基于靜態(tài)頻率曲線測試的數(shù)控機床伺服參數(shù)優(yōu)化

宋 嘎，崔劍平

（山東職業(yè)學(xué)院，山東 濟南250104）

0 前言

數(shù)控機床的參數(shù)尤其是伺服相關(guān)參數(shù)對數(shù)控機床極其重要，其設(shè)定的合理與否將直接影響數(shù)控機床的精度和穩(wěn)定性。隨著數(shù)控機床向高速高精方向發(fā)展，其在高速運行時會產(chǎn)生振動變大、加工精度下降等一系列不穩(wěn)定的情況。很多機床在出廠前只是進行了加減速時間常數(shù)、柔性齒輪比、速度環(huán)增益等基本的伺服參數(shù)設(shè)定，未根據(jù)機床實際情況進行最優(yōu)調(diào)整，故無法發(fā)揮機床的最優(yōu)性能；即使進行了伺服參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，但機床經(jīng)過長期運行后，其機械性能會發(fā)生變化，若伺服參數(shù)未及時進行相應(yīng)調(diào)整，則會導(dǎo)致加工精度下降。由上述可見，做好伺服參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整工作是非常重要的。

目前，伺服調(diào)整與優(yōu)化方面已有很多的文獻報道，但是更多的側(cè)重于理論研究[1-3]，基于工作現(xiàn)場的實用性研究還相對偏少[4-5]。對于FANUC數(shù)控系統(tǒng)，除了根據(jù)個人經(jīng)驗手動調(diào)整外，可利用專門的伺服調(diào)試軟件進行在線調(diào)整[6]。靜態(tài)頻率響應(yīng)測試是伺服參數(shù)優(yōu)化的重要手段，可以根據(jù)頻率響應(yīng)曲線的波形來明確機床的機械特性并進行相應(yīng)的伺服優(yōu)化。本文在對伺服控制原理進行分析的基礎(chǔ)上，基于靜態(tài)頻率曲線測試，研究如何優(yōu)化數(shù)控機床的伺服參數(shù)，從而指導(dǎo)技術(shù)人員快速高效地做好伺服調(diào)整工作，以提升機床整體性能。

1 伺服控制模型

如圖1所示，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令位置與位置檢測裝置檢測的實際位置進行比較，實現(xiàn)機床位置的閉環(huán)控制。指令位置與實際位置之間的差值，作為速度指令值輸出至速度調(diào)節(jié)器，伺服電機一般利用自身的編碼器來測量其實際轉(zhuǎn)速。速度指令值與編碼器給出的速度反饋值相比較，實現(xiàn)速度環(huán)的閉環(huán)控制。速度環(huán)的輸出信號作為電流環(huán)的輸入信號，和電流反饋信號相比較，實現(xiàn)電流環(huán)的閉環(huán)控制。因此，伺服系統(tǒng)由內(nèi)至外依次包含電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，這三個環(huán)均采用負反饋。位置環(huán)是保證對位置進行準確控制，速度環(huán)是保證對速度進行準確控制，電流環(huán)能夠保證系統(tǒng)工作時電流能始終保持最好的波形。伺服調(diào)試工作就是要根據(jù)機械及負載情況，實現(xiàn)三環(huán)高效、協(xié)調(diào)一致地工作。

圖1 伺服系統(tǒng)的三環(huán)控制原理

2 基本伺服參數(shù)設(shè)定

在伺服優(yōu)化前，需要保證數(shù)控機床能夠正常運轉(zhuǎn)，這就需要先設(shè)定好基本的伺服參數(shù)，這些參數(shù)包括：①基本參數(shù)（伺服電機初始化、速度環(huán)相關(guān)參數(shù)等）；②前饋參數(shù)（快速移動前饋、先行前饋系數(shù)等）；③背隙加速參數(shù)（反向背隙加速量、背隙加速時間等）；④時間常數(shù)參數(shù)（插補后時間常數(shù)、鈴型加減速時間常數(shù)等）。設(shè)定好上述參數(shù)后，才能進行伺服參數(shù)優(yōu)化，從而實現(xiàn)數(shù)控機床的高速高精。

