基于FANUC數(shù)控機(jī)床全閉環(huán)伺服系統(tǒng)振動根源剖析與高效解決方案研究

摘 要：研究針對FANUC數(shù)控機(jī)床全閉環(huán)伺服系統(tǒng)振動問題展開深入分析。FANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工設(shè)備，全閉環(huán)在提高機(jī)床精度的同時振動問題嚴(yán)重影響設(shè)備性能和加工精度。目前對該系統(tǒng)振動問題的研究比較單一，缺乏綜合性。本文結(jié)合實際案例，找出導(dǎo)致系統(tǒng)振動的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣和控制參數(shù)等多方面因素。針對這些問題，分別從機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整、電氣故障排除和控制參數(shù)優(yōu)化三個方面提出了全面有效的解決方法。包括定期檢查軸承狀態(tài)并及時更換、對聯(lián)軸器進(jìn)行校準(zhǔn)、穩(wěn)定反饋電壓、排查缺相故障以及合理調(diào)整速度環(huán)參數(shù)和正確設(shè)置位置環(huán)參數(shù)等措施。通過這些系統(tǒng)性的解決方法，為提高設(shè)備性能和加工精度提供了有力支持。

關(guān)鍵詞：FANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng) 振動 解決方案 機(jī)械調(diào)整 電氣故障" 控制參數(shù)

1 緒論

1.1 研究背景

FANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)用戶廣泛，振動問題時常困擾用戶。目前研究比較單一，缺乏綜合性。

隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，F(xiàn)ANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)在各類機(jī)械加工設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。而根據(jù)實際生產(chǎn)反應(yīng)，伺服系統(tǒng)的振動問題時常困擾著用戶，嚴(yán)重影響了設(shè)備的加工精度。目前，對于FANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)振動問題的研究多集中在機(jī)械結(jié)構(gòu)、速度環(huán)、負(fù)載慣性等單一因素上，缺乏對振動問題的系統(tǒng)性分析和解決方法。因此，深入研究FANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的振動問題，提出系統(tǒng)性的解決方法，具有重要的現(xiàn)實意義。

1.2 研究目的

本研究旨在深入剖析FANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)振動的原因，并提出全面高效的解決方案。通過對FANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，結(jié)合實際案例分析，找出導(dǎo)致系統(tǒng)振動的各種因素。

從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面來看，發(fā)那科電機(jī)基礎(chǔ)不牢固、剛性不夠或固定不牢，轉(zhuǎn)子機(jī)械平衡，軸彎曲或破裂等情況，都會引起系統(tǒng)振動。對于這些問題，可以通過緊固螺釘?shù)确绞絹斫鉀Q。

從電氣控制方面來看，速度環(huán)問題是引起振動的重要因素之一。若積分增益、比例增益以及加速度反饋增益設(shè)置不恰當(dāng)，系統(tǒng)可能會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象。增益值較高時，速度提升，慣性力增強(qiáng)，從而更易引發(fā)抖動。通過降低增益值，可以維持速度的響應(yīng)性，減少抖動的發(fā)生。同時，也不能忽略電氣部分可能引起的抖動問題。制動器未打開，反饋電壓不穩(wěn)定等情況，都可能導(dǎo)致系統(tǒng)振動。

綜上所述，本研究將針對這些不同的原因，提出全面高效的解決方案，以解決FANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的振動問題，提高設(shè)備的性能和加工精度。

2 FANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)振動理論基礎(chǔ)

2.1 伺服系統(tǒng)工作原理

2.1.1 系統(tǒng)組成部分

FANUC的全閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要包括伺服電機(jī)、機(jī)械傳動系統(tǒng)和伺服驅(qū)動器等關(guān)鍵組件。伺服電機(jī)作為執(zhí)行單元，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，確保了位置、速度和轉(zhuǎn)矩的精確控制。而伺服驅(qū)動器的作用是接收控制指令，并對電機(jī)執(zhí)行驅(qū)動與控制任務(wù)。FANUC的全閉環(huán)伺服電機(jī)一般采用的是永磁同步電機(jī)，它以高效率、高精度和快速響應(yīng)著稱。伺服驅(qū)動器由電源模塊、控制模塊和驅(qū)動模塊等構(gòu)成，確保了對電機(jī)的精確操控。

