伺服系統(tǒng)的參數(shù)直接影響到數(shù)控機(jī)床的精度和性能，因此在數(shù)控機(jī)床調(diào)試過程中，伺服參數(shù)的調(diào)整技術(shù)是一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。目前，各品牌的數(shù)控系統(tǒng)有不同的伺服調(diào)整方法，對(duì)調(diào)試人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高，而且無法定量地評(píng)估參數(shù)調(diào)整的效果，致使許多數(shù)控機(jī)床不能發(fā)揮出最佳的動(dòng)態(tài)性能，影響數(shù)控機(jī)床的有效使用。作者基于三菱數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅(qū)動(dòng)器的輸出功能，開發(fā)了用于伺服參數(shù)調(diào)整的測(cè)試分析系統(tǒng)，通過采集機(jī)床運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了伺服調(diào)整過程的圖形交互。使伺服參數(shù)調(diào)整具有了可視化及定量評(píng)估的特點(diǎn)。

1 三菱伺服系統(tǒng)基本原理

　　三菱伺服系統(tǒng)采用如圖1所示的三環(huán)控制方式。在三環(huán)結(jié)構(gòu)中，電流環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的快速性，限制最大電流，使系統(tǒng)有足夠大的加速扭矩；另外，需要考慮及時(shí)抑制電流環(huán)內(nèi)部的干擾，并保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。速度環(huán)的作用是增強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的能力，抑制速度波動(dòng)。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、高性能快：則控制穩(wěn)定。

圖1三菱數(shù)控系統(tǒng)伺服調(diào)整原理圖 

　　對(duì)用戶而言，伺服系統(tǒng)的調(diào)整主要是對(duì)系統(tǒng)的各環(huán)路參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，當(dāng)增益較低時(shí)，影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度；當(dāng)增益較高時(shí)，系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度，但過高的增益將使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗噪聲能力下降，從而影響到系統(tǒng)的性能。因此，伺服系統(tǒng)的調(diào)整實(shí)際上是一個(gè)尋求系統(tǒng)各項(xiàng)性能的相互平衡并使整體性能最優(yōu)的決策過程。

2 三菱伺服系統(tǒng)組成

　　三菱伺服系統(tǒng)組成包括兩個(gè)方面：一是作為伺服調(diào)整對(duì)象的數(shù)控機(jī)床，二是用于伺服參數(shù)調(diào)整的測(cè)試系統(tǒng)。

　　2.1 數(shù)控機(jī)床

　　XH7132加工中心綜合試驗(yàn)臺(tái)如圖2所示，由機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)兩部分組成，可用于CNC技術(shù)培訓(xùn)，也可用于數(shù)控加工。

圖2 XH7132加工中心綜合試驗(yàn)臺(tái)

　　數(shù)控伺服系統(tǒng)主要組成元件如表1所示。

　　2.2 測(cè)試系統(tǒng)

　　三菱MDS-R-VIV2伺服驅(qū)動(dòng)器中內(nèi)置有各種控制數(shù)據(jù)的D／A輸出功能。通過特定的參數(shù)設(shè)置，可以輸出位置、速度、電流等信號(hào)，通過采集、分析這些信號(hào)，就可以了解數(shù)控機(jī)床的伺服性能。測(cè)試系統(tǒng)組成如圖3所示，測(cè)試系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、數(shù)字示波器、PJ912接口板和SH21通訊線等組成。利用采集到的機(jī)床運(yùn)動(dòng)參數(shù)信息，在計(jì)算機(jī)上計(jì)算、分析機(jī)床運(yùn)動(dòng)的速度跟隨誤差、位置跟隨誤差等，作為伺服參數(shù)調(diào)整的反饋信息，使得參數(shù)調(diào)整更加直觀，而且可以定量地評(píng)估調(diào)整誤差。

