FANUC伺服優(yōu)化功能在模具加工中的應用

葛阿萍

摘要：為了改善模具加工中零件加工表面存在振紋、過切等表面質量不佳的問題。文中通過FANUC SERVO GUIDE軟件測試機床的伺服系統(tǒng)性能，針對測試結果，對機床伺服系統(tǒng)三環(huán)參數、背隙加速等伺服參數進行逐步調試和優(yōu)化，并將優(yōu)化結果應用于某模具樣件加工試驗，試驗結果表明，優(yōu)化后的伺服系統(tǒng)響應性能和機床的加工性能都有所提高。

關鍵詞：伺服優(yōu)化;伺服系統(tǒng);SERVO GUIDE;加工質量

中圖分類號：TP273? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）35-0217-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Application of FANUC Servo Optimization Function in Mold Processing

GE A-ping

（Department of Mechanical Engineering，Wuhu Institute of Technology，Wuhu 241006，China）

Abstract： In order to improve the surface quality of parts in mold processing， such as chatter and overcut. In this paper， the servo system performance of the machine tool is tested by FANUC servo guide software. According to the test results， the three loop parameters and backlash acceleration parameters of the machine tool servo system are adjusted and optimized step by step， and the optimization results are applied to ta mold sample processing test. The test results show that the? response performance and machine tool processing performance of the optimized servo system are improved.

Key words： servo optimization; servo system; servo guide; machining quality

數控機床是模具產品的生產載體，其伺服系統(tǒng)性能的好壞直接影響著模具產品的加工質量。一般在機床剛出廠時，廠家會給定一組能夠保證正常加工的參數值，但并不能發(fā)揮機床最佳的加工性能[1]。另一種情況是隨著數控機床使用時間的增加，機床的機械性能發(fā)生了變化。此時與之相關的伺服參數也要隨之做出調整，否則會引起機床機電不匹配，造成機床運行不穩(wěn)，產生振動，使得零件加工表面存在振紋、過切等表面質量不佳的問題[2]。因此為了保證模具產品的加工精度和表面質量，對數控機床伺服系統(tǒng)進行優(yōu)化顯得尤為必要。文中通過FANUC SERVO GUIDE軟件測試機床的伺服系統(tǒng)性能，針對測試結果，對機床伺服系統(tǒng)三環(huán)參數、背隙加速等參數進行逐步調試和優(yōu)化，以獲得良好的伺服動態(tài)性能和機械剛性，使數控機床處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，充分發(fā)揮最優(yōu)加工性能，從而提升模具產品加工品質和精度。

1 伺服優(yōu)化原理和內容

1.1 伺服優(yōu)化原理

數控機床伺服系統(tǒng)優(yōu)化的目的，是為了更好地優(yōu)化機械特性和電氣特性之間的配合，以獲得更高的伺服系統(tǒng)響應和機械剛性，從而獲得更好的加工性能[2]。

FANUC伺服系統(tǒng)控制采用三環(huán)控制的方式，如圖1所示[2-3]。FANUC系統(tǒng)將伺服三環(huán)控制集成在NC的軸卡上，通過接收NC所發(fā)出的指令，經軸卡的三環(huán)處理后輸出至放大器，驅動電機運行。最內環(huán)是電流控制，中間環(huán)是速度控制，最外環(huán)為位置控制。三環(huán)中，電流環(huán)是整個伺服系統(tǒng)控制的根本環(huán)節(jié)，作用是提高系統(tǒng)的快速性，限制最大電流，使系統(tǒng)有足夠大的加速轉矩。速度環(huán)是伺服控制的中間環(huán)節(jié)，作用是提高系統(tǒng)抗負載擾動能力，抑制速度波動。位置環(huán)是最外環(huán)，其作用是保證系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動態(tài)跟隨性能[4]。三環(huán)中，電流環(huán)響應速度最快，其次是速度環(huán)，最后是位置環(huán)。若要提高位置環(huán)回路增益須先提高速度環(huán)回路增益，否則容易導致機床振蕩，運行不穩(wěn)。因此，伺服優(yōu)化應遵循“由內而外”的原則，秉承先電流環(huán)、后速度環(huán)，最后位置環(huán)的先后順序進行優(yōu)化。

伺服優(yōu)化的實質是根據機床的頻率響應曲線、圓弧測試圖進行分析，合理調整伺服三環(huán)參數，盡可能使各軸精確的跟隨移動指令和抑制干擾扭矩，即在一定的機械狀態(tài)下確保伺服系統(tǒng)不會出現振蕩，保證三環(huán)控制回路能夠在高響應、高剛性下“和諧”工作[5-6]。

1.2 伺服優(yōu)化的內容

對于數控機床伺服優(yōu)化主要包括兩個方面[7]：

（1）提高伺服電機增益，抑制機床振動

通過頻率響應測試抑制機床共振點，提高機床增益，以匹配機床的機械剛性、提高電機的響應速度。

（2）循圓象限凸起抑制，調整加工精度

通過觀察機床圓弧象限測試進行調整，抑制伺服軸換向時的凸起，消除加工時的象限痕。

2 伺服優(yōu)化案例分析

2.1 加工故障現象

某加工中心使用FANUC 0i-MF系統(tǒng)加工模具產品試件，使用AICC功能，進給量為2000mm/min， 經加工后，零件加工表面有明顯的振紋，存在過切，如圖2所示。

