FANUC伺服優(yōu)化功能在模具加工中的應(yīng)用

葛阿萍

摘要：為了改善模具加工中零件加工表面存在振紋、過切等表面質(zhì)量不佳的問題。文中通過FANUC SERVO GUIDE軟件測試機(jī)床的伺服系統(tǒng)性能，針對測試結(jié)果，對機(jī)床伺服系統(tǒng)三環(huán)參數(shù)、背隙加速等伺服參數(shù)進(jìn)行逐步調(diào)試和優(yōu)化，并將優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用于某模具樣件加工試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的伺服系統(tǒng)響應(yīng)性能和機(jī)床的加工性能都有所提高。

關(guān)鍵詞：伺服優(yōu)化;伺服系統(tǒng);SERVO GUIDE;加工質(zhì)量

中圖分類號：TP273? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）35-0217-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Application of FANUC Servo Optimization Function in Mold Processing

GE A-ping

（Department of Mechanical Engineering，Wuhu Institute of Technology，Wuhu 241006，China）

Abstract： In order to improve the surface quality of parts in mold processing， such as chatter and overcut. In this paper， the servo system performance of the machine tool is tested by FANUC servo guide software. According to the test results， the three loop parameters and backlash acceleration parameters of the machine tool servo system are adjusted and optimized step by step， and the optimization results are applied to ta mold sample processing test. The test results show that the? response performance and machine tool processing performance of the optimized servo system are improved.

Key words： servo optimization; servo system; servo guide; machining quality

數(shù)控機(jī)床是模具產(chǎn)品的生產(chǎn)載體，其伺服系統(tǒng)性能的好壞直接影響著模具產(chǎn)品的加工質(zhì)量。一般在機(jī)床剛出廠時(shí)，廠家會(huì)給定一組能夠保證正常加工的參數(shù)值，但并不能發(fā)揮機(jī)床最佳的加工性能[1]。另一種情況是隨著數(shù)控機(jī)床使用時(shí)間的增加，機(jī)床的機(jī)械性能發(fā)生了變化。此時(shí)與之相關(guān)的伺服參數(shù)也要隨之做出調(diào)整，否則會(huì)引起機(jī)床機(jī)電不匹配，造成機(jī)床運(yùn)行不穩(wěn)，產(chǎn)生振動(dòng)，使得零件加工表面存在振紋、過切等表面質(zhì)量不佳的問題[2]。因此為了保證模具產(chǎn)品的加工精度和表面質(zhì)量，對數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化顯得尤為必要。文中通過FANUC SERVO GUIDE軟件測試機(jī)床的伺服系統(tǒng)性能，針對測試結(jié)果，對機(jī)床伺服系統(tǒng)三環(huán)參數(shù)、背隙加速等參數(shù)進(jìn)行逐步調(diào)試和優(yōu)化，以獲得良好的伺服動(dòng)態(tài)性能和機(jī)械剛性，使數(shù)控機(jī)床處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，充分發(fā)揮最優(yōu)加工性能，從而提升模具產(chǎn)品加工品質(zhì)和精度。

1 伺服優(yōu)化原理和內(nèi)容

1.1 伺服優(yōu)化原理

數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)優(yōu)化的目的，是為了更好地優(yōu)化機(jī)械特性和電氣特性之間的配合，以獲得更高的伺服系統(tǒng)響應(yīng)和機(jī)械剛性，從而獲得更好的加工性能[2]。

FANUC伺服系統(tǒng)控制采用三環(huán)控制的方式，如圖1所示[2-3]。FANUC系統(tǒng)將伺服三環(huán)控制集成在NC的軸卡上，通過接收NC所發(fā)出的指令，經(jīng)軸卡的三環(huán)處理后輸出至放大器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。最內(nèi)環(huán)是電流控制，中間環(huán)是速度控制，最外環(huán)為位置控制。三環(huán)中，電流環(huán)是整個(gè)伺服系統(tǒng)控制的根本環(huán)節(jié)，作用是提高系統(tǒng)的快速性，限制最大電流，使系統(tǒng)有足夠大的加速轉(zhuǎn)矩。速度環(huán)是伺服控制的中間環(huán)節(jié)，作用是提高系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)能力，抑制速度波動(dòng)。位置環(huán)是最外環(huán)，其作用是保證系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟隨性能[4]。三環(huán)中，電流環(huán)響應(yīng)速度最快，其次是速度環(huán)，最后是位置環(huán)。若要提高位置環(huán)回路增益須先提高速度環(huán)回路增益，否則容易導(dǎo)致機(jī)床振蕩，運(yùn)行不穩(wěn)。因此，伺服優(yōu)化應(yīng)遵循“由內(nèi)而外”的原則，秉承先電流環(huán)、后速度環(huán)，最后位置環(huán)的先后順序進(jìn)行優(yōu)化。

