三年前我第一次獨立接手一臺三軸自動點膠機客戶只給了一個要求把膠點準誤差別超過0.05毫米。當時我以為這事就是接幾根線、配幾個參數(shù)結(jié)果第一天就把絲杠撞出了異響第二天伺服開始嘯叫第三天定位精度飄到0.3毫米。那半個月里我翻了大量手冊、示波器測了無數(shù)次波形才算把運動控制系統(tǒng)這套東西摸出點門道。這篇文章就是那段時間以及后續(xù)做貼片機、激光切割、數(shù)控鉆銑項目積攢下來的學習筆記偏向?qū)嵅俨皇墙滩膹褪?。運動控制系統(tǒng)這個詞聽起來很工程化其實拆開看就四件事讓電機知道該走多遠、走多快、什么時候到、沒到怎么糾。把這四件事串起來就是指令、控制、驅(qū)動、執(zhí)行、反饋五個環(huán)節(jié)。適合正在入門自動化設(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)碰運氣的同行我會盡量把每個參數(shù)背后的計算過程寫清楚讓你改的時候知道自己在改什么。1. 先把運動控制系統(tǒng)拆成看得懂的幾塊1.1 從讓電機聽我的話到閉環(huán)思維很多人第一次接觸運動控制腦子里想的是我發(fā)一個脈沖電機走一步。這個認知在步進電機開環(huán)時代是對的放到伺服系統(tǒng)里就完全不夠用。現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)的底層邏輯其實是我給一個目標值系統(tǒng)自己想辦法走到位并持續(xù)報告走到了哪。區(qū)別在哪前者是命令后者是協(xié)商。舉個生活里的例子。開環(huán)控制就像你讓朋友去樓下買瓶水說完就不管了他有沒有買回來你不知道。半閉環(huán)是你讓朋友去買水他在路上一直跟你匯報我下樓了我進店了我付錢了但最后有沒有拿回那瓶水你依然不知道——這里的匯報就是電機尾部編碼器的反饋它只告訴你電機轉(zhuǎn)了不告訴你絲杠真的動了。全閉環(huán)則是在水杯上裝了個傳感器水真的進了杯子才算數(shù)也就是在機械末端加光柵尺或磁柵尺。為什么這個區(qū)分重要因為現(xiàn)場百分之七八十的精度不夠問題根源都在這里。你用的是半閉環(huán)系統(tǒng)電機轉(zhuǎn)得一絲不差但絲杠有反向間隙、聯(lián)軸器有扭轉(zhuǎn)變形、皮帶會伸長末端實際位移跟電機轉(zhuǎn)過的角度對不上。這時候你在驅(qū)動器上拼命調(diào)增益只是在優(yōu)化一個本來就測不準的信號屬于南轅北轍。我的經(jīng)驗是定位精度要求優(yōu)于0.02毫米、或者存在明顯反向運動往復加工的場合優(yōu)先考慮全閉環(huán)或者機械上加消隙結(jié)構(gòu)別指望控制器算法能補回來。1.2 三環(huán)嵌套電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)誰管誰伺服驅(qū)動器內(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速度差異是調(diào)參不亂套的前提。電流環(huán)最內(nèi)層響應最快一般采樣頻率在8kHz到16kHz甚至更高它管的是電機繞組里流過多大的電流本質(zhì)上管的是力矩。你給一個力矩指令電流環(huán)在幾十微秒內(nèi)把它變成實際的電流輸出。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的實際轉(zhuǎn)速做比較輸出一個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為不同物理量的響應速度差著數(shù)量級如果把位置和電流放在同一個環(huán)里調(diào)會出現(xiàn)為了讓位置跟上而給了一個巨大的力矩結(jié)果電機猛沖過頭的情況。分層之后內(nèi)層快速收斂外層慢慢修正整個系統(tǒng)就穩(wěn)了。有一組經(jīng)驗數(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)最后動位置環(huán)順序反了就是白費功夫。1.3 開環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán)的成本與收益對照選哪種結(jié)構(gòu)不是技術(shù)先進性的問題是性價比問題。