三年前我第一次獨(dú)立接手一臺(tái)三軸自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)客戶只給了一個(gè)要求把膠點(diǎn)準(zhǔn)誤差別超過(guò)0.05毫米。當(dāng)時(shí)我以為這事就是接幾根線、配幾個(gè)參數(shù)結(jié)果第一天就把絲杠撞出了異響第二天伺服開(kāi)始嘯叫第三天定位精度飄到0.3毫米。那半個(gè)月里我翻了大量手冊(cè)、示波器測(cè)了無(wú)數(shù)次波形才算把運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)這套東西摸出點(diǎn)門道。這篇文章就是那段時(shí)間以及后續(xù)做貼片機(jī)、激光切割、數(shù)控鉆銑項(xiàng)目積攢下來(lái)的學(xué)習(xí)筆記偏向?qū)嵅俨皇墙滩膹?fù)述。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)這個(gè)詞聽(tīng)起來(lái)很工程化其實(shí)拆開(kāi)看就四件事讓電機(jī)知道該走多遠(yuǎn)、走多快、什么時(shí)候到、沒(méi)到怎么糾。把這四件事串起來(lái)就是指令、控制、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行、反饋五個(gè)環(huán)節(jié)。適合正在入門自動(dòng)化設(shè)備調(diào)試的朋友也適合做了幾年電控但一直靠改參數(shù)碰運(yùn)氣的同行我會(huì)盡量把每個(gè)參數(shù)背后的計(jì)算過(guò)程寫(xiě)清楚讓你改的時(shí)候知道自己在改什么。1. 先把運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)拆成看得懂的幾塊1.1 從讓電機(jī)聽(tīng)我的話到閉環(huán)思維很多人第一次接觸運(yùn)動(dòng)控制腦子里想的是我發(fā)一個(gè)脈沖電機(jī)走一步。這個(gè)認(rèn)知在步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)時(shí)代是對(duì)的放到伺服系統(tǒng)里就完全不夠用?，F(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的底層邏輯其實(shí)是我給一個(gè)目標(biāo)值系統(tǒng)自己想辦法走到位并持續(xù)報(bào)告走到了哪。區(qū)別在哪前者是命令后者是協(xié)商。舉個(gè)生活里的例子。開(kāi)環(huán)控制就像你讓朋友去樓下買瓶水說(shuō)完就不管了他有沒(méi)有買回來(lái)你不知道。半閉環(huán)是你讓朋友去買水他在路上一直跟你匯報(bào)我下樓了我進(jìn)店了我付錢了但最后有沒(méi)有拿回那瓶水你依然不知道——這里的匯報(bào)就是電機(jī)尾部編碼器的反饋它只告訴你電機(jī)轉(zhuǎn)了不告訴你絲杠真的動(dòng)了。全閉環(huán)則是在水杯上裝了個(gè)傳感器水真的進(jìn)了杯子才算數(shù)也就是在機(jī)械末端加光柵尺或磁柵尺。為什么這個(gè)區(qū)分重要因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)百分之七八十的精度不夠問(wèn)題根源都在這里。你用的是半閉環(huán)系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)得一絲不差但絲杠有反向間隙、聯(lián)軸器有扭轉(zhuǎn)變形、皮帶會(huì)伸長(zhǎng)末端實(shí)際位移跟電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度對(duì)不上。這時(shí)候你在驅(qū)動(dòng)器上拼命調(diào)增益只是在優(yōu)化一個(gè)本來(lái)就測(cè)不準(zhǔn)的信號(hào)屬于南轅北轍。我的經(jīng)驗(yàn)是定位精度要求優(yōu)于0.02毫米、或者存在明顯反向運(yùn)動(dòng)往復(fù)加工的場(chǎng)合優(yōu)先考慮全閉環(huán)或者機(jī)械上加消隙結(jié)構(gòu)別指望控制器算法能補(bǔ)回來(lái)。1.2 三環(huán)嵌套電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)誰(shuí)管誰(shuí)伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部是三層嵌套的閉環(huán)從內(nèi)到外依次是電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。理解這三層的分工和響應(yīng)速度差異是調(diào)參不亂套的前提。電流環(huán)最內(nèi)層響應(yīng)最快一般采樣頻率在8kHz到16kHz甚至更高它管的是電機(jī)繞組里流過(guò)多大的電流本質(zhì)上管的是力矩。你給一個(gè)力矩指令電流環(huán)在幾十微秒內(nèi)把它變成實(shí)際的電流輸出。速度環(huán)在中間采樣頻率通常1kHz到4kHz它把速度指令和編碼器算出來(lái)的實(shí)際轉(zhuǎn)速做比較輸出一個(gè)力矩指令交給電流環(huán)。位置環(huán)最外層采樣頻率最低通常幾百Hz到1kHz它把位置指令和實(shí)際位置比較輸出速度指令交給速度環(huán)。嵌套的意義在于各管一段不越權(quán)。