工具機智能化自動調機技術

摘要

工具機的好壞取決於切削性能，需要機械結構、電控系統和控制器三者的良好配合才能達成，新機台出廠前為了符合性能指標會經過調教，出廠後經過長時間運作，會造成機構劣化而需要重新調教，因此如何縮短必要的調機流程與時間，提升機器的動態響應，是達成高效率加工的關鍵。本文針對工具機的智能化調機技術與自動化軟體的實現，以及在模具切削、工時預估的效益，作一深入而完整的介紹。

The quality of the machine depends on the cutting performance. It requires the good cooperation of the mechanical structure, the electronic control system and the controller. The new machine will be tuned to meet the performance index before leaving the factory. The machine is aging and needs to be re-tuned. Therefore, how to shorten the necessary machine tuning time and improve the dynamic response of the machine is the key to achieving high-efficiency machining. This paper gives an in-depth and complete introduction to the intelligent tuning technology of the machine tool and the realization of the automation software, as well as the benefits of mold cutting and machining time estimation.

關鍵詞(Keywords)

工具機、伺服參數、最佳化

Machine tool, Servo parameter, Optimization

前言

工具機的伺服調整，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，以及速度迴路增益、前饋補償與過衝補償等參數，以上眾多且複雜的調整程序，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、表面光滑度、加工速度等設定)，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。循圓補償一般是伺服調整流程的最後一步，通常是以DBB(雙軸球桿儀)或其他圓軌跡量測儀器作輔具，可以得知伺服軸最末端的移動誤差，同時量測機器的幾何問題與伺服動態，問題可區分如下：循圓半徑愈大、量測速度愈慢，量測數據顯示的是機器幾何問題；循圓半徑愈小、量測速度愈快，可從量測數據判斷伺服動態問題。循圓常見的伺服誤差包含象限轉換的段差與尖角，段差是由背隙產生，段差外凸代表背隙是正值，但背隙補償過多可能造成段差往內凹，另一種尖角誤差：外凸代表背隙補償速度太慢，當軸反向時，補償的背隙值加入位置跟隨誤差，位置與速度迴路的控制參數都可能影響背隙補償速度，伺服反應愈快的軸向愈快走完背隙量，象限的尖角愈小。

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，還要能兼顧機械結構的動態特性，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。工研院智慧機械科技中心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、幾何精度收斂至目標值，大幅提升機台的動態性能與工件切削品質。

伺服剛性調整  

工具機的伺服控制迴路一般由內而外依序是電流迴路、速度迴路與位置迴路，電流迴路控制伺服馬達的真實轉矩，通常依馬達型號採用原廠預設的控制參數；速度迴路關係馬達的速度輸出響應與頻寬，而位置迴路由最上層的控制器主宰，決定整機的靜態定位精度與動態響應，此兩迴路調控的頻寬越高，頻率響應穩定性越好，代表機台的伺服剛性較佳，可直接反應在軸向的位置追隨誤差的改善上，或是提昇各軸同動時的輪廓精度。

首先介紹速度迴路的調整，調整參數是速度增益與共振濾波器，其中調高速度增益可以增加頻寬；共振濾波器可以抑制機構共振頻率的增益突起，調整目標是在不激發共振、維持速度迴路穩定的同時，儘量提升頻寬。傳統調整方法是先對實驗機台作一次掃頻量測，由波德圖判斷優劣後，手動修改相關參數並重新量測，如此反覆調整，直到波德圖符合要求才結束。而除了速度迴路的調整，還有濾波器的調整，每一個濾波器有三種參數，控制器最多可允許加入四個濾波器，因為參數眾多且每次修改都需花費重新掃頻的時間，相當耗時且缺乏一套標準的流程。

圖1 速度迴路自動調整流程圖

圖1是工研院智機中心所開發的速度迴路自動調整流程圖，從一開始啟動到最後決定速度迴路與濾波器的參數，只需要掃頻量測一次，其他過程都由軟體模擬計算取代，唯一的量測可以鑑別目前的系統模型，並依此推測調整速度迴路與濾波器參數的影響，因此可大幅節省人工調整的時間，並且可不分機台型式，建立標準化的作業流程。實際的速度迴路自動調整案例如圖2，範圍是20~1000Hz每1Hz逐一掃頻，圖片中間顯示調整完成的開迴路與閉迴路響應結果，左側是優化的速度增益與共振濾波器參數，系統穩定度的檢查規則如最右方，當相位落後135度時增益邊限(Gain margin)至少要3dB；當相位落後達180度時增益邊限至少要10dB。因此檢視波德圖中的虛線，所對應的相位(落後135度)和增益邊限(>3dB)，調整結果為合理。