FANUC系統(tǒng)數(shù)控機床混合閉環(huán)控制功能實踐研究

宋福林 余偉

【摘 要】本文以FANUC系統(tǒng)數(shù)控機床為例，介紹數(shù)控機床伺服系統(tǒng)常用控制方式的優(yōu)缺點，分析采用混合閉環(huán)控制的應用場景，詳細說明FANUC系統(tǒng)數(shù)控機床混合閉環(huán)控制功能的調試步驟，以及調試過程中常見的問題與處理方法。

【關鍵詞】數(shù)控機床;混合閉環(huán);調試

中圖分類號： TH17 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）23-0045-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.019

【Abstract】This paper takes the FANUC system numerical control machine as an example to introduce the advantages and disadvantages of the common control methods of the CNC machine tool servo system， analyzes the application scenarios of the hybrid closed-loop control， and explains in detail the debugging steps of the FANUC system CNC machine tool hybrid closed-loop control function， as well as the common debugging process. Problem and treatment.

【Key words】Numerical control machine; Mixed closed loop; Debugging

隨著航空、航天、造船、汽車等制造業(yè)的飛速發(fā)展，我國正從制造大國向制造強國發(fā)展，數(shù)控機床作為制造業(yè)的工業(yè)母機，被廣泛地應用于各類機械制造領域以滿足一些加工難度大、加工精度高的精密零部件的加工要求。由于零件的制造精度要求越來越高，對數(shù)控機床的控制精度要求也越來越高，而數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的控制性能是影響數(shù)控機床精度的主要因素。伺服系統(tǒng)的控制精度又主要由伺服系統(tǒng)檢測元件的精度來保證。

數(shù)控機床根據(jù)伺服系統(tǒng)選用的檢測元件不同，一般分為開環(huán)、半閉環(huán)和全閉環(huán)控制三種方式。（1）開環(huán)控制的數(shù)控機床是通過步進電機來驅動工作臺的移動，沒有檢測元件，由于步進電機本身的特點，其控制精度不是很高，不能滿足高精度零件的加工要求，在數(shù)控機床中已經(jīng)基本被淘汰了。（2）半閉環(huán)的數(shù)控機床通常采用光電編碼器、圓光柵等角度測量元件，通過這些元件測量伺服電機旋轉的角度將信號反饋給數(shù)控系統(tǒng)，再通過數(shù)控系統(tǒng)柔性齒輪比等參數(shù)，由數(shù)控系統(tǒng)計算得到數(shù)控機床的實際位移量，但是由于伺服電機是通過滾珠絲桿螺母副等傳動機構，將電機的旋轉運動轉換為工作臺的直線移動，而滾珠絲桿等機械傳動部件也存在一定的誤差，這部分誤差上述測量元件無法檢測反饋給數(shù)控系統(tǒng)，因此采用半閉環(huán)控制的數(shù)控機床仍然無法滿足一些高精密零件的加工。（3）全閉環(huán)控制數(shù)控機床的檢測元件則采用分離型檢測元件光柵尺，光柵尺直接安裝在機床的工作臺上，直接測量工作臺的實際位移量，這樣就避開了機械傳動誤差對測量造成的影響，而伺服電機的本身自帶的角度編碼器主要是負責伺服電機運行速度的檢測，同時還會將反饋信息與光柵尺進行比對計算進行偏差補償，所以采用全閉環(huán)控制的數(shù)控機床精度更高。

在企業(yè)實際應用中，由于數(shù)控機床的床身部件在制造加工和裝配等生產(chǎn)環(huán)節(jié)質量控制等因素的影響，再加上數(shù)控機床在使用一段時間后，由于機械磨損后機床的機械精度下降后，造成伺服電機編碼器與光柵尺的檢測反饋誤差較大。從而使機床在運行過程中誤差補償量過大造成機床移動過程中會出現(xiàn)抖動、運行不穩(wěn)定，甚至系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)位置超差報警等故障現(xiàn)象，使零件加工精度下降，甚至導致設備無法正常使用。

1 混合閉環(huán)控制原理

在這種情況下FANUC系統(tǒng)為用戶提供了混合閉環(huán)控制的功能，適用于全閉環(huán)控制數(shù)控機床因機械部件的傳動間隙誤差較大造成的運行不穩(wěn)定情況時，通過增加伺服電機的角度編碼器的位置反饋功能即混合閉環(huán)控制，即有全閉環(huán)控制的高精度同時也有半閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時提高伺服系統(tǒng)的位置增益，提高伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性來達到消除機床振動、報警等故障[1]。

