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金屬鈑金新聞

上海會(huì)通自動(dòng)化:松下伺服在激光切割機(jī)上的應(yīng)用

星之球科技 來源:伺服與運(yùn)動(dòng)控制2016-01-20 我要評(píng)論(0 )   

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越高。在實(shí)際使用中也暴露了一些問題,尤其是加工輪廓的變形問題,...

 
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越高。在實(shí)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(gè)主要方面。本篇文章將嘗試對(duì)此類問題進(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(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,解決此類問題的關(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)械問題相對(duì)而言比較常見,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)械共振問題對(duì)伺服最大的影響在于無法繼續(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)。此類問題在同步帶傳動(dòng)的機(jī)械中比較常見,另外長距離的滾珠絲桿有時(shí)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(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)此類問題,除在機(jī)械上優(yōu)化外,可通過伺服的調(diào)整來彌補(bǔ)。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(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,通過設(shè)置PR200號(hào)參數(shù)來設(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,通過調(diào)試軟件找出機(jī)械共振點(diǎn),寫進(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,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。通常我們可以通過伺服驅(qū)動(dòng)器反饋生成的波形曲線來觀察傳動(dòng)軸的內(nèi)應(yīng)力問題。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)有問題。
 
 
 
 
 
外力作用于軸上的情況也比較類似。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。
  
解決此類問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(huì)因?yàn)榧铀俣冗^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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激光激光切割設(shè)備
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