CN103454998B - 基于工业以太网总线的伺服刚性调试装置及方法 - Google Patents
基于工业以太网总线的伺服刚性调试装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于工业以太网总线的伺服刚性调试装置及方法，该装置包括CNC控制装置和伺服驱动装置，所述CNC控制装置通过伺服驱动装置与数控机床中的传动机械装置连接，所述CNC控制装置通过工业以太网总线和伺服驱动装置连接，本发明将伺服驱动装置的所有伺服参数打包成一个刚性等级，按照参数的大小分为多个刚性等级，调试的过程中通过选择伺服刚性等级实现伺服***的参数优化，非常的直观且操作简单，调试人员只需熟悉伺服***及CNC控制装置的操作即可实现调试，具有调试效率高、操作简单的优点。
Description
技术领域
本发明涉及数控机床中的伺服刚性调试，特别涉及一种基于工业以太网总线的伺服刚性调试装置及方法。
背景技术
伺服刚性即伺服***抵抗负载干扰带来位置偏差的能力，具体指伺服***中的五个参数：速度比例增益、速度积分时间常数、转矩指令滤波、速度检测低通滤波和位置比例增益。一般在机床调试时伺服***会给定一组默认参数，但这些参数一般是为了保证伺服***正常运行而比较保守的数据，伺服调试的目的是在现有的基础上，根据机床实际情况优化伺服***参数，使电机达到一个较合适的刚性，以达到最佳加工效果。
在保证机械精度在标准范围，各连接部分牢固，刀具夹持牢固，无振动影响之后，对伺服***各参数的调整能大大提高机床的加工性能，具有很强的实际应用价值。由于加工对象的不同，对机床的性能要求也不尽相同，即使是同一台机床，由于高速度和高精度都是相对而言，在不同的时段，参数的调整也会有所不同。因此，在调试伺服时应根据实际情况寻找参数的最佳平衡点。
目前技术中，通常采取下面两种调试方法：
第一种，手动调试。这种方法调试人员仅凭经验，先在位于机床后方位置电气柜中，直接调试优化伺服***上的控制参数，然后再返回机床正面位置，通过在CNC(ComputerNumericalControl，计算机数字控制)上运行验证，此方法调试时间很长，操作较繁琐，已不能满足目前数控行业的快速发展。
第二种，通过在计算机上开发软件对伺服***参数进行优化。此方法不足之处：在计算机上实现，还要通过计算机和伺服***联网，把计算机上的调试结果传输给伺服***，这样就还要考虑计算机和伺服***联网的问题。另外，这种方法对调试人员的职业要求高，要求调试人员非常熟悉伺服参数及PID调试等。
公开号为CN102402203U的中国发明专利申请公开了一种数控机床控制***及控制方法，该专利申请中公开的数控机床控制***在基于实时以太网的CNC***中，将主轴电机、进给电机和PLC等设备都接入到CNC***的实时以太网网络，实现CNC***通过实时以太网网络控制主轴电机、进给电机、PLC等执行设备。由于机床所工作的工业现场环境通常为高温、低温或者大灰尘等，而普通的以太网并不能直接应用于环境恶劣的工业现场，若将发明专利申请中所采用的实时以太网直接应用于环境恶劣的工业现场话，势必会降低机床的工作精度。另外如果没有根据实际情况对机床中的伺服***参数进行调试的话，也会降低机床的工作性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于工业以太网总线的伺服刚性调试装置，该伺服刚性调试***的调试效率高且操作简单。
本发明的另一目的在于提供一种基于工业以太网总线的伺服刚性调试装置的调试方法。由于该调试方法是在基于工业以太网总线上的实现的，因此该调试方法能够直接应用于环境恶劣的工业现场。
本发明的第一个目的通过以下技术方案实现：基于工业以太网总线的伺服刚性调试装置，包括CNC控制装置和伺服驱动装置，所述CNC控制装置通过伺服驱动装置与数控机床中的传动机械装置连接，所述CNC控制装置通过工业以太网总线和伺服驱动装置连接，所述CNC控制装置发出的命令通过工业以太网传输给伺服驱动装置，所述伺服驱动装置响应的命令通过工业以太网传送给CNC控制装置。
