松下伺服電機(jī)在激光切割設(shè)備上的應(yīng)用較多。隨客戶對(duì)激光設(shè)備加工要求的提升，對(duì)伺服的使用要求也越來(lái)越高。在實(shí)際使用中也暴露了一些問(wèn)題，尤其是加工輪廓的變形問(wèn)題，是比較困擾大家的一個(gè)主要方面。本篇文章將嘗試對(duì)此類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，以便大家更好地使用。

關(guān)鍵：軸動(dòng)態(tài)響應(yīng)性的高低及相互之間的配合

其實(shí)無(wú)論是板材切割機(jī)、管材切割機(jī)或者是復(fù)雜的立體切割設(shè)備，要想設(shè)備按照既定的圖形進(jìn)行加工，關(guān)鍵就在于參與加工的各個(gè)軸動(dòng)態(tài)響應(yīng)性的高低及相互之間的配合問(wèn)題。如果在加工過(guò)程中，各軸的整體響應(yīng)太慢，或者某些位置出現(xiàn)一個(gè)軸偏差小，另一個(gè)軸偏差大的情況，則就會(huì)出現(xiàn)加工輪廓變形的問(wèn)題。而導(dǎo)致這種偏差不一致情況出現(xiàn)的原因眾多，有機(jī)械的、外力的、伺服響應(yīng)性、控制系統(tǒng)等因素，或是多因素疊加影響。因此，解決此類(lèi)問(wèn)題的關(guān)鍵在于各軸有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性及相互之間的配合的協(xié)調(diào)性，使其能比較嚴(yán)格地按照既定目標(biāo)進(jìn)行加工動(dòng)作。伺服電機(jī)作為一個(gè)承接機(jī)械與控制系統(tǒng)的中間執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能在一定程度上彌補(bǔ)、優(yōu)化、協(xié)調(diào)各個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作，以達(dá)到更完美的控制目的。以下就出現(xiàn)上述問(wèn)題時(shí)伺服電機(jī)的一些應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行討論。

機(jī)械因素

機(jī)械問(wèn)題相對(duì)而言比較常見(jiàn)，主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、傳動(dòng)方式、安裝、材質(zhì)、機(jī)械磨損等方面。

機(jī)械共振

機(jī)械共振問(wèn)題對(duì)伺服最大的影響在于無(wú)法繼續(xù)提高伺服電機(jī)的響應(yīng)性，從而使設(shè)備整體運(yùn)行在比較低的響應(yīng)狀態(tài)。此類(lèi)問(wèn)題在同步帶傳動(dòng)的機(jī)械中比較常見(jiàn)，另外長(zhǎng)距離的滾珠絲桿有時(shí)也有此類(lèi)情況。主要原因是同步帶的剛性偏低，共振頻率低，長(zhǎng)距離的絲桿自身慣量較大，且多有變形情況，特別是在電機(jī)容量選擇偏小的情況下比較容易起振。同時(shí)安裝時(shí)的裝配工藝高低和材質(zhì)的優(yōu)劣也會(huì)對(duì)機(jī)械的共振產(chǎn)生影響。

如果出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題，除在機(jī)械上優(yōu)化外，可通過(guò)伺服的調(diào)整來(lái)彌補(bǔ)。主要思路就是通過(guò)伺服抑制共振的功能來(lái)完成。具體來(lái)說(shuō)，有兩種方法實(shí)現(xiàn)：一種是自適應(yīng)濾波器的調(diào)整，即自動(dòng)去共振功能，通過(guò)設(shè)置PR200號(hào)參數(shù)來(lái)設(shè)置自動(dòng)去共振的功能，伺服電機(jī)會(huì)自動(dòng)推斷機(jī)械的共振點(diǎn)，并加以抑制。另一種是手動(dòng)去除共振的方法，通過(guò)調(diào)試軟件找出機(jī)械共振點(diǎn)，寫(xiě)進(jìn)相應(yīng)參數(shù)。通常共振點(diǎn)被抑制后，伺服電機(jī)增益提升的空間被打開(kāi)，可一定程度地提高剛性。