混合閉環(huán)控制原理如圖1所示，數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的誤差是通過數(shù)控系統(tǒng)的指令信息（MCMD）與檢測元件反饋回來的位置信息進行比較得到位置誤差，再通過調整數(shù)控機床伺服驅動系統(tǒng)的位置環(huán)增益參數(shù)來提高機床的位置環(huán)控制精度[4]。而采用混合閉環(huán)控制系統(tǒng)的位置精度誤差主要由半閉環(huán)控制的位置誤差計數(shù)器ER1和全閉環(huán)控制的位置誤差計數(shù)器ER2組成，數(shù)控機床在移動過程中半閉環(huán)控制系統(tǒng)生效這時是通過來自伺服電機內(nèi)裝式編碼器的位置反饋信息加上伺服系統(tǒng)的一次延時時間常數(shù)。由于數(shù)控機床在半閉環(huán)控制的時候伺服系統(tǒng)是根據(jù)系統(tǒng)的柔性電子齒輪比參數(shù)轉換計算出工作臺的位移量信息，此時通常不考慮機械部件的傳動誤差的因素，所以機床在移動過程中不會產(chǎn)生振動[3]。而數(shù)控機床移動的終點位置精度也就是機床的定位精度則是通過全閉環(huán)的分離式檢測器光柵尺和伺服系統(tǒng)的一次延時時間常數(shù)來保證，由于光柵尺是直接測量機床工作臺實際位置，所以機床的進給機械傳動誤差不會影響機床的測量精度，所以采用閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機床定位精度比開環(huán)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)的機床定位精度更高。而數(shù)控機床采用混合閉環(huán)控制則兼顧了半閉環(huán)控制的穩(wěn)定性和全閉環(huán)控制高精度的優(yōu)點。

2 混合閉環(huán)控制功能調試

1）將系統(tǒng)2019號參數(shù)的第7位DPFB（混合閉環(huán)控制功能有效）的值設置為“1”，打開FANUC系統(tǒng)的混合閉環(huán)控制功能;

2）混合閉環(huán)控制時伺服系統(tǒng)的變換系數(shù)設置。

系統(tǒng)2078號參數(shù)：混合閉環(huán)控制變換系數(shù)分子。

系統(tǒng)2079號參數(shù)：混合閉環(huán)控制變換系數(shù)分母。

混合閉環(huán)控制時伺服系統(tǒng)的變換系數(shù)K值計算公式如下：

K=n/d

公式式中n表示為該軸伺服電機每轉一圈工作臺移動所需的位置反饋脈沖數(shù)設置，一個位置反饋脈沖數(shù)為機床的脈沖當量（1μm），所以n=伺服電機每轉一圈工作臺的移動量X1000。d表示編碼器的位置反饋脈沖數(shù)，如果檢測元件為伺服電機內(nèi)裝式編碼器時，d的值設置為100萬[2]。

例如：某型數(shù)控機床的X軸伺服電機采用αi脈沖編碼器，伺服電機每轉1圈X軸的實際移動量為10mm，機床的脈沖當量為1μm/脈沖。

變換系數(shù)K值=n/d=10X 1000/100萬=1/100。

如果機床只是采用半閉環(huán)控制時，只要將系統(tǒng)2078號參數(shù)的設置值為1，系統(tǒng)2079號參數(shù)的設置值為100即可。

而數(shù)控機床在采用混合閉環(huán)控制時，則還要計算“A=8000000X變換系數(shù)”，看A值是否為整數(shù)，如果計算出A值為整數(shù)直接按照半閉環(huán)系統(tǒng)設置即將系統(tǒng)2078號參數(shù)設置為1，將系統(tǒng)2079號參數(shù)設置為100;若A值為非整數(shù)時，則需要計算出使“MXA=整數(shù)”時的最小的M值。再進行如下設定使機床的檢測單位為1/M：

（1）軸的變換系數(shù)：2078號參數(shù)/2079號參數(shù)=n/d *M的最小約分數(shù)。

（2）軸的指令倍乘比CMR：1820號參數(shù)設置為M倍的CMR。

（3）軸的柔性齒輪比設置：伺服電機轉1圈所需的位置反饋脈沖數(shù)/100萬XM值的最小約分數(shù)。

（4）參考計數(shù)器容量：1821號參數(shù)=M倍的參考計數(shù)器容量，參考計數(shù)器容量通常設置為伺服電機轉1圈所需的位置反饋脈沖數(shù)的整數(shù)倍。