优选的，所述伺服驱动装置包括依次连接的位置控制器、速度控制器、电流控制器、功率放大模块、伺服电机以及反馈检测装置，CNC控制装置与位置控制器的输入端连接，所述传动机械装置通过伺服电机与所述伺服驱动装置连接；
所述伺服电机通过反馈检测装置分别与位置控制器的输入端及速度控制器的输入端连接，将传动机械装置的位置信息及伺服电机的运转速度信息反馈给位置控制器及速度控制器，所述功率放大器的输出端与电流控制器的输入端连接，将功率放大器输出的电流参数值反馈给电流控制器。
更进一步的，所述传动机械装置指的是机床轴，所述机床轴为数控机床的X、Y、Z、4TH或5TH进给轴，所述反馈检测装置为光电编码器。
优选的，所述伺服驱动装置包括依次连接的位置控制器、速度控制器、电流控制器、功率放大模块、伺服电机和第一反馈检测装置；
所述伺服电机通过第一反馈检测装置与速度控制器的输入端连接，将速度信息反馈给速度控制器，所述功率放大器的输出端与电流控制器的输入端连接，将功率放大器输出的电流参数值反馈给电流控制器；
所述传动机械装置还连接有第二反馈检测装置，所述传动机械装置分别通过伺服电机和第二反馈检测装置与所述伺服驱动装置和位置控制器的输入端连接，通过第二反馈检测装置，将速度信息反馈给速度控制器。
更进一步的，所述传动机械装置指的是机床轴，所述机床轴为数控机床的X、Y、Z、4TH或5TH进给轴，所述第一反馈检测装置为光电编码器，所述第二反馈检测装置为光栅尺，与机床轴连接。
本发明的第二个目的通过下述技术方案实现：基于工业以太网总线的伺服刚性调试方法，包括以下步骤：
（1）将伺服驱动装置的伺服参数信息下载到CNC控制装置中，并且将这些伺服参数打包在一起作为一个伺服刚性等级，按照参数的大小分为多个伺服刚性等级；
（2）通过CNC控制装置控制机床轴移动，观察该机床轴在移动过程中是否产生啸叫声；
若是，则表示当前调试的机床轴的伺服刚性等级已达要求，进入步骤（3）进行进一步的优化处理；
若否，则表示当前调试机床轴伺服刚性等级不够，对伺服刚性等级进行优化处理，即通过CNC控制装置增加伺服刚性等级，重复执行步骤（2）；
（3）判断当前调试机床轴的伺服参数是否已优化过，即伺服刚性等级是否改变过；
若是，判断是否需要重新优化该调试机床轴的伺服参数，若修改伺服刚性等级后，机床移动有萧叫声，则需要重新优化伺服参数，进入步骤（4）；否则进入步骤（8）；
若否，则执行步骤（5）；
（4）CNC控制装置将当前调试的机床轴伺服刚性等级数清为0，然后通过工业以太网总线传送给伺服驱动装置，并回到步骤（2）重新对该机床轴进行优化操作；
（5）再次移动当前调试的机床轴，进行伺服数据采集并分析伺服数据，分析出当前机床轴的伺服刚性等级，计算出伺服优化参数，判断是否结束计算伺服优化参数；
若是，进入步骤（6）；
若否，重复执行步骤（5）；
（6）CNC控制装置将该伺服刚性等级的伺服参数通过工业以太网总线传送给伺服驱动装置，并判断伺服驱动装置是否正确收到该伺服刚性等级的伺服参数；
若是，执行步骤（7），
若否，则重复执行步骤（6）；
（7）判断是否保存优化后伺服惨数；
若是，CNC控制装置将发送伺服参数保存指令通过工业以太网总线传送给伺服驱动装置；然后进入步骤（8）；
若否，进入步骤（8）；
（8）结束当前机床轴的优化操作，返回步骤（2），选择下一轴进行伺服等级优化操作。
优选的，所述步骤（1）中按照参数大小分为十个刚性等级，所述伺服参数的数值随着伺服刚性等级的增高而加大。
优选的，所述步骤（1）中每个刚性等级包含与伺服刚性功能相关的五个参数，所述五个参数为速度比例增益、速度积分时间常数、转矩指令滤波、速度检测低通滤波和位置比例增益。
优选的，所述步骤（2）和（5）中机床轴每次移动的距离为50mm，移动的速度为2000mm/min。