位置環(huán)不直接去改電流它只告訴速度環(huán)你該跑多快速度環(huán)再告訴電流環(huán)你該使多大勁。為什么要這樣分層因?yàn)椴煌锢砹康捻憫?yīng)速度差著數(shù)量級(jí)如果把位置和電流放在同一個(gè)環(huán)里調(diào)會(huì)出現(xiàn)為了讓位置跟上而給了一個(gè)巨大的力矩結(jié)果電機(jī)猛沖過(guò)頭的情況。分層之后內(nèi)層快速收斂外層慢慢修正整個(gè)系統(tǒng)就穩(wěn)了。有一組經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)我一直記著位置環(huán)帶寬通常在幾十赫茲速度環(huán)帶寬在幾百赫茲電流環(huán)帶寬在1kHz以上三者的帶寬比大致保持在1:5:5甚至1:10:10比較穩(wěn)妥。如果位置環(huán)帶寬逼近速度環(huán)帶寬系統(tǒng)必然振蕩。這也是為什么調(diào)參必須從內(nèi)到外先把電流環(huán)整定好再整速度環(huán)最后動(dòng)位置環(huán)順序反了就是白費(fèi)功夫。1.3 開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán)的成本與收益對(duì)照選哪種結(jié)構(gòu)不是技術(shù)先進(jìn)性的問(wèn)題是性價(jià)比問(wèn)題。我整理過(guò)一張對(duì)照表每次做方案評(píng)估都會(huì)拿出來(lái)過(guò)一遍。結(jié)構(gòu)類型反饋位置典型精度成本區(qū)間適合場(chǎng)景開(kāi)環(huán)無(wú)反饋依賴電機(jī)本身±0.05mm以上最低步進(jìn)電機(jī)送料、簡(jiǎn)易傳送、成本敏感的輕載場(chǎng)合半閉環(huán)電機(jī)軸端編碼器±0.01mm機(jī)械良好時(shí)中通用伺服點(diǎn)膠、鎖螺絲、普通搬運(yùn)全閉環(huán)機(jī)械末端光柵尺±0.002mm甚至更高高精密磨削、半導(dǎo)體設(shè)備、高精度檢測(cè)平臺(tái)這張表里最容易被忽略的是典型精度那一列的前提條件。半閉環(huán)標(biāo)±0.01毫米是建立在絲杠C5級(jí)、聯(lián)軸器剛性連接、反向間隙小于0.005毫米的基礎(chǔ)上的。你要是用了一根C7級(jí)軋制絲杠配彈性聯(lián)軸器實(shí)際能到±0.05毫米就不錯(cuò)了。我見(jiàn)過(guò)不少項(xiàng)目預(yù)算卡得死選了半閉環(huán)又不肯在機(jī)械件上花錢最后精度不達(dá)標(biāo)回頭改機(jī)械的成本比一開(kāi)始選全閉環(huán)還高。所以我的建議是精度指標(biāo)先倒推機(jī)械等級(jí)再?zèng)Q定閉環(huán)形式別反過(guò)來(lái)。2. 一條指令走完全程五個(gè)環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)拆解2.1 指令層軌跡規(guī)劃不是簡(jiǎn)單地給個(gè)終點(diǎn)上位機(jī)發(fā)出的通常不是走到X100這么簡(jiǎn)單中間要經(jīng)過(guò)軌跡規(guī)劃。軌跡規(guī)劃要解決三個(gè)問(wèn)題路徑形狀、速度曲線、以及多軸之間的協(xié)調(diào)。路徑形狀決定走直線還是圓弧還是樣條速度曲線決定加速多快、勻速多久、減速多緩多軸協(xié)調(diào)決定X軸和Y軸怎么配合才能走出一條真正的直線而不是折線。拿兩軸走直線舉例。假設(shè)從(0,0)走到(100,50)如果只是分別給X軸發(fā)100、Y軸發(fā)50然后同時(shí)啟動(dòng)兩軸各自的加減速特性不同走出來(lái)的軌跡會(huì)是個(gè)彎曲的弧。要走出直線必須做插補(bǔ)讓兩軸在每個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)按比例同步推進(jìn)。常見(jiàn)做法是粗插補(bǔ)加精插補(bǔ)粗插補(bǔ)在幾十毫秒級(jí)別算出若干中間點(diǎn)精插補(bǔ)在1毫秒甚至更短的周期里把這些點(diǎn)細(xì)化成每個(gè)軸的位置增量。這里有個(gè)實(shí)操心得插補(bǔ)周期越短軌跡越平滑但對(duì)控制器算力和總線帶寬的要求越高。我做過(guò)一個(gè)圓弧插補(bǔ)的項(xiàng)目插補(bǔ)周期從4毫秒降到1毫秒之后圓弧的輪廓誤差從0.08毫米降到了0.02毫米但控制器的CPU占用率從30%漲到了70%。所以別盲目追求短周期先看機(jī)械本身的響應(yīng)能力跟不跟得上機(jī)械跟不上的話插補(bǔ)再細(xì)也是白搭。2.2 控制層控制器選型要看的三個(gè)硬指標(biāo)控制器的選擇上常見(jiàn)的有三類PLC加運(yùn)動(dòng)控制模塊、獨(dú)立運(yùn)動(dòng)控制卡、以及軟PLC加實(shí)時(shí)系統(tǒng)。它們沒(méi)有絕對(duì)優(yōu)劣看的是軸數(shù)、同步要求和開(kāi)發(fā)效率。選型時(shí)我會(huì)重點(diǎn)看三個(gè)指標(biāo)。第一是最大軸數(shù)和同步軸數(shù)很多PLC標(biāo)稱支持16軸但真正能做插補(bǔ)同步的可能只有4軸剩下的只能做單軸定位這個(gè)差別在選型手冊(cè)里往往寫(xiě)在很小的字里。第二是最小插補(bǔ)周期和總線類型EtherCAT這類實(shí)時(shí)總線能做到1毫秒甚至更短的周期普通以太網(wǎng)做不到。