發(fā)那科SERVO GUIDE在數(shù)控車床上的應(yīng)用

黃一師

（沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司沈一車床廠，沈陽(yáng) 110142）

1 概述

FANUC 0i-Mate TD系統(tǒng)從里至外分為電流控制（電流環(huán)）、速度控制（速度環(huán)）和位置控制（位置環(huán)）（圖1），伺服調(diào)試的首要任務(wù)就是3個(gè)環(huán)在高響應(yīng)、高剛性下“和諧”工作，既合理提高伺服增益，且必須保證伺服系統(tǒng)不出現(xiàn)振蕩。另外，伺服的加減速也需要根據(jù)實(shí)際機(jī)械進(jìn)行調(diào)整，保證最合理的加減速，實(shí)現(xiàn)伺服的高速和高精度，由此引出伺服優(yōu)化的兩個(gè)主要方面。

圖1 FANUC系統(tǒng)伺服控制原理

1.1 3環(huán)調(diào)整。確保在高響應(yīng)、高剛性下穩(wěn)定工作。

1.2 加減速調(diào)整。包括切削（插補(bǔ)前、插補(bǔ)后切削時(shí)間常數(shù)）和快速時(shí)間常數(shù)。

下面以圓的調(diào)整為例，說(shuō)明FANUC伺服調(diào)試軟件SERVO GUIDE的應(yīng)用，圓的調(diào)整主要包含圓度、大小以及象限調(diào)整。

2 圓度的調(diào)整

圓度的問(wèn)題即程序在執(zhí)行G02或G03命令時(shí)，加工出的圓輪廓呈橢圓或葫蘆形狀，主要原因是插補(bǔ)的兩軸動(dòng)態(tài)不匹配，其中參數(shù)原因主要如下。

2.1 參與插補(bǔ)的兩軸加減速時(shí)間常數(shù)的類型、大小是否一致（包括一般模式和高速高精度模式下插補(bǔ)前/插補(bǔ)后）。涉及參數(shù)：1610#1=1時(shí)，直線型加減速常數(shù)有效；1620表示各軸快速進(jìn)給的加減速時(shí)間常數(shù)。

2.2 前饋功能使用與否、前饋系數(shù)是否設(shè)定一致。涉及參數(shù)：2005#1=1時(shí)，前饋功能有效；2092表示先行前饋系數(shù)；2069表示速度前饋系數(shù)。

2.3 位置環(huán)增益設(shè)定是否一致。涉及參數(shù)：2212#6=1時(shí)，切削/快速進(jìn)給位置環(huán)增益開(kāi)關(guān)功能有效；1825表示位置環(huán)增益。

若兩軸的前饋功能未使用、或前饋系數(shù)和位置環(huán)增益設(shè)定不一致，則加工出的圓弧仍然有致命缺陷。因此調(diào)試前，務(wù)必對(duì)照X、Z軸的設(shè)定值，確保X、Z軸設(shè)定一致，然后重新測(cè)試圓弧，確認(rèn)問(wèn)題是否解決。下面以測(cè)試圓弧半徑50 mm為例，說(shuō)明不同的參數(shù)設(shè)置對(duì)所形成圓弧的影響，圖2是X、Z軸不同加速度時(shí)生成的圓弧。

3 圓的大小調(diào)整

相對(duì)圓度問(wèn)題，一般情況下，圓大小問(wèn)題對(duì)加工精度影響較小，對(duì)于圓大小引起的原因主要是伺服滯后帶來(lái)的加工形狀誤

差。在系統(tǒng)側(cè)可以使用前饋功能和X、Z兩軸插補(bǔ)后，適當(dāng)設(shè)定較小的加減速時(shí)間常數(shù)等方法，改善伺服滯后所引起的加工形狀誤差。

圖2 生成圓弧

3.1 前饋功能是否使用。涉及參數(shù)：2005#1=1時(shí)，前饋功能有效。

3.2 前饋系數(shù)設(shè)定。涉及參數(shù)：2092表示位置前饋系數(shù)；2069表示速度前饋系數(shù)；2095表示前饋定時(shí)調(diào)整參數(shù)。

3.3 前饋功能在進(jìn)行伺服初始化設(shè)定時(shí)，都將會(huì)沖掉，故需要注意重新進(jìn)行設(shè)定。

前饋優(yōu)化前后生成的圓弧見(jiàn)圖3，可見(jiàn)，優(yōu)化后的圓大小明顯優(yōu)于優(yōu)化前的。

圖3 生成圓弧

4 圓象限的調(diào)整

圓象限的調(diào)整是伺服調(diào)試中較為困難之處，在實(shí)際加工中，對(duì)于加工過(guò)象限地方出現(xiàn)的象限條紋原因很多，主要是機(jī)床在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的反向間隙引起。反向間隙加速功能的原理：在機(jī)床進(jìn)給軸的傳動(dòng)過(guò)程中，由于反向間隙、摩擦等因素，電機(jī)在反向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生滯后的反轉(zhuǎn)滯后，造成加工延時(shí)。此時(shí)，在加工圓弧象限過(guò)渡處將會(huì)留下象限凸起的條紋，將人為設(shè)定的反向間隙加速補(bǔ)償量補(bǔ)償至速度環(huán)積分環(huán)節(jié)的VCMD，以改善電機(jī)由于傳動(dòng)環(huán)節(jié)的影響造成的滯后。降低在反轉(zhuǎn)時(shí)的位置誤差，反向間隙加速功能調(diào)整（圓象限的調(diào)整）主要分為4個(gè)步驟。

