深度解析數(shù)控系統(tǒng)伺服調(diào)試軟件的原理、特點(diǎn)、功能和應(yīng)用

本文簡(jiǎn)述一種交流伺服系統(tǒng)PC機(jī)調(diào)試軟件的設(shè)計(jì)原理及軟件界面化設(shè)計(jì)特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了該軟件應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中的各項(xiàng)功能，解決了數(shù)控系統(tǒng)軟件對(duì)伺服系統(tǒng)通用性的關(guān)鍵問(wèn)題。

伺服驅(qū)動(dòng)裝置是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服控制和主軸伺服控制，其作用是把來(lái)自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大整形處理后，轉(zhuǎn)換成機(jī)床執(zhí)行部件的直線位移或角位移運(yùn)動(dòng)。由于伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的最后環(huán)節(jié)，其性能將直接影響數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)，因此要求伺服驅(qū)動(dòng)裝置具有良好的快速反應(yīng)性能，準(zhǔn)確而靈敏地跟蹤數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字指令信號(hào)，并能準(zhǔn)確地執(zhí)行來(lái)自數(shù)控裝置的指令，從而提高機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的動(dòng)態(tài)跟隨特性和靜態(tài)跟蹤精度。

本文研發(fā)的交流伺服系統(tǒng)PC機(jī)調(diào)試軟件（Servo Self Test Tools），主要對(duì)配華中8型數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床進(jìn)行在線運(yùn)行調(diào)試、診斷運(yùn)行，也可作為離線數(shù)據(jù)分析的工具。

1. 交流伺服調(diào)試軟件設(shè)計(jì)

機(jī)床運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，其中電流信號(hào)作為最主要的數(shù)據(jù)客觀反映了機(jī)床加工狀態(tài)和性能，伺服調(diào)試軟件作為伺服控制運(yùn)動(dòng)軸的綜合調(diào)試軟件，主要采集電流信號(hào)、綜合指令信息及G代碼運(yùn)行軌跡，可監(jiān)控機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的坐標(biāo)實(shí)際位移值（見(jiàn)圖1）。

伺服調(diào)試軟件可對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析，通過(guò)調(diào)試軟件功能界面對(duì)話窗口給數(shù)控系統(tǒng)工程人員提供合理化參數(shù)值。與此同時(shí)伺服調(diào)試軟件采集的數(shù)據(jù)也可自動(dòng)上傳到“云服務(wù)器”，所有的數(shù)據(jù)集中寄存在“云端數(shù)據(jù)中心”，研發(fā)工程師對(duì)采集數(shù)據(jù)可進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，便于快速解決用戶現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。

伺服調(diào)試軟件工作原理如圖2所示，首先由參數(shù)窗口設(shè)定有關(guān)參數(shù)，程序窗口送出執(zhí)行調(diào)試程序，再通過(guò)CNC數(shù)據(jù)緩沖區(qū)取得反饋信息，在圖形窗口顯示，最后按以上方法反復(fù)調(diào)試，直至將伺服、主軸參數(shù)調(diào)整到最佳。

2. 伺服調(diào)試軟件界面設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）數(shù)據(jù)采樣：提供給用戶快捷的基本數(shù)據(jù)（位置、速度及電流）采樣和用戶自定義數(shù)據(jù)（任意數(shù)據(jù)）采樣，調(diào)試軟件會(huì)將這些數(shù)據(jù)以時(shí)域波形或者指令域波形方式展現(xiàn)給用戶。

（2）測(cè)定功能顯示：包括圓度測(cè)試、剛性攻絲測(cè)試和輪廓測(cè)試。圓度測(cè)試模式下，能夠輸出任意兩軸的圓誤差波形以及相應(yīng)的量化指標(biāo)；剛性攻絲測(cè)試模式下，能夠輸出剛性攻絲同步誤差的時(shí)域波形圖及相應(yīng)量化指標(biāo)；輪廓測(cè)試模式下，能夠輸出二維平面內(nèi)任意兩軸的輪廓圖形。

（3）圖形操作：用戶能夠?qū)Σㄐ吻€進(jìn)行縮放、局部框選放大和回放操作，以便對(duì)采樣特征點(diǎn)進(jìn)行全局和局部分析。

（4）數(shù)據(jù)分析：調(diào)試軟件會(huì)繪制相應(yīng)的波形曲線，并根據(jù)波形數(shù)據(jù)智能分析出一系列量化指標(biāo)，如在基本采樣下會(huì)輸出跟蹤誤差、速度波動(dòng)、加速度和快移加減捷度的最大、最小值等指標(biāo)；在圓度測(cè)試下會(huì)輸出伺服不匹配度、軸加減速時(shí)間等指標(biāo)；在剛性攻絲下會(huì)輸出Z軸跟C軸的同步誤差最大、最小值。

