沈陽機(jī)床股份有限公司中捷立式加工中心事業(yè)部 宋 楠

數(shù)控系統(tǒng)的主要功能是把編制的NC程序轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的軸的機(jī)械位移。在軸位移的過程中，好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性是伺服驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定高效運(yùn)行的關(guān)鍵。伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的目的是在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上盡可能提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性。

一、伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的原理

伺服驅(qū)動(dòng)軸控制回路是由電流環(huán)，速度環(huán)和位置環(huán)組成，原理如圖1所示。

圖1 控制回路原理

位置環(huán)是一個(gè)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(dòng)的核心部分，因而速度環(huán)又是驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的調(diào)整重點(diǎn)。伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的關(guān)鍵是提高速度環(huán)的動(dòng)態(tài)特性，而提高動(dòng)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(shí)間常數(shù)。

二、伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的步驟

在機(jī)床調(diào)試時(shí)系統(tǒng)會(huì)給定一組相應(yīng)軸的默認(rèn)參數(shù)，但這些參數(shù)一般是為了保證系統(tǒng)正常工作的比較保守參數(shù)。立式加工中心的伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化主要做各軸的頻率響應(yīng)和圓度的測試。

1.頻率響應(yīng)

頻率響應(yīng)的原理是讓電機(jī)端輸出一個(gè)涵蓋很寬頻率的噪音信號(hào)，再檢查輸出端的應(yīng)答信號(hào)，根據(jù)它們的關(guān)系繪制一個(gè)輸入和輸出的關(guān)系圖。為了計(jì)算方便，一般用波特圖的方式來表示。圖的上半部分是表示輸出和輸入的幅值的比，下半部分是輸出和輸入信號(hào)的相位差。理想的情況是輸出的幅值等于輸入信號(hào)的幅值，并且沒有相位差，但實(shí)際中圖形都會(huì)有偏差。

利用servo guide軟件的圖形畫面測定各軸的頻率響應(yīng)后，根據(jù)頻率響應(yīng)曲線可以分析出各軸的剛性余量、高頻振動(dòng)點(diǎn)、系統(tǒng)響應(yīng)頻寬等。如果是低頻振動(dòng)，利用TCMD濾波器來抑制振動(dòng)。如果是高頻振動(dòng)，可以利用HRV濾波器來消除高頻振動(dòng)點(diǎn)。消除共振點(diǎn)后，就可以設(shè)定更高的速度增益。然后需要重新測量頻率響應(yīng)，如此反復(fù)進(jìn)行，直到滿足要求。

2.圓度測試

利用servo guide軟件的程序畫面可以自動(dòng)生成典型的測試程序，然后將相應(yīng)的子程序和主程序發(fā)送到NC，通過NC運(yùn)行該程序，由圖形畫面采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)以對(duì)調(diào)試結(jié)果進(jìn)行分析。如果圓弧顯示變形，可能是由于背隙補(bǔ)償造成的，可在測試前修改參數(shù);如果圓弧的半徑誤差比較大，可以設(shè)定前饋系數(shù)，利用前饋功能來縮短由于伺服系統(tǒng)的跟蹤延遲導(dǎo)致的誤差;如果象限有凸起或者過切，可以通過調(diào)整速度增益和背隙加速等參數(shù)來調(diào)整。

三、伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的案例

1.Y軸共振問題

數(shù)控機(jī)床運(yùn)行時(shí)，有尖叫聲，一般來說是機(jī)床發(fā)生了共振。測試Y軸的靜態(tài)頻率響應(yīng)曲線圖如圖2所示。

圖2 Y軸的靜態(tài)頻率響應(yīng)曲線

機(jī)床的共振可以使用濾波器參數(shù)來進(jìn)行抑制，從而消除一般的尖叫聲。經(jīng)過對(duì)Y軸增加濾波器調(diào)整后，尖叫聲消除，再次采集的圖形如圖3所示。

圖3 調(diào)整后的靜態(tài)頻率響應(yīng)曲線

2.對(duì)加工曲面影響

使用數(shù)控機(jī)床試切曲面效果如圖4所示，從圖4可以看出圓弧表面的加工效果不理想，粗糙，有象限點(diǎn)，可能是參數(shù)設(shè)置引起震動(dòng)造成，也有可能是機(jī)械原因造成。

使用 servo guide軟件進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化，如圖5、圖6所示。

圖5 XZ軸的圓弧原始圖形

圖6 調(diào)整之后的圖形

再次進(jìn)行加工，如圖7所示，試件表面刀紋和光潔度變好，象限點(diǎn)消除。

圖7 優(yōu)化后試件

四、總結(jié)

伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化能夠使數(shù)控機(jī)床的機(jī)械特性和數(shù)控系統(tǒng)更加匹配。但是在機(jī)床上，機(jī)械是主體，系統(tǒng)上的調(diào)整只是對(duì)機(jī)械性能造成的影響進(jìn)行一些彌補(bǔ)，或者抑制，從而改善一些加工的性能。想從根本上解決切削缺陷問題，應(yīng)該從提升機(jī)械性能、機(jī)械裝配的工藝上著手。