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中達電通公司 南京機電業務處                解 剛

    摘  要：本文在分析CNC雕刻機自動化加工性能需求的基礎上，結合慣量匹配淺談如何

將臺達伺服系統合理的應用在CNC雕刻機上。

    關鍵詞： CNC雕刻機 慣量  剛性  臺達伺服

    隨著中國制造業品牌建設工程的啟動，五金、廣告制品等行業對高速高精度雕刻機的需求與日俱增。例如在經濟發達的華東地區市場需求達到幾千臺高速高精度雕刻機。高速高精度雕刻機設備日益成為CNC（計算機數字控制）技術的應用領域。

    雕刻機是用于廣告、模具類產品生產加工專用加工設備。由于產品的市場變化比較頻繁，所以雕刻機不但要求一次性采購價格以及初始功能，還要求產品的升級應用能力。市場的需求是變幻無常的，只有具有領先的技術開發能力和升值潛力的產品，才能延長產品的使用壽命，開拓產品的使用范圍。

    CNC雕刻機進給系統主要任務是將滑動件（工作臺或主動頭、立柱等）沿著導軌，依指令速率平穩的運動。進給系統除了考慮機械傳動元件的設計外，還牽涉到伺服定位控制問題。所以說，本質上進給系統是機電一體化集成系統，系統使加工工件或刀具能依既定的速度、位置、做高精度的移動，參見圖1。

圖1 控制流程圖和系統框架

 

    而一臺好的CNC雕刻機要具備穩定性好、精度高以及快速響應的特性。那么，要實現這樣的條件，要考慮到的重要的環節就是：慣量匹配和進給系統剛性問題。

傳動慣量對伺服系統的精度，穩定性，動態響應都有影響，慣量大，系統的機械常數大，響應慢，會使系統的固有頻率下降，容易產生諧振，因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應速度。因此，機械設計時在不影響系統剛度的條件下，應盡量減小機械慣量并注意慣量匹配，從而選擇合適慣量大小電機，并得出慣量比。

進給系統所需力矩T = 系統傳動慣量J × 角加速度θ；進給軸的總慣量J＝伺服電機的旋轉慣性JM ＋ 電機軸換算的負載慣性JL。那么CNC雕刻機進給系統慣量是如何匹配的呢？衡量機械系統的動態特性時，慣量越小，系統的動態特性反應越好；慣量越大，馬達的負載也就越大，越難控制，但機械系統的慣量需和馬達慣量相匹配才行。不同的機構，對慣量匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現。CNC雕刻機通過伺服電機作高速切削時，當負載慣量增加時，會發生如下情況：

（1）控制指令改變時，馬達需花費較多時間才能達到新指令的速度要求；

（2）當機臺沿二軸執行弧式曲線快速切削時，會發生較大誤差。

而一般伺服電機通常狀況下，當JL ≦ 3JM,則上面的問題不會發生；當JL ≧5× JM，馬達的可控性會明顯下降，在高速曲線切削時表現突出。對此，臺達伺服引入了強健（魯棒）控制，能容忍很大的慣量變化，對慣量比的要求大大降低。  

進給系統的剛性是指受到負載時，進給系統抵抗變形的能力。數控進給系統剛性可以分為機械系統的機械剛性和伺服系統的伺服剛性。

（1）機械系統剛性。進給系統機械剛性是指螺桿等機械元件產生單位變形所需的作用力，反映了機械元件抵抗變形的能力。機械（靜）剛性的定義：

K=F/△X（kgf/um）; 式中F：作用力（kgf）；△X：變形量（um）

（2）伺服系統剛性指整個進給伺服系統，即以控制器到工作臺表現出來抵抗負載干擾帶來位置偏差的能力。伺服系統剛性更顯重要，而臺達伺服采用強健（魯棒）控制，抵抗負載變化干擾能力突出。

圖2 臺達伺服的三環結構

 

臺達伺服由3閉環結構構成，包括位置外環、速度中環和電流內環，參見圖2。臺達伺服的強健型簡易模式成為臺達技術特色。

強健式控制使得臺達CNC面對快速變化的負載慣量仍然保有優良性能。

強健式控制容忍自身變異的現代控制法則。固定選定的非PI控制器，保持強健穩定及性能。在大范圍負載慣量變化，系統依然保有優秀性能。對命令和干擾有不同的補償控制；阻尼剛性優良，低速轉速動特性優良；穩定性完全保證；超調量很小。

    針對于低轉速時高增益設定帶來高扭力但易引起振蕩，而低增益設定又會馬達蠕動運轉的矛盾，臺達CNC利用高取樣率 (>15KHz)獲得高響應頻寬，使得低轉速具有高剛性而且非常穩定運轉的運行效果。

（1）JOG模式。JOG模式用于脫離上層控制的上機試運轉測試與初步慣性比估測，參見圖3。

圖3 JOG慣量測試控制流程圖

（2）自動增益模式。自動增益模式用于持續調整，參見圖4。

圖4 自動增益模式控制流程圖

（3）手動增益調整（位置模式）參見圖5。

圖5 手動增益調整控制流程圖

 

 

（4）調試注意要點：

·進給速度提高后，伺服系統的追隨誤差會隨速度的提高加大，影響移動件的動態精度（一般均把各軸伺服的增益設成一樣大小，特別是X，Y軸），臺達的伺服整定時間短，最大限度保護動態精度。

·機臺構件有其固有頻率，當產生諧振時，噪音，振動，響應受限。利用臺達伺服的軟件確認諧振點，設軟件陷阱消除機械諧振，提升機床應答性  。

·選擇合適慣量電機，機床與電機慣量匹配，臺達伺服具有強健性控制，對慣量匹配要求大大降低，且自帶慣量估測功能，省卻復雜計算過程。

·傳統手動調試伺副服參數，經驗性強，且難以調試到最佳狀態，臺達伺服提供專用調試軟體，不但操作簡單且調試效果優良。

目前在CNC雕刻機行業上所占的比重每年都在穩定的上升。系統所具有的優良的品質以及良好的穩定性以及強大的控制功能使得臺達伺服系統在高端雕刻機行業上有著廣泛的應用前景。