我整理過一張對照表每次做方案評估都會拿出來過一遍。結(jié)構(gòu)類型反饋位置典型精度成本區(qū)間適合場景開環(huán)無反饋依賴電機本身±0.05mm以上最低步進電機送料、簡易傳送、成本敏感的輕載場合半閉環(huán)電機軸端編碼器±0.01mm機械良好時中通用伺服點膠、鎖螺絲、普通搬運全閉環(huán)機械末端光柵尺±0.002mm甚至更高高精密磨削、半導體設(shè)備、高精度檢測平臺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±0.01毫米是建立在絲杠C5級、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級軋制絲杠配彈性聯(lián)軸器實際能到±0.05毫米就不錯了。我見過不少項目預算卡得死選了半閉環(huán)又不肯在機械件上花錢最后精度不達標回頭改機械的成本比一開始選全閉環(huán)還高。所以我的建議是精度指標先倒推機械等級再決定閉環(huán)形式別反過來。2. 一條指令走完全程五個環(huán)節(jié)的細節(jié)拆解2.1 指令層軌跡規(guī)劃不是簡單地給個終點上位機發(fā)出的通常不是走到X100這么簡單中間要經(jīng)過軌跡規(guī)劃。軌跡規(guī)劃要解決三個問題路徑形狀、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然后同時啟動兩軸各自的加減速特性不同走出來的軌跡會是個彎曲的弧。要走出直線必須做插補讓兩軸在每個插補周期內(nèi)按比例同步推進。常見做法是粗插補加精插補粗插補在幾十毫秒級別算出若干中間點精插補在1毫秒甚至更短的周期里把這些點細化成每個軸的位置增量。這里有個實操心得插補周期越短軌跡越平滑但對控制器算力和總線帶寬的要求越高。我做過一個圓弧插補的項目插補周期從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械本身的響應能力跟不跟得上機械跟不上的話插補再細也是白搭。2.2 控制層控制器選型要看的三個硬指標控制器的選擇上常見的有三類PLC加運動控制模塊、獨立運動控制卡、以及軟PLC加實時系統(tǒng)。它們沒有絕對優(yōu)劣看的是軸數(shù)、同步要求和開發(fā)效率。選型時我會重點看三個指標。第一是最大軸數(shù)和同步軸數(shù)很多PLC標稱支持16軸但真正能做插補同步的可能只有4軸剩下的只能做單軸定位這個差別在選型手冊里往往寫在很小的字里。第二是最小插補周期和總線類型EtherCAT這類實時總線能做到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同步的場合沒有這兩個功能就得用別的方式硬湊非常痛苦。我踩過的坑是早期用某款PLC做四軸聯(lián)動手冊寫著支持直線插補結(jié)果發(fā)現(xiàn)四軸插補時最高速度被限制在單軸的三分之一因為它的插補運算是在主循環(huán)里做的軸數(shù)一多就算不過來。后來換成帶專用運動協(xié)處理器的控制卡問題才解決。所以選型時一定要問清楚滿軸聯(lián)動時的性能衰減是多少別只看單軸指標。2.3 驅(qū)動層PWM、死區(qū)與母線電壓的關(guān)系驅(qū)動器做的事情本質(zhì)上是把直流母線電壓通過PWM斬波變成電機三相需要的等效電壓和頻率。這里有幾個參數(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、噪聲小但開關(guān)損耗大、發(fā)熱多。我一般在16kHz附近取一個平衡點既能避開人耳敏感頻段8kHz附近容易聽到刺耳嘯叫又不至于讓驅(qū)動器燙得摸不了。死區(qū)時間是個容易被忽視的參數(shù)。上下橋臂不能同時導通否則母線直接短路所以要在切換時插入一段死區(qū)。死區(qū)太長會畸變輸出電壓尤其在低速小電流時明顯表現(xiàn)為低速運行不平穩(wěn)。死區(qū)太短則可能直通炸管。這個參數(shù)一般由驅(qū)動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伺服會有輕微爬行。母線電壓的選擇也講究。同樣的電機母線電壓越高能達到的最高轉(zhuǎn)速越高因為反電動勢限制了轉(zhuǎn)速上限。