對于慣量較大的負(fù)載、有時(shí)標(biāo)準(zhǔn)值可能會下降。對于高速輪廓切削（通常F在1000mm/min以上），為保證精度，VIA必須保持高的設(shè)定值（或標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)定）。對重視切削循環(huán)時(shí)間的機(jī)械而言，提高速度環(huán)超前補(bǔ)償值將改善相對位置指令的跟隨性，縮短位置滯后收縮至定位寬度的時(shí)間。在改善精度和循環(huán)時(shí)間方面，如果VGN1的設(shè)定值較大（接近標(biāo)準(zhǔn)值），或使用與增加VGN1等效的干擾觀測器的功能，VIA的調(diào)整將會更加容易。

2.3 位置環(huán)

位置環(huán)的作用是保證系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤性能，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。位置環(huán)的控制參數(shù)主要有：位置回路增1（#2203，簡稱：PGN1）、位置回路增2（#2204，簡稱：PGN2）、SHG控制增益（#2257，簡稱：SHGC）。PGN1是決定對指令位置跟隨性的參數(shù)，插補(bǔ)軸之間位置環(huán)增益應(yīng)設(shè)定為相同值。增加PGN1設(shè)定值，可提高對指令位置的跟隨性，縮短定位時(shí)間。

3 伺服參數(shù)調(diào)整要領(lǐng)

雖然三菱M700/M70數(shù)控系統(tǒng)推出了MS CONFIGURATOR伺服驅(qū)動參數(shù)自動調(diào)整軟件，但自動計(jì)算的數(shù)據(jù)適用于通用場合，對于一些要求較高的情況，部分參數(shù)還需要根據(jù)實(shí)際測量結(jié)果進(jìn)行手動調(diào)整。伺服驅(qū)動參數(shù)調(diào)整主要從兩個(gè)方面入手:一是抑制機(jī)械振動；二是調(diào)整加工精度。

3.1 抑制振動的調(diào)整

提高速度環(huán)增益1設(shè)定值，機(jī)床控制精度相應(yīng)地提高，但機(jī)械容易誘發(fā)振動。所以抑制振動的調(diào)整原則是使用濾波器抑制振動的同時(shí)盡量提高速度環(huán)增益1設(shè)定值。相關(guān)參數(shù)說明如表1所示。

（1） 濾波器設(shè)定方法

1) 設(shè)定參數(shù)#2233、#2283選擇濾波器1、2、4、5，設(shè)定為振動頻率；

2) 逐步提高濾波器深度補(bǔ)償值，調(diào)整為能夠消除共振的最佳值；

3) 不能消除振動時(shí)，使用于其頻率相同的其它濾波器。

（2） 電機(jī)因快速進(jìn)給發(fā)生振動或發(fā)出噪音的情況下，可以通過減小電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的速度環(huán)增益使其改善。因?yàn)榍邢鬟M(jìn)給等使用的低速區(qū)域速度環(huán)增益仍可保持很高，所以可以在不降低加工精度情況下便可改善振動，#2206與#2229配合使用。

（3） 電機(jī)停止時(shí)的振動抑制

如果電機(jī)停止時(shí)電機(jī)位置進(jìn)入機(jī)械的反向間隙中、負(fù)載慣量將變得非常小。由于其對負(fù)載慣量設(shè)定了非常大的VGN1，有時(shí)會發(fā)生振動。抖動補(bǔ)償通過忽略速度反饋的反向間隙部分的反饋脈沖，可抑制電機(jī)停止時(shí)發(fā)生的抖動。針對忽略脈沖數(shù)，可逐個(gè)增加，以設(shè)定能夠抑制振動的值。通過#2227的bit4、bit5設(shè)定忽略脈沖數(shù)。

3.2 調(diào)整加工精度及特性改善

抑制機(jī)械振動的同時(shí)盡量提高速度環(huán)設(shè)定值，然后可以進(jìn)行高速高精度調(diào)整。為縮短調(diào)整時(shí)間和提高精度，使用提高位置增益的前饋進(jìn)給控制，將容易誘發(fā)機(jī)械系統(tǒng)的振動。SHG控制通過更穩(wěn)定地補(bǔ)償伺服系統(tǒng)位置環(huán)的延遲，提高位置環(huán)的增益，縮短調(diào)整時(shí)間以及提高輪廓控制精度。

3.2.1SHG控制模式

SHG 控制時(shí)，要求PGN1:PGN2:SHGC＝1:(8/3):6。因此，即使PGN1的設(shè)定值相同，由于實(shí)際的位置環(huán)增益變大，故速度環(huán)需要足夠的響應(yīng)。速度環(huán)的響應(yīng)較低時(shí)，與正?？刂茣r(shí)一樣，在加減速時(shí)將會發(fā)生振動和過沖。因發(fā)生機(jī)械共振而減少速度環(huán)增益時(shí)，請相應(yīng)減少位置環(huán)增益。相關(guān)參數(shù)的設(shè)定見表2。

3.2.2切削面精度或真圓度較差的改善措施

（1） 切削面精度或真圓度較差，可通過增大速度環(huán)增益（VGN1、VIA）或使用干擾觀測功能進(jìn)行改善。提高切削表面精度的方法盡管有所不同，但都能提高速度環(huán)增益進(jìn)行調(diào)整，此時(shí)重要的是如何抑制機(jī)械共振。速度環(huán)相關(guān)參數(shù)設(shè)定見表3。