第三是凸輪同步和電子齒輪功能做飛剪、追剪、旋切這類需要主軸從動(dòng)同步的場(chǎng)合沒(méi)有這兩個(gè)功能就得用別的方式硬湊非常痛苦。我踩過(guò)的坑是早期用某款PLC做四軸聯(lián)動(dòng)手冊(cè)寫(xiě)著支持直線插補(bǔ)結(jié)果發(fā)現(xiàn)四軸插補(bǔ)時(shí)最高速度被限制在單軸的三分之一因?yàn)樗牟逖a(bǔ)運(yùn)算是在主循環(huán)里做的軸數(shù)一多就算不過(guò)來(lái)。后來(lái)?yè)Q成帶專用運(yùn)動(dòng)協(xié)處理器的控制卡問(wèn)題才解決。所以選型時(shí)一定要問(wèn)清楚滿軸聯(lián)動(dòng)時(shí)的性能衰減是多少別只看單軸指標(biāo)。2.3 驅(qū)動(dòng)層PWM、死區(qū)與母線電壓的關(guān)系驅(qū)動(dòng)器做的事情本質(zhì)上是把直流母線電壓通過(guò)PWM斬波變成電機(jī)三相需要的等效電壓和頻率。這里有幾個(gè)參數(shù)值得理解。PWM載波頻率通常在8kHz到20kHz之間頻率高則電流紋波小、噪聲小但開(kāi)關(guān)損耗大、發(fā)熱多。我一般在16kHz附近取一個(gè)平衡點(diǎn)既能避開(kāi)人耳敏感頻段8kHz附近容易聽(tīng)到刺耳嘯叫又不至于讓驅(qū)動(dòng)器燙得摸不了。死區(qū)時(shí)間是個(gè)容易被忽視的參數(shù)。上下橋臂不能同時(shí)導(dǎo)通否則母線直接短路所以要在切換時(shí)插入一段死區(qū)。死區(qū)太長(zhǎng)會(huì)畸變輸出電壓尤其在低速小電流時(shí)明顯表現(xiàn)為低速運(yùn)行不平穩(wěn)。死區(qū)太短則可能直通炸管。這個(gè)參數(shù)一般由驅(qū)動(dòng)器硬件決定不建議用戶隨意改但了解它的存在有助于你理解為什么低速時(shí)伺服會(huì)有輕微爬行。母線電壓的選擇也講究。同樣的電機(jī)母線電壓越高能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速越高因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)限制了轉(zhuǎn)速上限。但電壓高了對(duì)絕緣和器件耐壓的要求也高。工程上常見(jiàn)的是220V交流供電對(duì)應(yīng)310V左右的直流母線380V交流對(duì)應(yīng)540V左右。如果你發(fā)現(xiàn)電機(jī)怎么都上不去額定轉(zhuǎn)速先算一下母線電壓夠不夠別急著懷疑參數(shù)設(shè)錯(cuò)。2.4 執(zhí)行與傳動(dòng)層絲杠、同步帶、減速機(jī)的取舍傳動(dòng)機(jī)構(gòu)決定了整個(gè)系統(tǒng)的剛性和精度上限也是最容易被省錢的地方。絲杠傳動(dòng)精度高、剛性好但行程受限、成本高、長(zhǎng)行程容易下垂同步帶傳動(dòng)適合長(zhǎng)行程、速度快但有彈性、定位精度差反向會(huì)有遲滯齒輪齒條剛性好、行程可以很長(zhǎng)但齒隙處理麻煩噪音大。選絲杠的時(shí)候?qū)С淌莻€(gè)關(guān)鍵參數(shù)它直接決定分辨率和速度的權(quán)衡。導(dǎo)程小則分辨率高但速度上不去導(dǎo)程大則速度快但分辨率低。我一般這樣算假設(shè)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)每分鐘減速比1想要最高速度600毫米每秒那導(dǎo)程至少得是600除以3000/60等于12毫米。如果同時(shí)要求分辨率0.001毫米用17位編碼器131072脈沖每轉(zhuǎn)那每毫米對(duì)應(yīng)131072除以12約等于10922個(gè)脈沖足夠用。但如果導(dǎo)程只有5毫米最高速度就只有250毫米每秒達(dá)不到要求。這個(gè)賬一定要在選型階段算清楚。減速機(jī)的選擇上行星減速機(jī)是主流重點(diǎn)看背隙和額定扭矩。背隙標(biāo)稱值一般分一級(jí)3弧分以內(nèi)、二級(jí)5弧分、三級(jí)10弧分以上弧分換算成角度是1度等于60弧分3弧分大概是0.05度。這個(gè)背隙會(huì)直接反映成末端的位置誤差所以精密場(chǎng)合別用普通減速機(jī)。2.5 反饋層編碼器分辨率不等于精度編碼器是運(yùn)動(dòng)控制的眼睛但分辨率高不等于精度高這兩件事經(jīng)常被混為一談。分辨率是能分辨的最小變化量精度是測(cè)量值與真值的偏差。一個(gè)23位絕對(duì)值編碼器分辨率高達(dá)8388608脈沖每轉(zhuǎn)但如果安裝偏心、讀數(shù)頭污染實(shí)際精度可能還不如一個(gè)安裝良好的17位編碼器。選編碼器時(shí)我看四個(gè)點(diǎn)分辨率、精度通常用角秒表示、重復(fù)性、以及輸出形式增量式還是絕對(duì)值式。絕對(duì)值編碼器斷電后位置不丟開(kāi)機(jī)不用回零適合需要快速啟動(dòng)或者斷電位置有意義的場(chǎng)合比如機(jī)械臂關(guān)節(jié)。增量式便宜、響應(yīng)快適合連續(xù)旋轉(zhuǎn)測(cè)速的場(chǎng)合。光柵尺作為全閉環(huán)反饋時(shí)安裝位置很關(guān)鍵。它測(cè)的是工作臺(tái)的實(shí)際位移所以應(yīng)該盡量靠近加工點(diǎn)裝在遠(yuǎn)離熱源和切屑飛濺的位置。我見(jiàn)過(guò)把光柵尺裝在絲杠螺母座旁邊的做法結(jié)果絲杠發(fā)熱膨脹光柵尺跟著一起伸測(cè)出來(lái)的位置反而是錯(cuò)的。正確做法是尺身固定在不動(dòng)的基座上讀數(shù)頭跟運(yùn)動(dòng)部件連接讓尺身代表參考坐標(biāo)系。