伺服优化原理和优化方案设计

  为了改善模具加工中零件加工表面存在振纹、过切等表面上的质量不佳的问题。文中通过FANUC SERVO GUIDE 软件测试机床的伺服系统性能，针对测试结果，对机床伺服系统三环参数、背隙加速等伺服参数进行逐步调试和优化，并将优化结果应用于某模具样件加工试验，试验根据结果得出，优化后的伺服系统响应性能和机床的加工性能都有所提高。

  数控机床是模具产品的生产载体，其伺服系统性能的好坏直接影响着模具产品的加工质量。一般在机床刚出厂时，厂家会给定一组能确保正常加工的参数值，但并不能发挥机床最佳的加工性能[1]。另一种情况是随着数字控制机床使用时间的增加，机床的机械性能发生了变化。此时与之相关的伺服参数也要随之做出调整，否则会引起机床机电不匹配，造成机床运行不稳，产生振动，使得零件加工表面存在振纹、过切等表面上的质量不佳的问题[2]。因此为了能够更好的保证模具产品的加工精度和表面上的质量，对数字控制机床伺服系统来进行优化显得尤为必要。

  文中通过FANUC SERVO GUIDE 软件测试机床的伺服系统性能，针对测试结果，对机床伺服系统三环参数、背隙加速等参数进行逐步调试和优化，以获得良好的伺服动态性能和机械刚性，使数控机床处于稳定的工作状态，充分发挥最优加工性能，从而提升模具产品加工品质和精度。

  数控机床伺服系统优化的目的，是为了更好地优化机械特性和电气特性之间的配合，以获得更高的伺服系统响应和机械刚性，从而获得更好的加工性能[2]。FANUC 伺服系统控制采用三环控制的方式，如图 1 所示[2-3]。

  FANUC系统将伺服三环控制集成在NC的轴卡上，通过接收NC所发出的指令，经轴卡的三环处理后输出至放大器，驱动电机运行。最内环是电流控制，中间环是速度控制，最外环为位置控制。三环中，电流环是整个伺服系统控制的根本环节，作用是提高系统的快速性，限制最大电流，使系统有足够大的加速转矩。速度环是伺服控制的中间环节，作用是提高系统抗负载扰动能力，抑制速度波动。位置环是最外环，其作用是保证系统的静态精度和动态跟随性能[4]。三环中，电流环响应速度最快，其次是速度环，最后是位置环。若要提高位置环回路增益须先提高速度环回路增益，否则容易导致机床振荡，运行不稳。因此，伺服优化应遵循“由内而外”的原则，秉承先电流环、后速度环，最后位置环的先后顺序来优化。

  伺服优化的实质是根据机床的频率响应曲线、圆弧测试图进行分析，合理调整伺服三环参数，尽可能使各轴精确的跟随移动指令和抑制干扰扭矩，即在一定的机械状态下确保伺服系统不会出现振荡，保证三环控制回路能够在高响应、高刚性下“和谐”工作[5-6]。

  （1）提高伺服电机增益，抑制机床振动通过频率响应测试抑制机床共振点，提高机床增益，以匹配机床的机械刚性、提高电机的响应速度。

  （2）循圆象限凸起抑制，调整加工精度通过观察机床圆弧象限测试进行调整，抑制伺服轴换向时的凸起，消除加工时的象限痕。

  某加工中心使用 FANUC 0i-MF 系统加工模具产品试件，使用AICC功能，进给量为2000mm/min, 经加工后，零件加工表面有明显的振纹，存在过切，如图2所示。

  （1）首先利用 SERVO GUIDE 软件测试机床 3 轴静态频率响应曲线，观察机床的机械性能。静态频率响应测试是 SER⁃VO GUIDE 调试中非常重要的一环，它波形的好坏反映了机床很重要的机械特性，它调整的好坏直接影响了后续圆弧部分的调整，以及机床运行的平稳和加工效果的好坏，在整个调试中具有非常重的分量。频率响应测试通过频率响应测量各轴的共振点，并用滤波器参数来抑制共振[5]。在满足波形要求，保证共振点被抑制的情况下，提高速度环路增益。以 X 轴测试为例，优化前频率响应图如图3所示。

  调试中主要以幅频特性曲线作为考察伺服特性的主要依据[5]。由图3 可知，幅频曲线HZ 范围内幅值低于 0d B，表示系统响应滞后。先检查电流环参数，发现“HRV+

  控制有效”未选中，如图4所示。此功能是在HRV3基础上进行控制的，即HRV3+功能，可以实现电流环更高速响应和较高的速度增益设定。选中“HRV+控制有效”选项，再次测试频响曲线 X轴优化中频率响应波形