但電壓高了對絕緣和器件耐壓的要求也高。工程上常見的是220V交流供電對應310V左右的直流母線380V交流對應540V左右。如果你發(fā)現(xiàn)電機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。2.4 執(zhí)行與傳動層絲杠、同步帶、減速機的取舍傳動機構(gòu)決定了整個系統(tǒng)的剛性和精度上限也是最容易被省錢的地方。絲杠傳動精度高、剛性好但行程受限、成本高、長行程容易下垂同步帶傳動適合長行程、速度快但有彈性、定位精度差反向會有遲滯齒輪齒條剛性好、行程可以很長但齒隙處理麻煩噪音大。選絲杠的時候?qū)С淌莻€關(guān)鍵參數(shù)它直接決定分辨率和速度的權(quán)衡。導程小則分辨率高但速度上不去導程大則速度快但分辨率低。我一般這樣算假設(shè)電機額定轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)每分鐘減速比1想要最高速度600毫米每秒那導程至少得是600除以3000/60等于12毫米。如果同時要求分辨率0.001毫米用17位編碼器131072脈沖每轉(zhuǎn)那每毫米對應131072除以12約等于10922個脈沖足夠用。但如果導程只有5毫米最高速度就只有250毫米每秒達不到要求。這個賬一定要在選型階段算清楚。減速機的選擇上行星減速機是主流重點看背隙和額定扭矩。背隙標稱值一般分一級3弧分以內(nèi)、二級5弧分、三級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。這個背隙會直接反映成末端的位置誤差所以精密場合別用普通減速機。2.5 反饋層編碼器分辨率不等于精度編碼器是運動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量值與真值的偏差。一個23位絕對值編碼器分辨率高達8388608脈沖每轉(zhuǎn)但如果安裝偏心、讀數(shù)頭污染實際精度可能還不如一個安裝良好的17位編碼器。選編碼器時我看四個點分辨率、精度通常用角秒表示、重復性、以及輸出形式增量式還是絕對值式。絕對值編碼器斷電后位置不丟開機不用回零適合需要快速啟動或者斷電位置有意義的場合比如機械臂關(guān)節(jié)。增量式便宜、響應快適合連續(xù)旋轉(zhuǎn)測速的場合。光柵尺作為全閉環(huán)反饋時安裝位置很關(guān)鍵。它測的是工作臺的實際位移所以應該盡量靠近加工點裝在遠離熱源和切屑飛濺的位置。我見過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出來的位置反而是錯的。正確做法是尺身固定在不動的基座上讀數(shù)頭跟運動部件連接讓尺身代表參考坐標系。3. 參數(shù)怎么算、怎么調(diào)一次講透3.1 電子齒輪比算錯一次全盤皆輸電子齒輪比是把上位機的指令脈沖換算成電機實際轉(zhuǎn)動量的橋梁算錯了所有位置都會等比例偏。公式本身不復雜我用一個實際例子推一遍。設(shè)絲杠導程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。我們希望上位機發(fā)1個脈沖對應工作臺移動1微米0.001毫米。第一步算電機轉(zhuǎn)一圈工作臺走多少10毫米除以1等于10毫米也就是10000微米。 第二步算電機轉(zhuǎn)一圈需要多少個指令脈沖應該是10000個因為1脈沖對應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個反饋脈沖指令一圈需要10000個所以電子齒輪比等于10000比131072約分后是125比1638。反過來說如果要發(fā)1個脈沖對應0.01毫米那指令一圈需要1000個脈沖齒輪比就是1000比131072。這里有個坑必須提醒很多驅(qū)動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某個值你算出來一個不能約分的巨大分數(shù)就會報錯。解決辦法是把單位放大比如用0.01毫米作為一個指令單位脈沖數(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為齒輪比變大意味著同樣的指令頻率下電機轉(zhuǎn)得更快可能會超過電機額定轉(zhuǎn)速。