优选的，所述CNC控制装置中包含伺服刚性调试工具的人机界面，所述人机界面中包含刚性等级增加、刚性等级减少、机床正方向移动、机床负方向移动、等级归零、保存按钮、显示伺服装置等级和优化状态文本框按钮；所述步骤（3）中通过调整刚性等级的包括增加刚性等级和降低刚性等级的步骤；每按一次CNC控制装置中人机界面上的刚性等级增加按钮，刚性等级增加一级，每按一次CNC控制装置中人机界面上的刚性等级减少按钮，刚性等级降低一级，按下等级归零按钮后，刚性等级恢复到刚性等级为0的初始化状态。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
（1）本发明伺服刚性调试装置的CNC控制装置与伺服驱动装置之间通过工业以太网总线连接，通过工业以太网总线将伺服驱动装置中的伺服参数下载到CNC控制装置中，通过工业以太网总线技术，可实现调整参数过程自动化，把自动调整参数功能补充到CNC控制装置中，从而服务终端用户，使其能够随时随地通过CNC控制装置优化和调整伺服参数，降低对***维护人员的控制技术背景要求，提高了调试效率。工业以太网可以直接在环境恶劣的工业现场使用，因此本发明调试方法的稳定性也相对较高，受工业现场环境影响较小。
（2）本发明将伺服驱动装置的所有参数打包成一个刚性等级，按照参数的大小分为多个刚性等级，调试的过程中通过选择伺服刚性等级实现伺服***的参数优化，非常的直观且操作简单，调试人员只需熟悉伺服***及CNC控制装置的操作即可实现调试。本发明方法能够直接通过选择伺服刚性等级在短时间内实现高速高精度的伺服参数调整，提高机床响应速度，提升加工精度。
（3）本发明能直接在CNC控制装置上进行伺服调试，无需使用PC机，因此也无需考虑PC与伺服***的联网问题，性价比高，有利于降低成本。
（4）本发明CNC控制装置上有专门的人机界面，人机界面上包含有增加刚性等级、降低刚性等级和等级归零等按钮，调试人员可以通过人机界面直接实时的监控伺服***的运行状态，并且通过CNC控制装置的人机界面进行伺服刚性调试。
附图说明
图1是第一种实施方式中本发明装置结构图。
图2是本发明装置的伺服刚性调试方法的流程图。
图3是第二种实施方式中本发明装置结构图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，本实施例公开了一种基于工业以太网总线的伺服刚性调试装置，包括包含人机控制界面的CNC控制装置1和伺服驱动装置2，CNC控制装置1通过伺服驱动装置2与数控机床中的传动机械装置3连接，CNC控制装置通过工业以太网总线12和伺服驱动装置2连接，CNC控制装置1发出的命令通过工业以太网12传输给伺服驱动装置2，传动机械装置3指的是机床轴，其中机床轴指的是数控机床的X、Y、Z、4TH或5TH进给轴。
其中本实施例的伺服驱动装置2包括依次连接的位置控制器4、速度控制器5、电流控制器6、功率放大器7、伺服电机8以及反馈检测装置9，传动机械装置3通过伺服电机与8伺服驱动装置2连接；CNC控制装置1与位置控制器4的输入端连接，将CNC控制装置1发送的控制信号传送给位置控制器。
伺服电机8通过反馈检测装置9分别与位置控制器4的输入端及速度控制器5的输入端连接，将传动机械的位置信息及速度信息分别通过反馈检测装置9反馈给位置控制器4及速度控制器5，功率放大器7的输出端与电流控制器6的输入端连接，将功率放大器7输出的电流信号反馈给电流控制器6。其中本实施例中的反馈检测装置9为光电编码器。其中图1中的PG指的就是反馈检测装置。
本实施例的CNC控制装置1通过工业以太网总线连接有功能扩展盒，该功能扩展盒包含有多块功能卡，如总线IO卡、光栅采集卡等。
如图2所示，本实施例的一种基于工业以太网总线的伺服刚性调试方法，包括以下步骤：
（1）首先将数控机床中的CNC控制装置与伺服***中的伺服驱动装置通过工业以太网总线连接起来，将伺服***中伺服驱动装置的伺服参数信息下载到CNC控制装置中，并且将这些伺服参数打包在一起作为一级伺服刚性等级，按照参数大小分为如表1所示的十个刚性等级，伺服参数的数值随着伺服刚性等级的增高而加大；其中每个刚性等级包含与伺服刚性功能相关的五个参数，这五个参数为速度比例增益、速度积分时间常数、转矩指令滤波、速度检测低通滤波和位置比例增益。CNC控制装置中包含伺服刚性调试工具的人机界面，刚性等级增加、刚性等级减少、机床正向移动、机床反向移动、等级归零、保存按钮、显示伺服装置等级和优化状态文本框。每按一次CNC控制装置中人机界面上的“增加刚性等级”按钮，刚性等级增加一级，每按一次CNC控制装置中人机界面上的“降低刚性等级”按钮，刚性等级降低一级，按下“等级归零”按钮后，刚性等级恢复到初始化状态，即伺服刚性等级回到0等级。