  在使用了HRV+控制有效后，低频部分幅值基本接近0d B,系统响应滞后明显改善。但高频部分在 380h Z 左右仍存在明显的共振点。调试中逐步加入滤波器来抑制高频振荡。在使用 HRV 滤波器后机床高频共振被抑制，振荡现象明显减弱。机床消除振动的原则是在抑制掉高频振荡点后，确保机床平稳运行的状态下尽可能提高机床伺服系统速度增益[4]。经反复调试，最终将速度环增益由原来的 150 调整到最终的 180。优化前后的速度环参数设置如图6所示。

  最终优化后X轴频响特性曲线所示。此时曲线d B,高频衰减区域的幅值低于-20d B。经优化后的机床机械特性已明显提高，既充分发挥了伺服的刚性余量，又保证了伺服轴的稳定运行。

  （2）在合理优化了三轴伺服环增益，确保三轴在高刚性下稳定运行后。将 CMR（柔性齿轮比）扩大 10 倍（系统检测精度提升）。因为在机械性能较好的前提下，扩大CMR倍数能够改

  善电流特性曲线，使得机床运行更加平稳，降低电流波动，对加工表面的光洁度一定的改善作用。

  （3）经上述调试后，机床高频振动被抑制，伺服响应性能有所提高。再次加工，奔驰件试件表面振纹已明显改善，但加工试件上仍存在过切现象，需通过圆度测试进一步检测。以 XY

  根据XY轴圆度测试图分析，四个象限均有凸起，Y轴两象限凸起接近 10um。这可能是造成工件加工爬坡过切的原因。在机床系统中，当反冲摩擦的影响较大时，在电机反转时，就会产生延迟，造成圆弧切削时的象限凸起。以Y轴为例，尝试对Y的象限凸起进行补偿，试着将背隙加速补偿参数调大，观察Y 轴象限凸起有所改善，经反复调试，将 Y 轴背隙加速补偿量（NO. 2048）由原来的 200 增加到 600，背隙加速有效时间（NO.2071）由原来的0增加到10。X轴背隙加速补偿量由原来的0增加到300，背隙加速有效时间由原来的0加到6。经优化后的XY轴圆弧图形如图9所示。四个象限凸起均被抑制在5um以内，明显改善。

  完成上述步骤调试后，使用AICC功能，再次加工。由于高频振动得到抑制，象限凸起现象改善，使得机床运行平稳。最终加工效果刀路整齐，表面光滑无振纹，过切现象有所改善。加工后试件如图10所示。

  经试验研究结果表明，通过 FANUC 伺服优化可有效解决模具加工中零件表面振纹和过切现象，改善模具产品表面加工品质和加工精度，提高数字控制机床的加工性能。在实际伺服优化过程中，由于各厂家机床本身机械的不同，装配的差异，其伺服参数调整会有些差异，即便是同一台机床不同时期因磨损使用程度的不同，其伺服优化也并不完全相同，但整个伺服优化的方法和流程大体一致。伺服优化是一项烦琐的工作，需反复调试，摸索总结，方能确定好的优化结果。

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  引言 随着机械制造技术的不断发展，机床行业也已从过去的传统机床向数字控制机床这一换代产品过渡并得到迅速发展。数控机床的普及率逐年上升，主要原因在于数控技术的优越性。数控技术是适用航空、造船、宁宙飞行、武器生产等国防工业的生产而发展起来的，它特别适用于加工精度高、几何形状复杂、尺寸繁多、改型频繁的中小批量的机械零件生产。在国外从四十年代末期开始研究，随着晶体管集成电路及计算技术的发展，于五十年代末六十年代初期开始用于生产，并且愈来愈多地得到推广和应用。就我国目前制造业的技术水平及经济发展状况而论，经济型数控机床是比较适合我国企业及相关行业使用，当前此类机床的占有率较高，多数属于开环或半闭环控制管理系统，其加工精度很大程度受机床的机械精度

  一．过载的原因     伺服放大器内部的智能功率模块IPM（IntelligentPowerModule）内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，所以当电机驱动负载在加速或者减速过程中，电机的输出力矩大于电机的额定力矩并持续较短时间后，放大器就会有过载报警。     下面以定位模块QD75控制MR-J2S伺服放大器为例进行说明             图3中的马达速度No对应图1中的速度指令（Commandspeed）,加减速时间tpsa和tpsd对应图4中的实际加减速时间。已知了负载惯量和电机惯量，就可以计算出加减速力矩Ta和Tb。由图3所示。     与加减速的输出力矩相比，电机在带动负载

