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

本文簡述一種交流伺服系統(tǒng)PC機調(diào)試軟件的設計原理及軟件界面化設計特點，詳細介紹了該軟件應用于交流伺服系統(tǒng)調(diào)試過程中的各項功能，解決了數(shù)控系統(tǒng)軟件對伺服系統(tǒng)通用性的關鍵問題。

伺服驅動裝置是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，用于實現(xiàn)數(shù)控機床的進給伺服控制和主軸伺服控制，其作用是把來自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大整形處理后，轉換成機床執(zhí)行部件的直線位移或角位移運動。由于伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的最后環(huán)節(jié)，其性能將直接影響數(shù)控機床的精度和速度等技術指標，因此要求伺服驅動裝置具有良好的快速反應性能，準確而靈敏地跟蹤數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字指令信號，并能準確地執(zhí)行來自數(shù)控裝置的指令，從而提高機床各運動軸的動態(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機調(diào)試軟件（Servo Self Test Tools），主要對配華中8型數(shù)控系統(tǒng)的機床進行在線運行調(diào)試、診斷運行，也可作為離線數(shù)據(jù)分析的工具。

1. 交流伺服調(diào)試軟件設計

機床運行時產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，其中電流信號作為最主要的數(shù)據(jù)客觀反映了機床加工狀態(tài)和性能，伺服調(diào)試軟件作為伺服控制運動軸的綜合調(diào)試軟件，主要采集電流信號、綜合指令信息及G代碼運行軌跡，可監(jiān)控機床各運動軸的坐標實際位移值（見圖1）。

伺服調(diào)試軟件可對采集的數(shù)據(jù)進行智能化分析，通過調(diào)試軟件功能界面對話窗口給數(shù)控系統(tǒng)工程人員提供合理化參數(shù)值。與此同時伺服調(diào)試軟件采集的數(shù)據(jù)也可自動上傳到“云服務器”，所有的數(shù)據(jù)集中寄存在“云端數(shù)據(jù)中心”，研發(fā)工程師對采集數(shù)據(jù)可進行實時分析，便于快速解決用戶現(xiàn)場問題。

伺服調(diào)試軟件工作原理如圖2所示，首先由參數(shù)窗口設定有關參數(shù)，程序窗口送出執(zhí)行調(diào)試程序，再通過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)試軟件界面設計特點

（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)試軟件會將這些數(shù)據(jù)以時域波形或者指令域波形方式展現(xiàn)給用戶。

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

（3）圖形操作：用戶能夠對波形曲線進行縮放、局部框選放大和回放操作，以便對采樣特征點進行全局和局部分析。

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

用戶可以通過波形曲線和指標數(shù)據(jù)修改數(shù)控系統(tǒng)以及伺服驅動的參數(shù)。多次進行采樣調(diào)整，不斷優(yōu)化機床各運動軸的參數(shù)，以使機床達到更好的運行狀態(tài)，加工出更優(yōu)質的零件模型。

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

（6）文件導入和導出：用戶能夠將采樣數(shù)據(jù)進行保存，并在離線模式下導入采樣數(shù)據(jù)文件，用于觀察波形，對波形進行任意放大縮小操作，以此來進行數(shù)據(jù)分析。

（7）圖形對比：支持兩個示波器文件的圖形數(shù)據(jù)對比，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動裝置多方面信息：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、換刀時間、自定義圖形采樣、全閉環(huán)診斷、診斷記錄以及調(diào)機報表等功能的數(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)及驅動器參數(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、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行軸的加減速時間常數(shù)，工程人員依據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)試數(shù)控系統(tǒng)及驅動器參數(shù)，實現(xiàn)機床加工零件時的高速、高精。

在伺服“三環(huán)”的高剛性下穩(wěn)定運行后，相關事件常數(shù)設定正確，需要繼續(xù)運行伺服調(diào)試軟件對典型零件的加工誤差信息進行采集，以此保證伺服和機械配合時的加工精度，重點驗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，圓的輪廓成橢圓，其主要原因為插補的兩運動軸存在動態(tài)不匹配的問題。在參數(shù)上引起該問題的原因包括以下幾方面。