3 靜態(tài)頻率曲線測試

速度環(huán)增益是影響數(shù)控機床伺服響應(yīng)的極其重要的參數(shù)。一般在進行伺服參數(shù)優(yōu)化前，首先進行速度環(huán)增益的調(diào)整。借助SERVO GUIDE伺服調(diào)整軟件，可以執(zhí)行機床靜態(tài)頻率曲線測試，以確定速度環(huán)增益的最佳值。頻率響應(yīng)測試的原理是通過測試首先確定各伺服軸的共振點，并通過相關(guān)參數(shù)的設(shè)定來抑制共振；然后，在機械系統(tǒng)不產(chǎn)生振動并且共振點被抑制的情況下，盡可能增加速度環(huán)增益以提高伺服系統(tǒng)的響應(yīng)性。

3.1 頻率響應(yīng)曲線

圖2所示為某機床伺服軸的頻率響應(yīng)曲線，其包括兩條曲線，上方曲線1為幅頻特性曲線，下方曲線2為相頻特性曲線。在進行伺服調(diào)試時，幅頻特性曲線是進行伺服優(yōu)化的主要參考。根據(jù)FANUC技術(shù)手冊，對應(yīng)于幅頻特性曲線的函數(shù)是Y=20Log（輸出/輸入）。理想情況下，輸出應(yīng)該等于輸入；若出現(xiàn)機械摩擦力過大或電機轉(zhuǎn)矩不足等情況時，系統(tǒng)的響應(yīng)會滯后。當輸出能夠較好地響應(yīng)輸入時，根據(jù)公式Y(jié)=20Log（輸出/輸入），幅頻特性曲線應(yīng)該為一條接近0 dB的曲線。頻率特性曲線可根據(jù)頻率大小劃分為兩個區(qū)：低頻特性響應(yīng)區(qū)和高頻特性衰減區(qū)。低頻特性響應(yīng)區(qū)的頻率范圍一般為10 Hz～200 Hz，該區(qū)域內(nèi)接近0 dB的曲線越寬，系統(tǒng)的響應(yīng)特性越好。通過提高速度增益，可增加響應(yīng)帶寬。高頻特性衰減區(qū)的頻率范圍一般為200 Hz～1 000 Hz，此區(qū)域可以用來確定系統(tǒng)的高頻振蕩點。借助系統(tǒng)的過濾器可以抑制振蕩點，系統(tǒng)具有4個HRV濾波器，因此最多可以過濾4個高頻振蕩點。若數(shù)控機床伺服軸的機械性能不好，高頻特性衰減區(qū)的振蕩點可能會多于4個，此時應(yīng)從多個振蕩點中選擇幾個相對突出的振蕩點進行抑制。良好的頻率響應(yīng)需要滿足以下三點要求：①響應(yīng)帶寬要足夠?qū)挘蕴岣呦到y(tǒng)響應(yīng)性。②截止頻率所對應(yīng)的幅值應(yīng)小于10 dB，此處所指的截止頻率為曲線開始下降處所對應(yīng)的頻率。③曲線上1 000 Hz處所對應(yīng)的幅值應(yīng)小于-20 dB。

圖2 頻率響應(yīng)曲線

3.2 振動抑制

見圖3對于各伺服軸的振動，應(yīng)首先明確是低頻振動還是高頻振動，然后設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)進行抑制。若是低頻振動，可通過轉(zhuǎn)矩指令過濾器來抑制，其對應(yīng)參數(shù)為No.2067。此參數(shù)的設(shè)定值與截止頻率有關(guān)系，設(shè)定時可參考表1給出的經(jīng)驗值，而截止頻率一般設(shè)定為振動頻率的50%左右。

圖3 濾波器設(shè)定界面

表1 設(shè)定值與截止頻率的關(guān)系

如果是高頻振動，應(yīng)通過HRV濾波器進行抑制。HRV濾波器設(shè)定時主要有三個參數(shù)：中心頻率（No.2360）、帶寬（No.2361）和阻尼（No.2362）。將高頻特性衰減區(qū)高于-20 dB的最高點，投影至曲線的橫坐標即可確定中心頻率；衰減帶寬一般設(shè)定在50～200之間；衰減阻尼一般設(shè)定在1%～100%之間，此值設(shè)定越大，衰減的幅度反而越小。需要說明的是：數(shù)控機床拷入其它機床的備份參數(shù)后，若執(zhí)行電機初始化操作，則會清掉“中心頻率”參數(shù)，此時如果不清除帶寬和阻尼參數(shù)，將會導(dǎo)致伺服系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。因此，在執(zhí)行電機初始化后務(wù)必檢查濾波器相關(guān)參數(shù)，確保清除掉帶寬和阻尼參數(shù)。