圖3測(cè)試系統(tǒng)組成原理框圖

3 伺服調(diào)整實(shí)驗(yàn)與分析

　　數(shù)控系統(tǒng)伺服調(diào)整的一般步驟為：首先調(diào)整電流環(huán)參數(shù)(三菱電流環(huán)增益由電機(jī)和伺服單元的組合決定，按標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值設(shè)定參數(shù))，然后調(diào)整速度環(huán)參數(shù)，最后調(diào)整位置環(huán)參數(shù)。只有電流環(huán)和速度環(huán)的伺服參數(shù)設(shè)置合適，才能得到較高的位置環(huán)性能，數(shù)控機(jī)床的位置精度和跟隨精度才可能得到提高。作者采用文中的測(cè)試系統(tǒng)，以速度環(huán)參數(shù)的調(diào)整為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　3.1 速度環(huán)增益調(diào)整

　　三菱數(shù)控系統(tǒng)速度環(huán)參數(shù)調(diào)整按照?qǐng)D4所示的流程進(jìn)行。

圖4速度環(huán)參數(shù)調(diào)試流程

　　速度環(huán)參數(shù)測(cè)試過程中，采用觀察指令速度和反饋速度的方法來確定伺服參數(shù)設(shè)置是否合適，伺服驅(qū)動(dòng)器D／A接口輸出指令速度和反饋速度的參數(shù)設(shè)置如表2所示。

　　速度環(huán)增益是決定伺服控制響應(yīng)性的重要參數(shù)，對(duì)機(jī)床的切削精度和循環(huán)時(shí)間有很大影響。需要說明的是：伺服系統(tǒng)的響應(yīng)特性不僅與速度環(huán)增益有關(guān)，而且與系統(tǒng)負(fù)載慣量也直接相關(guān)。因此在速度環(huán)參數(shù)調(diào)整前，要先測(cè)量傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載慣量比，并設(shè)定慣量比相關(guān)參數(shù)。文中的測(cè)試系統(tǒng)也可以用于機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載慣量比的測(cè)定，具體測(cè)試方法不再贅述。

　　3.2 實(shí)驗(yàn)分析

　　對(duì)數(shù)控機(jī)床X軸的伺服系統(tǒng)分別設(shè)置兩組速度環(huán)參數(shù)，如表3所示。

　　基于表3所示的兩組參數(shù)，數(shù)控機(jī)床x軸依照?qǐng)D5所示的速度指令進(jìn)行快速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，分別采集運(yùn)動(dòng)過程中的實(shí)際速度輸出信號(hào)，并繪制速度誤差曲線，分別如圖6、7所示。

圖5 電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度指令曲線

圖6電機(jī)實(shí)際速度曲線 圖6電機(jī)實(shí)際速度曲線

圖7速度跟隨誤差曲線

　　由圖6、7可以看出，不同的速度環(huán)參數(shù)對(duì)速度跟隨誤差影響較大，采集觀察電機(jī)運(yùn)動(dòng)指標(biāo)曲線不僅可以了解其伺服性能優(yōu)劣，還可以根據(jù)觀測(cè)到的速度曲線進(jìn)行速度環(huán)參數(shù)的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)整過程的圖形交互。

4 結(jié)論

　　數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的調(diào)整是一個(gè)復(fù)雜和耗時(shí)的工作。數(shù)控機(jī)床出廠后，使用人員通常無法了解、調(diào)試其伺服性能，致使多數(shù)數(shù)控機(jī)床的伺服性能沒有在較好的狀態(tài)下工作。作者基于現(xiàn)有數(shù)控設(shè)備，開發(fā)了伺服參數(shù)調(diào)整的測(cè)試系統(tǒng)，通過采集、分析機(jī)床運(yùn)動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)指標(biāo)參數(shù)，將伺服系統(tǒng)狀態(tài)變化以可視化的方式輸出，可以更加直觀地分析伺服性能的優(yōu)劣，為調(diào)整提供了依據(jù)，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)和調(diào)試方法進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明：測(cè)試系統(tǒng)和方法可以有效提高數(shù)控機(jī)床伺服參數(shù)調(diào)整的效率和精度，是傳統(tǒng)伺服調(diào)整的有益補(bǔ)充。

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本文標(biāo)題：三菱數(shù)控系統(tǒng)伺服參數(shù)調(diào)整技術(shù)研究

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