台达伺服系统在CNC雕刻机上的应用

1 引言
　　随着中国制造业品牌建设工程的启动，五金、广告制品等行业对高速高精度雕刻机的需求与日俱增。例如在经济发达的华东地区市场需求达到几千台高速高精度雕刻机。高速高精度雕刻机设备日益成为CNC（计算机数字控制）技术的应用领域。
　　雕刻机是用于广告、模具类产品生产加工专用加工设备。由于产品的市场变化比较频繁，所以雕刻机不但要求一次性采购价格以及初始功能，还要求产品的升级应用能力。市场的需求是变幻无常的，只有具有领先的技术开发能力和升值潜力的产品，才能延长产品的使用寿命，开拓产品的使用范围。

2 CNC雕刻机进给系统
　　2.1 进给系统简介
　　CNC雕刻机进给系统主要任务是将滑动件（工作台或主动头、立柱等）沿着导轨，依指令速率平稳的运动。进给系统除了考虑机械传动元件的设计外，还牵涉到伺服定位控制问题。所以说，本质上进给系统是机电一体化集成系统，系统使加工工件或刀具能依既定的速度、位置、做高精度的移动，参见图1。

图1 控制流程图和系统框架

而一台好的CNC雕刻机要具备稳定性好、精度高以及快速响应的特性。那么，要实现这样的条件，要考虑到的重要的环节就是：惯量匹配和进给系统刚性问题。
　　2.2 机械惯量与强健(鲁棒)控制
　　传动惯量对伺服系统的精度，稳定性，动态响应都有影响，惯量大，系统的机械常数大，响应慢，会使系统的固有频率下降，容易产生谐振，因而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度。因此，机械设计时在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小机械惯量并注意惯量匹配，从而选择合适惯量大小电机，并得出惯量比。
　　进给系统所需力矩T = 系统传动惯量J × 角加速度θ；进给轴的总惯量J＝伺服电机的旋转惯性JM ＋ 电机轴换算的负载惯性JL。那么CNC雕刻机进给系统惯量是如何匹配的呢？衡量机械系统的动态特性时，惯量越小，系统的动态特性反应越好；惯量越大，马达的负载也就越大，越难控制，但机械系统的惯量需和马达惯量相匹配才行。不同的机构，对惯量匹配原则有不同的选择，且有不同的作用表现。CNC雕刻机通过伺服电机作高速切削时，当负载惯量增加时，会发生如下情况：
　　（1）控制指令改变时，马达需花费较多时间才能达到新指令的速度要求；
　　（2）当机台沿二轴执行弧式曲线快速切削时，会发生较大误差。
　　而一般伺服电机通常状况下，当JL ≦ 3JM,则上面的问题不会发生；当JL ≧5× JM，马达的可控性会明显下降，在高速曲线切削时表现突出。对此，台达伺服引入了强健（鲁棒）控制，能容忍很大的惯量变化，对惯量比的要求大大降低。  
　　2.3 机电刚性与强健控制
　　进给系统的刚性是指受到负载时，进给系统抵抗变形的能力。数控进给系统刚性可以分为机械系统的机械刚性和伺服系统的伺服刚性。
　　（1）机械系统刚性。进给系统机械刚性是指螺杆等机械元件产生单位变形所需的作用力，反映了机械元件抵抗变形的能力。机械（静）刚性的定义：
　　K=F/△X（kgf/um）; 式中F：作用力（kgf）；△X：变形量（um）
　　（2）伺服系统刚性指整个进给伺服系统，即以控制器到工作台表现出来抵抗负载干扰带来位置偏差的能力。伺服系统刚性更显重要，而台达伺服采用强健（鲁棒）控制，抵抗负载变化干扰能力突出。

3 台达伺服系统应用

图2 台达伺服的三环结构

台达伺服由3闭环结构构成，包括位置外环、速度中环和电流内环，参见图2。台达伺服的强健型简易模式成为台达技术特色。
　　3.1强健式控制（鲁棒控制--Robust control）
　　强健式控制使得台达CNC面对快速变化的负载惯量仍然保有优良性能。
　　强健式控制容忍自身变异的现代控制法则。固定选定的非PI控制器，保持强健稳定及性能。在大范围负载惯量变化，系统依然保有优秀性能。对命令和干扰有不同的补偿控制；阻尼刚性优良，低速转速动特性优良；稳定性完全保证；超调量很小。
　　3.2高响应频宽
    针对于低转速时高增益设定带来高扭力但易引起振荡，而低增益设定又会马达蠕动运转的矛盾，台达CNC利用高取样率 (>15KHz)获得高响应频宽，使得低转速具有高刚性而且非常稳定运转的运行效果。

图3 JOG惯量测试控制流程图

（2）自动增益模式。自动增益模式用于持续调整，参见图4。

图4 自动增益模式控制流程图

（3）手动增益调整（位置模式）参见图5。

图5 手动增益调整控制流程图

（4）调试注意要点：
　　·进给速度提高后，伺服系统的追随误差会随速度的提高加大，影响移动件的动态精度（一般均把各轴伺服的增益设成一样大小，特别是X，Y轴），台达的伺服整定时间短，最大限度保护动态精度。
　　·机台构件有其固有频率，当产生谐振时，噪音，振动，响应受限。利用台达伺服的软件确认谐振点，设软件陷阱消除机械谐振，提升机床应答性  。
　　·选择合适惯量电机，机床与电机惯量匹配，台达伺服具有强健性控制，对惯量匹配要求大大降低，且自带惯量估测功能，省却复杂计算过程。
　　·传统手动调试伺副服参数，经验性强，且难以调试到最佳状态，台达伺服提供专用调试软体，不但操作简单且调试效果优良。
　　4　结束语
　　目前在CNC雕刻机行业上所占的比重每年都在稳定的上升。系统所具有的优良的品质以及良好的稳定性以及强大的控制功能使得台达伺服系统在高端雕刻机行业上有着广泛的应用前景。

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