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

②前饋功能使用與否，前饋補償系數(shù)是否一致。

③位置比例增益設定是否一致。工程人員應用伺服調(diào)試軟件對上述幾條影響圓度的因素進行數(shù)據(jù)采集，同時用伺服調(diào)試軟件對數(shù)據(jù)進行分析，調(diào)整影響圓度的參數(shù)，保證加工圓度零件尺寸合格（見圖6）。

圓度大小調(diào)整：圓度大小，相對圓度問題，一般情況下對加工精度影響較小，起因主要是伺服滯后所帶來的加工形狀誤差，伺服調(diào)試軟件中可通過前饋補償功能，適當設定較小插補時間常數(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，實際加工中，對于加工過象限的位置出現(xiàn)象限條紋原因很多。過象限產(chǎn)生原因有在機床進給軸的傳動過程中，由于反向間隙、摩擦等因素，造成電動機在反向運動時產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，導致加工延時，此時加工圓弧的象限過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，將機床進給軸的位置環(huán)和速度環(huán)增益調(diào)整到合理值；第二步，設定反向間隙加減補償量到速度環(huán)中，用以改善電動機由于傳動環(huán)節(jié)的影響造成的滯后，降低在反向位置的偏差量（見圖7）。

（2）利用伺服調(diào)試軟件進行方形加工精度調(diào)試。

方形加工時出現(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量，二者需要找到平衡點。此時通過伺服調(diào)整軟件進行數(shù)據(jù)的采集，工程人員選擇合理的參數(shù)進行設定，保證高速高精度的零件加工（見圖8）。

（3）利用伺服調(diào)試軟件進行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確認直線至圓弧或圓弧至直線相切時過渡處的加工精度，系統(tǒng)主要使用依據(jù)圓弧半徑減速功能確認速度和精度關系。

4. 交流伺服調(diào)試軟件應用

伺服調(diào)試軟件目前已經(jīng)應用于用戶現(xiàn)場加工機床的調(diào)試、自動生產(chǎn)線中的調(diào)試以及智能制造車間，同時伺服調(diào)試軟件在長時間連續(xù)運行的可靠性實驗環(huán)境中也得了應用。伺服調(diào)試軟件用于用戶現(xiàn)場調(diào)試時，主要滿足用戶零件切削高速、高精的需求，同時可以收集用戶加工時出現(xiàn)的問題，利用智能傳感技術、云計算技術采集信息，通過網(wǎng)絡直接上傳到“云數(shù)據(jù)平臺”，作為大數(shù)據(jù)基礎信息。當其他用戶出現(xiàn)類似問題時，客服可依據(jù)大數(shù)據(jù)平臺信息，第一時間合理、快速的解決用戶問題。

伺服調(diào)試軟件在可靠性試驗中，采集伺服控制的電動機實際運行位置，也可以采集伺服驅動的電流信號，測試工程師定期查看可靠性試驗中的機床或電柜數(shù)據(jù)信息，便于監(jiān)測數(shù)控系統(tǒng)整機的運行狀態(tài)。

自動化測試系統(tǒng)未來將在智能制造示范工廠中應用，伺服調(diào)試軟件將通過移動端APP或網(wǎng)絡主頁監(jiān)測G代碼模塊在實際生產(chǎn)加工中驗證正確性及功能模塊被連續(xù)使用時的穩(wěn)定性，也可監(jiān)測到每臺數(shù)控機床運行狀態(tài)，保證智能工廠零件加工的安全性與可靠性。

5. 結語

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)各項運行狀態(tài)監(jiān)控，如實際位置、速度和電流信號的顯示，并提供方便、快捷的調(diào)試手段，即通過軟件界面實時提供數(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)場出現(xiàn)的問題，同時可確保數(shù)控機床在實際生產(chǎn)環(huán)境中零件加工性能穩(wěn)定、機床運行安全可靠。伺服調(diào)試軟件的采集數(shù)據(jù)會直接上傳“云服務中的大數(shù)據(jù)中心”，通過單機歷史數(shù)據(jù)縱向比較和機床集群數(shù)據(jù)的橫向比較，掌控機床健康狀態(tài)，實現(xiàn)機床健康保障。伺服調(diào)試軟件可廣泛的應用在智能制造多個行業(yè)領域。