振動點被抑制后，為提高伺服響應(yīng)性，應(yīng)增大速度增益的設(shè)定值，一旦速度增益發(fā)生變化，就應(yīng)接著進行頻率響應(yīng)測試，如此反復(fù)進行，直至確定好最優(yōu)值。

3.3 全行程檢驗

圖2所示的頻率響應(yīng)曲線給出的是伺服軸在某一點的靜態(tài)特性，其無法體現(xiàn)伺服軸在整個工作范圍內(nèi)的靜態(tài)特性。為此，應(yīng)在伺服軸正向極限位置、負向極限位置以及中間位置處分別進行靜態(tài)頻率響應(yīng)測試。

4 伺服優(yōu)化實例

4.1 測試對象

測試對象為YL559數(shù)控銑床實訓(xùn)設(shè)備，配備FANUC 0i mate-TD數(shù)控系統(tǒng)，伺服放大器為FANUC SV20，伺服電機采用βis4/4000，伺服電機與滾珠絲杠直連。該設(shè)備已運行近5年，機械性能已發(fā)生明顯變化，現(xiàn)需要根據(jù)其各軸的靜態(tài)頻率曲線對其進行伺服參數(shù)優(yōu)化。下面以Y軸為例介紹其優(yōu)化過程。

4.2 通訊設(shè)定

打開Servo Guide伺服調(diào)整軟件，進行通訊設(shè)定。主要設(shè)定的內(nèi)容有：數(shù)控機床的主機地址、計算機的IP地址、通道號和超時時間等。只有正確設(shè)定好上述通訊參數(shù)后，才可用PCMCIA-LAN卡將PC與機床進行連接并進行“測試”，如果設(shè)定及連接正常，則在“結(jié)果”框里顯示“OK”。

4.3 測試及優(yōu)化

測試前對該數(shù)控設(shè)備進行了電機初始化操作，因此清除了濾波器參數(shù)。打開SERVO GUIDE軟件，依次選擇[工具]→[頻率響應(yīng)]→[測量]菜單選項，并選擇Y軸作為測試軸，然后按[開始]鍵進行測試。幾秒鐘后，得到圖4所示的頻率響應(yīng)曲線。圖4中，在頻率為310 Hz處存在一個高頻振動點，應(yīng)該用HRV濾波器進行過濾。

圖4 頻率響應(yīng)曲線（無濾波器）

在Servo Guide濾波器設(shè)定畫面加入Y軸的HRV濾波器，中心頻率設(shè)定為310，帶寬為80，阻尼為10，再次進行靜態(tài)頻率響應(yīng)測試，得到圖5所示的頻率響應(yīng)曲線。如圖5所示，通過上述舉措，有效地抑制了高頻振蕩點。

在高頻振蕩點抑制后，應(yīng)盡可能提高速度環(huán)增益。速度環(huán)增益每次增加50，并且每次改變速度環(huán)增益后，需重新進行伺服頻率響應(yīng)測試，如此重復(fù)多次，直至滿足要求。最終優(yōu)化后的頻率響應(yīng)曲線如圖6所示。此時，速度環(huán)增益為160。

圖6 Y軸的頻率響應(yīng)曲線（優(yōu)化后）

5 結(jié)束語

借助SERVO GUIDE伺服調(diào)試軟件，基于靜態(tài)頻率曲線測試研究了如何進行數(shù)控機床速度環(huán)增益等伺服參數(shù)的優(yōu)化工作。需要指出的是，該伺服軟件只適用于某個伺服軸的伺服調(diào)整與優(yōu)化，無法對多軸同時進行伺服優(yōu)化，因而也就無法體現(xiàn)其聯(lián)動性能。要進一步檢驗和優(yōu)化機床的多軸聯(lián)動性能，應(yīng)借助球桿儀等設(shè)備進行進一步測試。