表1
| 等级 | 伺服参数1 | 伺服参数2 | 伺服参数3 | 伺服参数4 | 伺服参数5 |
| 0 | 65 | 50 | 50 | 30 | 30 |
| 1 | 85 | 80 | 70 | 70 | 30 |
| 2 | 100 | 60 | 70 | 70 | 30 |
| 3 | 120 | 55 | 80 | 80 | 40 |
| 4 | 150 | 45 | 90 | 100 | 50 |
| 5 | 200 | 35 | 100 | 120 | 60 |
| 6 | 240 | 20 | 100 | 140 | 80 |
| 7 | 300 | 15 | 120 | 150 | 100 |
| 8 | 350 | 12 | 150 | 180 | 120 |
| 9 | 400 | 10 | 200 | 200 | 160 |
| 10 | 450 | 10 | 250 | 250 | 240 |
表1中的伺服参数1表示的是速度比例增益，伺服参数2表示的是速度积分时间常数，伺服参数3表示的是转矩指令滤波，伺服参数4表示的是速度检测低通滤波，伺服参数5表示的是位置比例增益。
（2）通过CNC控制装置控制机床轴移动，观察该机床轴在移动过程中是否产生啸叫声；其中机床轴每次移动的距离为50mm，移动的速度为2000mm/min，机床轴指的是机床的X、Y、Z、4TH或5TH等进给轴。
若是，则表示当前调试的机床轴的伺服刚性等级已达要求，进入步骤（3）进行进一步的优化处理；
若否，则表示当前调试机床轴伺服刚性等级不够，对伺服刚性等级进行优化处理，即通过CNC控制装置的人机界面上的“增加刚性等级”按钮增加伺服刚性等级，重复执行步骤（2）；
（3）判断当前调试机床轴的伺服参数是否已优化过，即伺服刚性等级是否改变过；其中被优化过的伺服参数带有优化标志，没有被优化过的伺服参数则不带优化标志的；
若是，判断是否需要重新优化该调试机床轴的伺服参数，若修改伺服刚性等级后，机床移动有萧叫声，则需要重新优化伺服参数，进入步骤（4）；否则进入步骤（8）；
若否，则执行步骤（5）；
（4）CNC控制装置将当前调试的机床轴伺服刚性等级数清为0，然后通过工业以太网总线传送给伺服驱动装置，并回到步骤（2）重新对该机床轴进行优化操作；
（5）再次移动当前调试的机床轴，进行机床轴移动位置伺服数据的采集，并分析伺服数据，分析出当前机床轴的伺服刚性等级，计算出伺服优化参数，判断是否结束计算伺服优化参数，读取CNC控制装置计算伺服参数优化标志，当优化标志为1时，表示正在进行计算伺服优化参数，当优化标志为2时，表计算结束。
若是，进入步骤（6）；
若否，重复执行步骤（5）；
（6）CNC控制装置将该伺服刚性等级的伺服参数通过工业以太网总线传送给伺服驱动装置，并判断伺服驱动装置是否正确收到该伺服刚性等级的伺服参数。
若是，执行步骤（7），
若否，则执行重复执行步骤（6）；
（7）判断是否保存优化后伺服惨数。
若是，CNC控制装置将发送伺服参数保存指令通过工业以太网总线传送给伺服驱动装置，然后进入步骤（8）；
若否，进入步骤（8）；
（8）结束当前机床轴的优化操作，返回步骤（2），选择下一轴进行伺服等级优化操作。
上述步骤（2）中在确保产生了明显的啸叫声才允许进行参数优化操作，否则会得出错误的优化结果，导致机床运行状态更差。
实施例2
如图3所示，本实施例与实施例1不同之处在于，本实施例伺服刚性调试装置的伺服驱动装置包含有两个反馈检测装置，分别为第一反馈检测装置10和第二反馈检测装置11，其中第一反馈检测装置将伺服电机与速度控制器的输入端连接，将速度信息反馈给速度控制器，第二反馈检测装置连接在传动机械装置上，传动机械装置通过第二反馈检测装置与位置控制器连接，通过第二反馈检测装置将传动机械的位置信息反馈为位置控制器。其中第一反馈检测装置为光电编码器，第二反馈检测装置为光栅尺。采用这种结构的伺服驱动装置的位置精度更高。其中图3中的第一PG指的就是第一反馈检测装置，第二PG指的就是第二反馈检测装置。
