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

 

 

關(guān)鍵

軸動態(tài)響應(yīng)性的高低及相互之間的配合

 

其實無論是板材切割機、管材切割機或者是復(fù)雜的立體切割設(shè)備，要想設(shè)備按照既定的圖形進行加工，關(guān)鍵就在于參與加工的各個軸動態(tài)響應(yīng)性的高低及相互之間的配合問題。如果在加工過程中，各軸的整體響應(yīng)太慢，或者某些位置出現(xiàn)一個軸偏差小，另一個軸偏差大的情況，則就會出現(xiàn)加工輪廓變形的問題。而導(dǎo)致這種偏差不一致情況出現(xiàn)的原因眾多，有機械的、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，解決此類問題的關(guān)鍵在于各軸有較好的動態(tài)響應(yīng)性及相互之間的配合的協(xié)調(diào)性，使其能比較嚴格地按照既定目標進行加工動作。伺服電機作為一個承接機械與控制系統(tǒng)的中間執(zhí)行機構(gòu)，能在一定程度上彌補、優(yōu)化、協(xié)調(diào)各個系統(tǒng)的動作，以達到更完美的控制目的。以下就出現(xiàn)上述問題時伺服電機的一些應(yīng)對措施進行討論。

 

 

 

機械因素

機械問題相對而言比較常見，主要體現(xiàn)在設(shè)計、傳動方式、安裝、材質(zhì)、機械磨損等方面。

 

機械共振

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

 

如果出現(xiàn)此類問題，除在機械上優(yōu)化外，可通過伺服的調(diào)整來彌補。主要思路就是通過伺服抑制共振的功能來完成。具體來說，有兩種方法實現(xiàn)：一種是自適應(yīng)濾波器的調(diào)整，即自動去共振功能，通過設(shè)置PR200號參數(shù)來設(shè)置自動去共振的功能，伺服電機會自動推斷機械的共振點，并加以抑制。另一種是手動去除共振的方法，通過調(diào)試軟件找出機械共振點，寫進相應(yīng)參數(shù)。通常共振點被抑制后，伺服電機增益提升的空間被打開，可一定程度地提高剛性。

 

機械抖動

機械抖動實質(zhì)也是機械的固有頻率問題，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。低頻的抖動在加工件中會呈現(xiàn)出大波浪狀的形態(tài)，較高頻的抖動會有鋸齒狀的形態(tài)。對于此種情況的基本思路是加入多種濾波器，錯開轉(zhuǎn)矩指令頻率。此時不要將剛性調(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。但此類方法對伺服的響應(yīng)性會產(chǎn)生一定的負面影響，因此調(diào)試時要謹慎。對于激光切割機這類的軌跡控制設(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，會達到一個比較平衡的效果。

 

機械內(nèi)應(yīng)力、外力等因素

由于機械材質(zhì)和安裝的差異，設(shè)備上各傳動軸的機械內(nèi)應(yīng)力、靜摩擦力等可能會不一致。如果設(shè)備中參與軌跡插補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。通常我們可以通過伺服驅(qū)動器反饋生成的波形曲線來觀察傳動軸的內(nèi)應(yīng)力問題。下面兩圖是相同兩臺設(shè)備的同一個軸的波形曲線圖，我們可以看到，在相同的速度情況下，圖1中無論是轉(zhuǎn)矩指令大小還是脈沖偏差水平都要遠遠高于圖2(藍色曲線為轉(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)是伺服處于靜止狀態(tài)(鎖模狀態(tài))時電機分配的轉(zhuǎn)矩，圖1中伺服為達到鎖止的目的，輸出了更多的轉(zhuǎn)矩來克服傳動軸中的各種內(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，此軸的裝配確實有問題。

 

 

 

 

 

外力作用于軸上的情況也比較類似。一般的板材切割機，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，送管軸會參與切割時候的插補，而另一軸一般是非接觸的。此時管材由于受到夾具的影響，會對送管軸產(chǎn)生一個反向作用力，這樣參與插補控制的兩軸受力情況不一致，切割的效果肯定會受到影響。

　　
解決此類問題的思路主要是讓伺服電機多輸出一部分轉(zhuǎn)矩，以抵消作用于軸上的各種內(nèi)力、外力。有兩種方法可以實現(xiàn)，其一是適當(dāng)提高剛性，但在某些設(shè)備上可能相對效果不明顯。另一種方法是使用轉(zhuǎn)矩摩擦補償，具體的操作方法又可以分為自動與手動兩種，把PR002設(shè)置為4，即開啟了自動摩擦補償，驅(qū)動器會自動根據(jù)推算的情況設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，手動方法則是具體設(shè)置正負方向的轉(zhuǎn)矩補償值及轉(zhuǎn)矩指令的加算值。

 

伺服因素

在機械正常的情況下，如果伺服參數(shù)偏差較大，也會引起切割的輪廓不理想的情況。因此伺服調(diào)試的時候應(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、參與插補控制的各軸應(yīng)當(dāng)具有比較接近的動態(tài)響應(yīng)性，可通過波形曲線察看實際的脈沖偏差水平。3、慣量比應(yīng)該按照比較真實的數(shù)值進行設(shè)定，如果驅(qū)動器自動推算的慣量比較真實地反映了實際的負載情況，就不要隨意改變此數(shù)值。4、響應(yīng)性調(diào)整時應(yīng)盡量使用自動增益，就算需要手動調(diào)試也要在自動調(diào)試的基礎(chǔ)上調(diào)整，這樣會簡化調(diào)試的難度。5、調(diào)試效果不理想時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)上加入了部分開環(huán)控制的元素，對于提高伺服的動態(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，此時可能就要介入對控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)了。激光切割機加工時通常線速度是比較恒定的，在直線與曲線上都是同一速度。這一點在直線運動上是沒有多大問題的，但是在曲線，特別是小尺寸圓弧的加工上可能會因為加速度過大導(dǎo)致輪廓變形的情況。因此，在切割小圓等圖形時必須對速度及加速度加以限制。并且在遇到抖動等問題的時候調(diào)整加速度，改變插補采樣周期等參數(shù)對抑制抖動的效果比單純調(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，伺服電機的影響力變?nèi)?，這個時候如果只調(diào)整伺服，對實際的效果影響非常有限。

 

 總之，一臺設(shè)備的實際運行效果，是對機械、電機、控制系統(tǒng)的綜合應(yīng)用的一個反映。伺服電機作為機械與電氣控制的紐帶，對設(shè)備的運行好壞起到了關(guān)鍵的作用，因此，掌握好伺服的使用方法對提升設(shè)備性能及穩(wěn)定性都大有好處。