加工中心伺服参数优化及振动故障诊断
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法的研究［J］． 机械设计与制造，2009（ 1） ： 191 － 195． 【2】杨勇． 数控伺服系统动态特性仿真及参数优化［D］． 南
京： 南京工业大学，2005． 【3】李亚聪． 数控机床伺服系统参数优化配置的研究［D］．
大连： 大连理工大学，2009．
( 上接第 137 页) 参考文献：
【1】张晓东，贾国超． 关于我国抽油机发展的几点思考［J］． 石油矿场机械，2008，37（ 1） ： 24 － 27．
效果，测试过程为： 让 X 轴以快移 （ 32 m / min） 的
进给速度，做行程为 500 mm 的直线往复运动，每次
运动间隔时间为 1 s。表 2 为 X 轴和 Y 轴位置环伺服
优化前后的数据对比。
表 2 位置环优化前后对比
μm
X 轴位置跟踪误差 Y 轴位置跟踪误差
优化前 110 95
优化后 55 57
电流环的调节目的是限制电机的最大电流，调节 对象的动态结构，加快数控系统的动态响应。
速度控制是位置伺服系统中极其重要的环节。速
收稿日期： 2013 － 02 － 21 基金项目： 国家重点基础研究发展计划 （ 973 计划） 资助项目 （ 2012CB724305） 作者简介： 林剑峰 （ 1965—） ，男，工学硕士，高级工程师，主要负责高档数控机床共性关键技术研究以及新产品开发等。
调整 Z 轴的加减速方式，设置为指数型加减速， 加速时间 180 ms。在运动过程中再次使用激光干涉 仪的动态采集功能测试 Z 轴位置信号。
将测试数据再次进行处理，并将直线运动终止时
间点的曲线局部放大，测试结果如图 6 所示。
图 6 指数型加减速时运动停止时 刻 Z 轴位置曲线局部放大图
结论： 加减速参数调整后，Z 轴运动启停段冲击 和振动明显减小。由测试结果可以看出： Z 轴位置曲 线，在启停段振动减小，启停段振幅减小。
【2】张清林． 抽油机的现状、发展方向及其节能技术的探索 ［J］． 科技创新导报，2008（ 2） ： 97 － 97．
【3】李宁会，吉效科，刘成延，等． 无基础抽油机的研制与应 用［J］． 石油机械，2009，37（ 9） ： 80 － 82．
【4】刘少军． 无功换向智能抽油机的研制与应用［J］． 石油 机械，2009，37（ 11） ： 84 － 85．
Co． ，Ltd． ，Shenyang Liaoning 110142，China； 2. School of Mechanical Engineering， Xi’an Jiaotong University，Xi’an Shaanxi 710049，China）
Abstract： Aiming at research and application status of servo parameters optimization of machine tool center，the application principle of servo parameters optimization was introduced． On some vertical machine center，speed loop and position loop’s servo performance test and optimization were done for X-axis and Y-axis，and the results were presented． Aiming at the violent vibration when Z-axis’s rapid transit，the acceleration and deceleration mode and acceleration time were adjusted and the problem was settled．
2014 年 2 月 第 42 卷 第 3 期
机床与液压பைடு நூலகம்
