伺服系統的參數直接影響到數控機床的精度和性能，因此在數控機床調試過程中，伺服參數的調整技術是一個重要的研究內容。目前，各品牌的數控系統有不同的伺服調整方法，對調試人員的經驗要求較高，而且無法定量地評估參數調整的效果，致使許多數控機床不能發揮出最佳的動態性能，影響數控機床的有效使用。作者基于三菱數控系統及伺服驅動器的輸出功能，開發了用于伺服參數調整的測試分析系統，通過采集機床運動過程中的運動參數，實現了伺服調整過程的圖形交互。使伺服參數調整具有了可視化及定量評估的特點。
1 三菱伺服系統基本原理
三菱伺服系統采用如圖1所示的三環控制方式。在三環結構中，電流環的作用是提高系統的快速性，限制最大電流，使系統有足夠大的加速扭矩；另外，需要考慮及時抑制電流環內部的干擾，并保障系統安全運行。速度環的作用是增強系統抗負載擾動的能力，抑制速度波動。位置環的作用是保證系統靜態精度和動態跟蹤性能，使整個伺服系統能穩定、高性能快：則控制穩定。
圖1三菱數控系統伺服調整原理圖
對用戶而言，伺服系統的調整主要是對系統的各環路參數進行適當調整，當增益較低時，影響系統的響應速度；當增益較高時，系統具有較快的響應速度，但過高的增益將使得系統的穩定性和抗噪聲能力下降，從而影響到系統的性能。因此，伺服系統的調整實際上是一個尋求系統各項性能的相互平衡并使整體性能最優的決策過程。
2 三菱伺服系統組成
三菱伺服系統組成包括兩個方面：一是作為伺服調整對象的數控機床，二是用于伺服參數調整的測試系統。
2.1 數控機床
XH7132加工中心綜合試驗臺如圖2所示，由機床和數控系統試驗臺兩部分組成，可用于CNC技術培訓，也可用于數控加工。
圖2 XH7132加工中心綜合試驗臺
數控伺服系統主要組成元件如表1所示。
2.2 測試系統
三菱MDS-R-VIV2伺服驅動器中內置有各種控制數據的D／A輸出功能。通過特定的參數設置，可以輸出位置、速度、電流等信號，通過采集、分析這些信號，就可以了解數控機床的伺服性能。測試系統組成如圖3所示，測試系統由計算機、數字示波器、PJ912接口板和SH21通訊線等組成。利用采集到的機床運動參數信息，在計算機上計算、分析機床運動的速度跟隨誤差、位置跟隨誤差等，作為伺服參數調整的反饋信息，使得參數調整更加直觀，而且可以定量地評估調整誤差。
圖3測試系統組成原理框圖
3 伺服調整實驗與分析
數控系統伺服調整的一般步驟為：首先調整電流環參數(三菱電流環增益由電機和伺服單元的組合決定，按標準參數值設定參數)，然后調整速度環參數，最后調整位置環參數。只有電流環和速度環的伺服參數設置合適，才能得到較高的位置環性能，數控機床的位置精度和跟隨精度才可能得到提高。作者采用文中的測試系統，以速度環參數的調整為例進行實驗驗證。
3.1 速度環增益調整
三菱數控系統速度環參數調整按照圖4所示的流程進行。
圖4速度環參數調試流程
速度環參數測試過程中，采用觀察指令速度和反饋速度的方法來確定伺服參數設置是否合適，伺服驅動器D／A接口輸出指令速度和反饋速度的參數設置如表2所示。
速度環增益是決定伺服控制響應性的重要參數，對機床的切削精度和循環時間有很大影響。需要說明的是：伺服系統的響應特性不僅與速度環增益有關，而且與系統負載慣量也直接相關。因此在速度環參數調整前，要先測量傳動系統的負載慣量比，并設定慣量比相關參數。文中的測試系統也可以用于機械傳動系統負載慣量比的測定，具體測試方法不再贅述。
3.2 實驗分析
對數控機床X軸的伺服系統分別設置兩組速度環參數，如表3所示。
基于表3所示的兩組參數，數控機床x軸依照圖5所示的速度指令進行快速進給運動，分別采集運動過程中的實際速度輸出信號，并繪制速度誤差曲線，分別如圖6、7所示。
圖5 電機運動速度指令曲線
圖6電機實際速度曲線
圖7速度跟隨誤差曲線
由圖6、7可以看出，不同的速度環參數對速度跟隨誤差影響較大，采集觀察電機運動指標曲線不僅可以了解其伺服性能優劣，還可以根據觀測到的速度曲線進行速度環參數的調整，從而實現參數調整過程的圖形交互。
4 結論
數控機床進給伺服系統的調整是一個復雜和耗時的工作。數控機床出廠后，使用人員通常無法了解、調試其伺服性能，致使多數數控機床的伺服性能沒有在較好的狀態下工作。作者基于現有數控設備，開發了伺服參數調整的測試系統，通過采集、分析機床運動過程中運動指標參數，將伺服系統狀態變化以可視化的方式輸出，可以更加直觀地分析伺服性能的優劣，為調整提供了依據，并通過實驗對測試系統和調試方法進行驗證。實驗表明：測試系統和方法可以有效提高數控機床伺服參數調整的效率和精度，是傳統伺服調整的有益補充。
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本文標題：三菱數控系統伺服參數調整技術研究
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