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中達(dá)電通公司 南京機(jī)電業(yè)務(wù)處                解 剛

    摘  要：本文在分析CNC雕刻機(jī)自動化加工性能需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合慣量匹配淺談如何

將臺達(dá)伺服系統(tǒng)合理的應(yīng)用在CNC雕刻機(jī)上。

    關(guān)鍵詞： CNC雕刻機(jī) 慣量  剛性  臺達(dá)伺服

    隨著中國制造業(yè)品牌建設(shè)工程的啟動，五金、廣告制品等行業(yè)對高速高精度雕刻機(jī)的需求與日俱增。例如在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的華東地區(qū)市場需求達(dá)到幾千臺高速高精度雕刻機(jī)。高速高精度雕刻機(jī)設(shè)備日益成為CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)字控制）技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

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

    CNC雕刻機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)主要任務(wù)是將滑動件（工作臺或主動頭、立柱等）沿著導(dǎo)軌，依指令速率平穩(wěn)的運(yùn)動。進(jìn)給系統(tǒng)除了考慮機(jī)械傳動元件的設(shè)計(jì)外，還牽涉到伺服定位控制問題。所以說，本質(zhì)上進(jìn)給系統(tǒng)是機(jī)電一體化集成系統(tǒng)，系統(tǒng)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(tǒng)框架

 

    而一臺好的CNC雕刻機(jī)要具備穩(wěn)定性好、精度高以及快速響應(yīng)的特性。那么，要實(shí)現(xiàn)這樣的條件，要考慮到的重要的環(huán)節(jié)就是：慣量匹配和進(jìn)給系統(tǒng)剛性問題。

傳動慣量對伺服系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性，動態(tài)響應(yīng)都有影響，慣量大，系統(tǒng)的機(jī)械常數(shù)大，響應(yīng)慢，會使系統(tǒng)的固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振，因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應(yīng)速度。因此，機(jī)械設(shè)計(jì)時在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，應(yīng)盡量減小機(jī)械慣量并注意慣量匹配，從而選擇合適慣量大小電機(jī)，并得出慣量比。

進(jìn)給系統(tǒng)所需力矩T = 系統(tǒng)傳動慣量J × 角加速度θ；進(jìn)給軸的總慣量J＝伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性JM ＋ 電機(jī)軸換算的負(fù)載慣性JL。那么CNC雕刻機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)慣量是如何匹配的呢？衡量機(jī)械系統(tǒng)的動態(tài)特性時，慣量越小，系統(tǒng)的動態(tài)特性反應(yīng)越好；慣量越大，馬達(dá)的負(fù)載也就越大，越難控制，但機(jī)械系統(tǒng)的慣量需和馬達(dá)慣量相匹配才行。不同的機(jī)構(gòu)，對慣量匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現(xiàn)。CNC雕刻機(jī)通過伺服電機(jī)作高速切削時，當(dāng)負(fù)載慣量增加時，會發(fā)生如下情況：

（1）控制指令改變時，馬達(dá)需花費(fèi)較多時間才能達(dá)到新指令的速度要求；

（2）當(dāng)機(jī)臺沿二軸執(zhí)行弧式曲線快速切削時，會發(fā)生較大誤差。

而一般伺服電機(jī)通常狀況下，當(dāng)JL ≦ 3JM,則上面的問題不會發(fā)生；當(dāng)JL ≧5× JM，馬達(dá)的可控性會明顯下降，在高速曲線切削時表現(xiàn)突出。對此，臺達(dá)伺服引入了強(qiáng)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(jìn)給系統(tǒng)的剛性是指受到負(fù)載時，進(jìn)給系統(tǒng)抵抗變形的能力。數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)剛性可以分為機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械剛性和伺服系統(tǒng)的伺服剛性。

（1）機(jī)械系統(tǒng)剛性。進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械剛性是指螺桿等機(jī)械元件產(chǎn)生單位變形所需的作用力，反映了機(jī)械元件抵抗變形的能力。機(jī)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(tǒng)剛性指整個進(jìn)給伺服系統(tǒng)，即以控制器到工作臺表現(xiàn)出來抵抗負(fù)載干擾帶來位置偏差的能力。伺服系統(tǒng)剛性更顯重要，而臺達(dá)伺服采用強(qiáng)健（魯棒）控制，抵抗負(fù)載變化干擾能力突出。

圖2 臺達(dá)伺服的三環(huán)結(jié)構(gòu)

 

臺達(dá)伺服由3閉環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，包括位置外環(huán)、速度中環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，參見圖2。臺達(dá)伺服的強(qiáng)健型簡易模式成為臺達(dá)技術(shù)特色。

強(qiáng)健式控制使得臺達(dá)CNC面對快速變化的負(fù)載慣量仍然保有優(yōu)良性能。

強(qiáng)健式控制容忍自身變異的現(xiàn)代控制法則。固定選定的非PI控制器，保持強(qiáng)健穩(wěn)定及性能。在大范圍負(fù)載慣量變化，系統(tǒng)依然保有優(yōu)秀性能。對命令和干擾有不同的補(bǔ)償控制；阻尼剛性優(yōu)良，低速轉(zhuǎn)速動特性優(yōu)良；穩(wěn)定性完全保證；超調(diào)量很小。

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

（1）JOG模式。JOG模式用于脫離上層控制的上機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)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(xù)調(diào)整，參見圖4。

圖4 自動增益模式控制流程圖

（3）手動增益調(diào)整（位置模式）參見圖5。

圖5 手動增益調(diào)整控制流程圖

 

 

（4）調(diào)試注意要點(diǎn)：

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

·機(jī)臺構(gòu)件有其固有頻率，當(dāng)產(chǎn)生諧振時，噪音，振動，響應(yīng)受限。利用臺達(dá)伺服的軟件確認(rèn)諧振點(diǎn)，設(shè)軟件陷阱消除機(jī)械諧振，提升機(jī)床應(yīng)答性  。

·選擇合適慣量電機(jī)，機(jī)床與電機(jī)慣量匹配，臺達(dá)伺服具有強(qiáng)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(fù)雜計(jì)算過程。

·傳統(tǒng)手動調(diào)試伺副服參數(shù)，經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，且難以調(diào)試到最佳狀態(tài)，臺達(dá)伺服提供專用調(diào)試軟體，不但操作簡單且調(diào)試效果優(yōu)良。

目前在CNC雕刻機(jī)行業(yè)上所占的比重每年都在穩(wěn)定的上升。系統(tǒng)所具有的優(yōu)良的品質(zhì)以及良好的穩(wěn)定性以及強(qiáng)大的控制功能使得臺達(dá)伺服系統(tǒng)在高端雕刻機(jī)行業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用前景。