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

1、FANUC系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床混合閉環(huán)控制功能實(shí)踐研究宋福林余偉【摘要】本文以FANUC系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床為例，介紹數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)常用控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，分析采用混合閉環(huán)控制的應(yīng)用場(chǎng)景，詳細(xì)說(shuō)明FANUC系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床混合閉環(huán)控制功能的調(diào)試步驟，以及調(diào)試過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題與處理方法。【關(guān)鍵詞】數(shù)控機(jī)床;混合閉環(huán);調(diào)試中圖分類號(hào)：TH17文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-2457202123-0045-002DOI：10.19694/j ki.issn2095-2457.2021.23.019【Abstract】ThispapertakestheFANUCsystemnumericalcontrolmachine

2、asanexampletointroducetheadvantagesanddisadvantagesofthecommoncontrolmethodsoftheCNCmachinetoolservosystem，analyzestheapplicationscenariosofthehybridclosed-loopcontrol，andexplainsindetailthedebuggingstepsoftheFANUCsystemCNCmachinetoolhybridclosed-loopcontrolfunction，aswellasthecommondebuggingprocess

3、.Problemandtreatment.【Keywords】Numericalcontrolmachine;Mixedclosedloop;Debugging隨著航空、航天、造船、汽車(chē)等制造業(yè)的飛速開(kāi)展，我國(guó)正從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)開(kāi)展，數(shù)控機(jī)床作為制造業(yè)的工業(yè)母機(jī)，被廣泛地應(yīng)用于各類機(jī)械制造領(lǐng)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(lái)越高，對(duì)數(shù)控機(jī)床的控制精度要求也越來(lái)越高，而數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的控制性能是影響數(shù)控機(jī)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(cè)元件的精度來(lái)保證。數(shù)控機(jī)床根據(jù)伺服系統(tǒng)選用的檢測(cè)元件不同，一般分為開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和全

4、閉環(huán)控制三種方式。1開(kāi)環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)開(kāi)工作臺(tái)的移動(dòng)，沒(méi)有檢測(cè)元件，由于步進(jìn)電機(jī)本身的特點(diǎn)，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(jī)床中已經(jīng)根本被淘汰了。2半閉環(huán)的數(shù)控機(jī)床通常采用光電編碼器、圓光柵等角度測(cè)量元件，通過(guò)這些元件測(cè)量伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度將信號(hào)反響給數(shù)控系統(tǒng)，再通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)柔性齒輪比等參數(shù)，由數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算得到數(shù)控機(jī)床的實(shí)際位移量，但是由于伺服電機(jī)是通過(guò)滾珠絲桿螺母副等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為工作臺(tái)的直線移動(dòng)，而滾珠絲桿等機(jī)械傳動(dòng)部件也存在一定的誤差，這局部誤差上述測(cè)量元件無(wú)法檢測(cè)反響給數(shù)控系統(tǒng)，因此采用半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床仍然無(wú)法滿足一些高

5、精密零件的加工。3全閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)元件那么采用別離型檢測(cè)元件光柵尺，光柵尺直接安裝在機(jī)床的工作臺(tái)上，直接測(cè)量工作臺(tái)的實(shí)際位移量，這樣就避開(kāi)了機(jī)械傳動(dòng)誤差對(duì)測(cè)量造成的影響，而伺服電機(jī)的本身自帶的角度編碼器主要是負(fù)責(zé)伺服電機(jī)運(yùn)行速度的檢測(cè)，同時(shí)還會(huì)將反響信息與光柵尺進(jìn)行比對(duì)計(jì)算進(jìn)行偏差補(bǔ)償，所以采用全閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床精度更高。在企業(yè)實(shí)際應(yīng)用中，由于數(shù)控機(jī)床的床身部件在制造加工和裝配等生產(chǎn)環(huán)節(jié)質(zhì)量控制等因素的影響，再加上數(shù)控機(jī)床在使用一段時(shí)間后，由于機(jī)械磨損后機(jī)床的機(jī)械精度下降后，造成伺服電機(jī)編碼器與光柵尺的檢測(cè)反響誤差較大。從而使機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中誤差補(bǔ)償量過(guò)大造成機(jī)床移動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)

6、、運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)位置超差報(bào)警等故障現(xiàn)象，使零件加工精度下降，甚至導(dǎo)致設(shè)備無(wú)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(jī)床因機(jī)械部件的傳動(dòng)間隙誤差較大造成的運(yùn)行不穩(wěn)定情況時(shí)，通過(guò)增加伺服電機(jī)的角度編碼器的位置反響功能即混合閉環(huán)控制，即有全閉環(huán)控制的高精度同時(shí)也有半閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)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(lái)到達(dá)消除機(jī)床振動(dòng)、報(bào)警等故障【1】?；旌祥]環(huán)控制原理如圖1所示，數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的誤差是通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的指令信息MCMD與檢測(cè)元件反響回來(lái)的位置信息進(jìn)行比較得到位置誤差，再通過(guò)調(diào)整數(shù)控