用戶可以通過(guò)波形曲線和指標(biāo)數(shù)據(jù)修改數(shù)控系統(tǒng)以及伺服驅(qū)動(dòng)的參數(shù)。多次進(jìn)行采樣調(diào)整，不斷優(yōu)化機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的參數(shù)，以使機(jī)床達(dá)到更好的運(yùn)行狀態(tài)，加工出更優(yōu)質(zhì)的零件模型。

（5）參數(shù)調(diào)整：支持在線讀取數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)，并能夠進(jìn)行參數(shù)數(shù)據(jù)調(diào)整。

（6）文件導(dǎo)入和導(dǎo)出：用戶能夠?qū)⒉蓸訑?shù)據(jù)進(jìn)行保存，并在離線模式下導(dǎo)入采樣數(shù)據(jù)文件，用于觀察波形，對(duì)波形進(jìn)行任意放大縮小操作，以此來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（7）圖形對(duì)比：支持兩個(gè)示波器文件的圖形數(shù)據(jù)對(duì)比，也支持在線采集的數(shù)據(jù)波形文件跟離線保存的數(shù)據(jù)波形文件對(duì)比。

伺服調(diào)試軟件初始化界面和輔助界面如圖3、圖4所示。

3. 伺服調(diào)試軟件功能

伺服調(diào)試軟件可采集伺服驅(qū)動(dòng)裝置多方面信息：速度環(huán)、位置環(huán)、圓度調(diào)試、剛性攻絲、陷波器、龍門同步、主軸升降速、變頻器剛性攻絲、換刀時(shí)間、自定義圖形采樣、全閉環(huán)診斷、診斷記錄以及調(diào)機(jī)報(bào)表等功能的數(shù)據(jù)信息。

伺服控制系統(tǒng)的“三環(huán)”控制從內(nèi)到外依次是電流控制、速度控制和位置控制（見(jiàn)圖5）。

因而伺服調(diào)試軟件最先采集的是電流環(huán)、速度換及位置環(huán)的數(shù)據(jù)信息。工程人員依據(jù)數(shù)據(jù)信息，調(diào)試數(shù)控系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)器參數(shù)，即：合理的提高伺服增益，保證伺服系統(tǒng)不出現(xiàn)振蕩，使伺服系統(tǒng)與數(shù)控裝置在高響應(yīng)、高剛性下相互和諧工作；其次伺服調(diào)試軟件采集伺服控制運(yùn)行軸的加減速時(shí)間常數(shù)，工程人員依據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)試數(shù)控系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工零件時(shí)的高速、高精。

在伺服“三環(huán)”的高剛性下穩(wěn)定運(yùn)行后，相關(guān)事件常數(shù)設(shè)定正確，需要繼續(xù)運(yùn)行伺服調(diào)試軟件對(duì)典型零件的加工誤差信息進(jìn)行采集，以此保證伺服和機(jī)械配合時(shí)的加工精度，重點(diǎn)驗(yàn)證的加工形狀有圓形、方形以及90°折線接1/4的圓弧。

（1）利用伺服調(diào)試軟件進(jìn)行圓度調(diào)試，涵蓋圓度、大小以及象限的調(diào)整。

圓度的調(diào)整：加工圓弧形狀時(shí)，圓的輪廓成橢圓，其主要原因?yàn)椴逖a(bǔ)的兩運(yùn)動(dòng)軸存在動(dòng)態(tài)不匹配的問(wèn)題。在參數(shù)上引起該問(wèn)題的原因包括以下幾方面。

①參與插補(bǔ)的兩軸加減速時(shí)間常數(shù)的類型、大小不一致（包括一般模式下，高速高精模式時(shí)插補(bǔ)前/插補(bǔ)后）。

②前饋功能使用與否，前饋補(bǔ)償系數(shù)是否一致。

③位置比例增益設(shè)定是否一致。工程人員應(yīng)用伺服調(diào)試軟件對(duì)上述幾條影響圓度的因素進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)用伺服調(diào)試軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，調(diào)整影響圓度的參數(shù)，保證加工圓度零件尺寸合格（見(jiàn)圖6）。

圓度大小調(diào)整：圓度大小，相對(duì)圓度問(wèn)題，一般情況下對(duì)加工精度影響較小，起因主要是伺服滯后所帶來(lái)的加工形狀誤差，伺服調(diào)試軟件中可通過(guò)前饋補(bǔ)償功能，適當(dāng)設(shè)定較小插補(bǔ)時(shí)間常數(shù)等，改善伺服滯后所引起的加工形狀誤差。