4.1 將機(jī)床進(jìn)給軸的位置環(huán)和速度環(huán)增益調(diào)整至合理值。如果在進(jìn)給軸的增益沒(méi)有進(jìn)行合理調(diào)整之前，進(jìn)行進(jìn)給軸反向運(yùn)轉(zhuǎn)延時(shí)滯后調(diào)整。此時(shí)，反向間隙減速功能并不能很容易補(bǔ)償反轉(zhuǎn)滯后。提高伺服軸的位置環(huán)和速度環(huán)增益，本身就是提高伺服的響應(yīng)和剛性，進(jìn)而補(bǔ)償反轉(zhuǎn)滯后的延時(shí)影響。為此，在進(jìn)行反向間隙加速補(bǔ)償功能之前，務(wù)必將伺服電機(jī)的位置環(huán)和速度環(huán)調(diào)整至較高穩(wěn)定值，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行其他功能補(bǔ)償，則會(huì)很容易進(jìn)行補(bǔ)償。

4.2 背隙加速補(bǔ)償?shù)膮?shù)。涉及參數(shù)：1851為反向間隙補(bǔ)償值，圓弧調(diào)試設(shè)定為1，調(diào)試完成后，再恢復(fù)為實(shí)際值；2003#5=1，反向間隙加速功能，設(shè)定為1時(shí)，開(kāi)通該功能；2006#0=0，反向間隙補(bǔ)償功能是否有效，通常設(shè)定為0；2009#7=1，反向加速停止功能，通常設(shè)定為1；2009#6=1，反向間隙加工功能僅切削有效（前饋）；2223#7=1，反向間隙加工功能僅切削有效（G01）；2048=600，反向間隙加速量，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置；2071=20，反向間隙加速有效時(shí)間，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。

調(diào)試時(shí)根據(jù)實(shí)際凸起量，進(jìn)行加速量（NO2048）和加速時(shí)間（NO2071）的配合調(diào)整，直至凸起消除。

4.3 進(jìn)行不同方向的補(bǔ)償。理論上，電機(jī)在從正到負(fù)和從負(fù)到正，其反向延時(shí)滯后的量應(yīng)一致。但由于機(jī)械安裝以及導(dǎo)軌摩擦等外界因素影響，在實(shí)際測(cè)試圓弧時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)不一致的情況。如果X或Z軸在兩個(gè)方向反轉(zhuǎn)延時(shí)滯后，在相同補(bǔ)償值下，其效果不一樣，此時(shí)需要根據(jù)不同方向分別進(jìn)行補(bǔ)償。涉及到的參數(shù)為反向間隙加速。

4.4 重力軸的特殊注意。通常的機(jī)械設(shè)計(jì)，重力軸都為配重鐵塊或氮?dú)馄胶鈿飧灼胶庵鬏S。但是若配重鐵塊和主軸側(cè)重量差異過(guò)大，則需要進(jìn)行重力軸的扭距補(bǔ)償，確保Z軸上下反轉(zhuǎn)時(shí)凸起量一致。在保證了上下兩個(gè)方向凸起量一致基礎(chǔ)上，再使用一段反向間隙加速功能進(jìn)行細(xì)致調(diào)整。涉及參數(shù)號(hào)為2087（補(bǔ)償扭矩），其設(shè)定值可設(shè)定正值（配重過(guò)輕）和負(fù)值（配重過(guò)重）。背隙加速優(yōu)化前后生成的圓弧見(jiàn)圖4。

圖4 生成圓弧

圖5 圓弧圓度及各軸反向間隙

為驗(yàn)證機(jī)床伺服優(yōu)化后的效果，使用球桿儀檢驗(yàn)伺服優(yōu)化后的機(jī)床效果，球桿儀測(cè)試的圓弧半徑均為50 mm，SERVO GUIDE優(yōu)化前后，使用球桿儀測(cè)出的圓弧圓度及各軸反向間隙見(jiàn)圖5。

經(jīng)過(guò)對(duì)60臺(tái)使用FANUC 0i-Mate TD系統(tǒng)的ETC3650dh機(jī)床進(jìn)行伺服優(yōu)化后，現(xiàn)場(chǎng)找到機(jī)床共同點(diǎn)，即機(jī)床在加工圓弧時(shí)，兩軸的靜、動(dòng)態(tài)不匹配，加工出的圓弧精度低。使用SERVO GUIDE軟件優(yōu)化機(jī)床后，從圖5中得出結(jié)果，優(yōu)化后機(jī)床兩軸的間隙，反向躍沖，圓度精度等均得到很大提高，特別是機(jī)床的圓度提高了30 μm，較好避免了機(jī)床過(guò)切或少切，明顯提高了機(jī)床加工精度。將優(yōu)化后的參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，拷貝到同類型機(jī)床上，機(jī)床生產(chǎn)進(jìn)度加快，取得良好經(jīng)濟(jì)效益。