3. 參數(shù)怎么算、怎么調(diào)一次講透3.1 電子齒輪比算錯(cuò)一次全盤皆輸電子齒輪比是把上位機(jī)的指令脈沖換算成電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)量的橋梁算錯(cuò)了所有位置都會(huì)等比例偏。公式本身不復(fù)雜我用一個(gè)實(shí)際例子推一遍。設(shè)絲杠導(dǎo)程P為10毫米每轉(zhuǎn)減速比i為1直連編碼器分辨率R為131072脈沖每轉(zhuǎn)17位。我們希望上位機(jī)發(fā)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)工作臺(tái)移動(dòng)1微米0.001毫米。第一步算電機(jī)轉(zhuǎn)一圈工作臺(tái)走多少10毫米除以1等于10毫米也就是10000微米。 第二步算電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要多少個(gè)指令脈沖應(yīng)該是10000個(gè)因?yàn)?脈沖對(duì)應(yīng)1微米。 第三步算編碼器反饋脈沖與指令脈沖的比值編碼器一圈是131072個(gè)反饋脈沖指令一圈需要10000個(gè)所以電子齒輪比等于10000比131072約分后是125比1638。反過(guò)來(lái)說(shuō)如果要發(fā)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)0.01毫米那指令一圈需要1000個(gè)脈沖齒輪比就是1000比131072。這里有個(gè)坑必須提醒很多驅(qū)動(dòng)器把電子齒輪比的分子分母范圍限制得很死比如分子分母都不能超過(guò)某個(gè)值你算出來(lái)一個(gè)不能約分的巨大分?jǐn)?shù)就會(huì)報(bào)錯(cuò)。解決辦法是把單位放大比如用0.01毫米作為一個(gè)指令單位脈沖數(shù)直接縮小十倍。另外改了電子齒輪比之后必須重新核算最高速度因?yàn)辇X輪比變大意味著同樣的指令頻率下電機(jī)轉(zhuǎn)得更快可能會(huì)超過(guò)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。我吃過(guò)這個(gè)虧改完齒輪比沒(méi)算速度跑程序時(shí)電機(jī)直接飛車報(bào)過(guò)速。3.2 三環(huán)整定的順序與經(jīng)驗(yàn)數(shù)值整定的鐵律是從內(nèi)到外先電流環(huán)再速度環(huán)最后位置環(huán)而且每一步調(diào)好再進(jìn)下一步。電流環(huán)通常由驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)整定它會(huì)注入一個(gè)測(cè)試信號(hào)測(cè)量電機(jī)的電氣參數(shù)算出合適的增益。除非你換的不是原廠電機(jī)一般不用手動(dòng)動(dòng)它。如果確實(shí)要手動(dòng)調(diào)原則是把電流環(huán)帶寬調(diào)到盡可能高但不振蕩的程度觀察相電流波形波形正弦度高、無(wú)明顯尖峰就說(shuō)明調(diào)好了。速度環(huán)的核心參數(shù)是比例增益和積分時(shí)間。比例增益決定響應(yīng)快慢積分時(shí)間決定消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度。調(diào)的時(shí)候先把積分作用關(guān)掉積分時(shí)間設(shè)到最大慢慢加大比例增益直到電機(jī)出現(xiàn)輕微嗡鳴或者用手轉(zhuǎn)動(dòng)軸能感到明顯阻力但不振蕩這是臨界點(diǎn)然后退回到臨界值的60%到70%。再把積分時(shí)間逐步調(diào)小直到低速運(yùn)行時(shí)速度波動(dòng)消失。經(jīng)驗(yàn)值上中小慣量負(fù)載的速度環(huán)比例增益通常能設(shè)到比較高的值大慣量或者柔性連接比如同步帶的則要保守很多可能要降到一半以下。位置環(huán)一般只有比例增益因?yàn)槲恢铆h(huán)加積分容易引起超調(diào)和振蕩。同樣是從小往大調(diào)邊調(diào)邊做定位測(cè)試看階躍響應(yīng)曲線上升時(shí)間快、超調(diào)小于5%就合適。我通常把位置環(huán)增益設(shè)到速度環(huán)增益的十分之一到五分之一之間配合速度前饋使用效果更好。注意任何一步整定過(guò)程中如果電機(jī)發(fā)出尖銳嘯叫、軸劇烈抖動(dòng)或者驅(qū)動(dòng)器報(bào)過(guò)載立刻停機(jī)降增益不要抱著再調(diào)一點(diǎn)點(diǎn)說(shuō)不定就好了的想法繼續(xù)下去很可能燒驅(qū)動(dòng)模塊。3.3 慣量比匹配與前饋補(bǔ)償慣量比是負(fù)載慣量除以電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量這個(gè)比值決定了控制的難度。比值越大負(fù)載對(duì)力矩變化的響應(yīng)越遲鈍越容易振蕩整定越困難。通用伺服一般建議慣量比控制在5以內(nèi)高性能場(chǎng)合3以內(nèi)超過(guò)10就需要加裝減速機(jī)或者換更大慣量的電機(jī)。怎么測(cè)慣量比大多數(shù)現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)器都有自動(dòng)辨識(shí)功能運(yùn)行一次辨識(shí)程序就能讀出當(dāng)前慣量比。