伺服優(yōu)化的實(shí)質(zhì)是根據(jù)機(jī)床的頻率響應(yīng)曲線、圓弧測試圖進(jìn)行分析，合理調(diào)整伺服三環(huán)參數(shù)，盡可能使各軸精確的跟隨移動(dòng)指令和抑制干擾扭矩，即在一定的機(jī)械狀態(tài)下確保伺服系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)振蕩，保證三環(huán)控制回路能夠在高響應(yīng)、高剛性下“和諧”工作[5-6]。

1.2 伺服優(yōu)化的內(nèi)容

對于數(shù)控機(jī)床伺服優(yōu)化主要包括兩個(gè)方面[7]：

（1）提高伺服電機(jī)增益，抑制機(jī)床振動(dòng)

通過頻率響應(yīng)測試抑制機(jī)床共振點(diǎn)，提高機(jī)床增益，以匹配機(jī)床的機(jī)械剛性、提高電機(jī)的響應(yīng)速度。

（2）循圓象限凸起抑制，調(diào)整加工精度

通過觀察機(jī)床圓弧象限測試進(jìn)行調(diào)整，抑制伺服軸換向時(shí)的凸起，消除加工時(shí)的象限痕。

2 伺服優(yōu)化案例分析

2.1 加工故障現(xiàn)象

某加工中心使用FANUC 0i-MF系統(tǒng)加工模具產(chǎn)品試件，使用AICC功能，進(jìn)給量為2000mm/min， 經(jīng)加工后，零件加工表面有明顯的振紋，存在過切，如圖2所示。

2.2 伺服優(yōu)化方案

（1）首先利用SERVO GUIDE軟件測試機(jī)床3軸靜態(tài)頻率響應(yīng)曲線，觀察機(jī)床的機(jī)械性能。靜態(tài)頻率響應(yīng)測試是SERVO GUIDE調(diào)試中非常重要的一環(huán)，它波形的好壞反映了機(jī)床很重要的機(jī)械特性，它調(diào)整的好壞直接影響了后續(xù)圓弧部分的調(diào)整，以及機(jī)床運(yùn)行的平穩(wěn)和加工效果的好壞，在整個(gè)調(diào)試中具有非常重的分量。頻率響應(yīng)測試通過頻率響應(yīng)測量各軸的共振點(diǎn)，并用濾波器參數(shù)來抑制共振[5]。在滿足波形要求，保證共振點(diǎn)被抑制的情況下，提高速度環(huán)路增益。以X軸測試為例，優(yōu)化前頻率響應(yīng)圖如圖3所示。

調(diào)試中主要以幅頻特性曲線作為考察伺服特性的主要依據(jù)[5]。由圖3可知，幅頻曲線在低頻50HZ—200HZ范圍內(nèi)幅值低于0dB，表示系統(tǒng)響應(yīng)滯后。先檢查電流環(huán)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)“HRV+控制有效”未選中，如圖4所示。此功能是在HRV3基礎(chǔ)上進(jìn)行控制的，即HRV3+功能，可以實(shí)現(xiàn)電流環(huán)更高速響應(yīng)和較高的速度增益設(shè)定。選中“HRV+控制有效”選項(xiàng)，再次測試頻響曲線，如圖5所示。