（5）軸移動到位寬度：1826號參數(shù)設置為M倍的半閉環(huán)控制機床的到位寬度值。

（6）軸移動時的位置偏差極限量：1828號參數(shù)=M倍移動時的位置偏差量。

（7）軸停止時的位置偏差極限量：1829號參數(shù)=M倍停止時的位置偏差量。

（8）軸的反向間隙值：1851號參數(shù)=M倍的機床實際反向間隙值。

（9）軸的螺距誤差補償值倍率：3623號參數(shù)=M倍機床實際的螺距誤差補償值倍率。

3）系統(tǒng)2049號參數(shù)：混合閉環(huán)控制時位置反饋最大振幅值設置。

設置值=最大振幅（μm）/（全閉環(huán)端的最小檢測單位X64）通常情況下該值設置為0。

4）系統(tǒng)2080號參數(shù)：混合閉環(huán)控制一次延時時間常數(shù)。

在數(shù)控機床調試的初期，該參數(shù)通常設置為10毫秒左右，如果調試過程中機床在移動時工作臺出現(xiàn)振動時，則該參數(shù)每次增加50毫秒，逐漸增大到機床運行基本穩(wěn)定即可。

5）系統(tǒng)2202號參數(shù)第4位：混合閉環(huán)控制位置反饋零幅。

該參數(shù)值設置為全閉環(huán)端的最小檢測單位（μm/p），在執(zhí)行定位操作時使全閉環(huán)和半閉環(huán)的位置偏差值控制在小于該參數(shù)設置值的范圍內(nèi)，剛開始調試時該將該參數(shù)設置為0，如果機床運行時工作臺在停止中機床工作臺出現(xiàn)忽快忽慢的現(xiàn)象，請將該參數(shù)值調大一點。但是如果機床某個軸反向間隙值較大時，機床在移動過程中就會出現(xiàn)較大的位置偏差，這時需要將系統(tǒng)2202號參數(shù)第4位設置為1。

6）系統(tǒng)2118號參數(shù)：混合閉環(huán)控制位置反饋最大誤差值。

當在伺服電機脈沖編碼器和光柵尺之間產(chǎn)生誤差相當于設定在參數(shù)中的值大于等于系統(tǒng)脈沖數(shù)的誤差時數(shù)控系統(tǒng)就會產(chǎn)生報警，通常將系統(tǒng)2118號參數(shù)設置為相當于機床的實際反向間隙值的2-3倍。

7）將數(shù)控系統(tǒng)2010號參數(shù)第4位設置為0，將反向間隙補償值累加到半閉環(huán)端確保機床運行的穩(wěn)定性。

8）將數(shù)控系統(tǒng)2010號參數(shù)第5位設置為0，將螺距誤差補償值累加到全閉環(huán)端保證機床工作臺的定位精度。

3 結束語

以上混合閉環(huán)控制功能調試方法是本人在長期從事數(shù)控維修所總結出來的一些方法提供給大家參考，本文所述的內(nèi)容主要適用于機床廠采用混合閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)控機床的安裝與調試以及用戶的數(shù)控機床在使用了幾年時間后由于機械磨損和機床精度下降后工作臺再移動過程中出現(xiàn)后工作臺抖動的現(xiàn)象時對設備進行優(yōu)化處理，大家在實際使用時可能還受機床機械裝配精度較差、設備老化磨損情況嚴重等一些其他因素，當設備精度誤差較為嚴重的機床，又不愿意對機床的機械部件進行大修的情況下，建議維修人員將全閉環(huán)控制檢測元件光柵尺屏蔽掉，使機床變?yōu)榘腴]環(huán)控制來避免機床出現(xiàn)抖動和報警等現(xiàn)象讓機床還可以正常使用，能夠加工一些精度要求不高的產(chǎn)品零件提高機床的使用壽命。

【參考文獻】

[1]江衛(wèi)華，蘇文靜.伺服電動機混合閉環(huán)控制及實現(xiàn)[J].微電機，2008，41（12）：81-82.

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[3]劉暢，孫秀娥.利用雙位置反饋功能解決機械傳動中的剛性不足問題[J].制造技術與機床，2011，5：70-71.

[4]曹艷波，孫寧.雙位置反饋系統(tǒng)精度分析[J].自動化儀表，2015，36（3）：97-99.