林劍峰，劉闊，馬莉莉，孫名佳，劉輝

(1.沈陽機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司高檔數(shù)控機(jī)床國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽110142;2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710049)

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床正在向高精度、高速度方向發(fā)展以適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)的需要。這要求必須提高數(shù)控機(jī)床伺服控制的響應(yīng)速度、跟隨精度和定位精度。一般數(shù)控系統(tǒng)會(huì)給定伺服軸一組默認(rèn)的伺服參數(shù)，但這些參數(shù)一般是保證數(shù)控機(jī)床正常運(yùn)行的保守參數(shù)，無法滿足高精度、高速度的加工要求，而數(shù)控機(jī)床伺服參數(shù)優(yōu)化技術(shù)正是為解決這一問題而產(chǎn)生的技術(shù)。

目前國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)伺服參數(shù)優(yōu)化技術(shù)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(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真優(yōu)化的方法;楊勇［2］建立了數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)模型，研究了交流伺服系統(tǒng)的三環(huán)PID 控制器整定及參數(shù)辨識(shí)方法，并對(duì)數(shù)控銑齒機(jī)床進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化;李亞聰［3］建立了伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的參數(shù)進(jìn)行了整定，并提出了隨動(dòng)系統(tǒng)的PID 優(yōu)化設(shè)計(jì)。

針對(duì)目前在實(shí)際數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行伺服參數(shù)優(yōu)化較少的現(xiàn)狀，對(duì)VMC 系列某型立式加工中心進(jìn)行伺服系統(tǒng)的測(cè)試及參數(shù)優(yōu)化，給出了優(yōu)化前后的對(duì)比數(shù)據(jù)，并解決了測(cè)試過程中Z 軸振動(dòng)的問題。

1 伺服參數(shù)優(yōu)化技術(shù)

機(jī)床中廣泛使用的伺服控制系統(tǒng)一般是由位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三環(huán)組成。其中，電流環(huán)和速度環(huán)為內(nèi)環(huán)，位置環(huán)為外環(huán)。三環(huán)結(jié)構(gòu)可以使伺服系統(tǒng)獲得較好的動(dòng)態(tài)跟隨性能和抗干擾性能。

為了保證數(shù)控系統(tǒng)的性能，各環(huán)節(jié)均有調(diào)節(jié)器，電流環(huán)采用PI 調(diào)節(jié)器，速度環(huán)采用PI 調(diào)節(jié)器，位置環(huán)采用P 調(diào)節(jié)器。三環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其控制器的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。伺服參數(shù)優(yōu)化技術(shù)的重點(diǎn)就是通過一系列測(cè)試確定一組控制器參數(shù)，使伺服軸具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能，從而使數(shù)控機(jī)床盡可能工作在最優(yōu)狀態(tài)下。

電流環(huán)的調(diào)節(jié)目的是限制電機(jī)的最大電流，調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，加快數(shù)控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

速度控制是位置伺服系統(tǒng)中極其重要的環(huán)節(jié)。速度伺服控制應(yīng)該具有高精度、快響應(yīng)的特點(diǎn)。速度環(huán)控制器采用比例積分(PI)控制，參數(shù)優(yōu)化主要就是對(duì)速度控制器的比例增益Kp和積分時(shí)間常數(shù)Tn進(jìn)行調(diào)整。在滿足性能要求的前提下，希望Kp盡可能地大，提高機(jī)床的響應(yīng)速度和跟蹤精度，希望Tn盡可能地小，提高機(jī)床的抗擾動(dòng)能力。

位置環(huán)的作用是保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟蹤性能，使整個(gè)伺服系統(tǒng)能穩(wěn)定、高性能地運(yùn)行。位置環(huán)采用比例控制，其中主要參數(shù)是位置環(huán)增益(Kv)。為了保證位置環(huán)的穩(wěn)定性，還可以加入低通的速度濾波器。通過頻率特性測(cè)試調(diào)整Kv，使頻率特性中幅頻特性的帶寬盡可能高，提高動(dòng)態(tài)特性。

2 進(jìn)給軸的伺服參數(shù)測(cè)試及優(yōu)化

對(duì)VMC 系列某型立式加工中心進(jìn)行伺服性能測(cè)試及優(yōu)化。考慮到加工中心應(yīng)用的是FAUNC-0i 數(shù)控系統(tǒng)，采用Servo guide 軟件對(duì)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試。將運(yùn)行Servo guide 軟件的PC 機(jī)通過PCMCIA-LAN 卡與加工中心的FAUNC-0i 數(shù)控系統(tǒng)連接，如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)連接示意圖

在20 ℃的恒溫車間進(jìn)行伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能測(cè)試。圖2 為測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。

圖2 伺服性能測(cè)試及優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)