2.1.2 工作流程解析

FANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作流程主要包括信號傳輸和動力輸出兩個過程。

在信號傳遞領(lǐng)域，由控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號經(jīng)過編碼器的反饋等過程，傳送至伺服驅(qū)動器。伺服驅(qū)動器依據(jù)接獲的信號，對電機(jī)執(zhí)行控制。在位置控制模式中，控制系統(tǒng)發(fā)出的位置指令信號經(jīng)過處理傳送至伺服驅(qū)動器。伺服驅(qū)動器依據(jù)位置指令信號與編碼器反饋的實際位置信號，計算位置偏差，并通過控制算法產(chǎn)生控制信號，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動，使電機(jī)的實際位置逐步靠近指令位置。

在動力輸出方面，伺服驅(qū)動器將電源模塊提供的電能轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需的動力，推動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)通過聯(lián)軸器等傳動裝置，傳遞至負(fù)載，實現(xiàn)對負(fù)載的精確控制。

整個工作流程中，信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和及時性以及動力輸出的穩(wěn)定性和可靠性，對伺服系統(tǒng)的性能和精度起著至關(guān)重要的作用。

2.2 振動產(chǎn)生的原因

伺服系統(tǒng)的振動是由多種因素共同作用產(chǎn)生的，其主要分為機(jī)械結(jié)構(gòu)因素、電氣因素、控制參數(shù)因素，了解這些因素及原理對于解決振動問題至關(guān)重要。

2.2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)因素

軸承磨損是導(dǎo)致伺服系統(tǒng)振動的常見機(jī)械結(jié)構(gòu)因素之一。當(dāng)軸承出現(xiàn)磨損時，會使電機(jī)軸和設(shè)備系統(tǒng)的聯(lián)軸器發(fā)生偏移，安裝螺釘未擰緊，從而引起振動。其次，一般情況下使用全閉環(huán)的機(jī)床規(guī)格中型偏大，機(jī)械傳動為齒輪齒條、大規(guī)格絲桿等。通常配備較大的減速裝置，大多數(shù)機(jī)械設(shè)備的傳動剛性較低，傳動間隙較大，這導(dǎo)致在全閉環(huán)控制過程中出現(xiàn)振動。

2.2.2 電氣因素

反饋電壓不穩(wěn)定、缺相問題、外部干擾是引起伺服系統(tǒng)振動的重要電氣因素之一。若反饋電壓出現(xiàn)異常，應(yīng)檢驗振動周期是否與轉(zhuǎn)速相關(guān)。同時，若制動器未能正常開啟，同樣會引起振動。檢查抱閘是否打開，增加編碼器或編碼器矢量控制零位伺服功能，通過增大或減小扭矩輸出的扭矩可以解決抖動問題。最后，發(fā)那科全閉環(huán)控制所使用的編碼器、光柵尺與SDU模塊之間的連接線纜大部分為機(jī)床廠家自行制作，因此線材質(zhì)量、屏蔽與否不能得到良好保證，且機(jī)床外圍強(qiáng)干擾源較多，干擾時常存在，干擾通常會引起伺服軸誤動作、振動、零點(diǎn)無法建立等故障。

2.2.3 控制參數(shù)因素

速度環(huán)增益、位置環(huán)增益等參數(shù)設(shè)置不當(dāng)是引發(fā)伺服系統(tǒng)振動的常見原因之一。若積分增益、比例增益以及加速度反饋增益設(shè)置不恰當(dāng)，系統(tǒng)可能會產(chǎn)生抖動現(xiàn)象。增益值越高，速度越快，慣性力增強(qiáng)，偏差減小，這會使得系統(tǒng)更易發(fā)生抖動。例如，在FANUC Series 32i-MODEL B系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)參數(shù)2088#（機(jī)械速度反饋系數(shù)增益）、1825#（位置環(huán)增益）、2043#（加速度比例增益）、2066#（加速度反饋增益）來消除由于參數(shù)設(shè)置不當(dāng)引起的振動。