（2） 使用干擾觀察功能

干擾觀察是通過推斷干擾扭矩量來進(jìn)行補(bǔ)償，可減輕切削時(shí)的干擾和摩擦阻抗以及扭矩振動造成的影響，同時(shí)具有抑制因速度超前補(bǔ)償控制造成的振動的效果。干擾功能參數(shù)設(shè)定見表4。

（3） 使用丟步補(bǔ)償功能

通過丟步補(bǔ)償功能來補(bǔ)償機(jī)械運(yùn)行方向轉(zhuǎn)向時(shí)的響應(yīng)延時(shí)、摩擦、扭轉(zhuǎn)、伸縮、反向間隙所產(chǎn)生的刀紋、刀痕。

丟步補(bǔ)償功能包含丟步補(bǔ)償1、丟步補(bǔ)償2、丟步補(bǔ)償3，通過參數(shù)#2227的bit8、bit9設(shè)定選擇丟步補(bǔ)償2有效，通過參數(shù)#2216（LMC1）及#2241（LMC2）設(shè)定補(bǔ)償量；參數(shù)#2282的bit1為1時(shí)，則選擇丟步補(bǔ)償3有效。在LMC補(bǔ)償?shù)脑O(shè)定中，首先必須測量機(jī)械的不平衡扭矩與摩擦扭矩。丟步補(bǔ)償前后圓切削軌跡如圖2所示。

1） 測量不平衡扭矩與摩擦扭矩

在要測定的軸上進(jìn)行往返運(yùn)轉(zhuǎn)（F為1000mm/min左右），在NC伺服監(jiān)視畫面上顯示進(jìn)給時(shí)的負(fù)載電流。此時(shí)的不平衡扭矩與摩擦扭矩計(jì)算如下：

不平衡扭矩(%)＝[(＋進(jìn)給負(fù)載電流%)＋(－進(jìn)給負(fù)載電流%)]/2

摩擦扭矩(%)＝|(＋進(jìn)給負(fù)載電流%)－(－進(jìn)給負(fù)載電流%)|/2

2） 在扭矩偏置#2232中設(shè)定不平衡扭矩。

3） LMC補(bǔ)償類型2的設(shè)定與調(diào)整

選擇伺服功能選擇１（#2227）的bit9設(shè)為1，啟動LMC補(bǔ)償類型2功能；在丟步補(bǔ)償1（#2216）中以兩倍的摩擦扭矩設(shè)定補(bǔ)償量。#2241為0時(shí)，正負(fù)兩方向均以#2216的設(shè)定值進(jìn)行補(bǔ)償；不同方向的突起量存在差別時(shí)，使用丟步補(bǔ)償2進(jìn)行調(diào)整。只進(jìn)行單方向補(bǔ)償時(shí)，禁止補(bǔ)償方向上的參數(shù)(#2216或#2241)設(shè)定為-1。希望在補(bǔ)償方向變更補(bǔ)償量時(shí)設(shè)定#2241。補(bǔ)償方向的設(shè)定如圖3所示，即按NC參數(shù)中的CW／CCW設(shè)定。只需進(jìn)行單方面補(bǔ)償時(shí)，將不需補(bǔ)償，一側(cè)設(shè)定為-1。

最終的調(diào)整應(yīng)在實(shí)際切削的同時(shí)進(jìn)行設(shè)定。補(bǔ)償量不足時(shí)，按5%的增量逐漸增大#2216或#2241。但如果設(shè)定過大，相反可能出現(xiàn)過切現(xiàn)象。

4） LMC補(bǔ)償類型3

對應(yīng)丟步補(bǔ)償2無法補(bǔ)償?shù)?，因移動速度而引起機(jī)械系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)及伸縮而產(chǎn)生的誤差，通過設(shè)定機(jī)械系統(tǒng)的粘性系數(shù)(#2286)，即使移動速度有變化也可做到正確的補(bǔ)償。

在低速狀態(tài)下，測定真圓度的同時(shí)調(diào)整基本補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償量參數(shù)（#2216、#2241）；在高速狀態(tài)下，通過真圓度測定，調(diào)整粘性系數(shù)（#2286），直至獲得滿意的真圓度。標(biāo)準(zhǔn)值是在補(bǔ)償中根據(jù)摩擦扭矩設(shè)定的值。最佳的補(bǔ)償量因切削條件如切削速度、切削半徑、刀具種類、工件材質(zhì)等而變化，最后應(yīng)在對目標(biāo)切削進(jìn)行試切削的基礎(chǔ)上，確定補(bǔ)償量。

4 結(jié)語

數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動參數(shù)經(jīng)過最佳化調(diào)整后，其銑面精度得到極大的改善，消除了加工面的刀痕。數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動參數(shù)的調(diào)整是一項(xiàng)十分復(fù)雜而繁瑣的工作，筆者整理了三菱數(shù)控伺服驅(qū)動參數(shù)設(shè)定，根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)，對其進(jìn)行了調(diào)整，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。