分別對(duì)加工中心的X 軸和Y 軸進(jìn)行速度環(huán)和位置環(huán)的伺服性能測(cè)試及優(yōu)化。對(duì)X 軸和Y 軸的速度環(huán)比例增益和積分增益等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，采用Servo guide 軟件進(jìn)行速度環(huán)的伺服參數(shù)優(yōu)化。圖3 和圖4分別為X 軸優(yōu)化前后速度環(huán)的頻率特性曲線。

圖3 X 軸優(yōu)化前速度環(huán)的頻率特性曲線

圖4 X 軸優(yōu)化后速度環(huán)的頻率特性曲線

表1 為X 軸和Y 軸速度環(huán)伺服優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對(duì)比。

表1 速度環(huán)優(yōu)化前后對(duì)比 Hz

在速度環(huán)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)位置環(huán)增益和速度前饋系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試及優(yōu)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(yōu)化效果，測(cè)試過程為:讓X 軸以快移(32 m/min)的進(jìn)給速度，做行程為500 mm 的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，每次運(yùn)動(dòng)間隔時(shí)間為1 s。表2 為X 軸和Y 軸位置環(huán)伺服優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對(duì)比。

表2 位置環(huán)優(yōu)化前后對(duì)比 μm

從以上速度環(huán)和位置環(huán)伺服參數(shù)優(yōu)化的結(jié)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(jìn)行伺服性能測(cè)試時(shí)(8 m/min)振動(dòng)劇烈，因此進(jìn)行振動(dòng)故障診斷。

3 振動(dòng)故障的診斷與解決

首先對(duì)Z 軸進(jìn)行基于錘擊法的振動(dòng)測(cè)試，判斷是否為結(jié)構(gòu)共振導(dǎo)致。經(jīng)振動(dòng)測(cè)試，該原因被排除。

在加工中心采用默認(rèn)的直線型加減速時(shí)(加速時(shí)間為60 ms)，讓Z 軸以8 m/min 的進(jìn)給速度，做行程為200 mm 的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，每次運(yùn)動(dòng)間隔時(shí)間為1 s。在運(yùn)動(dòng)過程中使用激光干涉儀的動(dòng)態(tài)采集功能測(cè)試Z 軸位置信號(hào)。

將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將直線運(yùn)動(dòng)終止時(shí)間點(diǎn)的曲線局部放大，如圖5所示。

圖5 直線型加減速時(shí)運(yùn)動(dòng)停止時(shí)刻Z 軸位置曲線局部放大圖

結(jié)論:直線型加減速時(shí)，Z 軸在以8 m/min 進(jìn)給速度做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在啟停段沖擊大，機(jī)床有明顯振動(dòng)，無法正常工作。由Z 軸位置測(cè)試結(jié)果可以看出:Z 軸在啟停段位置存在振蕩。鑒于以上測(cè)試結(jié)果和分析，需要對(duì)加減速參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，減小啟停段的沖擊和振動(dòng)。

調(diào)整Z 軸的加減速方式，設(shè)置為指數(shù)型加減速，加速時(shí)間180 ms。在運(yùn)動(dòng)過程中再次使用激光干涉儀的動(dòng)態(tài)采集功能測(cè)試Z 軸位置信號(hào)。

將測(cè)試數(shù)據(jù)再次進(jìn)行處理，并將直線運(yùn)動(dòng)終止時(shí)間點(diǎn)的曲線局部放大，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 指數(shù)型加減速時(shí)運(yùn)動(dòng)停止時(shí)刻Z 軸位置曲線局部放大圖

結(jié)論:加減速參數(shù)調(diào)整后，Z 軸運(yùn)動(dòng)啟停段沖擊和振動(dòng)明顯減小。由測(cè)試結(jié)果可以看出:Z 軸位置曲線，在啟停段振動(dòng)減小，啟停段振幅減小。

由測(cè)試結(jié)果可以看出:加減速方式及參數(shù)對(duì)伺服軸加減速特性影響很大，若這些參數(shù)與機(jī)械系統(tǒng)匹配不好就會(huì)造成沖擊和振動(dòng)，使伺服軸無法工作在較高進(jìn)給速度下，需要對(duì)加減速參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

4 結(jié)束語

對(duì)數(shù)控機(jī)床的伺服參數(shù)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了介紹。針對(duì)VMC 系列某型立式加工中心進(jìn)行了進(jìn)給軸的伺服性能測(cè)試及優(yōu)化，優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對(duì)比顯示了伺服參數(shù)優(yōu)化的效果，為廣大工程人員提供參考。針對(duì)Z軸振動(dòng)較為劇烈的情況，通過調(diào)整加減速方式及加速時(shí)間得到解決。

【1】范晉偉，劉磊，朱曉勇，等.伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真及優(yōu)化方法的研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(1):191－195.

【2】楊勇.數(shù)控伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真及參數(shù)優(yōu)化［D］.南京:南京工業(yè)大學(xué)，2005.

【3】李亞聰.數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化配置的研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2009.