MACHINE TOOL ＆ HYDＲAULICS
Feb. 2014 Vol. 42 No. 3
DOI： 10． 3969 / j. issn. 1001 － 3881. 2014. 03. 048
加工中心伺服参数优化及振动故障诊断
林剑峰1 ，刘阔1 ，马莉莉1 ，孙名佳1 ，刘辉2
由测试结果可以看出： 加减速方式及参数对伺服 轴加减速特性影响很大，若这些参数与机械系统匹 配不好就会造成冲击和振动，使伺服轴无法工作在 较高进 给 速 度 下，需 要 对 加 减 速 参 数 进 行 优 化 调 整。 4 结束语
对数控机床的伺服参数优化技术进行了介绍。针 对 VMC 系列某型立式加工中心进行了进给轴的伺服 性能测试及优化，优化前后的数据对比显示了伺服参 数优化的效果，为广大工程人员提供参考。针对 Z 轴振动较为剧烈的情况，通过调整加减速方式及加速 时间得到解决。 参考文献： 【1】范晋伟，刘磊，朱晓勇，等． 伺服系统动态仿真及优化方
针对目前在实际数控机床上进行伺服参数优化较 少的现状，对 VMC 系列某型立式加工中心进行伺服
系统的测 试 及 参 数 优 化，给 出 了 优 化 前 后 的 对 比 数 据，并解决了测试过程中 Z 轴振动的问题。 1 伺服参数优化技术
机床中广 泛 使 用 的 伺 服 控 制 系 统 一 般 是 由 位 置 环、速度环和电流环三环组成。其中，电流环和速度 环为内环，位置环为外环。三环结构可以使伺服系统 获得较好的动态跟随性能和抗干扰性能。
【5】葛艳荣，葛得辉，张树坪． 六杆游梁平衡抽油机［J］． 石 油机械，2008，36（ 7） ： 53 － 55．
【6】孟海军，赵童君． 两级配重补偿游梁式抽油机［J］． 石油 机械，2011，39（ 8） ： 50 － 52．
首先对 Z 轴进行基于锤击法的振动测试，判断 是否为结构共振导致。经振动测试，该原因被排除。
在加工中心采用默认的直线型加减速时 （ 加速 时间为 60 ms） ，让 Z 轴以 8 m / min 的进给速度，做 行程为 200 mm 的直线往复运动，每次运动间隔时间 为 1 s。在运动过程中使用激光干涉仪的动态采集功 能测试 Z 轴位置信号。
第 42 卷 图 3 X 轴优化前速度环的频率特性曲线
图 1 测试系统连接示意图 在 20 ℃ 的恒温车间进行伺服系统动态性能测试。 图 2 为测试现场。
图 2 伺服性能测试及优化现场 分别对加工中心的 X 轴和 Y 轴进行速度环和位 置环的伺服性能测试及优化。对 X 轴和 Y 轴的速度 环比例增益和积分增益等参数进行测试，采用 Servo guide 软件进行速度环的伺服参数优化。图 3 和图 4 分别为 X 轴优化前后速度环的频率特性曲线。
对 VMC 系列某型立式加工中心进行伺服性能测 试及优化。考虑到加工中心应用的是 FAUNC-0i 数控 系统，采用 Servo guide 软件对伺服进给系统的动态特 性进 行 测 试。将 运 行 Servo guide 软 件 的 PC 机 通 过 PCMCIA-LAN 卡与加工中心的 FAUNC-0i 数控系统连 接，如图 1 所示。
从以上速度环和位置环伺服参数优化的结果可以 看出： 伺服跟踪速度提高 （ 频响带宽增加） ，位置跟
第3 期
林剑峰 等： 加工中心伺服参数优化及振动故障诊断
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踪误差大大减小。 加工 中 心 的 Z 轴 在 进 行 伺 服 性 能 测 试 时 （ 8
m / min） 振动剧烈，因此进行振动故障诊断。 3 振动故障的诊断与解决
为了保证数控系统的性能，各环节均有调节器， 电流环采用 PI 调节器，速度环采用 PI 调节器，位置 环采用 P 调节器。三环结构设计及其控制器的优劣直 接关系到整个伺服驱动系统的稳定性、准确性和快速 性。伺服参数优化技术的重点就是通过一系列测试确 定一组控制器参数，使伺服轴具有优良的动态性能， 从而使数控机床尽可能工作在最优状态下。
将测试数据进行处理，并将直线运动终止时间点 的曲线局部放大，如图 5 所示。