3 FANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)振動案例分析

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)問題案例

聯(lián)軸器不平衡案例：同樣，在機(jī)械加工車間一臺FANUC CY-VMC1060立式加工中心X軸出現(xiàn)了振動現(xiàn)象。問題源于聯(lián)軸器的不平衡。由于聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)時的不平衡狀態(tài)，電機(jī)與機(jī)械的軸線無法對齊，這導(dǎo)致了負(fù)載的諧振現(xiàn)象，最終引起了振動。技術(shù)人員首先對聯(lián)軸器進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器的連接部分存在松動，經(jīng)過重新調(diào)整并緊固了聯(lián)軸器的連接部分。在調(diào)整過程中，技術(shù)人員還使用了專業(yè)的檢測設(shè)備，對聯(lián)軸器的平衡度進(jìn)行了精確測量和調(diào)整后設(shè)備的振動也隨之消失。

3.2 電氣問題案例

缺相故障案例：在機(jī)械加工車間內(nèi)，一臺FANUC CK61125/3000型號的數(shù)控車床的Z軸發(fā)生了劇烈的震動。技術(shù)人員經(jīng)過排查，發(fā)現(xiàn)是電源電壓不穩(wěn)定導(dǎo)致缺相故障造成的振動。缺相故障可能源自伺服驅(qū)動器內(nèi)部的電源電路，如電容器、電阻器或電感器出現(xiàn)老化、損壞或接觸不良等問題，導(dǎo)致電源供應(yīng)不穩(wěn)定，進(jìn)而引發(fā)缺相故障。技術(shù)員首先對伺服驅(qū)動器的電源電路進(jìn)行了檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)驅(qū)動電路中的一相散熱風(fēng)扇電容器出現(xiàn)了損壞。經(jīng)更換了損壞的電容器，使電源供應(yīng)恢復(fù)穩(wěn)定，設(shè)備的缺相故障得到了解決，振動也隨之消失。

3.3 控制參數(shù)問題案例

3.3.1 速度環(huán)比例增益不當(dāng)案例

在一臺FANUC Series 32i-MODEL B昆明KiMiA-4數(shù)控鏜銑床上，Z軸正方向系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了明顯的振動。技術(shù)人員經(jīng)過詳細(xì)檢查和分析，確定是機(jī)械速度反饋系數(shù)增益（參數(shù)2088#）設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致的振動問題。原本為了提高設(shè)備生產(chǎn)效率，將速度環(huán)增益設(shè)置得較大，但這卻導(dǎo)致了系統(tǒng)的不穩(wěn)定，產(chǎn)生了振動。據(jù)相關(guān)資料顯示，當(dāng)速度環(huán)增益過大時，系統(tǒng)的速度響應(yīng)會變得過快，慣性力增大，從而更容易出現(xiàn)抖動。在這個案例中，技術(shù)人員通過逐步降低速度環(huán)增益，同時觀察設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。逐步調(diào)整，最終找到了一個合適的增益值，使得設(shè)備的振動明顯減弱，恢復(fù)了穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3.2 位置環(huán)增益不當(dāng)案例

同樣在另一臺FANUC Series 32i-MODEL B昆明KiMiA-4數(shù)控鏜銑床上，F(xiàn)ANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)Z軸負(fù)方向也出現(xiàn)了振動現(xiàn)象。經(jīng)過深入排查，發(fā)現(xiàn)是位置環(huán)增益（參數(shù)1825#）設(shè)置不合理所致。如果位置環(huán)增益設(shè)置過低，系統(tǒng)的響應(yīng)速度會變慢，過高的位置環(huán)增益還可能導(dǎo)致整個伺服系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，表現(xiàn)為系統(tǒng)無法穩(wěn)定地停留在目標(biāo)位置，而是在目標(biāo)位置附近來回波動。在這個案例中，技術(shù)人員首先對設(shè)備的位置參數(shù)情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析，通過不斷地嘗試和調(diào)整位置參數(shù)，最終找到了一個合適的位置比參數(shù)值，使設(shè)備的振動得到了有效控制。