圓象限的調(diào)整：圓象限的調(diào)整是伺服調(diào)整中較為困難的地方，實(shí)際加工中，對(duì)于加工過(guò)象限的位置出現(xiàn)象限條紋原因很多。過(guò)象限產(chǎn)生原因有在機(jī)床進(jìn)給軸的傳動(dòng)過(guò)程中，由于反向間隙、摩擦等因素，造成電動(dòng)機(jī)在反向運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致加工延時(shí)，此時(shí)加工圓弧的象限過(guò)渡處留下凸起的條紋。工程人員使用伺服調(diào)整軟件反向間隙加速的調(diào)整功能第一步，將機(jī)床進(jìn)給軸的位置環(huán)和速度環(huán)增益調(diào)整到合理值；第二步，設(shè)定反向間隙加減補(bǔ)償量到速度環(huán)中，用以改善電動(dòng)機(jī)由于傳動(dòng)環(huán)節(jié)的影響造成的滯后，降低在反向位置的偏差量（見(jiàn)圖7）。

（2）利用伺服調(diào)試軟件進(jìn)行方形加工精度調(diào)試。

方形加工時(shí)出現(xiàn)拐角的地方，既要有較快的加工速度，又要有較好的加工質(zhì)量，二者需要找到平衡點(diǎn)。此時(shí)通過(guò)伺服調(diào)整軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，工程人員選擇合理的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，保證高速高精度的零件加工（見(jiàn)圖8）。

（3）利用伺服調(diào)試軟件進(jìn)行90°折線接1/4的圓弧軌跡采集。

90°折線接1/4的圓弧程序主要是用來(lái)確認(rèn)直線至圓弧或圓弧至直線相切時(shí)過(guò)渡處的加工精度，系統(tǒng)主要使用依據(jù)圓弧半徑減速功能確認(rèn)速度和精度關(guān)系。

4. 交流伺服調(diào)試軟件應(yīng)用

伺服調(diào)試軟件目前已經(jīng)應(yīng)用于用戶現(xiàn)場(chǎng)加工機(jī)床的調(diào)試、自動(dòng)生產(chǎn)線中的調(diào)試以及智能制造車間，同時(shí)伺服調(diào)試軟件在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的可靠性實(shí)驗(yàn)環(huán)境中也得了應(yīng)用。伺服調(diào)試軟件用于用戶現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，主要滿足用戶零件切削高速、高精的需求，同時(shí)可以收集用戶加工時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，利用智能傳感技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)采集信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接上傳到“云數(shù)據(jù)平臺(tái)”，作為大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)信息。當(dāng)其他用戶出現(xiàn)類似問(wèn)題時(shí)，客服可依據(jù)大數(shù)據(jù)平臺(tái)信息，第一時(shí)間合理、快速的解決用戶問(wèn)題。

伺服調(diào)試軟件在可靠性試驗(yàn)中，采集伺服控制的電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行位置，也可以采集伺服驅(qū)動(dòng)的電流信號(hào)，測(cè)試工程師定期查看可靠性試驗(yàn)中的機(jī)床或電柜數(shù)據(jù)信息，便于監(jiān)測(cè)數(shù)控系統(tǒng)整機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)未來(lái)將在智能制造示范工廠中應(yīng)用，伺服調(diào)試軟件將通過(guò)移動(dòng)端APP或網(wǎng)絡(luò)主頁(yè)監(jiān)測(cè)G代碼模塊在實(shí)際生產(chǎn)加工中驗(yàn)證正確性及功能模塊被連續(xù)使用時(shí)的穩(wěn)定性，也可監(jiān)測(cè)到每臺(tái)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)，保證智能工廠零件加工的安全性與可靠性。

5. 結(jié)語(yǔ)

伺服調(diào)試軟件連接方便，采集數(shù)據(jù)信息豐富，能夠滿足伺服系統(tǒng)各項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，如實(shí)際位置、速度和電流信號(hào)的顯示，并提供方便、快捷的調(diào)試手段，即通過(guò)軟件界面實(shí)時(shí)提供數(shù)據(jù)信息變化，工程人員依靠伺服調(diào)試軟件可快速解決用戶現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題，同時(shí)可確保數(shù)控機(jī)床在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中零件加工性能穩(wěn)定、機(jī)床運(yùn)行安全可靠。伺服調(diào)試軟件的采集數(shù)據(jù)會(huì)直接上傳“云服務(wù)中的大數(shù)據(jù)中心”，通過(guò)單機(jī)歷史數(shù)據(jù)縱向比較和機(jī)床集群數(shù)據(jù)的橫向比較，掌控機(jī)床健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床健康保障。伺服調(diào)試軟件可廣泛的應(yīng)用在智能制造多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。