  交流伺服系统组成 交流伺服系统通常由以下几个主要组成部分构成： 交流伺服电机：交流伺服电机是伺服系统的核心部件之一，它的转速、力矩和位置等运动状态能够受到精密控制。常用的交流伺服电机有感应电机和永磁同步电机等。 编码器：编码器是反馈控制的重要组成部分，用于实时反馈电机的位置和速度等状态。常见的编码器有绝对编码器和增量编码器等。 伺服驱动器：伺服驱动器是将控制信号转换为电压、电流等输出，以控制电机的速度、力矩和位置等状态的电子元件。伺服驱动器通常包括功率放大器、控制器和逆变器等。 控制器：控制器是伺服系统的大脑，用于实现控制算法和控制信号的计算和生成。常见的控制器有数字信号处理器（DSP）、可编程逻辑控制器（

  伺服系统必须具备可控性好、稳定性高和适应性强等基本性能。交流伺服系统的性能指标可以从调速范围、定位精度、稳速精度、转矩波动、动态响应和运行稳定性等方面来衡量。 调速范围是指电机的最高转速与最低平稳转速之比。低档的伺服系统调速范围在1∶1000以上，一般的在1∶5000～1∶10000，高性能的可以达到1∶100000以上。定位精度取决于编码器的脉冲数与驱动器对编码器的倍频细分数，例如2048线的编码器，在其倍频数为2048的条件下，理论定位精度可以达到360°/（2048×2048）。 过去在测量技术比较落后的情况下，用户还采取附加措施来提高系统的精度，例如将测量元件（如自整角机）的测量轴通过减速器与转轴相连，使转轴的转角得到

  性能的因素有哪些 /

  用液压元件组成的伺服系统(什么是伺服系统)称为液压伺服系统，并且液压伺服系统具有易于实现直线运动的速度位移及力控制，驱动力、力矩和功率大，尺寸小重量轻，加速性能好，响应速度快，控制精度高，稳定性容易保证等优点(伺服系统的分类)。那么，什么是液压伺服系统呢?小编通过搜集整理资料，对液压伺服系统的相关基础知识作了详细的归纳总结。 液压伺服系统的工作特性(伺服系统工作原理) (1) 液压伺服系统是一个位置跟踪系统。 (2) 液压伺服系统是一个力放大系统。 (3) 液压伺服系统是一个负反馈系统。 (4) 液压伺服系统是一个误差系统。 液压伺服系统分类 按输出物理量分：位置、速度、力伺服系统 按信号分类：

  日前，从南京市台办获悉，南京市六合区六合数控机床产业园被江苏省经信委认定为江苏省高端装备制造业特色产业基地，这是继2011年园区被认定为江苏省中小企业产业集聚示范区、江苏省优质产品生产示范区之后又一省级殊荣。据了解，此次六合数控机床产业园是唯一一家以数控机床为特色，成功晋级省高端装备制造业特色产业基地的园区，南京市也将在产业园区大力发展工业机器人产业。 六合数控机床产业园原名南京台商工业园，始建于2002年，位于六合区雄州街道。经过10年多的发展，园区形成了以数控机床为主导产业，其它机床配套厂不断集聚发展，已成为雄州街道先进制造业的重要组成部分，推动着街道工业经济的发展。区内拥有以台资为主的数控机床及配套厂70多家，形成了

  1 引言 随着工业、民用、军事对自动化的需求不断提高，以高性能微处理器为控制策略的数字化交流伺服系统必将成为伺服系统的发展趋势。围绕TI公司推出的高性能数字信号控制器 TMS320F28334 ，重点介绍其在伺服系统中的功能及实际应用。 2 器件介绍 2．1 TMS320F28334简介 TMS320F28334(以下简称F28334)属于F2833x系列，该系列也是TMS320C一2000系列数字信号控制器中的一员。和以前相比，该系列器件有很多性能的提升和扩展。F2833x在继承同类器件32位定点处理器结构的基础上，集成有单指令(32位)IEEE754浮点处理单元。该器件可以执行效率很高的C／C++程序代码，可利用高

  模块设计 /

  引言     随着当前工业生产规模向着大型化方向发展，生产设备也向着系统化、规模化的方向发展，在这种情况下，基于工业以太网的运动控制系统在一些数控系统中得到了很广泛的应用，工业以太网通信具有传输速度快，通信数据量大等种种优点，对推动机电一体化设备的快速发展起到了很大的作用。随着网络通信技术的持续不断的发展，目前，在一定程度上，网络伺服系统成为当前伺服系统发展的主要方向之一。在此情况下，德国BECKHOFF公司推出了Ether CAT现场总线技术，它具有配置简单，数据传输高速、高效等种种优点。而且，在网络结构上，几乎支持所有的拓扑类型，包括线型、树型、星型等，每个系统可以配置多达65535台设备，这种总线类型对于大规模的运动控制管理系统的设计

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