7、機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位置環(huán)增益參數(shù)來(lái)提高機(jī)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(jì)數(shù)器ER1和全閉環(huán)控制的位置誤差計(jì)數(shù)器ER2組成，數(shù)控機(jī)床在移動(dòng)過(guò)程中半閉環(huán)控制系統(tǒng)生效這時(shí)是通過(guò)來(lái)自伺服電機(jī)內(nèi)裝式編碼器的位置反響信息加上伺服系統(tǒng)的一次延時(shí)時(shí)間常數(shù)。由于數(shù)控機(jī)床在半閉環(huán)控制的時(shí)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(zhuǎn)換計(jì)算出工作臺(tái)的位移量信息，此時(shí)通常不考慮機(jī)械部件的傳動(dòng)誤差的因素，所以機(jī)床在移動(dòng)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)【3】。而數(shù)控機(jī)床移動(dòng)的終點(diǎn)位置精度也就是機(jī)床的定位精度那么是通過(guò)全閉環(huán)的別離式檢測(cè)器光柵尺和伺服系統(tǒng)的一次延時(shí)時(shí)間常數(shù)來(lái)保證，由于

8、光柵尺是直接測(cè)量機(jī)床工作臺(tái)實(shí)際位置，所以機(jī)床的進(jìn)給機(jī)械傳動(dòng)誤差不會(huì)影響機(jī)床的測(cè)量精度，所以采用閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床定位精度比開(kāi)環(huán)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)的機(jī)床定位精度更高。而數(shù)控機(jī)床采用混合閉環(huán)控制那么兼顧了半閉環(huán)控制的穩(wěn)定性和全閉環(huán)控制高精度的優(yōu)點(diǎn)。2混合閉環(huán)控制功能調(diào)試1將系統(tǒng)2021號(hào)參數(shù)的第7位DPFB混合閉環(huán)控制功能有效的值設(shè)置為“1，翻開(kāi)FANUC系統(tǒng)的混合閉環(huán)控制功能;2混合閉環(huán)控制時(shí)伺服系統(tǒng)的變換系數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)2078號(hào)參數(shù)：混合閉環(huán)控制變換系數(shù)分子。系統(tǒng)2079號(hào)參數(shù)：混合閉環(huán)控制變換系數(shù)分母?；旌祥]環(huán)控制時(shí)伺服系統(tǒng)的變換系數(shù)K值計(jì)算公式如下：K=n/d公式式中n表示為該軸伺服電機(jī)

9、每轉(zhuǎn)一圈工作臺(tái)移動(dòng)所需的位置反響脈沖數(shù)設(shè)置，一個(gè)位置反響脈沖數(shù)為機(jī)床的脈沖當(dāng)量1m，所以n=伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈工作臺(tái)的移動(dòng)量X1000。d表示編碼器的位置反響脈沖數(shù)，如果檢測(cè)元件為伺服電機(jī)內(nèi)裝式編碼器時(shí)，d的值設(shè)置為100萬(wàn)【2】。例如：某型數(shù)控機(jī)床的X軸伺服電機(jī)采用i脈沖編碼器，伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)1圈X軸的實(shí)際移動(dòng)量為10mm，機(jī)床的脈沖當(dāng)量為1m/脈沖。變換系數(shù)K值=n/d=10X1000/100萬(wàn)=1/100。如果機(jī)床只是采用半閉環(huán)控制時(shí)，只要將系統(tǒng)2078號(hào)參數(shù)的設(shè)置值為1，系統(tǒng)2079號(hào)參數(shù)的設(shè)置值為100即可。而數(shù)控機(jī)床在采用混合閉環(huán)控制時(shí)，那么還要計(jì)算“A=8000000X變換系數(shù)，看A

10、值是否為整數(shù)，如果計(jì)算出A值為整數(shù)直接按照半閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)置即將系統(tǒng)2078號(hào)參數(shù)設(shè)置為1，將系統(tǒng)2079號(hào)參數(shù)設(shè)置為100;假設(shè)A值為非整數(shù)時(shí)，那么需要計(jì)算出使“MXA=整數(shù)時(shí)的最小的M值。再進(jìn)行如下設(shè)定使機(jī)床的檢測(cè)單位為1/M：1軸的變換系數(shù)：2078號(hào)參數(shù)/2079號(hào)參數(shù)=n/d*M的最小約分?jǐn)?shù)。2軸的指令倍乘比CMR：1820號(hào)參數(shù)設(shè)置為M倍的CMR。3軸的柔性齒輪比設(shè)置：伺服電機(jī)轉(zhuǎn)1圈所需的位置反響脈沖數(shù)/100萬(wàn)XM值的最小約分?jǐn)?shù)。4參考計(jì)數(shù)器容量：1821號(hào)參數(shù)=M倍的參考計(jì)數(shù)器容量，參考計(jì)數(shù)器容量通常設(shè)置為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)1圈所需的位置反響脈沖數(shù)的整數(shù)倍。5軸移動(dòng)到位寬度：1826號(hào)參數(shù)

