基于FANUC31i的精密臥式加工中心伺服系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

嚴(yán)江云，郭 亮，孫挪剛，張 韜

（1.沈機集團 昆明機床股份有限公司，昆明 650203；2.西安交通大學(xué) 機械學(xué)院，西安 710049）

0 引言

隨著制造業(yè)的進步和飛速發(fā)展，對加工母機和裝備的精度提出了更高要求。數(shù)控機床作為裝備制造業(yè)的典型產(chǎn)品，其高速工況下具有較高的加工精度逐漸成為機床生產(chǎn)廠家的共同要求。伺服參數(shù)匹配及優(yōu)化設(shè)置對于提高數(shù)控機床精度，充分發(fā)揮并保證數(shù)控機床的良好的動靜態(tài)性能具有十分重要的意義，但對于伺服參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置目前尚缺乏系統(tǒng)的方法，因而使數(shù)控機床難以達到最優(yōu)性能。本文針對THM46100精密臥式加工中心，通過對伺服驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)進行整定優(yōu)化實現(xiàn)降低機床誤差并提高加工精度的目標(biāo)。

1 THM46100精密臥式加工中心簡介

THM46100精密臥式加工中心（沈機集團）昆明機床股份有限公司在國家機床重大專項支持下最新開發(fā)的四軸精密臥式加工中心，可廣泛應(yīng)用于復(fù)雜箱體類零件、盤類及模具等零件的加工。如圖1所示，該機床由X、Y、Z方向的直線進給軸和繞B軸的回轉(zhuǎn)工作臺構(gòu)成，為提高系統(tǒng)剛度而采用了“箱中箱”的獨特結(jié)構(gòu)，如圖2所示，并且為了保證X方向具有較大的驅(qū)動能力，而采用了X1、X2雙軸驅(qū)動的模式。由于該加工中心FANUC31i數(shù)控系統(tǒng)具有豐富的控制功能，因此此加工中心配置了FANUC31i數(shù)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)對X、Y、Z直線位移及B軸回轉(zhuǎn)位移的高速高精度控制。

圖1 THM46100精密臥式加工中心

圖2 THM46100機床機械結(jié)構(gòu)

2 伺服驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)整定方法研究

為提高數(shù)控機床的剛度、穩(wěn)定性及高速加工性能，需要對其控制系統(tǒng)的參數(shù)進行調(diào)試，一方面使得機械傳動系統(tǒng)和運動系統(tǒng)更好地匹配，另一方面補償由于機械系統(tǒng)的缺陷而引起的誤差。本文基于FANUC31i-MA，通過PI控制器參數(shù)整定和輪廓誤差抑制兩方面研究提高機床加工精度的方法。

2.1 三環(huán)PI控制器參數(shù)整定

圖3 控制系統(tǒng)三環(huán)控制結(jié)構(gòu)

如圖3所示，F(xiàn)ANUC31i-MA伺服驅(qū)動系統(tǒng)可簡化為傳統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三環(huán)控制結(jié)構(gòu)方式，分別通過位置控制環(huán)節(jié)（比例P控制器）、速度控制環(huán)節(jié)（比例積分PI控制器）、電流控制環(huán)節(jié)（比例積分PI控制器）等實現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制。對數(shù)控系統(tǒng)三環(huán)控制器PI參數(shù)的調(diào)節(jié)，對于提高機床的精度具有較為重要的意義。

由于內(nèi)環(huán)性能的優(yōu)劣直接影響著外環(huán)的控制性能，因此在PI參數(shù)調(diào)節(jié)過程中，通常采用從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，即電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的調(diào)試順序，分別對系統(tǒng)的力矩、速度、位置進行控制，以保證整個伺服系統(tǒng)性能的充分發(fā)揮。FANUC31i提供了以下可供調(diào)節(jié)的伺服參數(shù)。

1）電流環(huán)控制器：No2040—電路環(huán)積分增益和No2041—電流環(huán)比例增益。

2）速度環(huán)控制器：No2043—速度環(huán)積分增益和No2044—速度環(huán)比例增益。

3）位置環(huán)控制器：No1825—位置環(huán)路增益。

在對電流環(huán)調(diào)試過程中，在機床不發(fā)生振動的前提下，令積分增益先失效而逐漸提高比例增益No2041，直至電機發(fā)生微弱的嘯叫，然后再通過積分增益系數(shù)No2040的調(diào)節(jié)以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。通過電流環(huán)PI參數(shù)的整定，可以提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)性并抑制內(nèi)部干擾，使得系統(tǒng)在保證其穩(wěn)定性的同時有較大的扭矩。