4 FANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)振動解決方法

4.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整

聯(lián)軸器校準(zhǔn)：聯(lián)軸器的校準(zhǔn)對于伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。其校準(zhǔn)方法主要有以下幾種：一是使用專業(yè)的檢測設(shè)備，如激光校準(zhǔn)儀，對聯(lián)軸器的同心度和角度偏差進(jìn)行精確測量。根據(jù)測量結(jié)果，調(diào)整聯(lián)軸器的位置，使其達(dá)到最佳的平衡狀態(tài)。二是通過手動調(diào)整的方法，在設(shè)備靜止?fàn)顟B(tài)下，通過盤車觀察聯(lián)軸器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，逐步調(diào)整聯(lián)軸器的位置，直到振動最小為止。三是參考設(shè)備的安裝手冊和技術(shù)要求，按照規(guī)定的步驟和參數(shù)進(jìn)行聯(lián)軸器的校準(zhǔn)。

4.2 電氣故障排除

電壓不穩(wěn)定及缺相故障排查：檢查線路有無損壞或接觸不良現(xiàn)象。例如電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)、發(fā)出異常聲響或某相電流缺失等。確保發(fā)那科伺服電機(jī)的電源線路，包括電源開關(guān)、保險絲、變壓器等部分，均處于良好狀態(tài)，以保障電源供應(yīng)無誤。檢查發(fā)那科伺服電機(jī)接線盒內(nèi)的螺絲是否緊固，接觸是否正常。若發(fā)現(xiàn)故障，需擰緊螺絲或更換接線。同時，檢查驅(qū)動器的運(yùn)行狀況，若存在故障，應(yīng)立即進(jìn)行更換或修理。同時，檢查控制信號是否中斷或異常，確保驅(qū)動器能夠正常接收并處理控制信號。

4.3 控制參數(shù)優(yōu)化

速度環(huán)參數(shù)調(diào)整策略：調(diào)整速度環(huán)參數(shù)對于降低FANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的振動極為關(guān)鍵。在不同的工作場景下，需要根據(jù)實際情況合理調(diào)整速度環(huán)增益等參數(shù)。

首先，在系統(tǒng)開始震動時，逐步減少速度環(huán)的比例增益。將比例增益從初始值逐漸減小，每次調(diào)整的幅度不宜過大，建議在5%至10%的幅度進(jìn)行調(diào)整。同時觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，若振動減弱，則繼續(xù)以較小的幅度調(diào)整，直到找到一個合適的增益值，既能滿足系統(tǒng)的響應(yīng)速度要求，又能避免振動的產(chǎn)生，通過調(diào)整參數(shù)2088#（機(jī)械速度反饋系數(shù)增益）由系統(tǒng)默認(rèn)值3200逐步調(diào)整至數(shù)值2000后振動范圍符合零件的加工要求。接下來，調(diào)整速度環(huán)積分增益參數(shù)2043#時必須小心謹(jǐn)慎。速度積分增益主要作用于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，積分增益過高可能會引起系統(tǒng)超調(diào)，進(jìn)而增加振動。通常情況下，應(yīng)先將積分增益設(shè)定為較低數(shù)值，隨后依據(jù)系統(tǒng)實際運(yùn)行狀況逐步提升。同時，加速度反饋增益的調(diào)整也極為重要。加速度反饋增益可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能，但如果設(shè)置不當(dāng)，也會引起振動。在調(diào)整加速度反饋增益時，可以先從較小的值開始嘗試，觀察系統(tǒng)的振動情況，逐步增加或減小增益值，直到找到一個合適的參數(shù)組合。