如果沒(méi)有也可以用經(jīng)驗(yàn)法手動(dòng)把軸轉(zhuǎn)起來(lái)感受一下或者用驅(qū)動(dòng)器自帶的頻率響應(yīng)分析工具。我通常會(huì)要求機(jī)械設(shè)計(jì)提供的三維模型里給出負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自己再核算一遍因?yàn)楹芏嘣O(shè)計(jì)者會(huì)漏掉聯(lián)軸器和絲杠本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算。前饋補(bǔ)償是提升動(dòng)態(tài)精度的重要手段分速度前饋和加速度前饋。速度前饋的作用是在速度指令變化時(shí)提前給出對(duì)應(yīng)的力矩補(bǔ)償減少跟隨誤差加速度前饋則針對(duì)啟動(dòng)和停止階段的加速度需求。調(diào)整的原則是從小到大逐步加觀察跟隨誤差是否縮小。我一般先加速度前饋到60%左右再加速度前饋到80%左右超過(guò)這個(gè)比例容易引起過(guò)沖。前饋用好了同樣的增益下跟隨誤差能縮小一半以上這是提升效率最快的辦法。3.4 加減速曲線梯形、S型的實(shí)際差別梯形速度曲線就是加速、勻速、減速三段加速度恒定。它的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單、效率高缺點(diǎn)是加速度突變會(huì)對(duì)機(jī)械產(chǎn)生沖擊也就是所謂jerk無(wú)窮大。這會(huì)導(dǎo)致機(jī)械振動(dòng)、噪音大長(zhǎng)期運(yùn)行還會(huì)讓絲杠、聯(lián)軸器松動(dòng)。S型曲線在加減速的兩端加了加加速度jerk限制讓加速度平滑過(guò)渡。好處是沖擊小、噪聲低、機(jī)械壽命長(zhǎng)代價(jià)是同樣的行程下運(yùn)行時(shí)間略長(zhǎng)因?yàn)榧訙p速階段被拉長(zhǎng)了。我做過(guò)一個(gè)對(duì)比測(cè)試行程200毫米、最高速度500毫米每秒的往復(fù)運(yùn)動(dòng)梯形曲線單程0.52秒S型曲線0.58秒慢了約12%但S型曲線的振動(dòng)加速度峰值只有梯形的三分之一。所以怎么選傳送、搬運(yùn)這類對(duì)時(shí)間敏感、機(jī)械又比較結(jié)實(shí)的場(chǎng)合用梯形精密加工、高速往復(fù)、有視覺(jué)檢測(cè)的場(chǎng)合用S型。有個(gè)折中方案是梯形加圓弧過(guò)渡只在加減速切換點(diǎn)做平滑兼顧效率和柔和度我很多項(xiàng)目都用這個(gè)。4. 動(dòng)手搭一套三軸系統(tǒng)從選型到聯(lián)調(diào)4.1 硬件選型清單與預(yù)算分配這里以一套用于小型零件搬運(yùn)加定位的三軸直角坐標(biāo)機(jī)器人為例行程X軸400毫米、Y軸300毫米、Z軸100毫米負(fù)載2公斤要求重復(fù)定位精度±0.02毫米節(jié)拍要求單次搬運(yùn)2秒以內(nèi)。清單如下三套400瓦交流伺服電機(jī)配驅(qū)動(dòng)器X、Y軸一套200瓦Z軸三根C5級(jí)滾珠絲杠導(dǎo)程10毫米三個(gè)行星減速機(jī)減速比5Z軸帶抱閘一塊四軸EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制卡一套開(kāi)關(guān)電源和斷路器一個(gè)24伏直流電源給傳感器和IO供電三組限位開(kāi)關(guān)和一組原點(diǎn)開(kāi)關(guān)以及結(jié)構(gòu)件、拖鏈、線纜若干。預(yù)算大致分配是機(jī)械件占四成伺服系統(tǒng)占三成半控制器和電氣占兩成線纜雜項(xiàng)占半成。為什么X、Y軸選400瓦而不是200瓦這里要算。負(fù)載2公斤加上滑臺(tái)自身質(zhì)量約3公斤總質(zhì)量5公斤要在這個(gè)質(zhì)量下達(dá)到0.5g的加速度約4.9米每平方秒需要的推力是5乘以4.9等于24.5牛頓。絲杠導(dǎo)程10毫米減速比5那么電機(jī)需要輸出的力矩是24.5乘以0.01除以2π乘以5約等于0.0078牛米看起來(lái)很小。但別忘了還要克服摩擦、加速絲杠自身慣量、以及預(yù)留足夠余量。實(shí)際算上安全系數(shù)3和效率0.9大概需要0.026牛米200瓦伺服額定扭矩通常在0.6牛米以上理論上夠用。我最后選400瓦主要考慮的是慣量匹配——負(fù)載折算到電機(jī)軸的慣量加上絲杠慣量跟電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的比值要控制在5以內(nèi)200瓦電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量太小比值容易超標(biāo)導(dǎo)致整定困難。4.2 上電前的接線自查這一步不能省我見(jiàn)過(guò)太多因?yàn)橐桓€接錯(cuò)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器炸機(jī)的案例。上電前我必做的檢查有四項(xiàng)主回路相序和電壓、編碼器線序和屏蔽、限位信號(hào)方向和電平、以及接地。主回路檢查用萬(wàn)用表量輸入電壓是否在驅(qū)動(dòng)器標(biāo)稱范圍內(nèi)三相的相間電壓是否平衡。編碼器線要重點(diǎn)看屏蔽層是否單端接地通常接驅(qū)動(dòng)器側(cè)雙端接地容易形成地環(huán)路引入干擾。限位和原點(diǎn)開(kāi)關(guān)要確認(rèn)是常開(kāi)還是常閉以及控制器讀到的有效電平是高還是低方向和電平設(shè)錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致撞機(jī)或者回零失敗。