图 5 直线型加减速时运动停止时 刻 Z 轴位置曲线局部放大图
结论： 直线型加减速时，Z 轴在以 8 m / min 进给 速度做往复运动时，在启停段冲击大，机床有明显振 动，无法正常工作。由 Z 轴位置测试结果可以看出： Z 轴在启停段位置存在振荡。鉴于以上测试结果和分 析，需要对加减速参数进行调整，减小启停段的冲击 和振动。
图 4 X 轴优化后速度环的频率特性曲线
表 1 为 X 轴和 Y 轴速度环伺服优化前后的数据对
比。
表 1 速度环优化前后对比
Hz
X 轴频响带宽 Y 轴频响带宽
优化前 40 38
优化后 70 42
在速度环优化的基础上，对位置环增益和速度前
馈系数等参数进行测试及优化。通过伺服轴在快移速
度下 （ 32 m / min） 的位置跟踪误差曲线来判断优化
关键词： 加工中心； 伺服参数优化； 振动； 故障诊断 中图分类号： TH161 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 3881 （ 2014） 3 － 177 － 3
Servo Parameters Optimization and Vibrant Fault Diagnosis for Machine Tool Center
目前国内外很多学者对伺服参数优化技术展开了 研究。如范晋伟等［1］基于 Simulink 仿真软件提出了一 种伺服系统动态特性仿真优化的方法； 杨勇［2］建立了 数控机床的进给系统模型，研究了交流伺服系统的三 环 PID 控制器整定及参数辨识方法，并对数控铣齿机 床进行了参数优化； 李亚聪［3］建立了伺服系统的数学 模型，对电流 环、 速 度 环、 位 置 环 的 参 数 进 行 了 整 定，并提出了随动系统的 PID 优化设计。
LIN Jianfeng1 ，LIU Kuo1 ，MA Lili1 ，SUN Mingjia1 ，LIU Hui2 （ 1. State Key Laboratory of Advanced Numerical Control Machine Tool，Shenyang Machine Tool （ Group）
( 1. 沈阳机床 ( 集团) 有限责任公司高档数控机床国家重点实验室，辽宁沈阳 110142; 2. 西安交通大学机械工程学院，陕西西安 710049)
摘要： 针对目前数控机床伺服参数优化技术研究和应用的现状，介绍了伺服参数优化技术的应用原理。在某型立式加 工中心上，对 X 轴和 Y 轴进行了速度环和位置环的伺服性能测试及优化，给出了优化前后的结果对比。针对 Z 轴快速移动 时振动较为剧烈的情况，通过调整加减速方式及加速时间，解决了振动剧烈的问题。
通信作者： 刘阔，E － mail： liukuo0727@ qq. com。
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机床与液压
度伺服控 制 应 该 具 有 高 精 度、快 响 应 的 特 点。 速 度 环控制器采用比例积分 （ PI） 控制，参数优化主要 就是对速度控制器的比例增益 Kp 和积分时间常数 Tn 进行调整。在满足性能要求的前提下，希望 Kp 尽可 能地大，提高机床的响应速度和跟踪精度，希望 Tn 尽可能地小，提高机床的抗扰动能力。
Keywords： Machine tool center； Servo parameters optimization； Vibration； Fault diagnosis
现代数控机床正在向高精度、高速度方向发展以 适应实际生产的需要。这要求必须提高数控机床伺服 控制的响应速度、跟随精度和定位精度。一般数控系 统会给定伺服轴一组默认的伺服参数，但这些参数一 般是保证数控机床正常运行的保守参数，无法满足高 精度、高速度的加工要求，而数控机床伺服参数优化 技术正是为解决这一问题而产生的技术。
