工具機伺服系統自動調機技術發展

摘要：工具機是機械結構、伺服系統和控制器三者的結合，通常機台在出廠前為了符合性能指標會經過調教，出廠後機械經過長時間運作，會造成性能的劣化而需要重新調教，其中伺服參數的調整，是過程最為繁複卻也影響重大，因此商用控制器的廠商多數都有開發自動調機的功能。本文介紹目前工具機控制器關於伺服參數的自動調試技術與發展方向，另外工研院智慧機械中心藉由模擬控制器的軌跡，可預測參數對運動軌跡的影響，分析參數調整是否符合需求，並發展出可根據使用者加工需求，自動調整參數的技術，期望目標是簡化並建立參數調整的標準流程。

Abstract: A machine tool is a combination of mechanical structure, servo systems and controllers. It is turned before delivering to the customer to make sure it meets all requirements. After a certain period of operation, the performance degrades and the machine tool requires re-tuning. During the process, parameter adjustment is the most complicated procedure and is crucial to the controller. Thus, most commercial controllers equip automatic tuning feature. This paper introduces the current development and trend of the auto tuning technology for the servo parameters of the controller. ITRI’s Intelligent Machinery Technology Center has developed a technology to predict the impact of the parameters of the tool trajectory by simulating the trajectory from the controller. The parameter adjustment is analyzed to see whether it meets the requirement. The technology that automatically adjusts parameters according to the user's machining needs was developed. The goal is to simplify and establish a standard process for parameter adjustment.

關鍵詞：伺服系統、參數自動調整、最佳化

Keywords：Servo System, Parameter Auto-Tuning, Optimization

前言
工具機的控制系統，簡單來說，是由運動控制器、伺服系統與馬達和機械結構等部分而組成，其中，運動控制器負責將切削程式經過解譯，轉換為位置命令，經過伺服系統的驅動器控制馬達與機構動作，直到完成切削程式，最上層的運動路徑、加減速曲線與時間由控制器規劃，其中的插值器產生位置脈波命令，送給伺服端的驅動器，轉換成扭矩命令以驅動馬達，一般伺服系統採用環狀多迴路架構，從最內圈的電流迴路到外圍的速度、位置迴路，並包含前饋補償以及陷波濾波器等附加功能，以增進穩態與暫態的控制性能。一般控制器的調整，包含運動軌跡命令的加速度大小、加減速時間、加加速度限制，以及伺服系統的迴路增益、前饋補償與過衝補償等參數，以上眾多且複雜的調整，主要是為了對應機台操作者多樣化的加工需求（如工件精度、表面粗糙度、加工速度等設定)，機台運作同時還必須考量如機械結構剛性、共振頻率、模態振型、阻尼比與馬達特性等動態響應，以及進給系統所引起的摩擦力與背隙等非線性影響。

調機技術是一門必備且重要的專業知識，除了要對控制參數的類別、作用有深入的了解，還要同時能兼顧整機的動態性能，目前世界上的工具機和控制器大廠，皆有發展自己的自動調機技術，期望目標就是要能整合運動控制、伺服調整與加工參數等影響，並將三者最佳化，以科學化的流程建立參數調整的標準步驟，取代原本依靠人為經驗或試誤的方法作調變。而工研院智慧機械科技中心，針對調機流程中影響最大的運動控制器、伺服系統與機械結構，進行模擬與模型建立。其中運動控制模擬器可以模擬FANUC控制器的生成軌跡，事先預測參數調變對運動軌跡的影響，並進一步分析參數調整是否符合需求。並提出一可彈性依操作者切削設定，建構調整參數類別與特性的方法，以此方法搭配軟體的自動調整程序，可以快速將軸向動態誤差、幾何精度等目標值收斂至最佳，大幅提升機台的動態性能與工件切削品質。

工具機自動調機技術與發展
如何提高伺服驅動系統的動態特性，是維修及調試人員必須要做的一項重要工作。伺服系統優化的目的就是讓機電系統的匹配達到最佳化，以獲得優異的穩定性和動態性能。在數控工具機中，機電系統的不匹配通常會引起機台振動、加工零件表面過切、表面紋路不均等問題。尤其在模具加工中，對伺服驅動的優化更是要求。
因為伺服參數的調校，關係工具機整機的切削動態性能與穩定性，自動調機技術更是機器智能化技術的重點項目之一，因此許多工具機和控制器大廠皆針對此發展特有技術，介紹如下：

1. Fanuc
日本Fanuc公司的Servo Guide，是在PC上使用之伺服、主軸調整軟體，軟體介面如圖1。功能包含迴避共振的濾波器設定、速度迴路增益設定等，同時具有參數自動調整機能，可以作到簡單的調整工作[1]。自動調整機能包含：

1.快速進給參數的自動調整機能：經由簡單的操作、可設定馬達扭力與最有效的快速進給參數，可縮短加工循環的時間。
2.為壓制圓弧切削時發生象限突起現象，具有參數自動調整機能：經由數次圓弧動作，自動計算出補償參數，可提高精度及大幅度減少調機時間。
3.自動調整速度環增益和濾波器的功能：支援控制器高速、高精度的功能設置，透過測量移動軸速度迴路的頻率響應，能自動確定速度環增益與諧振消除濾波器的參數，也可以微調所指定的參數值和檢查微調的效果。
4.可生成方圓、圓角等測試程式：在高速、高精度功能開啟下，調整參數並檢查有無過衝現象，可微調相關參數。並提供數組推薦參數，包含速度優先等級和精度優先等級，若需使用中間值參數，可以透過調整滑塊加以選擇。
利用Servo Guide軟體所提供的各種測量、自動調整機能、可配合機台狀況、讓其產品之性能在「短時間」內達到「最佳」之效果[2]。另外在2016日本JIMTOF展，FANUC展出的CNC設定工具（CNC startup tool)，此為一自動化之調機軟體，宣稱僅需三步驟，可幫助使用者以自動化的方式進行初步調機工作，第一步於PC上操作軟體並定義機台軸的數量及各軸方向；第二步連線到機台，即會自動掃頻並進行調整控制迴路各軸增益值以及濾波器的設定，主要判定調機狀態，是以循圓的表現為基準；第三步針對工件加工需求條件進行調整，主要有三種情境可供選擇：粗切（roughing)、中切（semi finish)及精修（finishing)，如此即完成初步的調整工作，此調機軟體可幫助調機者快速找出調機之起始點（minimum parameters required)，以減少試誤的等待時間。