接地這一項(xiàng)最容易被忽視。伺服系統(tǒng)的地線不是可選項(xiàng)電機(jī)外殼、驅(qū)動(dòng)器外殼、控制柜、機(jī)械床身都要可靠接地接地電阻越小越好。我遇到過(guò)一次位置隨機(jī)跳變的問(wèn)題排查了很久最后發(fā)現(xiàn)是電機(jī)地線沒(méi)接干擾通過(guò)編碼器線串進(jìn)了反饋信號(hào)。另外動(dòng)力線和信號(hào)線要走不同的線槽實(shí)在要交叉就垂直交叉別平行走線。4.3 驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的落地設(shè)置驅(qū)動(dòng)器上電后按順序配置這些參數(shù)。第一步設(shè)電機(jī)代碼或者手動(dòng)輸入電機(jī)參數(shù)讓驅(qū)動(dòng)器認(rèn)識(shí)自己帶的是什么電機(jī)。第二步做編碼器偏移角自學(xué)習(xí)讓驅(qū)動(dòng)器知道編碼器零點(diǎn)和電機(jī)磁極的對(duì)應(yīng)關(guān)系不做這一步電機(jī)可能反轉(zhuǎn)或者力矩不足。第三步設(shè)電子齒輪比按前面算的方法填分子分母。第四步設(shè)限位和原點(diǎn)相關(guān)的輸入輸出定義以及報(bào)警輸出的邏輯。第五步做慣量辨識(shí)把辨識(shí)出的慣量比填進(jìn)去。第六步整定三環(huán)參數(shù)可以用自整定功能打底再手動(dòng)微調(diào)。這里有個(gè)順序上的經(jīng)驗(yàn)一定先做編碼器偏移學(xué)習(xí)再做慣量辨識(shí)因?yàn)槠平遣粚?duì)的話慣量辨識(shí)結(jié)果會(huì)不準(zhǔn)。另外自整定出來(lái)的參數(shù)只是起點(diǎn)實(shí)際帶載之后還要微調(diào)因?yàn)樽哉ㄍǔＪ窃诳蛰d或輕載下做的。4.4 上位機(jī)程序的框架用運(yùn)動(dòng)控制卡的話程序結(jié)構(gòu)大致是四層。第一層是初始化打開(kāi)設(shè)備、設(shè)置軸參數(shù)、配置IO。第二層是狀態(tài)機(jī)管理回零、就緒、運(yùn)行、報(bào)警幾個(gè)狀態(tài)。第三層是運(yùn)動(dòng)指令封裝點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)。第四層是IO和邏輯處理傳感器輸入和氣缸等執(zhí)行器輸出。下面是一段偽代碼展示點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)的基本流程# 初始化 card open_device() for axis in [0, 1, 2]: card.set_pulse_mode(axis, pulse_dir) card.set_gear_ratio(axis, num125, den1638) card.set_accel(axis, acc1000, dec1000) # 單位 mm/s^2 card.set_velocity(axis, vmax500) # 單位 mm/s # 回零 for axis in [0, 1, 2]: card.home_move(axis, modenegative_limit, velocity50) wait_until(lambda: card.axis_status(axis) ready) # 點(diǎn)位運(yùn)動(dòng) card.move_absolute(axis0, pos100.0, velocity300, accel800) card.move_absolute(axis1, pos50.0, velocity300, accel800) wait_until(lambda: card.all_axes_in_position()) print(card.get_position(0), card.get_position(1))這段代碼里最關(guān)鍵的是 set_gear_ratio 那一步它把脈沖和毫米對(duì)應(yīng)起來(lái)如果這里填錯(cuò)了后面所有位置都是錯(cuò)的。另外 set_accel 的單位是毫米每平方秒要跟前面的機(jī)械計(jì)算對(duì)齊不能隨便填。4.5 聯(lián)調(diào)驗(yàn)收的五個(gè)動(dòng)作系統(tǒng)裝好之后我一般按這五步驗(yàn)收。第一手動(dòng)低速點(diǎn)動(dòng)每個(gè)軸確認(rèn)方向和限位有效。第二單軸回零三次檢查回零位置的重復(fù)性用千分表測(cè)量偏差應(yīng)該小于0.01毫米。第三單軸定位測(cè)試從不同方向接近同一目標(biāo)點(diǎn)測(cè)反向誤差這個(gè)值反映的是機(jī)械間隙。第四兩軸直線插補(bǔ)走一個(gè)正方形測(cè)四個(gè)角的垂直度和邊長(zhǎng)的直線度。第五模擬實(shí)際節(jié)拍跑半小時(shí)觀察溫升、噪音、有無(wú)報(bào)警。這里有個(gè)隱蔽的問(wèn)題要特別注意溫升引起的漂移。絲杠和導(dǎo)軌跑一段時(shí)間會(huì)發(fā)熱膨脹位置會(huì)慢慢偏。檢測(cè)方法是連續(xù)跑一千次定位記錄每次到位后的實(shí)際位置看有沒(méi)有單調(diào)漂移的趨勢(shì)。如果有說(shuō)明需要預(yù)熱時(shí)間或者加溫度補(bǔ)償。我做激光切割機(jī)的時(shí)候開(kāi)機(jī)前二十分鐘的切割尺寸跟穩(wěn)定后差0.03毫米后來(lái)在程序里加了預(yù)熱循環(huán)才解決。