位置环的作用是保证系统静态精度和动态跟踪性 能，使整个伺服系统能稳定、高性能地运行。位置环 采用比例控制，其中主要参数是位置环增益 （ Kv ） 。 为了保证位置环的稳定性，还可以加入低通的速度滤 波器。通过频率特性测试调整 Kv，使频率特性中幅 频特性的带宽尽可能高，提高动态特性。 2 进给轴的伺服参数测试及优化
京： 南京工业大学，2005． 【3】李亚聪． 数控机床伺服系统参数优化配置的研究［D］．
大连： 大连理工大学，2009．
( 上接第 137 页) 参考文献：
【1】张晓东，贾国超． 关于我国抽油机发展的几点思考［J］． 石油矿场机械，2008，37（ 1） ： 24 － 27．
效果，测试过程为： 让 X 轴以快移 （ 32 m / min） 的
进给速度，做行程为 500 mm 的直线往复运动，每次
运动间隔时间为 1 s。表 2 为 X 轴和 Y 轴位置环伺服
优化前后的数据对比。
表 2 位置环优化前后对比
μm
X 轴位置跟踪误差 Y 轴位置跟踪误差
优化前 110 95
优化后 55 57
电流环的调节目的是限制电机的最大电流，调节 对象的动态结构，加快数控系统的动态响应。
速度控制是位置伺服系统中极其重要的环节。速
收稿日期： 2013 － 02 － 21 基金项目： 国家重点基础研究发展计划 （ 973 计划） 资助项目 （ 2012CB724305） 作者简介： 林剑峰 （ 1965—） ，男，工学硕士，高级工程师，主要负责高档数控机床共性关键技术研究以及新产品开发等。
调整 Z 轴的加减速方式，设置为指数型加减速， 加速时间 180 ms。在运动过程中再次使用激光干涉 仪的动态采集功能测试 Z 轴位置信号。
将测试数据再次进行处理，并将直线运动终止时
间点的曲线局部放大，测试结果如图 6 所示。
图 6 指数型加减速时运动停止时 刻 Z 轴位置曲线局部放大图
结论： 加减速参数调整后，Z 轴运动启停段冲击 和振动明显减小。由测试结果可以看出： Z 轴位置曲 线，在启停段振动减小，启停段振幅减小。
【2】张清林． 抽油机的现状、发展方向及其节能技术的探索 ［J］． 科技创新导报，2008（ 2） ： 97 － 97．
【3】李宁会，吉效科，刘成延，等． 无基础抽油机的研制与应 用［J］． 石油机械，2009，37（ 9） ： 80 － 82．
【4】刘少军． 无功换向智能抽油机的研制与应用［J］． 石油 机械，2009，37（ 11） ： 84 － 85．
Co． ，Ltd． ，Shenyang Liaoning 110142，China； 2. School of Mechanical Engineering， Xi’an Jiaotong University，Xi’an Shaanxi 710049，China）
Abstract： Aiming at research and application status of servo parameters optimization of machine tool center，the application principle of servo parameters optimization was introduced． On some vertical machine center，speed loop and position loop’s servo performance test and optimization were done for X-axis and Y-axis，and the results were presented． Aiming at the violent vibration when Z-axis’s rapid transit，the acceleration and deceleration mode and acceleration time were adjusted and the problem was settled．
2014 年 2 月 第 42 卷 第 3 期
机床与液压பைடு நூலகம்
MACHINE TOOL ＆ HYDＲAULICS
Feb. 2014 Vol. 42 No. 3
