松下伺服電機在激光切割設備上的應用較多。隨客戶對激光設備加工要求的提升，對伺服的使用要求也越來越高。在實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主要方面。本篇文章將嘗試對此類問題進行總結，以便大家更好地使用。

 

 

關鍵

軸動態響應性的高低及相互之間的配合

 

其實無論是板材切割機、管材切割機或者是復雜的立體切割設備，要想設備按照既定的圖形進行加工，關鍵就在于參與加工的各個軸動態響應性的高低及相互之間的配合問題。如果在加工過程中，各軸的整體響應太慢，或者某些位置出現一個軸偏差小，另一個軸偏差大的情況，則就會出現加工輪廓變形的問題。而導致這種偏差不一致情況出現的原因眾多，有機械的、外力的、伺服響應性、控制系統等因素，或是多因素疊加影響。因此，解決此類問題的關鍵在于各軸有較好的動態響應性及相互之間的配合的協調性，使其能比較嚴格地按照既定目標進行加工動作。伺服電機作為一個承接機械與控制系統的中間執行機構，能在一定程度上彌補、優化、協調各個系統的動作，以達到更完美的控制目的。以下就出現上述問題時伺服電機的一些應對措施進行討論。

 

 

 

機械因素

機械問題相對而言比較常見，主要體現在設計、傳動方式、安裝、材質、機械磨損等方面。

 

機械共振

機械共振問題對伺服最大的影響在于無法繼續提高伺服電機的響應性，從而使設備整體運行在比較低的響應狀態。此類問題在同步帶傳動的機械中比較常見，另外長距離的滾珠絲桿有時也有此類情況。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，特別是在電機容量選擇偏小的情況下比較容易起振。同時安裝時的裝配工藝高低和材質的優劣也會對機械的共振產生影響。

 

如果出現此類問題，除在機械上優化外，可通過伺服的調整來彌補。主要思路就是通過伺服抑制共振的功能來完成。具體來說，有兩種方法實現：一種是自適應濾波器的調整，即自動去共振功能，通過設置PR200號參數來設置自動去共振的功能，伺服電機會自動推斷機械的共振點，并加以抑制。另一種是手動去除共振的方法，通過調試軟件找出機械共振點，寫進相應參數。通常共振點被抑制后，伺服電機增益提升的空間被打開，可一定程度地提高剛性。

 

機械抖動

機械抖動實質也是機械的固有頻率問題，通常比較多地出現在單端固定的懸梁結構中，特別是在加減速階段表現尤其明顯。低頻的抖動在加工件中會呈現出大波浪狀的形態，較高頻的抖動會有鋸齒狀的形態。對于此種情況的基本思路是加入多種濾波器，錯開轉矩指令頻率。此時不要將剛性調整太高，伺服參數中比較有效的調整方法有：積分時間常數、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。但此類方法對伺服的響應性會產生一定的負面影響，因此調試時要謹慎。對于激光切割機這類的軌跡控制設備，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整太多。通常使用兩檔增益(建議PR115設置為10)，再配合上位控制系統參數的設置，會達到一個比較平衡的效果。

 

機械內應力、外力等因素

由于機械材質和安裝的差異，設備上各傳動軸的機械內應力、靜摩擦力等可能會不一致。如果設備中參與軌跡插補控制的兩軸中的某一軸的內應力或者靜摩擦力等更大，則會一定程度上消耗掉伺服的轉矩，造成此軸的加速變慢，從而導致加工輪廓變形。通常我們可以通過伺服驅動器反饋生成的波形曲線來觀察傳動軸的內應力問題。下面兩圖是相同兩臺設備的同一個軸的波形曲線圖，我們可以看到，在相同的速度情況下，圖1中無論是轉矩指令大小還是脈沖偏差水平都要遠遠高于圖2(藍色曲線為轉矩曲線，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，圖中黑色橢圓框內是伺服處于靜止狀態(鎖模狀態)時電機分配的轉矩，圖1中伺服為達到鎖止的目的，輸出了更多的轉矩來克服傳動軸中的各種內應力。伺服用于加速的轉矩被消耗了很多，響應自然就慢了。后經證實，此軸的裝配確實有問題。

 

 

 

 

 

外力作用于軸上的情況也比較類似。一般的板材切割機，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，送管軸會參與切割時候的插補，而另一軸一般是非接觸的。此時管材由于受到夾具的影響，會對送管軸產生一個反向作用力，這樣參與插補控制的兩軸受力情況不一致，切割的效果肯定會受到影響。

　　
解決此類問題的思路主要是讓伺服電機多輸出一部分轉矩，以抵消作用于軸上的各種內力、外力。有兩種方法可以實現，其一是適當提高剛性，但在某些設備上可能相對效果不明顯。另一種方法是使用轉矩摩擦補償，具體的操作方法又可以分為自動與手動兩種，把PR002設置為4，即開啟了自動摩擦補償，驅動器會自動根據推算的情況設置相應參數，手動方法則是具體設置正負方向的轉矩補償值及轉矩指令的加算值。

 

伺服因素

在機械正常的情況下，如果伺服參數偏差較大，也會引起切割的輪廓不理想的情況。因此伺服調試的時候應該遵循的原則是：1、伺服響應性在允許的范圍內應保持較高的水平。2、參與插補控制的各軸應當具有比較接近的動態響應性，可通過波形曲線察看實際的脈沖偏差水平。3、慣量比應該按照比較真實的數值進行設定，如果驅動器自動推算的慣量比較真實地反映了實際的負載情況，就不要隨意改變此數值。4、響應性調整時應盡量使用自動增益，就算需要手動調試也要在自動調試的基礎上調整，這樣會簡化調試的難度。5、調試效果不理想時可嘗試使用松下伺服的二自由度功能，此功能是在閉環控制的基礎上加入了部分開環控制的元素，對于提高伺服的動態響應性及穩定性有一定的幫助。

 

數控系統因素

有的情況下，伺服的調試效果不明顯，此時可能就要介入對控制系統的調節了。激光切割機加工時通常線速度是比較恒定的，在直線與曲線上都是同一速度。這一點在直線運動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因為加速度過大導致輪廓變形的情況。因此，在切割小圓等圖形時必須對速度及加速度加以限制。并且在遇到抖動等問題的時候調整加速度，改變插補采樣周期等參數對抑制抖動的效果比單純調整伺服效果更好。另外，在某些模擬量控制的數控系統中，由于系統已經加入了PID控制的元素，此時伺服系統的主要控制權已經轉移到了系統中，伺服電機的影響力變弱，這個時候如果只調整伺服，對實際的效果影響非常有限。

 

 總之，一臺設備的實際運行效果，是對機械、電機、控制系統的綜合應用的一個反映。伺服電機作為機械與電氣控制的紐帶，對設備的運行好壞起到了關鍵的作用，因此，掌握好伺服的使用方法對提升設備性能及穩定性都大有好處。