11、設(shè)置為M倍的半閉環(huán)控制機(jī)床的到位寬度值。6軸移動(dòng)時(shí)的位置偏差極限量：1828號(hào)參數(shù)=M倍移動(dòng)時(shí)的位置偏差量。7軸停止時(shí)的位置偏差極限量：1829號(hào)參數(shù)=M倍停止時(shí)的位置偏差量。8軸的反向間隙值：1851號(hào)參數(shù)=M倍的機(jī)床實(shí)際反向間隙值。9軸的螺距誤差補(bǔ)償值倍率：3623號(hào)參數(shù)=M倍機(jī)床實(shí)際的螺距誤差補(bǔ)償值倍率。3系統(tǒng)2049號(hào)參數(shù)：混合閉環(huán)控制時(shí)位置反響最大振幅值設(shè)置。設(shè)置值=最大振幅m/全閉環(huán)端的最小檢測(cè)單位X64通常情況下該值設(shè)置為0。4系統(tǒng)2080號(hào)參數(shù)：混合閉環(huán)控制一次延時(shí)時(shí)間常數(shù)。在數(shù)控機(jī)床調(diào)試的初期，該參數(shù)通常設(shè)置為10毫秒左右，如果調(diào)試過(guò)程中機(jī)床在移動(dòng)時(shí)工作臺(tái)出現(xiàn)振動(dòng)時(shí)，那么該參

12、數(shù)每次增加50毫秒，逐漸增大到機(jī)床運(yùn)行根本穩(wěn)定即可。5系統(tǒng)2202號(hào)參數(shù)第4位：混合閉環(huán)控制位置反響零幅。該參數(shù)值設(shè)置為全閉環(huán)端的最小檢測(cè)單位m/p，在執(zhí)行定位操作時(shí)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(shè)置值的范圍內(nèi)，剛開(kāi)始調(diào)試時(shí)該將該參數(shù)設(shè)置為0，如果機(jī)床運(yùn)行時(shí)工作臺(tái)在停止中機(jī)床工作臺(tái)出現(xiàn)忽快忽慢的現(xiàn)象，請(qǐng)將該參數(shù)值調(diào)大一點(diǎn)。但是如果機(jī)床某個(gè)軸反向間隙值較大時(shí)，機(jī)床在移動(dòng)過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)較大的位置偏差，這時(shí)需要將系統(tǒng)2202號(hào)參數(shù)第4位設(shè)置為1。6系統(tǒng)2118號(hào)參數(shù)：混合閉環(huán)控制位置反響最大誤差值。當(dāng)在伺服電機(jī)脈沖編碼器和光柵尺之間產(chǎn)生誤差相當(dāng)于設(shè)定在參數(shù)中的值大于等于系統(tǒng)脈沖數(shù)的誤差

13、時(shí)數(shù)控系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，通常將系統(tǒng)2118號(hào)參數(shù)設(shè)置為相當(dāng)于機(jī)床的實(shí)際反向間隙值的2-3倍。7將數(shù)控系統(tǒng)2021號(hào)參數(shù)第4位設(shè)置為0，將反向間隙補(bǔ)償值累加到半閉環(huán)端確保機(jī)床運(yùn)行的穩(wěn)定性。8將數(shù)控系統(tǒng)2021號(hào)參數(shù)第5位設(shè)置為0，將螺距誤差補(bǔ)償值累加到全閉環(huán)端保證機(jī)床工作臺(tái)的定位精度。3結(jié)束語(yǔ)以上混合閉環(huán)控制功能調(diào)試方法是本人在長(zhǎng)期從事數(shù)控維修所總結(jié)出來(lái)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(jī)床廠采用混合閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的安裝與調(diào)試以及用戶的數(shù)控機(jī)床在使用了幾年時(shí)間后由于機(jī)械磨損和機(jī)床精度下降后工作臺(tái)再移動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)后工作臺(tái)抖動(dòng)的現(xiàn)象時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化處理，大家在實(shí)際使用時(shí)可能還受機(jī)床機(jī)械裝配精度較差、設(shè)備老化磨損情況嚴(yán)重等一些其他因素，當(dāng)設(shè)備精度誤差較為嚴(yán)重的機(jī)床，又不愿意對(duì)機(jī)床的機(jī)械部件進(jìn)行大修的情況下，建議維修人員將全閉環(huán)控制檢測(cè)元件光柵尺屏蔽掉，使機(jī)床變?yōu)榘腴]環(huán)控制來(lái)防止機(jī)床出現(xiàn)抖動(dòng)和報(bào)警等現(xiàn)象讓機(jī)床還可以正常使用，能夠加工一些精