速度環(huán)調(diào)試方法類似于電流環(huán)PI參數(shù)的整定過程，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，通過增益的提高獲得較高的伺服剛度，同時施加積分環(huán)節(jié)消除穩(wěn)態(tài)誤差。速度環(huán)良好的性能增強了系統(tǒng)抗負(fù)載擾動的能力，并且抑制了速度較大幅度的波動。

通過位置環(huán)增益的調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)系統(tǒng)更加精確的位置控制，減小位置偏差量，但同時可能會造成系統(tǒng)振蕩，需要根據(jù)實際情況酌情確定，其余位置偏差的關(guān)系可用下式表示：

位置偏差量（e）=進給速度（v）/位置環(huán)路增益（KP）

2.2 反沖加速功能

機床在其反向過程中，由于導(dǎo)軌和滑塊接觸部件之間摩擦的影響以及絲杠螺母傳動間隙，造成電機反轉(zhuǎn)的延時，從而引起較大的輪廓誤差，使得機床在進行圓周運動的情況下，會造成圓弧切削時的過象限突起誤差。為減少此項誤差，F(xiàn)ANUC31i提供了反向加速功能。通過數(shù)控系統(tǒng)的反向加速功能，在機床反向處施加一定補償量以增大瞬時扭矩，從而消除摩擦的影響。

圖4 反沖加速功能補償速度延遲

FANUC31i提供了No1851—反沖補償值、No2048—反沖加速量、No2071—反沖加速補償有效時間等反向加速參數(shù)，通過合理調(diào)節(jié)系統(tǒng)這些參數(shù)，可以實現(xiàn)機床在反向時的瞬間加速。當(dāng)其補償值設(shè)置的較為合理時，機床運動部件的實際速度將會準(zhǔn)確跟隨給定速度如圖4（a）所示；若補償值設(shè)置較小，系統(tǒng)得不到充分補償，其反沖加速不甚明顯如圖4（b）所示；若補償值設(shè)置過大，又會造成過補償，引起過切現(xiàn)象，如圖4（c）所示。

2.3 靜摩擦補償功能

當(dāng)機床沿同一方向從停止?fàn)顟B(tài)開始啟動時，由于靜摩擦的作用，造成速度增加延遲。針對此，可通過摩擦補償功能，如圖5所示，在機床再次啟動時，施加補償數(shù)據(jù)于速度環(huán)中，由此消除速度停滯現(xiàn)象。靜摩擦補償需要調(diào)節(jié)的參數(shù)有No2005#7—靜摩擦補償功能有效、No2071—靜摩擦補償功能有效時間、No2073—靜摩擦補償值（停止到開始運動時的速度偏置值）和No2073—停止?fàn)顟B(tài)判斷參數(shù)（確定機床是否進入停止?fàn)顟B(tài)）。

圖5 靜摩擦補償實施過程

靜摩擦補償功能類似于反沖加速功能，其區(qū)別在于反沖加速功能針對于機床反向運動過程中速度的延時現(xiàn)象，而靜摩擦補償功能針對于機床在同一方向上由停止?fàn)顟B(tài)進入運動狀態(tài)的工況下，其不同的功能適用于不同的環(huán)境下，調(diào)試過程中應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分。

2.4 切削/快速移動速度環(huán)路增益切換功能

為了提高工件的加工精度，高的系統(tǒng)增益有利于減小位置偏差量，但是在高速情況下機床的運行狀態(tài)區(qū)別于低速狀態(tài)。當(dāng)機床在低進給速度工況下可以穩(wěn)定地切削工件，但在高速運動過程中，由于系統(tǒng)的運行速度較高，可能會引起高速下的振蕩和不穩(wěn)定。為了減小系統(tǒng)的振蕩使其趨于穩(wěn)定，可以降低環(huán)路增益。因此，需要機床在低速切削狀態(tài)和高速快移狀態(tài)下，實現(xiàn)速度環(huán)路增益的自動切換。

