數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床沖頭高速定位精度調(diào)整方法及技術(shù)分析

王立勤，張延偉，陳天元，路 坤

（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

0 引言

沖頭采用數(shù)控伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制的數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床由于沖壓頻次提高，各軸送進(jìn)速度加快，在工作效率明顯提高的同時(shí)也帶來機(jī)床精度調(diào)試的困難。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)試過程中我們充分利用了系統(tǒng)具有的各種高速定位調(diào)整方法，應(yīng)用FANUC系統(tǒng)的伺服軟件SERVO GUIDE，通過波形圖分析、數(shù)據(jù)測(cè)試，最終獲得比較理想的參數(shù)，把伺服轉(zhuǎn)塔沖床做到真正意義上的高速高精設(shè)備。

1 高速定位精度調(diào)整的方法和技術(shù)分析

1.1 電機(jī)頻率響應(yīng)的調(diào)整和應(yīng)用

機(jī)床在裝配完畢后的機(jī)械性能特性亦即電機(jī)的負(fù)載情況直接影響到機(jī)床的加工精度，通過SERVO GUIDE軟件測(cè)試電機(jī)頻率響應(yīng)曲線，可初步分析各軸的負(fù)載特性，找出在整個(gè)頻率范圍內(nèi)不符合要求的點(diǎn)，如各個(gè)共振點(diǎn)，添加相應(yīng)的濾波器消除共振，得到比較理想的頻率響應(yīng)曲線，為進(jìn)一步調(diào)試驅(qū)動(dòng)參數(shù)做好準(zhǔn)備。

整個(gè)頻率范圍包括低頻區(qū)和高頻區(qū)，把小于200Hz的區(qū)域視為低頻區(qū)，大于200Hz的區(qū)域視為高頻區(qū)。良好的頻率響應(yīng)表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：①響應(yīng)帶寬（即幅頻曲線上0dB區(qū)間）要足夠?qū)?，主要通過調(diào)整伺服位置環(huán)增益（PRM 1825）、速度環(huán)增益（PRM 2021）參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，使之越寬越好；②在響應(yīng)帶寬內(nèi)的最大幅值應(yīng)低于10dB；③在高頻附近的幅值應(yīng)低于-20dB。

調(diào)試過程中低頻的濾波可通過伺服調(diào)整畫面的濾波器選項(xiàng)調(diào)整或者通過機(jī)械裝配調(diào)整，一般共振在高頻段，通過設(shè)置中心頻率、帶寬、阻尼，觀察波形在高頻段降大于-20db的波形中心取作中心頻率，根據(jù)大于-20db的波形寬度設(shè)定帶寬，阻尼設(shè)定范圍為（0-100），設(shè)置數(shù)值越小曲線衰減越明顯。

下面以一臺(tái)數(shù)控沖床的X軸頻率測(cè)試舉例說明。

圖1a是對(duì)X軸電機(jī)測(cè)得的頻率響應(yīng)曲線，由圖可見在425Hz的高頻區(qū)振幅超出-20db，在此處添加濾波器后再次測(cè)得的頻率響應(yīng)曲線如圖1b所示。

通常在一個(gè)軸的不同位置測(cè)頻率響應(yīng)曲線，可加2～3個(gè)濾波器消除共振。

圖1 X軸電機(jī)頻率響應(yīng)曲線

在調(diào)整后的頻率響應(yīng)下，適當(dāng)增加速度環(huán)增益會(huì)使位置誤差減小，提高軸的精度。圖2a為增加速度環(huán)增益前的位置誤差波形圖，圖2b為增加后的誤差波形圖，可明顯看出增加后誤差減小，精度提高。

圖2 誤差波形圖

1.2 速度環(huán)控制方式設(shè)定

速度環(huán)控制方式分為IP控制和PI控制，IP控制（2003#3=0）適合高速定位控制，PI控制（2003#3=1）更適合高精度控制。應(yīng)用中視具體需求設(shè)定此參數(shù)。

下面舉例說明A軸PI控制和IP控制的速度反饋情況。

如圖3所示的PI控制對(duì)于指令的啟動(dòng)速度較快，但是穩(wěn)定時(shí)間變長(zhǎng)，通常適合于高精加工；圖4的IP控制到達(dá)目標(biāo)位置的時(shí)間縮短，但是軸到位時(shí)易出現(xiàn)波動(dòng)。所以用IP控制會(huì)提高沖頭的沖壓頻次，但相應(yīng)可能導(dǎo)致軸到位時(shí)不穩(wěn)定。