在使用了HRV+控制有效后，低頻部分幅值基本接近0dB，系統(tǒng)響應(yīng)滯后明顯改善。但高頻部分在380hZ左右仍存在明顯的共振點(diǎn)。調(diào)試中逐步加入濾波器來抑制高頻振蕩。在使用 HRV 濾波器后機(jī)床高頻共振被抑制，振蕩現(xiàn)象明顯減弱。機(jī)床消除振動(dòng)的原則是在抑制掉高頻振蕩點(diǎn)后，確保機(jī)床平穩(wěn)運(yùn)行的狀態(tài)下盡可能提高機(jī)床伺服系統(tǒng)速度增益[4]。經(jīng)反復(fù)調(diào)試，最終將速度環(huán)增益由原來的150調(diào)整到最終的180。優(yōu)化前后的速度環(huán)參數(shù)設(shè)置如圖6所示。

最終優(yōu)化后X軸頻響特性曲線如圖7所示。此時(shí)曲線的最高點(diǎn)低于5dB，高頻衰減區(qū)域的幅值低于-20dB。經(jīng)優(yōu)化后的機(jī)床機(jī)械特性已明顯提高，既充分發(fā)揮了伺服的剛性余量，又保證了伺服軸的穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）在合理優(yōu)化了三軸伺服環(huán)增益，確保三軸在高剛性下穩(wěn)定運(yùn)行后。將CMR（柔性齒輪比）擴(kuò)大10倍（系統(tǒng)檢測精度提升）。因?yàn)樵跈C(jī)械性能較好的前提下，擴(kuò)大CMR倍數(shù)能夠改善電流特性曲線，使得機(jī)床運(yùn)行更加平穩(wěn)，降低電流波動(dòng)，對加工表面的光潔度一定的改善作用。

（3）經(jīng)上述調(diào)試后，機(jī)床高頻振動(dòng)被抑制，伺服響應(yīng)性能有所提高。再次加工，奔馳件試件表面振紋已明顯改善，但加工試件上仍存在過切現(xiàn)象，需通過圓度測試進(jìn)一步檢測。以XY插補(bǔ)圓弧為例，如圖8所示。橫軸為X軸，縱軸為Y軸。

根據(jù)XY軸圓度測試圖分析，四個(gè)象限均有凸起，Y軸兩象限凸起接近10um。這可能是造成工件加工爬坡過切的原因。在機(jī)床系統(tǒng)中，當(dāng)反沖摩擦的影響較大時(shí)，在電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生延遲，造成圓弧切削時(shí)的象限凸起。以Y軸為例，嘗試對Y軸的象限凸起進(jìn)行補(bǔ)償，試著將背隙加速補(bǔ)償參數(shù)調(diào)大，觀察Y軸象限凸起有所改善，經(jīng)反復(fù)調(diào)試，將Y軸背隙加速補(bǔ)償量（NO.2048）由原來的200增加到600，背隙加速有效時(shí)間（NO.2071）由原來的0增加到10。X軸背隙加速補(bǔ)償量由原來的0增加到300，背隙加速有效時(shí)間由原來的0增加到6。經(jīng)優(yōu)化后的XY軸圓弧圖形如圖9所示。四個(gè)象限凸起均被抑制在5um以內(nèi)，明顯改善。

2.3 加工測試

完成上述步驟調(diào)試后，使用AICC功能，再次加工。由于高頻振動(dòng)得到抑制，象限凸起現(xiàn)象改善，使得機(jī)床運(yùn)行平穩(wěn)。最終加工效果刀路整齊，表面光滑無振紋，過切現(xiàn)象有所改善。加工后試件如圖10所示。

3 結(jié)語

經(jīng)試驗(yàn)研究結(jié)果表明，通過FANUC伺服優(yōu)化可有效解決模具加工中零件表面振紋和過切現(xiàn)象，改善模具產(chǎn)品表面加工品質(zhì)和加工精度，提高數(shù)控機(jī)床的加工性能。在實(shí)際伺服優(yōu)化過程中，由于各廠家機(jī)床本身機(jī)械的不同，裝配的差異，其伺服參數(shù)調(diào)整會(huì)有些差異，即便是同一臺(tái)機(jī)床不同時(shí)期因磨損使用程度的不同，其伺服優(yōu)化也并不完全相同，但整個(gè)伺服優(yōu)化的方法和流程大體一致。伺服優(yōu)化是一項(xiàng)煩瑣的工作，需反復(fù)調(diào)試，摸索總結(jié)，方能確定好的優(yōu)化結(jié)果。

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