摘 要：本文在分析CNC雕刻機自動化加工性能需求的基礎上，結合慣量匹配淺談如何將臺達伺服系統(tǒng)合理的應用在CNC雕刻機上。
關鍵詞： CNC雕刻機；慣量；剛性；臺達伺服

1 引言

隨著中國制造業(yè)品牌建設工程的啟動，五金、廣告制品等行業(yè)對高速高精度雕刻機的需求與日俱增。例如在經(jīng)濟發(fā)達的華東地區(qū)市場需求達到幾千臺高速高精度雕刻機。高速高精度雕刻機設備日益成為CNC（計算機數(shù)字控制）技術的應用領域。

雕刻機是用于廣告、模具類產(chǎn)品生產(chǎn)加工專用加工設備。由于產(chǎn)品的市場變化比較頻繁，所以雕刻機不但要求一次性采購價格以及初始功能，還要求產(chǎn)品的升級應用能力。市場的需求是變幻無常的，只有具有領先的技術開發(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。

2 CNC雕刻機進給系統(tǒng)

2.1 進給系統(tǒng)簡介

CNC雕刻機進給系統(tǒng)主要任務是將滑動件（工作臺或主動頭、立柱等）沿著導軌，依指令速率平穩(wěn)的運動。進給系統(tǒng)除了考慮機械傳動元件的設計外，還牽涉到伺服定位控制問題。所以說，本質上進給系統(tǒng)是機電一體化集成系統(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雕刻機要具備穩(wěn)定性好、精度高以及快速響應的特性。那么，要實現(xiàn)這樣的條件，要考慮到的重要的環(huán)節(jié)就是：慣量匹配和進給系統(tǒng)剛性問題。

2.2 機械慣量與強健(魯棒)控制

傳動慣量對伺服系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性，動態(tài)響應都有影響，慣量大，系統(tǒng)的機械常數(shù)大，響應慢，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速度。因此，機械設計時在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，應盡量減小機械慣量并注意慣量匹配，從而選擇合適慣量大小電機，并得出慣量比。

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

（1）控制指令改變時，馬達需花費較多時間才能達到新指令的速度要求；
（2）當機臺沿二軸執(zhí)行弧式曲線快速切削時，會發(fā)生較大誤差。

而一般伺服電機通常狀況下，當JL ≦ 3JM,則上面的問題不會發(fā)生；當JL ≧5× JM，馬達的可控性會明顯下降，在高速曲線切削時表現(xiàn)突出。對此，臺達伺服引入了強?。敯簦┛刂?，能容忍很大的慣量變化，對慣量比的要求大大降低。

2.3 機電剛性與強健控制

進給系統(tǒng)的剛性是指受到負載時，進給系統(tǒng)抵抗變形的能力。數(shù)控進給系統(tǒng)剛性可以分為機械系統(tǒng)的機械剛性和伺服系統(tǒng)的伺服剛性。

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

3 臺達伺服系統(tǒng)應用

臺達伺服由3閉環(huán)結構構成，包括位置外環(huán)、速度中環(huán)和電流內環(huán)，參見圖2。臺達伺服的強健型簡易模式成為臺達技術特色。

圖2 臺達伺服的三環(huán)結構

3.1強健式控制（魯棒控制--Robust control）

強健式控制使得臺達CNC面對快速變化的負載慣量仍然保有優(yōu)良性能。

強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，保持強健穩(wěn)定及性能。在大范圍負載慣量變化，系統(tǒng)依然保有優(yōu)秀性能。對命令和干擾有不同的補償控制；阻尼剛性優(yōu)良，低速轉速動特性優(yōu)良；穩(wěn)定性完全保證；超調量很小。

3.2高響應頻寬

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

3.3 達CNC在雕刻機上的增益調試

（1）JOG模式。JOG模式用于脫離上層控制的上機試運轉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)調整，參見圖4。

圖4 自動增益模式控制流程圖

（3）手動增益調整（位置模式）參見圖5。

圖5 手動增益調整控制流程圖

（4）調試注意要點：

·進給速度提高后，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成一樣大小，特別是X，Y軸），臺達的伺服整定時間短，最大限度保護動態(tài)精度。

·機臺構件有其固有頻率，當產(chǎn)生諧振時，噪音，振動，響應受限。利用臺達伺服的軟件確認諧振點，設軟件陷阱消除機械諧振，提升機床應答性。

·選擇合適慣量電機，機床與電機慣量匹配，臺達伺服具有強健性控制，對慣量匹配要求大大降低，且自帶慣量估測功能，省卻復雜計算過程。

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

4 結束語

目前在CNC雕刻機行業(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)良的品質以及良好的穩(wěn)定性以及強大的控制功能使得臺達伺服系統(tǒng)在高端雕刻機行業(yè)上有著廣泛的應用前景。