我吃過這個虧改完齒輪比沒算速度跑程序時電機直接飛車報過速。3.2 三環(huán)整定的順序與經(jīng)驗數(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)好再進下一步。電流環(huán)通常由驅(qū)動器自動整定它會注入一個測試信號測量電機的電氣參數(shù)算出合適的增益。除非你換的不是原廠電機一般不用手動動它。如果確實要手動調(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、無明顯尖峰就說明調(diào)好了。速度環(huán)的核心參數(shù)是比例增益和積分時間。比例增益決定響應快慢積分時間決定消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度。調(diào)的時候先把積分作用關(guān)掉積分時間設(shè)到最大慢慢加大比例增益直到電機出現(xiàn)輕微嗡鳴或者用手轉(zhuǎn)動軸能感到明顯阻力但不振蕩這是臨界點然后退回到臨界值的60%到70%。再把積分時間逐步調(diào)小直到低速運行時速度波動消失。經(jīng)驗值上中小慣量負載的速度環(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為位置環(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)邊做定位測試看階躍響應曲線上升時間快、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程中如果電機發(fā)出尖銳嘯叫、軸劇烈抖動或者驅(qū)動器報過載立刻停機降增益不要抱著再調(diào)一點點說不定就好了的想法繼續(xù)下去很可能燒驅(qū)動模塊。3.3 慣量比匹配與前饋補償慣量比是負載慣量除以電機轉(zhuǎn)子慣量這個比值決定了控制的難度。比值越大負載對力矩變化的響應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)高性能場合3以內(nèi)超過10就需要加裝減速機或者換更大慣量的電機。怎么測慣量比大多數(shù)現(xiàn)代驅(qū)動器都有自動辨識功能運行一次辨識程序就能讀出當前慣量比。如果沒有也可以用經(jīng)驗法手動把軸轉(zhuǎn)起來感受一下或者用驅(qū)動器自帶的頻率響應分析工具。我通常會要求機械設(shè)計提供的三維模型里給出負載轉(zhuǎn)動慣量自己再核算一遍因為很多設(shè)計者會漏掉聯(lián)軸器和絲杠本身的轉(zhuǎn)動慣量折算。前饋補償是提升動態(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提前給出對應的力矩補償減少跟隨誤差加速度前饋則針對啟動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%左右超過這個比例容易引起過沖。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)點是計算簡單、效率高缺點是加速度突變會對機械產(chǎn)生沖擊也就是所謂jerk無窮大。這會導致機械振動、噪音大長期運行還會讓絲杠、聯(lián)軸器松動。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渡。好處是沖擊小、噪聲低、機械壽命長代價是同樣的行程下運行時間略長因為加減速階段被拉長了。我做過一個對比測試行程200毫米、最高速度500毫米每秒的往復運動梯形曲線單程0.52秒S型曲線0.58秒慢了約12%但S型曲線的振動加速度峰值只有梯形的三分之一。所以怎么選傳送、搬運這類對時間敏感、機械又比較結(jié)實的場合用梯形精密加工、高速往復、有視覺檢測的場合用S型。有個折中方案是梯形加圓弧過渡只在加減速切換點做平滑兼顧效率和柔和度我很多項目都用這個。4. 動手搭一套三軸系統(tǒng)從選型到聯(lián)調(diào)4.1 硬件選型清單與預算分配這里以一套用于小型零件搬運加定位的三軸直角坐標機器人為例行程X軸400毫米、Y軸300毫米、Z軸100毫米負載2公斤要求重復定位精度±0.02毫米節(jié)拍要求單次搬運2秒以內(nèi)。