數(shù)控機床伺服調(diào)整在機床調(diào)試中的重要性

楊國棟 何紅欣

(漢川機床集團有限公司,陜西漢中 723003)

1 問題的提出

XH716E加工中心采用的是FANUC 0i-MC系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng),三軸聯(lián)動,可以實現(xiàn)各種復(fù)雜零件和模具的加工。在對一臺XH 716E機床作試切實驗時發(fā)現(xiàn)加工的試件表面出現(xiàn)圖1的條紋,并且表面局部有麻點。

要解決以上問題,必須對機床的伺服系統(tǒng)進行細致的調(diào)整。

2 FANUC伺服控制環(huán)路的分析

FANUC數(shù)控系統(tǒng)及驅(qū)動控制主要包括電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三個環(huán)路。控制框圖見圖2。

2.1 電流環(huán)控制

電流環(huán)的調(diào)整主要是對電流濾波器的調(diào)整。通過圖2框圖可以看出,內(nèi)部電流環(huán)的調(diào)節(jié)會影響外部速度環(huán)的性能,因此,電流環(huán)濾波器的調(diào)整通常在速度環(huán)調(diào)整中來進行。

2.2 速度環(huán)控制

速度環(huán)位于電流環(huán)和位置環(huán)的中間,其控制相對復(fù)雜,控制框圖見圖3。

速度環(huán)設(shè)定的主要參數(shù)有速度環(huán)積分增益(PK1V)P2043、速度環(huán)比例增益(PK2V)P2044、速度環(huán)不完全積分增益(PK3V)P2045、負載慣量比P2021以及電流濾波器1～4。

速度環(huán)積分增益是速度環(huán)的低頻增益,決定伺服的響應(yīng)性能,穩(wěn)定的范圍越大,伺服特性就越好。而速度環(huán)比例增益是高頻增益、高頻振蕩,就要下調(diào)PK2V。低頻振動,也可提高PK2V來加以改善。速度環(huán)不完全積分增益對伺服的穩(wěn)定性沒有影響,只對單脈沖進給和過沖有影響。PK1V和PK2V的調(diào)整通過調(diào)整負載慣量比P2021來完成。負載慣量比是速度環(huán)里最重要的參數(shù),它決定著速度環(huán)的增益大小,要仔細調(diào)整。

電流濾波器1～4主要是對速度環(huán)控制器頻域響應(yīng)中的波峰進行調(diào)節(jié),抑制振動,使伺服平穩(wěn)運行。特別說明,濾波器的數(shù)量應(yīng)是越少越好。

2.3 位置環(huán)控制

位置控制環(huán)在整個控制系統(tǒng)中舉足輕重,也是三個控制環(huán)中最為復(fù)雜的控制環(huán)。其內(nèi)容包括位置控制、前饋控制、精細加減速功能、靜摩擦補償功能及反向間隙加速功能等。其控制流程如圖4。

位置控制的主要參數(shù)就是位置環(huán)增益P1825,需要用專門伺服軟件仔細調(diào)整。調(diào)節(jié)位置環(huán)增益,可提高機械系統(tǒng)的響應(yīng)時間,更加精確地到達指令位置,提高機床定位精度。機床插補軸設(shè)定值應(yīng)設(shè)一樣。

前饋控制是提高位置精度、減小位置誤差的重要功能。因此在模具加工中選擇、調(diào)整前饋功能非常重要。需要調(diào)整前饋設(shè)定的參數(shù)有 P2092、P2068、P2069、P1768。

精細加減速功能(FAD)是用軟件進行加減速處理,實現(xiàn)平滑加減速的功能。在進行模具的高速、高精度加工時,使用FAD功能,有助于提高模具加工面精度,減小機床沖擊。因此,FAD參數(shù)P2109精細加減速時間常數(shù)需要通過伺服軟件對機床的運動分析測量后進行設(shè)定。

靜摩擦補償功能是當靜摩擦大時,在速度指令上增加補償數(shù)據(jù),可減小起動時的延遲。

反向間隙加速是因在圓弧切削時,電動機反轉(zhuǎn)時滯后,產(chǎn)生象限突起,為了改善象限突起,需要用此功能。

3 解決的方案

從FANUC伺服控制環(huán)路分析可知:此臺XH716E機床加工的零件表面粗糙度差,是由于速度環(huán)頻率響應(yīng)和位置環(huán)的頻率響應(yīng)沒有進行合理的調(diào)節(jié)引起,涉及主要參數(shù)有P2021、P1825和電流環(huán)濾波器1～4等;而表面有麻點狀況的產(chǎn)生主要是軸的過沖引起的,與精細加減速,前饋控制有關(guān),涉及的參數(shù)主要有P2109,P1620、P1621、P1622、P2092、P2068。