本实施例2的装置的伺服刚性调试方法与实施例1相同。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.基于伺服刚性调试装置实现的基于工业以太网总线的伺服刚性调试方法，其中伺服刚性调试装置包括CNC控制装置和伺服驱动装置，所述CNC控制装置通过伺服驱动装置与数控机床中的传动机械装置连接，所述CNC控制装置通过工业以太网总线和伺服驱动装置连接，所述CNC控制装置发出的命令通过工业以太网传输给伺服驱动装置，所述伺服驱动装置响应的命令通过工业以太网传送给CNC控制装置；
其特征在于，伺服刚性调试方法包括以下步骤：
(1)将伺服驱动装置的伺服参数信息下载到CNC控制装置中，并且将这些伺服参数打包在一起作为一个伺服刚性等级，按照参数的大小分为多个伺服刚性等级；
(2)通过CNC控制装置控制机床轴移动，观察该机床轴在移动过程中是否产生啸叫声；
若是，则表示当前调试的机床轴的伺服刚性等级已达要求，进入步骤(3)进行进一步的优化处理；
若否，则表示当前调试机床轴伺服刚性等级不够，对伺服刚性等级进行优化处理，即通过CNC控制装置增加伺服刚性等级，重复执行步骤(2)；
(3)判断当前调试机床轴的伺服参数是否已优化过，即伺服刚性等级是否改变过；
若是，判断是否需要重新优化该调试机床轴的伺服参数，若修改伺服刚性等级后，机床移动有啸叫声，则需要重新优化伺服参数，进入步骤(4)；否则进入步骤(8)；
若否，则执行步骤(5)；
(4)CNC控制装置将当前调试的机床轴伺服刚性等级数清为0，然后通过工业以太网总线传送给伺服驱动装置，并回到步骤(2)重新对该机床轴进行优化操作；
(5)再次移动当前调试的机床轴，进行伺服数据采集并分析伺服数据，分析出当前机床轴的伺服刚性等级，计算出伺服优化参数，判断是否结束计算伺服优化参数；
若是，进入步骤(6)；
若否，重复执行步骤(5)；
(6)CNC控制装置将该伺服刚性等级的伺服参数通过工业以太网总线传送给伺服驱动装置，并判断伺服驱动装置是否正确收到该伺服刚性等级的伺服参数；
若是，执行步骤(7)，
若否，则重复执行步骤(6)；
(7)判断是否保存优化后伺服参数；
若是，CNC控制装置将发送伺服参数保存指令通过工业以太网总线传送给伺服驱动装置；然后进入步骤(8)；
若否，进入步骤(8)；
(8)结束当前机床轴的优化操作，返回步骤(2)，选择下一轴进行伺服等级优化操作。
2.根据权利要求1所述的基于工业以太网总线的伺服刚性调试方法，其特征在于，所述步骤(1)中按照参数大小分为十个刚性等级，所述伺服参数的数值随着伺服刚性等级的增高而加大。
3.根据权利要求1所述的基于工业以太网总线的伺服刚性调试方法，其特征在于，所述步骤(1)中每个刚性等级包含与伺服刚性功能相关的五个参数，所述五个参数为速度比例增益、速度积分时间常数、转矩指令滤波、速度检测低通滤波和位置比例增益。
4.根据权利要求1所述的基于工业以太网总线的伺服刚性调试方法，其特征在于，所述步骤(2)和(5)中机床轴每次移动的距离为50mm，移动的速度为2000mm/min。
5.根据权利要求1所述的基于工业以太网总线的伺服刚性调试方法，其特征在于，所述CNC控制装置中包含伺服刚性调试工具的人机界面，所述人机界面中包含刚性等级增加、刚性等级减少、机床正方向移动、机床负方向移动、等级归零、保存按钮、显示伺服装置等级和优化状态文本框按钮；所述步骤(3)中通过调整刚性等级的包括增加刚性等级和降低刚性等级的步骤；每按一次CNC控制装置中人机界面上的刚性等级增加按钮，刚性等级增加一级，每按一次CNC控制装置中人机界面上的刚性等级减少按钮，刚性等级降低一级，按下等级归零按钮后，刚性等级恢复到刚性等级为0的初始化状态。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |