伺服系統(tǒng)反向間隙加速補(bǔ)償技術(shù)分析*

朱 強(qiáng)，孫 立

(①蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241006;②北京發(fā)那科機(jī)電有限公司，北京 100085)

當(dāng)數(shù)控機(jī)床移動(dòng)部件反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)本身的反轉(zhuǎn)摩擦?xí)鸱崔D(zhuǎn)延時(shí)，另外機(jī)床傳動(dòng)部分(絲杠、導(dǎo)軌)的摩擦也會(huì)引起電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)延時(shí)。由于電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)延時(shí)，在加工工件的表面，電動(dòng)機(jī)過象限處會(huì)產(chǎn)生一條象限線條，將會(huì)引起工件加工形狀誤差。本文以FANUC 數(shù)控系統(tǒng)為例，從半閉環(huán)伺服控制的角度闡述使用二級(jí)反向間隙加速補(bǔ)償技術(shù)解決上述問題的方法。

1 頻率響應(yīng)曲線

半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床伺服控制框圖如圖1 所示。

圖1 伺服控制框圖

上述框圖中，將速度輸入信號(hào)和速度反饋信號(hào)取出如圖2 所示，將兩組信號(hào)放在一起比較，可以發(fā)現(xiàn)，輸出信號(hào)在幅值和相位上都發(fā)生了變化，產(chǎn)生衰減和滯后現(xiàn)象，如圖3 所示。

圖2 輸入輸出信號(hào)

圖3 輸入輸出信號(hào)比較

根據(jù)上述的曲線，將輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的幅度比較，按下面公式計(jì)算:

將頻率作為橫坐標(biāo)，幅度作為縱坐標(biāo)，畫出幅頻響應(yīng)曲線，如圖4 所示。

圖4 幅頻曲線

2 實(shí)施方案

利用SERVO GUIDE 軟件測(cè)定某一個(gè)軸的頻率響應(yīng)時(shí)，有如圖5 所示波形。

圖5 補(bǔ)償前軸的頻率響應(yīng)波形圖

由圖5 可知，在低頻部分?jǐn)?shù)值為-10 dB。其值越低于0 dB，反映的就是機(jī)械傳動(dòng)部分摩擦力越大，必須對(duì)于這部分摩擦引起的反轉(zhuǎn)滯后進(jìn)行補(bǔ)償，另外，電動(dòng)機(jī)本身的摩擦也會(huì)引起反轉(zhuǎn)滯后，在頻率響應(yīng)波形圖上會(huì)使波形疊加，故也需對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償。

針對(duì)上面的兩種原因，使用FANUC 伺服控制二級(jí)反向間隙加速補(bǔ)償功能:第一級(jí)用于補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)摩擦轉(zhuǎn)矩，第二級(jí)用于補(bǔ)償機(jī)床傳動(dòng)部分摩擦轉(zhuǎn)矩。由于不同機(jī)床的絲杠導(dǎo)軌傳動(dòng)部分使用部件不同，相應(yīng)的摩擦力也不一樣。滾動(dòng)導(dǎo)軌和滑動(dòng)導(dǎo)軌相比，機(jī)械摩擦比較小，因此二級(jí)加速補(bǔ)償功能對(duì)于滑動(dòng)導(dǎo)軌更加具有針對(duì)性。

二級(jí)反向間隙加速補(bǔ)償是在一級(jí)反向間隙補(bǔ)償功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行。所以二級(jí)補(bǔ)償?shù)钠瘘c(diǎn)和終點(diǎn)需要進(jìn)行設(shè)定，它和一級(jí)補(bǔ)償之間的關(guān)系如圖6 所示。

調(diào)試中需要設(shè)定的參數(shù)如表1 所示。

圖6 二級(jí)反向間隙加速補(bǔ)償原理圖

3 實(shí)施步驟

以圓弧切削加工為例，象限位有條紋出現(xiàn)，二級(jí)反向間隙加速補(bǔ)償步驟如下:

(1)調(diào)整一級(jí)加速量

一級(jí)加速量在電動(dòng)機(jī)一反轉(zhuǎn)時(shí)就加入，所以補(bǔ)償量的合適與否就看一開始反轉(zhuǎn)時(shí)是過切還是欠切。如圖7 所示，一級(jí)加速量設(shè)定過大，有過切現(xiàn)象，應(yīng)減小參數(shù)2048、2094 的設(shè)定值。設(shè)定舉例:P2048=150;P2094=150(如果各象限突起相同，設(shè)定在P2048，在兩個(gè)方向都補(bǔ)償一樣的量)。

圖7 有過切現(xiàn)象

圖8 過切現(xiàn)象解除

如圖8 所示，設(shè)定的一級(jí)加速量，沒有產(chǎn)生過切現(xiàn)象，為最佳的一級(jí)補(bǔ)償量。剩余的象限突起需要二級(jí)加速量進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)定舉例:P2048=100;P2094=50(兩個(gè)方向需要補(bǔ)償不同量時(shí)，分別設(shè)定在P2048 和P2094 中，進(jìn)行最佳量補(bǔ)償)。

(2)調(diào)整二級(jí)加速量

二級(jí)加速量是在一級(jí)加速量的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所以二級(jí)加速的起點(diǎn)和終點(diǎn)需要進(jìn)行調(diào)整，以下的幾種情況分別說明。

如圖9 所示，二級(jí)加速起點(diǎn)太遲、終點(diǎn)過早，補(bǔ)償時(shí)間太短，應(yīng)調(diào)整參數(shù)設(shè)置值。設(shè)定舉例:P2039=500;P2082=10;P2089=0。

圖9 二級(jí)加速起點(diǎn)遲、終點(diǎn)早

圖10 二級(jí)加速起點(diǎn)遲

如圖10 所示，二級(jí)補(bǔ)償?shù)钠瘘c(diǎn)有點(diǎn)遲，需要重新調(diào)整起點(diǎn)，修改時(shí)，保持終點(diǎn)不變。設(shè)定舉例:P2039=500;P2082=5;P2089=40(為保證終點(diǎn)不變，修改值為40)。

如圖11:二級(jí)加速的終點(diǎn)有點(diǎn)早，需要重新修改，此時(shí)保持起點(diǎn)不變。設(shè)定舉例:P2039=500;P2082=5(修改終點(diǎn)，保持起點(diǎn)不變);P2089=60。

圖11 二級(jí)加速終點(diǎn)早

圖12 二級(jí)加速起點(diǎn)、終點(diǎn)適當(dāng)

如圖12:合理調(diào)整二級(jí)加速起點(diǎn)、終點(diǎn)，得到如圖12，由于二級(jí)加速量補(bǔ)償比較多，產(chǎn)生過切。此時(shí)需要調(diào)整二級(jí)補(bǔ)償量。設(shè)定舉例:P2039=150;P2082=5;P2089=60。

注:①調(diào)整二級(jí)補(bǔ)償量時(shí)，起點(diǎn)和終點(diǎn)可能需要重新設(shè)定，重新按照上面的步驟調(diào)整起點(diǎn)、終點(diǎn)。

②象限的突起有時(shí)通過加大二級(jí)加速補(bǔ)償量都消除不了突起，可以適當(dāng)加大二級(jí)加速補(bǔ)償偏置。

③二級(jí)加速補(bǔ)償量設(shè)定太大，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)反向或停止時(shí)過硬，產(chǎn)生聲音。

④實(shí)際加工時(shí)，除去合理地在參數(shù)里進(jìn)行補(bǔ)償外，還需要準(zhǔn)確設(shè)定機(jī)械反向間隙補(bǔ)償。

通過以上二級(jí)反向間隙加速補(bǔ)償，圖5 的頻率響應(yīng)波形得到有效改善，補(bǔ)償后的波形圖如圖13 所示，經(jīng)過加工試切，其象限點(diǎn)處光順平滑。

圖13 補(bǔ)償后軸的頻率響應(yīng)波形圖

4 結(jié)語

數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的反向間隙補(bǔ)償是一份十分復(fù)雜而繁瑣的工作。筆者整理了數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)二級(jí)反向間隙補(bǔ)償?shù)乃悸泛徒?jīng)驗(yàn)，具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。數(shù)控伺服系統(tǒng)經(jīng)過以上的調(diào)整，其加工性能將得到極大的發(fā)揮。

［1］北京FANUC 機(jī)電有限公司.FANUC 伺服調(diào)整教材(B-10085CM/09)［Z］.2006.

［2］北京FANUC 機(jī)電有限公司.FANUC 0i -C 維修說明書B -64115CM_01［Z］.2004.

［3］過慶琪.消除數(shù)控加工輪廓誤差的一種方法［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2000 (1):44.

［4］何紅欣.數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的調(diào)整［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2006(8):120 -122.

［5］陳芳.數(shù)控機(jī)床伺服參數(shù)設(shè)定與調(diào)整［J］.機(jī)床與液壓，2009(7).