可通過調(diào)整參數(shù)No2202—切削/快移速度環(huán)路增益切換功能生效、No2021—切削時速度環(huán)路增益（負(fù)載慣量比）、No2107—增益切換倍率，實現(xiàn)系統(tǒng)在切削過程和快速移動過程中速度環(huán)路增益的切換，以最大程度地抑制負(fù)載波動。

2.5 同步自動補償功能

THM46100的X軸采用了雙軸驅(qū)動模式，當(dāng)X軸運行位移較大時，由于光柵尺絕對精度和安裝精度的影響以及機床熱變形的影響，主動軸和從動軸之間會產(chǎn)生機械性的扭力和扭轉(zhuǎn)變形，從而影響到軸向的位置控制精度。雖然可以通過螺距誤差補償在一定程度上緩解該種變形，但是對于熱變形卻并不能消除。因此通過系統(tǒng)的同步補償功能，對主動軸和從動軸的扭矩進行實時監(jiān)測，并將兩者的扭矩偏差量施加給從動軸，從而使得主、從軸之間的扭矩誤差得到抑制，以提高其位置控制精度，其控制框圖如圖6所示。

圖6 同步補償功能控制框圖

圖7 同步自動補償功能示意圖

通過調(diào)節(jié)參數(shù)No2403—同步自動補償系數(shù)、No2404—同步自動補償最大值、No2405—同步自動補償過濾器系數(shù)，實現(xiàn)雙軸驅(qū)動的同步自動補償功能。從圖7中可以看出，當(dāng)不實施同步補償時，主、從軸之間存在著位置偏差，當(dāng)進行補償后主從軸之間的位置偏差得到消除。

3 伺服參數(shù)調(diào)試實驗論證

按照上述方法，我們對THM46100精密臥式加工中心伺服參數(shù)進行了調(diào)整，通過FANUC31i的伺服調(diào)試工具Servo Guide對伺服調(diào)試前后機床的狀態(tài)進行圓周測試，并進一步通過球桿儀測試調(diào)試前后機床的精度狀況。對機床的X、Y軸進行圓周測試，如圖8所示，為調(diào)試前后Servo Guide的圓周測試結(jié)果對比。從中可以看出，調(diào)試后Y軸的過象限誤差得到了較大程度的消除，X軸的過現(xiàn)限誤差也得到了較大程度的降低，但并未完全消除。調(diào)試前后分別采用球桿儀對其圓運動誤差進行了測試，測試結(jié)果分別如圖9和圖10所示，調(diào)試后機床的圓度誤差得到了較大程度的抑制，但X軸的過象限誤差仍較為明顯，與Servo Guide測試結(jié)果較為相符。

圖8 調(diào)試前后Servo Guide測試結(jié)果對比

造成調(diào)試后X軸仍存在較為明顯的過象限誤差的原因，一方面是由于同步補償功能設(shè)置的不合理，另一方面是由于X軸的主動軸和從動軸安裝過程中的安裝誤差所引起的，其機械方面的因素較為突出。因此需要對X軸進行檢測，進一步確定原因。

4 結(jié)論

本文基于FANUC31i從伺服驅(qū)動系統(tǒng)的PI參數(shù)調(diào)節(jié)和部分補償功能兩方面，研究了的精密臥式加工中心伺服系統(tǒng)優(yōu)化方法，旨在提高THM46100精密臥式加工中心的動態(tài)響應(yīng)性能及加工精度。實驗證明，對THM46100精密臥式加工中心進行調(diào)試后其精度及性能有了較大程度的提高。由于FANUC31i系統(tǒng)具有較為全面且復(fù)雜的控制功能，要充分發(fā)揮其功能并進一步提高采用其的數(shù)控機床的性能，還需要對其他功能進行深入研究和探索。

圖9 調(diào)試前球桿儀測試結(jié)果

圖10 調(diào)試后球桿儀測試結(jié)果

[1]羅敏編.典型數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)-FANUC篇[M], 北京:機械工業(yè)出版社, 2009.

[2]FANUC公司.FANUC Series 30i/300i/300is-MODEL A/FANUC Series 31i/310i/310is-MODEL A5/FANUC Series 31i/310i/310is-MODEL A/FANUC Series 32i/320i/320is-MODEL A參數(shù)說明書(B-63950CM/02), 2005.