位置環(huán)參數(shù)設(shè)置技巧：位置環(huán)增益參數(shù)是解決FANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)振動問題的關(guān)鍵之一，該參數(shù)決定了伺服系統(tǒng)對位置指令的響應(yīng)速度和精度。增大位置環(huán)增益可以加快伺服系統(tǒng)對位置指令的響應(yīng)速度，使機(jī)床更快地達(dá)到目標(biāo)位置。適當(dāng)?shù)奈恢铆h(huán)增益調(diào)整能夠有效降低位置誤差，從而提升機(jī)床定位的精確度。然而，位置環(huán)增益過高可能會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致振蕩或超調(diào)等問題。結(jié)合已出現(xiàn)的振動現(xiàn)象，將1825#（位置環(huán)增益）參數(shù)由系統(tǒng)默認(rèn)值的2200調(diào)整至1000后振動消除。因此，需要根據(jù)機(jī)床的實際情況和加工需求進(jìn)行合理設(shè)置。

機(jī)械速度反饋系數(shù)增益和加速度比例增益、加速度比例增益、加速度反饋增益需配合調(diào)整，直至達(dá)到加工質(zhì)量與生產(chǎn)效率的完美結(jié)合。

5 結(jié)論與展望

5.1 研究結(jié)論總結(jié)

本研究深入分析了FANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)振動的原因，并提出了全面有效的解決方法。

FANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)振動的原因主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣和控制參數(shù)三個方面。針對這些因素，我們建議了合適的解決方案。關(guān)于機(jī)械設(shè)備的調(diào)整，定期進(jìn)行軸承檢查和維護(hù)，確保及時替換受損的軸承是至關(guān)重要的。此外，對聯(lián)軸器進(jìn)行精確校正，保證其連接的穩(wěn)定性和最佳平衡狀態(tài)。在處理電氣問題時，需要檢查線路、調(diào)整設(shè)置和清除灰塵。對于相位缺失的問題，通過一系列排查步驟來識別故障根源，并實施恰當(dāng)?shù)慕鉀Q措施。在控制參數(shù)的優(yōu)化上，適當(dāng)調(diào)整速度環(huán)和位置環(huán)的參數(shù)。

綜上所述，通過對FANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)振動問題的深入研究和分析，我們提出了系統(tǒng)性的解決方法，為提高設(shè)備的性能和加工精度提供了有力的支持。

5.2 未來研究方向展望

未來對于FANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)振動問題的研究展望可從多維度深入展開。首先，需進(jìn)一步探究不同工作環(huán)境（如高溫、高濕度、高粉塵、高電磁等復(fù)雜環(huán)境）對伺服系統(tǒng)振動的影響，通過模擬實驗為設(shè)計適應(yīng)性更強(qiáng)的伺服系統(tǒng)提供依據(jù)。其次，推動機(jī)械工程、電氣工程、控制工程、材料科學(xué)等多學(xué)科的交叉研究，融合各領(lǐng)域知識，綜合分析伺服系統(tǒng)振動產(chǎn)生機(jī)制，并提出綜合性解決方案。同時，加強(qiáng)對新型伺服系統(tǒng)技術(shù)如直線電機(jī)伺服系統(tǒng)、永磁同步電機(jī)無傳感器控制技術(shù)等的研究與應(yīng)用，以期獲得更好的性能和抗振動能力。此外，建立更加完善的伺服系統(tǒng)振動測試標(biāo)準(zhǔn)和方法，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性，為研究和解決振動問題提供可靠數(shù)據(jù)支持。最后，加強(qiáng)國際間的合作與交流，借鑒其他國家和地區(qū)在伺服系統(tǒng)振動問題研究方面的先進(jìn)經(jīng)驗和技術(shù)提升專業(yè)人員的技術(shù)水平和創(chuàng)新能力，加強(qiáng)企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)間的合作，共同推動伺服系統(tǒng)技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，為解決FANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)振動問題提供更加有效的方法和技術(shù)支持。

總之，未來對于FANUC全閉環(huán)伺服系統(tǒng)振動問題的研究充滿挑戰(zhàn)和機(jī)遇。通過不斷探索和創(chuàng)新，我們有望找到更加有效的解決方法，推動伺服系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步。

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