機(jī)械抖動(dòng)

機(jī)械抖動(dòng)實(shí)質(zhì)也是機(jī)械的固有頻率問(wèn)題，通常比較多地出現(xiàn)在單端固定的懸梁結(jié)構(gòu)中，特別是在加減速階段表現(xiàn)尤其明顯。低頻的抖動(dòng)在加工件中會(huì)呈現(xiàn)出大波浪狀的形態(tài)，較高頻的抖動(dòng)會(huì)有鋸齒狀的形態(tài)。對(duì)于此種情況的基本思路是加入多種濾波器，錯(cuò)開(kāi)轉(zhuǎn)矩指令頻率。此時(shí)不要將剛性調(diào)整太高，伺服參數(shù)中比較有效的調(diào)整方法有：積分時(shí)間常數(shù)、指令平滑濾波器、位置指令FIR濾波器、制振頻率、制振濾波器、增益切換功能等。但此類(lèi)方法對(duì)伺服的響應(yīng)性會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，因此調(diào)試時(shí)要謹(jǐn)慎。對(duì)于激光切割機(jī)這類(lèi)的軌跡控制設(shè)備，不建議使用制振濾波器和制振頻率，指令平滑濾波器也不要調(diào)整太多。通常使用兩檔增益（建議PR115設(shè)置為10），再配合上位控制系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，會(huì)達(dá)到一個(gè)比較平衡的效果。

機(jī)械內(nèi)應(yīng)力、外力等因素

由于機(jī)械材質(zhì)和安裝的差異，設(shè)備上各傳動(dòng)軸的機(jī)械內(nèi)應(yīng)力、靜摩擦力等可能會(huì)不一致。如果設(shè)備中參與軌跡插補(bǔ)控制的兩軸中的某一軸的內(nèi)應(yīng)力或者靜摩擦力等更大，則會(huì)一定程度上消耗掉伺服的轉(zhuǎn)矩，造成此軸的加速變慢，從而導(dǎo)致加工輪廓變形。通常我們可以通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器反饋生成的波形曲線來(lái)觀察傳動(dòng)軸的內(nèi)應(yīng)力問(wèn)題。下面兩圖是相同兩臺(tái)設(shè)備的同一個(gè)軸的波形曲線圖，我們可以看到，在相同的速度情況下，圖1中無(wú)論是轉(zhuǎn)矩指令大小還是脈沖偏差水平都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于圖2（藍(lán)色曲線為轉(zhuǎn)矩曲線，紅色為脈沖偏差曲線）。雖然伺服出了更多的力，但偏差還是要明顯更大。究其原因，在圖中就可以看出，圖中黑色橢圓框內(nèi)是伺服處于靜止?fàn)顟B(tài)（鎖模狀態(tài)）時(shí)電機(jī)分配的轉(zhuǎn)矩，圖1中伺服為達(dá)到鎖止的目的，輸出了更多的轉(zhuǎn)矩來(lái)克服傳動(dòng)軸中的各種內(nèi)應(yīng)力。伺服用于加速的轉(zhuǎn)矩被消耗了很多，響應(yīng)自然就慢了。后經(jīng)證實(shí)，此軸的裝配確實(shí)有問(wèn)題。

圖1

圖2

外力作用于軸上的情況也比較類(lèi)似。一般的板材切割機(jī)，各軸與工件之間是非接觸的，可能受到的外力有限。但某些管材切割機(jī)，送管軸會(huì)參與切割時(shí)候的插補(bǔ)，而另一軸一般是非接觸的。此時(shí)管材由于受到夾具的影響，會(huì)對(duì)送管軸產(chǎn)生一個(gè)反向作用力，這樣參與插補(bǔ)控制的兩軸受力情況不一致，切割的效果肯定會(huì)受到影響。