2.2 伺服優(yōu)化方案

（1）首先利用SERVO GUIDE軟件測試機床3軸靜態(tài)頻率響應曲線，觀察機床的機械性能。靜態(tài)頻率響應測試是SERVO GUIDE調試中非常重要的一環(huán)，它波形的好壞反映了機床很重要的機械特性，它調整的好壞直接影響了后續(xù)圓弧部分的調整，以及機床運行的平穩(wěn)和加工效果的好壞，在整個調試中具有非常重的分量。頻率響應測試通過頻率響應測量各軸的共振點，并用濾波器參數來抑制共振[5]。在滿足波形要求，保證共振點被抑制的情況下，提高速度環(huán)路增益。以X軸測試為例，優(yōu)化前頻率響應圖如圖3所示。

調試中主要以幅頻特性曲線作為考察伺服特性的主要依據[5]。由圖3可知，幅頻曲線在低頻50HZ—200HZ范圍內幅值低于0dB，表示系統(tǒng)響應滯后。先檢查電流環(huán)參數，發(fā)現“HRV+控制有效”未選中，如圖4所示。此功能是在HRV3基礎上進行控制的，即HRV3+功能，可以實現電流環(huán)更高速響應和較高的速度增益設定。選中“HRV+控制有效”選項，再次測試頻響曲線，如圖5所示。

在使用了HRV+控制有效后，低頻部分幅值基本接近0dB，系統(tǒng)響應滯后明顯改善。但高頻部分在380hZ左右仍存在明顯的共振點。調試中逐步加入濾波器來抑制高頻振蕩。在使用 HRV 濾波器后機床高頻共振被抑制，振蕩現象明顯減弱。機床消除振動的原則是在抑制掉高頻振蕩點后，確保機床平穩(wěn)運行的狀態(tài)下盡可能提高機床伺服系統(tǒng)速度增益[4]。經反復調試，最終將速度環(huán)增益由原來的150調整到最終的180。優(yōu)化前后的速度環(huán)參數設置如圖6所示。

最終優(yōu)化后X軸頻響特性曲線如圖7所示。此時曲線的最高點低于5dB，高頻衰減區(qū)域的幅值低于-20dB。經優(yōu)化后的機床機械特性已明顯提高，既充分發(fā)揮了伺服的剛性余量，又保證了伺服軸的穩(wěn)定運行。

（2）在合理優(yōu)化了三軸伺服環(huán)增益，確保三軸在高剛性下穩(wěn)定運行后。將CMR（柔性齒輪比）擴大10倍（系統(tǒng)檢測精度提升）。因為在機械性能較好的前提下，擴大CMR倍數能夠改善電流特性曲線，使得機床運行更加平穩(wěn)，降低電流波動，對加工表面的光潔度一定的改善作用。

（3）經上述調試后，機床高頻振動被抑制，伺服響應性能有所提高。再次加工，奔馳件試件表面振紋已明顯改善，但加工試件上仍存在過切現象，需通過圓度測試進一步檢測。以XY插補圓弧為例，如圖8所示。橫軸為X軸，縱軸為Y軸。

根據XY軸圓度測試圖分析，四個象限均有凸起，Y軸兩象限凸起接近10um。這可能是造成工件加工爬坡過切的原因。在機床系統(tǒng)中，當反沖摩擦的影響較大時，在電機反轉時，就會產生延遲，造成圓弧切削時的象限凸起。以Y軸為例，嘗試對Y軸的象限凸起進行補償，試著將背隙加速補償參數調大，觀察Y軸象限凸起有所改善，經反復調試，將Y軸背隙加速補償量（NO.2048）由原來的200增加到600，背隙加速有效時間（NO.2071）由原來的0增加到10。X軸背隙加速補償量由原來的0增加到300，背隙加速有效時間由原來的0增加到6。經優(yōu)化后的XY軸圓弧圖形如圖9所示。四個象限凸起均被抑制在5um以內，明顯改善。

2.3 加工測試

完成上述步驟調試后，使用AICC功能，再次加工。由于高頻振動得到抑制，象限凸起現象改善，使得機床運行平穩(wěn)。最終加工效果刀路整齊，表面光滑無振紋，過切現象有所改善。加工后試件如圖10所示。

3 結語

經試驗研究結果表明，通過FANUC伺服優(yōu)化可有效解決模具加工中零件表面振紋和過切現象，改善模具產品表面加工品質和加工精度，提高數控機床的加工性能。在實際伺服優(yōu)化過程中，由于各廠家機床本身機械的不同，裝配的差異，其伺服參數調整會有些差異，即便是同一臺機床不同時期因磨損使用程度的不同，其伺服優(yōu)化也并不完全相同，但整個伺服優(yōu)化的方法和流程大體一致。伺服優(yōu)化是一項煩瑣的工作，需反復調試，摸索總結，方能確定好的優(yōu)化結果。

參考文獻：

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