中達電通公司 南京機電業務處                解 剛

    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

將台達伺服係統合理的應用在CNC雕刻機上。

    關鍵詞： CNC雕刻機 慣量  剛性  台達伺服

    隨著中國製造業品牌建設工程的啟動

，五金、guanggaozhipindengxingyeduigaosugaojingdudiaokejidexuqiuyurijuzeng。liruzaijingjifadadehuadongdiqushichangxuqiudadaojiqiantaigaosugaojingdudiaokeji。gaosugaojingdudiaokejishebeiriyichengweiCNC（計算機數字控製）技術的應用領域。

    雕刻機是用於廣告、模mo具ju類lei產chan品pin生sheng產chan加jia工gong專zhuan用yong加jia工gong設she備bei。由you於yu產chan品pin的de市shi場chang變bian化hua比bi較jiao頻pin繁fan
，所suo以yi雕diao刻ke機ji不bu但dan要yao求qiu一yi次ci性xing采cai購gou價jia格ge以yi及ji初chu始shi功gong能neng，還hai要yao求qiu產chan品pin的de升sheng級ji應ying用yong能neng力li。市shi場chang的de需xu求qiu是shi變bian幻huan無wu常chang的de，隻zhi有you具ju有you領ling先xian的de技ji術shu開kai發fa能neng力li和he升sheng值zhi潛qian力li的de產chan品pin，才cai能neng延yan長chang產chan品pin的de使shi用yong壽shou命ming，開kai拓tuo產chan品pin的de使shi用yong範fan圍wei。

    CNC雕刻機進給係統主要任務是將滑動件（工作台或主動頭
、立柱等）沿yan著zhe導dao軌gui，依yi指zhi令ling速su率lv平ping穩wen的de運yun動dong。進jin給gei係xi統tong除chu了le考kao慮lv機ji械xie傳chuan動dong元yuan件jian的de設she計ji外wai，還hai牽qian涉she到dao伺si服fu定ding位wei控kong製zhi問wen題ti。所suo以yi說shuo，本ben質zhi上shang進jin給gei係xi統tong是shi機ji電dian一yi體ti化hua集ji成cheng係xi統tong，係xi統tong使shi加jia工gong工gong件jian或huo刀dao具ju能neng依yi既ji定ding的de速su度du、位置、做高精度的移動，參見圖1。

圖1 控製流程圖和係統框架

 

    而一台好的CNC雕刻機要具備穩定性好
、精度高以及快速響應的特性。那麼，要實現這樣的條件
，要考慮到的重要的環節就是：慣量匹配和進給係統剛性問題。

chuandongguanliangduisifuxitongdejingdu
，wendingxing
，dongtaixiangyingdouyouyingxiang，guanliangda，xitongdejixiechangshuda
，xiangyingman
，huishixitongdeguyoupinlvxiajiang，rongyichanshengxiezhen，yinerxianzhilesifudaikuan，yingxianglesifujingduhexiangyingsudu。yinci，jixieshejishizaibuyingxiangxitonggangdudetiaojianxia
，yingjinliangjianxiaojixieguanliangbingzhuyiguanliangpipei，congerxuanzeheshiguanliangdaxiaodianji，bingdechuguanliangbi。

進給係統所需力矩T = 係統傳動慣量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。那麼CNC雕刻機進給係統慣量是如何匹配的呢
？衡量機械係統的動態特性時，慣量越小，係統的動態特性反應越好；慣(guan)量(liang)越(yue)大(da)
，馬(ma)達(da)的(de)負(fu)載(zai)也(ye)就(jiu)越(yue)大(da)
，越(yue)難(nan)控(kong)製(zhi)，但(dan)機(ji)械(xie)係(xi)統(tong)的(de)慣(guan)量(liang)需(xu)和(he)馬(ma)達(da)慣(guan)量(liang)相(xiang)匹(pi)配(pei)才(cai)行(xing)。不(bu)同(tong)的(de)機(ji)構(gou)

，對(dui)慣(guan)量(liang)匹(pi)配(pei)原(yuan)則(ze)有(you)不(bu)同(tong)的(de)選(xuan)擇(ze)，且(qie)有(you)不(bu)同(tong)的(de)作(zuo)用(yong)表(biao)現(xian)。CNC雕刻機通過伺服電機作高速切削時，當負載慣量增加時，會發生如下情況：

（1）控製指令改變時，馬達需花費較多時間才能達到新指令的速度要求；

（2）當機台沿二軸執行弧式曲線快速切削時
，會發生較大誤差。

而一般伺服電機通常狀況下
，當JL ≦ 3JM,則上麵的問題不會發生
；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突出。對此
，台達伺服引入了強健（魯棒）控製，能容忍很大的慣量變化
，對慣量比的要求大大降低。  