DOI： 10． 3969 / j. issn. 1001 － 3881. 2014. 03. 048
加工中心伺服参数优化及振动故障诊断
林剑峰1 ，刘阔1 ，马莉莉1 ，孙名佳1 ，刘辉2
由测试结果可以看出： 加减速方式及参数对伺服 轴加减速特性影响很大，若这些参数与机械系统匹 配不好就会造成冲击和振动，使伺服轴无法工作在 较高进 给 速 度 下，需 要 对 加 减 速 参 数 进 行 优 化 调 整。 4 结束语
对数控机床的伺服参数优化技术进行了介绍。针 对 VMC 系列某型立式加工中心进行了进给轴的伺服 性能测试及优化，优化前后的数据对比显示了伺服参 数优化的效果，为广大工程人员提供参考。针对 Z 轴振动较为剧烈的情况，通过调整加减速方式及加速 时间得到解决。 参考文献： 【1】范晋伟，刘磊，朱晓勇，等． 伺服系统动态仿真及优化方
针对目前在实际数控机床上进行伺服参数优化较 少的现状，对 VMC 系列某型立式加工中心进行伺服
系统的测 试 及 参 数 优 化，给 出 了 优 化 前 后 的 对 比 数 据，并解决了测试过程中 Z 轴振动的问题。 1 伺服参数优化技术
机床中广 泛 使 用 的 伺 服 控 制 系 统 一 般 是 由 位 置 环、速度环和电流环三环组成。其中，电流环和速度 环为内环，位置环为外环。三环结构可以使伺服系统 获得较好的动态跟随性能和抗干扰性能。
【5】葛艳荣，葛得辉，张树坪． 六杆游梁平衡抽油机［J］． 石 油机械，2008，36（ 7） ： 53 － 55．
【6】孟海军，赵童君． 两级配重补偿游梁式抽油机［J］． 石油 机械，2011，39（ 8） ： 50 － 52．
首先对 Z 轴进行基于锤击法的振动测试，判断 是否为结构共振导致。经振动测试，该原因被排除。
在加工中心采用默认的直线型加减速时 （ 加速 时间为 60 ms） ，让 Z 轴以 8 m / min 的进给速度，做 行程为 200 mm 的直线往复运动，每次运动间隔时间 为 1 s。在运动过程中使用激光干涉仪的动态采集功 能测试 Z 轴位置信号。
第 42 卷 图 3 X 轴优化前速度环的频率特性曲线
图 1 测试系统连接示意图 在 20 ℃ 的恒温车间进行伺服系统动态性能测试。 图 2 为测试现场。
图 2 伺服性能测试及优化现场 分别对加工中心的 X 轴和 Y 轴进行速度环和位 置环的伺服性能测试及优化。对 X 轴和 Y 轴的速度 环比例增益和积分增益等参数进行测试，采用 Servo guide 软件进行速度环的伺服参数优化。图 3 和图 4 分别为 X 轴优化前后速度环的频率特性曲线。
对 VMC 系列某型立式加工中心进行伺服性能测 试及优化。考虑到加工中心应用的是 FAUNC-0i 数控 系统，采用 Servo guide 软件对伺服进给系统的动态特 性进 行 测 试。将 运 行 Servo guide 软 件 的 PC 机 通 过 PCMCIA-LAN 卡与加工中心的 FAUNC-0i 数控系统连 接，如图 1 所示。
从以上速度环和位置环伺服参数优化的结果可以 看出： 伺服跟踪速度提高 （ 频响带宽增加） ，位置跟
第3 期
林剑峰 等： 加工中心伺服参数优化及振动故障诊断
·179·
踪误差大大减小。 加工 中 心 的 Z 轴 在 进 行 伺 服 性 能 测 试 时 （ 8
m / min） 振动剧烈，因此进行振动故障诊断。 3 振动故障的诊断与解决
为了保证数控系统的性能，各环节均有调节器， 电流环采用 PI 调节器，速度环采用 PI 调节器，位置 环采用 P 调节器。三环结构设计及其控制器的优劣直 接关系到整个伺服驱动系统的稳定性、准确性和快速 性。伺服参数优化技术的重点就是通过一系列测试确 定一组控制器参数，使伺服轴具有优良的动态性能， 从而使数控机床尽可能工作在最优状态下。
将测试数据进行处理，并将直线运动终止时间点 的曲线局部放大，如图 5 所示。
图 5 直线型加减速时运动停止时 刻 Z 轴位置曲线局部放大图