5. 現(xiàn)場(chǎng)故障排查實(shí)錄5.1 常見(jiàn)故障速查表現(xiàn)象可能原因排查順序定位不準(zhǔn)、有固定偏差電子齒輪比錯(cuò)誤、絲杠導(dǎo)程參數(shù)填錯(cuò)先核對(duì)齒輪比再用千分表實(shí)測(cè)驗(yàn)證反向接近同一目標(biāo)點(diǎn)有誤差機(jī)械反向間隙、聯(lián)軸器松動(dòng)測(cè)反向差值檢查消隙結(jié)構(gòu)隨機(jī)位置跳變編碼器干擾、屏蔽接地不良檢查接地、分離動(dòng)力與信號(hào)線電機(jī)嘯叫、發(fā)熱嚴(yán)重增益過(guò)高、慣量比過(guò)大降增益、做慣量辨識(shí)、考慮加減速機(jī)低速爬行、不平穩(wěn)死區(qū)影響、摩擦過(guò)大、增益過(guò)低檢查導(dǎo)軌潤(rùn)滑、適度提高低速增益高速時(shí)報(bào)警過(guò)載速度超過(guò)額定、母線電壓不足核算最高轉(zhuǎn)速、檢查母線電壓回零不到位或找不到原點(diǎn)原點(diǎn)開(kāi)關(guān)電平設(shè)反、回零速度過(guò)快手動(dòng)觸發(fā)開(kāi)關(guān)看信號(hào)、降低回零速度通信偶發(fā)斷連線纜過(guò)長(zhǎng)、屏蔽不良、終端電阻缺失縮短線纜、加終端電阻、檢查屏蔽5.2 定位不準(zhǔn)的排查路徑怎么走定位不準(zhǔn)是最常見(jiàn)的抱怨但不準(zhǔn)有很多種必須先區(qū)分是重復(fù)性差還是準(zhǔn)確性差。重復(fù)性差指的是每次到同一個(gè)點(diǎn)的位置都不一樣準(zhǔn)確性差指的是每次都停在同一位置但這個(gè)位置偏了。如果是重復(fù)性差優(yōu)先懷疑機(jī)械和信號(hào)。機(jī)械上查絲杠螺母是否松動(dòng)、聯(lián)軸器是否有間隙、導(dǎo)軌預(yù)緊是否合適。信號(hào)上查編碼器線是否受干擾、驅(qū)動(dòng)器分辨率是否夠。有一次我遇到重復(fù)性0.05毫米的問(wèn)題最后發(fā)現(xiàn)是聯(lián)軸器的膜片有微小變形每次換向時(shí)釋放不同的應(yīng)力換了個(gè)剛性聯(lián)軸器問(wèn)題消失。如果是準(zhǔn)確性差但重復(fù)性好那基本就是參數(shù)或者標(biāo)定問(wèn)題。先核對(duì)電子齒輪比和絲杠導(dǎo)程再檢查是否有工具坐標(biāo)偏移沒(méi)補(bǔ)償。這類問(wèn)題好解決因?yàn)楝F(xiàn)象穩(wěn)定公式一推就能找到。排查的時(shí)候我習(xí)慣用一張簡(jiǎn)單的記錄表每次定位后記錄目標(biāo)值、實(shí)際值、接近方向跑二十次之后看數(shù)據(jù)分布。數(shù)據(jù)如果是隨機(jī)散布就是信號(hào)或機(jī)械問(wèn)題如果是隨方向變化的系統(tǒng)偏差就是標(biāo)定問(wèn)題。這個(gè)方法比盲目調(diào)參數(shù)效率高得多。5.3 抖動(dòng)和嘯叫怎么下手抖動(dòng)分兩種低頻抖動(dòng)和嘯叫。低頻抖動(dòng)通常是位置環(huán)或速度環(huán)增益過(guò)高或者是機(jī)械共振。判斷方法很簡(jiǎn)單把增益降一半看抖動(dòng)是否消失消失就是增益問(wèn)題不消失就是機(jī)械共振。機(jī)械共振的處理辦法是加陷波濾波器。驅(qū)動(dòng)器一般提供兩到四個(gè)陷波器通過(guò)頻率響應(yīng)分析找出共振點(diǎn)頻率把它填進(jìn)陷波器參數(shù)即可。我做過(guò)一臺(tái)龍門結(jié)構(gòu)的機(jī)器共振點(diǎn)大約在80赫茲加了陷波器之后抖動(dòng)完全消失。如果沒(méi)有分析工具也可以手動(dòng)掃頻從低頻往高頻慢慢增加激勵(lì)頻率觀察哪個(gè)頻率下振幅最大。嘯叫一般是電流環(huán)或者PWM載波相關(guān)的。如果嘯叫頻率很高幾kHz調(diào)整PWM載波頻率試試避開(kāi)人耳敏感區(qū)。如果嘯叫伴隨電機(jī)發(fā)熱多半是增益過(guò)高導(dǎo)致電流振蕩需要降增益。還有一種情況是電機(jī)和機(jī)械的固有頻率接近這就要靠改變連接剛度或者加阻尼來(lái)解決純調(diào)參數(shù)解決不了。5.4 通信丟包和丟步的區(qū)分丟包和丟步是兩個(gè)概念但現(xiàn)象很像都是走了一段沒(méi)到位。丟步是脈沖發(fā)了但電機(jī)沒(méi)跟上通常發(fā)生在步進(jìn)電機(jī)或者伺服過(guò)載時(shí)丟包是脈沖根本沒(méi)發(fā)出去通常發(fā)生在通信環(huán)節(jié)。判斷方法讀驅(qū)動(dòng)器的位置反饋值跟控制器發(fā)出的指令值對(duì)比。如果反饋值等于指令值但機(jī)械位置不對(duì)那是機(jī)械丟步或者打滑如果反饋值就小于指令值說(shuō)明指令沒(méi)發(fā)全是通信問(wèn)題。通信丟包常見(jiàn)原因有三個(gè)線纜過(guò)長(zhǎng)超過(guò)總線規(guī)定長(zhǎng)度、屏蔽和接地不良、以及終端電阻沒(méi)裝或者裝錯(cuò)位置。EtherCAT這類總線對(duì)線纜和拓?fù)溆忻鞔_要求別隨便用普通網(wǎng)線湊合。我曾經(jīng)為了省事用了一根五米的普通網(wǎng)線接遠(yuǎn)程IO結(jié)果每天偶發(fā)一兩次通信報(bào)警換成屏蔽雙絞線后再?zèng)]出現(xiàn)過(guò)。6. 