清單如下三套400瓦交流伺服電機配驅(qū)動器X、Y軸一套200瓦Z軸三根C5級滾珠絲杠導程10毫米三個行星減速機減速比5Z軸帶抱閘一塊四軸EtherCAT運動控制卡一套開關(guān)電源和斷路器一個24伏直流電源給傳感器和IO供電三組限位開關(guān)和一組原點開關(guān)以及結(jié)構(gòu)件、拖鏈、線纜若干。預算大致分配是機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占半成。為什么X、Y軸選400瓦而不是200瓦這里要算。負載2公斤加上滑臺自身質(zhì)量約3公斤總質(zhì)量5公斤要在這個質(zhì)量下達到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。絲杠導程10毫米減速比5那么電機需要輸出的力矩是24.5乘以0.01除以2π乘以5約等于0.0078牛米看起來很小。但別忘了還要克服摩擦、加速絲杠自身慣量、以及預留足夠余量。實際算上安全系數(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——負載折算到電機軸的慣量加上絲杠慣量跟電機轉(zhuǎn)子慣量的比值要控制在5以內(nèi)200瓦電機轉(zhuǎn)子慣量太小比值容易超標導致整定困難。4.2 上電前的接線自查這一步不能省我見過太多因為一根線接錯導致驅(qū)動器炸機的案例。上電前我必做的檢查有四項主回路相序和電壓、編碼器線序和屏蔽、限位信號方向和電平、以及接地。主回路檢查用萬用表量輸入電壓是否在驅(qū)動器標稱范圍內(nèi)三相的相間電壓是否平衡。編碼器線要重點看屏蔽層是否單端接地通常接驅(qū)動器側(cè)雙端接地容易形成地環(huán)路引入干擾。限位和原點開關(guān)要確認是常開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)錯會導致撞機或者回零失敗。接地這一項最容易被忽視。伺服系統(tǒng)的地線不是可選項電機外殼、驅(qū)動器外殼、控制柜、機械床身都要可靠接地接地電阻越小越好。我遇到過一次位置隨機跳變的問題排查了很久最后發(fā)現(xiàn)是電機地線沒接干擾通過編碼器線串進了反饋信號。另外動力線和信號線要走不同的線槽實在要交叉就垂直交叉別平行走線。4.3 驅(qū)動器參數(shù)的落地設(shè)置驅(qū)動器上電后按順序配置這些參數(shù)。第一步設(shè)電機代碼或者手動輸入電機參數(shù)讓驅(qū)動器認識自己帶的是什么電機。第二步做編碼器偏移角自學習讓驅(qū)動器知道編碼器零點和電機磁極的對應關(guān)系不做這一步電機可能反轉(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)限位和原點相關(guān)的輸入輸出定義以及報警輸出的邏輯。第五步做慣量辨識把辨識出的慣量比填進去。第六步整定三環(huán)參數(shù)可以用自整定功能打底再手動微調(diào)。這里有個順序上的經(jīng)驗一定先做編碼器偏移學習再做慣量辨識因為偏移角不對的話慣量辨識結(jié)果會不準。另外自整定出來的參數(shù)只是起點實際帶載之后還要微調(diào)因為自整定通常是在空載或輕載下做的。4.4 上位機程序的框架用運動控制卡的話程序結(jié)構(gòu)大致是四層。第一層是初始化打開設(shè)備、設(shè)置軸參數(shù)、配置IO。第二層是狀態(tài)機管理回零、就緒、運行、報警幾個狀態(tài)。第三層是運動指令封裝點位運動、直線插補、圓弧插補。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位運動的基本流程# 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) # 點位運動 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應起來如果這里填錯了后面所有位置都是錯的。另外 set_accel 的單位是毫米每平方秒要跟前面的機械計算對齊不能隨便填。4.5 聯(lián)調(diào)驗收的五個動作系統(tǒng)裝好之后我一般按這五步驗收。