要完成這些參數(shù)的正確設(shè)定必須借助FANUC SERVO GUIDE專用軟件來完成。

3.1 速度環(huán)驅(qū)動響應(yīng)的測量和調(diào)整

(1)測量的內(nèi)容和目的

測量速度環(huán)控制系統(tǒng)頻率響應(yīng),設(shè)定參數(shù)P2021(負載慣量比)、P2069(速度前饋系數(shù))、P2107(切削時速度環(huán)增益倍率值)、P2335(高速HRV時速度環(huán)增益倍率值),及電流環(huán)濾波器1～4參數(shù)。

(2)測量結(jié)果評定和參數(shù)調(diào)節(jié)方法

觀察電流環(huán)頻率響應(yīng)的幅頻曲線圖,盡量提高P2021設(shè)定值,曲線在0～100 Hz時,應(yīng)平緩靠近在振幅0 dB位置;100～200 Hz時,曲線波峰盡量平緩,靠近0 dB位置,最大不超過10 dB;在200 Hz以上,通過曲線圖,找出共振點,設(shè)置電流環(huán)濾波器1～4,消除共振點,且共振點處曲線處于-10 dB以下,1 kHz附近的曲線低于-20 dB以下,曲線頻率響應(yīng)帶寬盡可能接近200 Hz。如圖5所示在滿足要求的情況下,濾波器數(shù)量應(yīng)越少越好。

3.2 位置環(huán)驅(qū)動響應(yīng)的測量和調(diào)整

(1)測量的內(nèi)容和目的

測量位置環(huán)頻率響應(yīng),設(shè)定參數(shù)P1825(伺服環(huán)增益,應(yīng)盡量提高該值)、P2092(位置前饋系數(shù))、P1768(先行控制插補后加減速時間常數(shù))、P2109(精細加減速時間常數(shù))、P1620(快速移動加減速時間常數(shù))、P1621(鐘形加減速時間常數(shù))、P1622(插補后加減速時間常數(shù))、P2048(反向間隙加速量)、P2071(反向間隙加速有效時間)、P2082(反向間隙加速停止距離)。

(2)測量結(jié)果評定和參數(shù)調(diào)節(jié)方法

用機床軸的快速移動、直線插補、圓弧插補,通過觀察TCMD(轉(zhuǎn)矩命令)、SPEED(電動機速度)波形,快速調(diào)整后的波形應(yīng)優(yōu)于或接進于圖6的波形,直線插補的波形應(yīng)優(yōu)于或接進于圖7所示的圖形;圓弧插補的圖形應(yīng)優(yōu)于或接近于圖8所示的圖形。

4 實際參數(shù)調(diào)整和加工效果

在調(diào)整過程中,涉及改變的參數(shù)如表1、表2、表3。

表1 速度環(huán)參數(shù)調(diào)整

表2 位置環(huán)參數(shù)調(diào)整

表3 電流環(huán)參數(shù)調(diào)整

為了測試驅(qū)動調(diào)整的效果,分別對機床參數(shù)調(diào)整前后進行了同一工件的試加工。加工工件為在一矩形(梯形)表面上加工一個弧形凹面和一個弧形凸面,材料為銅66X43,45°角往返進刀。R3 mm球形刀,進給F2500,主軸轉(zhuǎn)速S3800,加工時間約15 min。加工前后效果如圖1和圖9所示。

從試加工的結(jié)果可以看出,調(diào)整后的加工效果有了明顯的改善,大大減少和消除了工件表面的過切和麻點狀況,表面粗糙度值有很大減小。

5 結(jié)語

運用FANUC SERVO GUIDE軟件對伺服系統(tǒng)的調(diào)整能大大提高機床的加工性能,具有很強的實際應(yīng)用價值。但是值得說明的是由于加工對象的不同,對機床的性能要求也不盡相同。即使是同一臺機床,由于高速度和高精度只是相對而言,并且相互矛盾,在不同的時段,參數(shù)的調(diào)整也會有所不同。因此,在調(diào)整時應(yīng)根據(jù)實際情況尋找此參數(shù)的最佳平衡點。