结论： 直线型加减速时，Z 轴在以 8 m / min 进给 速度做往复运动时，在启停段冲击大，机床有明显振 动，无法正常工作。由 Z 轴位置测试结果可以看出： Z 轴在启停段位置存在振荡。鉴于以上测试结果和分 析，需要对加减速参数进行调整，减小启停段的冲击 和振动。
图 4 X 轴优化后速度环的频率特性曲线
表 1 为 X 轴和 Y 轴速度环伺服优化前后的数据对
比。
表 1 速度环优化前后对比
Hz
X 轴频响带宽 Y 轴频响带宽
优化前 40 38
优化后 70 42
在速度环优化的基础上，对位置环增益和速度前
馈系数等参数进行测试及优化。通过伺服轴在快移速
度下 （ 32 m / min） 的位置跟踪误差曲线来判断优化
关键词： 加工中心； 伺服参数优化； 振动； 故障诊断 中图分类号： TH161 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 3881 （ 2014） 3 － 177 － 3
Servo Parameters Optimization and Vibrant Fault Diagnosis for Machine Tool Center
目前国内外很多学者对伺服参数优化技术展开了 研究。如范晋伟等［1］基于 Simulink 仿真软件提出了一 种伺服系统动态特性仿真优化的方法； 杨勇［2］建立了 数控机床的进给系统模型，研究了交流伺服系统的三 环 PID 控制器整定及参数辨识方法，并对数控铣齿机 床进行了参数优化； 李亚聪［3］建立了伺服系统的数学 模型，对电流 环、 速 度 环、 位 置 环 的 参 数 进 行 了 整 定，并提出了随动系统的 PID 优化设计。
LIN Jianfeng1 ，LIU Kuo1 ，MA Lili1 ，SUN Mingjia1 ，LIU Hui2 （ 1. State Key Laboratory of Advanced Numerical Control Machine Tool，Shenyang Machine Tool （ Group）
( 1. 沈阳机床 ( 集团) 有限责任公司高档数控机床国家重点实验室，辽宁沈阳 110142; 2. 西安交通大学机械工程学院，陕西西安 710049)
摘要： 针对目前数控机床伺服参数优化技术研究和应用的现状，介绍了伺服参数优化技术的应用原理。在某型立式加 工中心上，对 X 轴和 Y 轴进行了速度环和位置环的伺服性能测试及优化，给出了优化前后的结果对比。针对 Z 轴快速移动 时振动较为剧烈的情况，通过调整加减速方式及加速时间，解决了振动剧烈的问题。
通信作者： 刘阔，E － mail： liukuo0727@ qq. com。
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机床与液压
度伺服控 制 应 该 具 有 高 精 度、快 响 应 的 特 点。 速 度 环控制器采用比例积分 （ PI） 控制，参数优化主要 就是对速度控制器的比例增益 Kp 和积分时间常数 Tn 进行调整。在满足性能要求的前提下，希望 Kp 尽可 能地大，提高机床的响应速度和跟踪精度，希望 Tn 尽可能地小，提高机床的抗扰动能力。
Keywords： Machine tool center； Servo parameters optimization； Vibration； Fault diagnosis
现代数控机床正在向高精度、高速度方向发展以 适应实际生产的需要。这要求必须提高数控机床伺服 控制的响应速度、跟随精度和定位精度。一般数控系 统会给定伺服轴一组默认的伺服参数，但这些参数一 般是保证数控机床正常运行的保守参数，无法满足高 精度、高速度的加工要求，而数控机床伺服参数优化 技术正是为解决这一问题而产生的技术。
位置环的作用是保证系统静态精度和动态跟踪性 能，使整个伺服系统能稳定、高性能地运行。位置环 采用比例控制，其中主要参数是位置环增益 （ Kv ） 。 为了保证位置环的稳定性，还可以加入低通的速度滤 波器。通过频率特性测试调整 Kv，使频率特性中幅 频特性的带宽尽可能高，提高动态特性。 2 进给轴的伺服参数测试及优化