第一手動低速點動每個軸確認方向和限位有效。第二單軸回零三次檢查回零位置的重復性用千分表測量偏差應該小于0.01毫米。第三單軸定位測試從不同方向接近同一目標點測反向誤差這個值反映的是機械間隙。第四兩軸直線插補走一個正方形測四個角的垂直度和邊長的直線度。第五模擬實際節(jié)拍跑半小時觀察溫升、噪音、有無報警。這里有個隱蔽的問題要特別注意溫升引起的漂移。絲杠和導軌跑一段時間會發(fā)熱膨脹位置會慢慢偏。檢測方法是連續(xù)跑一千次定位記錄每次到位后的實際位置看有沒有單調(diào)漂移的趨勢。如果有說明需要預熱時間或者加溫度補償。我做激光切割機的時候開機前二十分鐘的切割尺寸跟穩(wěn)定后差0.03毫米后來在程序里加了預熱循環(huán)才解決。5. 現(xiàn)場故障排查實錄5.1 常見故障速查表現(xiàn)象可能原因排查順序定位不準、有固定偏差電子齒輪比錯誤、絲杠導程參數(shù)填錯先核對齒輪比再用千分表實測驗證反向接近同一目標點有誤差機械反向間隙、聯(lián)軸器松動測反向差值檢查消隙結(jié)構(gòu)隨機位置跳變編碼器干擾、屏蔽接地不良檢查接地、分離動力與信號線電機嘯叫、發(fā)熱嚴重增益過高、慣量比過大降增益、做慣量辨識、考慮加減速機低速爬行、不平穩(wěn)死區(qū)影響、摩擦過大、增益過低檢查導軌潤滑、適度提高低速增益高速時報警過載速度超過額定、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原點開關(guān)電平設(shè)反、回零速度過快手動觸發(fā)開關(guān)看信號、降低回零速度通信偶發(fā)斷連線纜過長、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 定位不準的排查路徑怎么走定位不準是最常見的抱怨但不準有很多種必須先區(qū)分是重復性差還是準確性差。重復性差指的是每次到同一個點的位置都不一樣準確性差指的是每次都停在同一位置但這個位置偏了。如果是重復性差優(yōu)先懷疑機械和信號。機械上查絲杠螺母是否松動、聯(lián)軸器是否有間隙、導軌預緊是否合適。信號上查編碼器線是否受干擾、驅(qū)動器分辨率是否夠。有一次我遇到重復性0.05毫米的問題最后發(fā)現(xiàn)是聯(lián)軸器的膜片有微小變形每次換向時釋放不同的應力換了個剛性聯(lián)軸器問題消失。如果是準確性差但重復性好那基本就是參數(shù)或者標定問題。先核對電子齒輪比和絲杠導程再檢查是否有工具坐標偏移沒補償。這類問題好解決因為現(xiàn)象穩(wěn)定公式一推就能找到。排查的時候我習慣用一張簡單的記錄表每次定位后記錄目標值、實際值、接近方向跑二十次之后看數(shù)據(jù)分布。數(shù)據(jù)如果是隨機散布就是信號或機械問題如果是隨方向變化的系統(tǒng)偏差就是標定問題。這個方法比盲目調(diào)參數(shù)效率高得多。5.3 抖動和嘯叫怎么下手抖動分兩種低頻抖動和嘯叫。低頻抖動通常是位置環(huán)或速度環(huán)增益過高或者是機械共振。判斷方法很簡單把增益降一半看抖動是否消失消失就是增益問題不消失就是機械共振。機械共振的處理辦法是加陷波濾波器。驅(qū)動器一般提供兩到四個陷波器通過頻率響應分析找出共振點頻率把它填進陷波器參數(shù)即可。我做過一臺龍門結(jié)構(gòu)的機器共振點大約在80赫茲加了陷波器之后抖動完全消失。如果沒有分析工具也可以手動掃頻從低頻往高頻慢慢增加激勵頻率觀察哪個頻率下振幅最大。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載波頻率試試避開人耳敏感區(qū)。如果嘯叫伴隨電機發(fā)熱多半是增益過高導致電流振蕩需要降增益。還有一種情況是電機和機械的固有頻率接近這就要靠改變連接剛度或者加阻尼來解決純調(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概念但現(xiàn)象很像都是走了一段沒到位。丟步是脈沖發(fā)了但電機沒跟上通常發(fā)生在步進電機或者伺服過載時丟包是脈沖根本沒發(fā)出去通常發(fā)生在通信環(huán)節(jié)。判斷方法讀驅(qū)動器的位置反饋值跟控制器發(fā)出的指令值對比。如果反饋值等于指令值但機械位置不對那是機械丟步或者打滑如果反饋值就小于指令值說明指令沒發(fā)全是通信問題。