圖3 PI控制下的A軸速度曲線

圖4 IP控制下的A軸速度曲線

如果送料軸選用IP控制，那么在高速定位的同時(shí)可能會(huì)影響到精度，位置誤差會(huì)增大。故速度環(huán)控制方式的選擇需要根據(jù)具體的工件加工工藝要求設(shè)定。

1.3 速度環(huán)比例高速處理功能

開啟速度環(huán)比例高速處理功能（2017#7=1），可以提高速度環(huán)路的指令跟蹤性，提高伺服剛性。

比較圖5和圖2b，其中圖2b為開啟速度環(huán)比例高速處理功能的波形誤差圖，可明顯看出未開啟的波形差。實(shí)測(cè)X軸精度、速度略有變差，電機(jī)發(fā)出異響，無法承受高速度環(huán)增益，電機(jī)性能變差。

1.4 位置增益切換功能

如圖6所示，開啟位置增益切換功能可變功能2015#0=1，同時(shí)設(shè)定位置增益切換有效速度2028，可使在小于等于此速度下的位置增益增大2倍，有助于在定位結(jié)束時(shí)縮短定位時(shí)間，達(dá)到快速平穩(wěn)定位。

圖6 位置增益切換

如圖7所示為X軸未開啟切換功能誤差波形圖。比較圖7和圖2b，其中圖2b為X軸開啟了位置增益切換功能，設(shè)定50轉(zhuǎn)/分為切換點(diǎn)，可以看到定位遲緩，精度較差。

1.5 1/2PI控制

圖7 未開切換功能的誤差波形

設(shè)置2203#2=1，開啟此功能，可以設(shè)置更高的速度環(huán)增益。

通常為了提高高速高精加工、高速定位以及超精密定位等伺服性能，保持速度環(huán)路的高度穩(wěn)定，盡可能較高地設(shè)定速度環(huán)路增益會(huì)收到顯著效果，這種情況下需要提高電流環(huán)路的響應(yīng)特性。

電流環(huán)路1/2PI功能是可以提高電流環(huán)路的響應(yīng)性的一種功能。

比較圖8和圖2b，圖8未開啟此功能，速度環(huán)增益設(shè)值為150，得到的誤差比較大。圖2b開啟了此功能，速度環(huán)增益可以設(shè)值為300，誤差明顯變小。

圖8 X軸關(guān)閉1/2PI控制誤差波形圖

1.6 開啟低速時(shí)積分功能

2015#1為1時(shí)此功能有效。

通過在低速區(qū)設(shè)定某個(gè)速度值，用此功能可以實(shí)現(xiàn)在所設(shè)低速區(qū)內(nèi)增加相應(yīng)的積分功能，通過對(duì)低速時(shí)的速度環(huán)路積分器進(jìn)行計(jì)算，就可在保持低速時(shí)和停止時(shí)的定位特性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)特性，減小震蕩，減小定位誤差。

圖9表示了在定位運(yùn)動(dòng)中積分有效和無效的范圍，圖10是測(cè)得的關(guān)閉此功能的X軸定位的誤差波形圖。可以看出相比開啟此功能的圖2b所示誤差增大，停止時(shí)間也長(zhǎng)。

圖9 低速時(shí)積分時(shí)的積分無效范圍

圖10 X軸關(guān)閉低速積分功能誤差波形圖

2 結(jié)束語

FANUC系統(tǒng)所具有的伺服參數(shù)調(diào)整功能對(duì)于高速定位的伺服沖床而言起到很好的作用，在快速定位、減小誤差和振動(dòng)等方面充分提高伺服性能，使機(jī)床的機(jī)械特性得到更好的提升，最終保證了機(jī)床的加工精度，提高了加工效率。

[1]北京發(fā)那科機(jī)電有限公司.FANUC伺服電機(jī)參數(shù)說明書.2006.

[2]北京發(fā)那科機(jī)電有限公司，編.FANUC CNC伺服調(diào)整培訓(xùn)教程[M].北京：高等教育出版社，2011.