加工中心伺服參數優化及振動故障診斷

林劍峰，劉闊，馬莉莉，孫名佳，劉輝

(1.沈陽機床(集團)有限責任公司高檔數控機床國家重點實驗室，遼寧沈陽110142;2.西安交通大學機械工程學院，陜西西安710049)

現代數控機床正在向高精度、高速度方向發展以適應實際生產的需要。這要求必須提高數控機床伺服控制的響應速度、跟隨精度和定位精度。一般數控系統會給定伺服軸一組默認的伺服參數，但這些參數一般是保證數控機床正常運行的保守參數，無法滿足高精度、高速度的加工要求，而數控機床伺服參數優化技術正是為解決這一問題而產生的技術。

目前國內外很多學者對伺服參數優化技術展開了研究。如范晉偉等［1］基于Simulink 仿真軟件提出了一種伺服系統動態特性仿真優化的方法;楊勇［2］建立了數控機床的進給系統模型，研究了交流伺服系統的三環PID 控制器整定及參數辨識方法，并對數控銑齒機床進行了參數優化;李亞聰［3］建立了伺服系統的數學模型，對電流環、速度環、位置環的參數進行了整定，并提出了隨動系統的PID 優化設計。

針對目前在實際數控機床上進行伺服參數優化較少的現狀，對VMC 系列某型立式加工中心進行伺服系統的測試及參數優化，給出了優化前后的對比數據，并解決了測試過程中Z 軸振動的問題。

1 伺服參數優化技術

機床中廣泛使用的伺服控制系統一般是由位置環、速度環和電流環三環組成。其中，電流環和速度環為內環，位置環為外環。三環結構可以使伺服系統獲得較好的動態跟隨性能和抗干擾性能。

為了保證數控系統的性能，各環節均有調節器，電流環采用PI 調節器，速度環采用PI 調節器，位置環采用P 調節器。三環結構設計及其控制器的優劣直接關系到整個伺服驅動系統的穩定性、準確性和快速性。伺服參數優化技術的重點就是通過一系列測試確定一組控制器參數，使伺服軸具有優良的動態性能，從而使數控機床盡可能工作在最優狀態下。

電流環的調節目的是限制電機的最大電流，調節對象的動態結構，加快數控系統的動態響應。

速度控制是位置伺服系統中極其重要的環節。速度伺服控制應該具有高精度、快響應的特點。速度環控制器采用比例積分(PI)控制，參數優化主要就是對速度控制器的比例增益Kp和積分時間常數Tn進行調整。在滿足性能要求的前提下，希望Kp盡可能地大，提高機床的響應速度和跟蹤精度，希望Tn盡可能地小，提高機床的抗擾動能力。

位置環的作用是保證系統靜態精度和動態跟蹤性能，使整個伺服系統能穩定、高性能地運行。位置環采用比例控制，其中主要參數是位置環增益(Kv)。為了保證位置環的穩定性，還可以加入低通的速度濾波器。通過頻率特性測試調整Kv，使頻率特性中幅頻特性的帶寬盡可能高，提高動態特性。

2 進給軸的伺服參數測試及優化

對VMC 系列某型立式加工中心進行伺服性能測試及優化?？紤]到加工中心應用的是FAUNC-0i 數控系統，采用Servo guide 軟件對伺服進給系統的動態特性進行測試。將運行Servo guide 軟件的PC 機通過PCMCIA-LAN 卡與加工中心的FAUNC-0i 數控系統連接，如圖1所示。

圖1 測試系統連接示意圖

在20 ℃的恒溫車間進行伺服系統動態性能測試。圖2 為測試現場。

圖2 伺服性能測試及優化現場

分別對加工中心的X 軸和Y 軸進行速度環和位置環的伺服性能測試及優化。對X 軸和Y 軸的速度環比例增益和積分增益等參數進行測試，采用Servo guide 軟件進行速度環的伺服參數優化。圖3 和圖4分別為X 軸優化前后速度環的頻率特性曲線。

圖3 X 軸優化前速度環的頻率特性曲線

圖4 X 軸優化后速度環的頻率特性曲線

表1 為X 軸和Y 軸速度環伺服優化前后的數據對比。

表1 速度環優化前后對比 Hz

在速度環優化的基礎上，對位置環增益和速度前饋系數等參數進行測試及優化。通過伺服軸在快移速度下(32 m/min)的位置跟蹤誤差曲線來判斷優化效果，測試過程為:讓X 軸以快移(32 m/min)的進給速度，做行程為500 mm 的直線往復運動，每次運動間隔時間為1 s。表2 為X 軸和Y 軸位置環伺服優化前后的數據對比。

表2 位置環優化前后對比 μm

從以上速度環和位置環伺服參數優化的結果可以看出:伺服跟蹤速度提高(頻響帶寬增加)，位置跟蹤誤差大大減小。

加工中心的Z 軸在進行伺服性能測試時(8 m/min)振動劇烈，因此進行振動故障診斷。

3 振動故障的診斷與解決

首先對Z 軸進行基于錘擊法的振動測試，判斷是否為結構共振導致。經振動測試，該原因被排除。

在加工中心采用默認的直線型加減速時(加速時間為60 ms)，讓Z 軸以8 m/min 的進給速度，做行程為200 mm 的直線往復運動，每次運動間隔時間為1 s。在運動過程中使用激光干涉儀的動態采集功能測試Z 軸位置信號。

將測試數據進行處理，并將直線運動終止時間點的曲線局部放大，如圖5所示。

圖5 直線型加減速時運動停止時刻Z 軸位置曲線局部放大圖

結論:直線型加減速時，Z 軸在以8 m/min 進給速度做往復運動時，在啟停段沖擊大，機床有明顯振動，無法正常工作。由Z 軸位置測試結果可以看出:Z 軸在啟停段位置存在振蕩。鑒于以上測試結果和分析，需要對加減速參數進行調整，減小啟停段的沖擊和振動。

調整Z 軸的加減速方式，設置為指數型加減速，加速時間180 ms。在運動過程中再次使用激光干涉儀的動態采集功能測試Z 軸位置信號。

將測試數據再次進行處理，并將直線運動終止時間點的曲線局部放大，測試結果如圖6所示。

圖6 指數型加減速時運動停止時刻Z 軸位置曲線局部放大圖

結論:加減速參數調整后，Z 軸運動啟停段沖擊和振動明顯減小。由測試結果可以看出:Z 軸位置曲線，在啟停段振動減小，啟停段振幅減小。

由測試結果可以看出:加減速方式及參數對伺服軸加減速特性影響很大，若這些參數與機械系統匹配不好就會造成沖擊和振動，使伺服軸無法工作在較高進給速度下，需要對加減速參數進行優化調整。

4 結束語

對數控機床的伺服參數優化技術進行了介紹。針對VMC 系列某型立式加工中心進行了進給軸的伺服性能測試及優化，優化前后的數據對比顯示了伺服參數優化的效果，為廣大工程人員提供參考。針對Z軸振動較為劇烈的情況，通過調整加減速方式及加速時間得到解決。

【1】范晉偉，劉磊，朱曉勇，等.伺服系統動態仿真及優化方法的研究［J］.機械設計與制造，2009(1):191－195.

【2】楊勇.數控伺服系統動態特性仿真及參數優化［D］.南京:南京工業大學，2005.

【3】李亞聰.數控機床伺服系統參數優化配置的研究［D］.大連:大連理工大學，2009.