解決此類(lèi)問(wèn)題的思路主要是讓伺服電機(jī)多輸出一部分轉(zhuǎn)矩，以抵消作用于軸上的各種內(nèi)力、外力。有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)，其一是適當(dāng)提高剛性，但在某些設(shè)備上可能相對(duì)效果不明顯。另一種方法是使用轉(zhuǎn)矩摩擦補(bǔ)償，具體的操作方法又可以分為自動(dòng)與手動(dòng)兩種，把PR002設(shè)置為4，即開(kāi)啟了自動(dòng)摩擦補(bǔ)償，驅(qū)動(dòng)器會(huì)自動(dòng)根據(jù)推算的情況設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，手動(dòng)方法則是具體設(shè)置正負(fù)方向的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值及轉(zhuǎn)矩指令的加算值。

伺服因素

在機(jī)械正常的情況下，如果伺服參數(shù)偏差較大，也會(huì)引起切割的輪廓不理想的情況。因此伺服調(diào)試的時(shí)候應(yīng)該遵循的原則是：1、伺服響應(yīng)性在允許的范圍內(nèi)應(yīng)保持較高的水平。2、參與插補(bǔ)控制的各軸應(yīng)當(dāng)具有比較接近的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，可通過(guò)波形曲線察看實(shí)際的脈沖偏差水平。3、慣量比應(yīng)該按照比較真實(shí)的數(shù)值進(jìn)行設(shè)定，如果驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)推算的慣量比較真實(shí)地反映了實(shí)際的負(fù)載情況，就不要隨意改變此數(shù)值。4、響應(yīng)性調(diào)整時(shí)應(yīng)盡量使用自動(dòng)增益，就算需要手動(dòng)調(diào)試也要在自動(dòng)調(diào)試的基礎(chǔ)上調(diào)整，這樣會(huì)簡(jiǎn)化調(diào)試的難度。5、調(diào)試效果不理想時(shí)可嘗試使用松下伺服的二自由度功能，此功能是在閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上加入了部分開(kāi)環(huán)控制的元素，對(duì)于提高伺服的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性及穩(wěn)定性有一定的幫助。

數(shù)控系統(tǒng)因素

有的情況下，伺服的調(diào)試效果不明顯，此時(shí)可能就要介入對(duì)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)了。激光切割機(jī)加工時(shí)通常線速度是比較恒定的，在直線與曲線上都是同一速度。這一點(diǎn)在直線運(yùn)動(dòng)上是沒(méi)有多大問(wèn)題的，但是在曲線，特別是小尺寸圓弧的加工上可能會(huì)因?yàn)榧铀俣冗^(guò)大導(dǎo)致輪廓變形的情況。因此，在切割小圓等圖形時(shí)必須對(duì)速度及加速度加以限制。并且在遇到抖動(dòng)等問(wèn)題的時(shí)候調(diào)整加速度，改變插補(bǔ)采樣周期等參數(shù)對(duì)抑制抖動(dòng)的效果比單純調(diào)整伺服效果更好。另外，在某些模擬量控制的數(shù)控系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)已經(jīng)加入了PID控制的元素，此時(shí)伺服系統(tǒng)的主要控制權(quán)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了系統(tǒng)中，伺服電機(jī)的影響力變?nèi)?，這個(gè)時(shí)候如果只調(diào)整伺服，對(duì)實(shí)際的效果影響非常有限。

總之，一臺(tái)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行效果，是對(duì)機(jī)械、電機(jī)、控制系統(tǒng)的綜合應(yīng)用的一個(gè)反映。伺服電機(jī)作為機(jī)械與電氣控制的紐帶，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行好壞起到了關(guān)鍵的作用，因此，掌握好伺服的使用方法對(duì)提升設(shè)備性能及穩(wěn)定性都大有好處。

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