往深里走多軸同步與更高階的玩法6.1 多軸同步不只是同時(shí)啟動(dòng)三軸以上聯(lián)動(dòng)時(shí)同步這件事比想象的復(fù)雜。真正的同步要求各個(gè)軸在同一時(shí)刻到達(dá)各自目標(biāo)位置而不是各自跑各自的。這就要求插補(bǔ)運(yùn)算必須在統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)下進(jìn)行各軸的速度規(guī)劃要協(xié)調(diào)。以四軸為例如果用四個(gè)軸分別做點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)由于各軸行程和速度不同到達(dá)時(shí)間會(huì)不一致。正確做法是把四個(gè)軸的目標(biāo)位置打包成一個(gè)多維向量統(tǒng)一做速度規(guī)劃找出最慢的那個(gè)軸作為時(shí)間基準(zhǔn)其他軸按比例降速。這個(gè)過(guò)程叫速度歸一化。凸輪同步是更高級(jí)的形式主軸和從軸之間通過(guò)凸輪表建立位置對(duì)應(yīng)關(guān)系從軸的位置完全由主軸位置決定。飛剪、追剪、包裝機(jī)上的旋轉(zhuǎn)切刀都靠這個(gè)。凸輪表的精度直接決定同步精度我一般會(huì)把凸輪表做得很密用插值方式讀取避免表格太稀導(dǎo)致中間過(guò)程抖動(dòng)。電子齒輪同步則更簡(jiǎn)單從軸速度等于主軸速度乘以一個(gè)比例系數(shù)適合傳送帶跟隨、印刷套色這類場(chǎng)合。它的優(yōu)點(diǎn)是參數(shù)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好缺點(diǎn)是只能做比例關(guān)系做不了非線性的對(duì)應(yīng)。6.2 視覺(jué)引導(dǎo)與力控的延伸方向運(yùn)動(dòng)控制往上走兩個(gè)明顯的方向是視覺(jué)引導(dǎo)和力控。視覺(jué)引導(dǎo)是把相機(jī)拍到的目標(biāo)位置轉(zhuǎn)換成機(jī)器人坐標(biāo)系下的坐標(biāo)再下發(fā)給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。這里的關(guān)鍵是標(biāo)定包括相機(jī)內(nèi)參標(biāo)定和手眼標(biāo)定。手眼標(biāo)定的精度直接決定抓取精度我一般會(huì)用九點(diǎn)標(biāo)定法在視野內(nèi)取九個(gè)點(diǎn)讓機(jī)器走一遍記錄像素坐標(biāo)和機(jī)械坐標(biāo)擬合出變換矩陣。標(biāo)定有個(gè)容易忽略的點(diǎn)是畸變。鏡頭畸變會(huì)讓邊緣區(qū)域的定位不準(zhǔn)尤其是廣角鏡頭。解決辦法是先做鏡頭畸變校正再做手眼標(biāo)定順序反了誤差會(huì)疊加。我做過(guò)一個(gè)抓取項(xiàng)目邊緣區(qū)域誤差比中心區(qū)域大0.5毫米后來(lái)加了畸變校正降到0.1毫米以內(nèi)。力控方向主要是恒力控制和力位混合控制用在打磨、裝配、去毛刺這些需要跟環(huán)境接觸的場(chǎng)合。實(shí)現(xiàn)方式有基于力傳感器的直接力控也有基于電流估計(jì)的無(wú)傳感器力控。后者成本低但精度差前者貴但可靠。裝配類應(yīng)用我一般用力傳感器打磨類可以考慮電流估計(jì)。力控的難點(diǎn)在于接觸瞬間的穩(wěn)定性需要對(duì)環(huán)境剛度做估計(jì)并做阻抗匹配這里展開(kāi)講能寫(xiě)一整篇先記一筆。6.3 我踩過(guò)的幾個(gè)坑希望你別再踩第一別在沒(méi)做機(jī)械檢查的情況下調(diào)參數(shù)。很多參數(shù)問(wèn)題的根源在機(jī)械機(jī)械不修好參數(shù)調(diào)得再好也是暫時(shí)的。我現(xiàn)在的習(xí)慣是每次調(diào)試前先用手推一下軸感受阻力和間隙有問(wèn)題先修機(jī)械。第二別相信默認(rèn)參數(shù)能跑就行。默認(rèn)參數(shù)通常是為了兼容性設(shè)的保守值性能發(fā)揮不出來(lái)。帶載調(diào)試是必須的而且要在最惡劣的工況下測(cè)比如最大負(fù)載、最高速度、最急加減速。第三注意溫升的累積效應(yīng)。連續(xù)運(yùn)行兩小時(shí)和剛開(kāi)機(jī)半小時(shí)的系統(tǒng)表現(xiàn)可能差很多驗(yàn)收一定要跑夠時(shí)間。我曾經(jīng)交付過(guò)一臺(tái)設(shè)備客戶連續(xù)跑了八小時(shí)之后精度超差回頭查是電機(jī)和絲杠溫升導(dǎo)致的最后加了預(yù)熱程序和溫度補(bǔ)償。第四備份參數(shù)。每次調(diào)好之后把驅(qū)動(dòng)器參數(shù)導(dǎo)出存一份標(biāo)注好對(duì)應(yīng)的機(jī)械配置和日期。換驅(qū)動(dòng)器或者恢復(fù)出廠設(shè)置之后這份備份能省你好幾個(gè)小時(shí)。我吃過(guò)這個(gè)虧一次誤操作清空了參數(shù)重新調(diào)花了整整一天。第五留夠安全余量。速度、扭矩、精度都別設(shè)計(jì)到極限值留20%到30%的余量。現(xiàn)場(chǎng)的電壓波動(dòng)、環(huán)境溫度、負(fù)載變化都會(huì)吃掉余量設(shè)計(jì)時(shí)卡得太死運(yùn)行起來(lái)就是天天出問(wèn)題。運(yùn)動(dòng)控制這東西手冊(cè)上寫(xiě)的都是理論邊界真正的經(jīng)驗(yàn)都在這些邊界之外的細(xì)節(jié)里。希望這些筆記能幫你在下次調(diào)試時(shí)少走點(diǎn)彎路。