通信丟包常見原因有三個線纜過長超過總線規(guī)定長度、屏蔽和接地不良、以及終端電阻沒裝或者裝錯位置。EtherCAT這類總線對線纜和拓撲有明確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)線接遠程IO結(jié)果每天偶發(fā)一兩次通信報警換成屏蔽雙絞線后再沒出現(xiàn)過。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啟動三軸以上聯(lián)動時同步這件事比想象的復雜。真正的同步要求各個軸在同一時刻到達各自目標位置而不是各自跑各自的。這就要求插補運算必須在統(tǒng)一的時間基準下進行各軸的速度規(guī)劃要協(xié)調(diào)。以四軸為例如果用四個軸分別做點位運動由于各軸行程和速度不同到達時間會不一致。正確做法是把四個軸的目標位置打包成一個多維向量統(tǒng)一做速度規(guī)劃找出最慢的那個軸作為時間基準其他軸按比例降速。這個過程叫速度歸一化。凸輪同步是更高級的形式主軸和從軸之間通過凸輪表建立位置對應關(guān)系從軸的位置完全由主軸位置決定。飛剪、追剪、包裝機上的旋轉(zhuǎn)切刀都靠這個。凸輪表的精度直接決定同步精度我一般會把凸輪表做得很密用插值方式讀取避免表格太稀導致中間過程抖動。電子齒輪同步則更簡單從軸速度等于主軸速度乘以一個比例系數(shù)適合傳送帶跟隨、印刷套色這類場合。它的優(yōu)點是參數(shù)簡單、動態(tài)響應好缺點是只能做比例關(guān)系做不了非線性的對應。6.2 視覺引導與力控的延伸方向運動控制往上走兩個明顯的方向是視覺引導和力控。視覺引導是把相機拍到的目標位置轉(zhuǎn)換成機器人坐標系下的坐標再下發(fā)給運動控制系統(tǒng)。這里的關(guān)鍵是標定包括相機內(nèi)參標定和手眼標定。手眼標定的精度直接決定抓取精度我一般會用九點標定法在視野內(nèi)取九個點讓機器走一遍記錄像素坐標和機械坐標擬合出變換矩陣。標定有個容易忽略的點是畸變。鏡頭畸變會讓邊緣區(qū)域的定位不準尤其是廣角鏡頭。解決辦法是先做鏡頭畸變校正再做手眼標定順序反了誤差會疊加。我做過一個抓取項目邊緣區(qū)域誤差比中心區(qū)域大0.5毫米后來加了畸變校正降到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)境接觸的場合。實現(xiàn)方式有基于力傳感器的直接力控也有基于電流估計的無傳感器力控。后者成本低但精度差前者貴但可靠。裝配類應用我一般用力傳感器打磨類可以考慮電流估計。力控的難點在于接觸瞬間的穩(wěn)定性需要對環(huán)境剛度做估計并做阻抗匹配這里展開講能寫一整篇先記一筆。6.3 我踩過的幾個坑希望你別再踩第一別在沒做機械檢查的情況下調(diào)參數(shù)。很多參數(shù)問題的根源在機械機械不修好參數(shù)調(diào)得再好也是暫時的。我現(xiàn)在的習慣是每次調(diào)試前先用手推一下軸感受阻力和間隙有問題先修機械。第二別相信默認參數(shù)能跑就行。默認參數(shù)通常是為了兼容性設(shè)的保守值性能發(fā)揮不出來。帶載調(diào)試是必須的而且要在最惡劣的工況下測比如最大負載、最高速度、最急加減速。第三注意溫升的累積效應。連續(xù)運行兩小時和剛開機半小時的系統(tǒng)表現(xiàn)可能差很多驗收一定要跑夠時間。我曾經(jīng)交付過一臺設(shè)備客戶連續(xù)跑了八小時之后精度超差回頭查是電機和絲杠溫升導致的最后加了預熱程序和溫度補償。第四備份參數(shù)。每次調(diào)好之后把驅(qū)動器參數(shù)導出存一份標注好對應的機械配置和日期。換驅(qū)動器或者恢復出廠設(shè)置之后這份備份能省你好幾個小時。我吃過這個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)計到極限值留20%到30%的余量?，F(xiàn)場的電壓波動、環(huán)境溫度、負載變化都會吃掉余量設(shè)計時卡得太死運行起來就是天天出問題。運動控制這東西手冊上寫的都是理論邊界真正的經(jīng)驗都在這些邊界之外的細節(jié)里。希望這些筆記能幫你在下次調(diào)試時少走點彎路。