進給係統的剛性是指受到負載時，進給係統抵抗變形的能力。數控進給係統剛性可以分為機械係統的機械剛性和伺服係統的伺服剛性。

（1）機械係統剛性。進給係統機械剛性是指螺杆等機械元件產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si服fu係xi統tong剛gang性xing指zhi整zheng個ge進jin給gei伺si服fu係xi統tong
，即ji以yi控kong製zhi器qi到dao工gong作zuo台tai表biao現xian出chu來lai抵di抗kang負fu載zai幹gan擾rao帶dai來lai位wei置zhi偏pian差cha的de能neng力li。伺si服fu係xi統tong剛gang性xing更geng顯xian重zhong要yao，而er台tai達da伺si服fu采cai用yong強qiang健jian（魯棒）控製
，抵抗負載變化幹擾能力突出。

圖2 台達伺服的三環結構

 

台達伺服由3閉環結構構成，包括位置外環



、速度中環和電流內環，參見圖2。台達伺服的強健型簡易模式成為台達技術特色。

強健式控製使得台達CNC麵對快速變化的負載慣量仍然保有優良性能。

強健式控製容忍自身變異的現代控製法則。固定選定的非PI控製器
，保持強健穩定及性能。在大範圍負載慣量變化，係統依然保有優秀性能。對命令和幹擾有不同的補償控製；阻尼剛性優良，低速轉速動特性優良；穩定性完全保證
；超調量很小。

    針對於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
，台達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定運轉的運行效果。

（1）JOG模式。JOG模式用於脫離上層控製的上機試運轉測試與初步慣性比估測，參見圖3。

圖3 JOG慣量測試控製流程圖

（2）自動增益模式。自動增益模式用於持續調整，參見圖4。

圖4 自動增益模式控製流程圖

（3）手動增益調整（位置模式）參見圖5。

圖5 手動增益調整控製流程圖

 

 

（4）調試注意要點：

·進給速度提高後，伺服係統的追隨誤差會隨速度的提高加大，影響移動件的動態精度（一般均把各軸伺服的增益設成一樣大小，特別是X
，Y軸）
，台達的伺服整定時間短
，最大限度保護動態精度。

·機ji台tai構gou件jian有you其qi固gu有you頻pin率lv，當dang產chan生sheng諧xie振zhen時shi
，噪zao音yin


，振zhen動dong，響xiang應ying受shou限xian。利li用yong台tai達da伺si服fu的de軟ruan件jian確que認ren諧xie振zhen點dian，設she軟ruan件jian陷xian阱jing消xiao除chu機ji械xie諧xie振zhen，提ti升sheng機ji床chuang應ying答da性xing  。

·選(xuan)擇(ze)合(he)適(shi)慣(guan)量(liang)電(dian)機(ji)，機(ji)床(chuang)與(yu)電(dian)機(ji)慣(guan)量(liang)匹(pi)配(pei)，台(tai)達(da)伺(si)服(fu)具(ju)有(you)強(qiang)健(jian)性(xing)控(kong)製(zhi)，對(dui)慣(guan)量(liang)匹(pi)配(pei)要(yao)求(qiu)大(da)大(da)降(jiang)低(di)，且(qie)自(zi)帶(dai)慣(guan)量(liang)估(gu)測(ce)功(gong)能(neng)，省(sheng)卻(que)複(fu)雜(za)計(ji)算(suan)過(guo)程(cheng)。

·傳統手動調試伺副服參數，經驗性強

，且難以調試到最佳狀態，台達伺服提供專用調試軟體，不但操作簡單且調試效果優良。

目前在CNC雕(diao)刻(ke)機(ji)行(xing)業(ye)上(shang)所(suo)占(zhan)的(de)比(bi)重(zhong)每(mei)年(nian)都(dou)在(zai)穩(wen)定(ding)的(de)上(shang)升(sheng)。係(xi)統(tong)所(suo)具(ju)有(you)的(de)優(you)良(liang)的(de)品(pin)質(zhi)以(yi)及(ji)良(liang)好(hao)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)以(yi)及(ji)強(qiang)大(da)的(de)控(kong)製(zhi)功(gong)能(neng)使(shi)得(de)台(tai)達(da)伺(si)服(fu)係(xi)統(tong)在(zai)高(gao)端(duan)雕(diao)刻(ke)機(ji)行(xing)業(ye)上(shang)有(you)著(zhe)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)前(qian)景(jing)。