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【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)用場景，詳細(xì)說明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)試過程中常見的問題與處理方法?！娟P(guān)鍵詞】數(shù)控機(jī)床;混合閉環(huán);調(diào)試Keyword Numericalcontrolmachine;Miedcloedloop;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(qiáng)國發(fā)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

2、件的制造精度要求越來越高，對數(shù)控機(jī)床的控制精度要求也越來越高，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)檢測元件的精度來保證。數(shù)控機(jī)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(jī)床是通過步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動工作臺的移動，沒有檢測元件，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)基本被淘汰了。2 半閉環(huán)的數(shù)控機(jī)床通常采用光電編碼器、圓光柵等角度測量元件，通過這些元件測量伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)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(jì)算得到數(shù)

3、控機(jī)床的實(shí)際位移量，但是由于伺服電機(jī)是通過滾珠絲桿螺母副等傳動機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為工作臺的直線移動，而滾珠絲桿等機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)床的工作臺上，直接測量工作臺的實(shí)際位移量，這樣就避開了機(jī)械傳動誤差對測量造成的影響，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，同時還會將反饋信息與光柵尺進(jìn)行比對計(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

4、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反饋誤差較大。從而使機(jī)床在運(yùn)行過程中誤差補(bǔ)償量過大造成機(jī)床移動過程中會出現(xiàn)抖動、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)械部件的傳動間隙誤差較大造成的運(yùn)行不穩(wěn)定情況時，通過增加伺服電機(jī)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

5、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(dá)到消除機(jī)床振動、報(bào)警等故障1。混合閉環(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(jìn)行比較得到位置誤差，再通過調(diào)整數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動系統(tǒng)的位置環(huán)增益參數(shù)來提高機(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(jī)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(jī)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)

6、轉(zhuǎn)換計(jì)算出工作臺的位移量信息，此時通常不考慮機(jī)械部件的傳動誤差的因素，所以機(jī)床在移動過程中不會產(chǎn)生振動3。而數(shù)控機(jī)床移動的終點(diǎn)位置精度也就是機(jī)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(jī)床工作臺實(shí)際位置，所以機(jī)床的進(jìn)給機(jī)械傳動誤差不會影響機(jī)床的測量精度，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(diǎn)。2混合閉環(huán)控制功能調(diào)試1將系統(tǒng)2022號參數(shù)的第7位DPFB 混合閉環(huán)控制功能有效的值設(shè)置為“1，打開FANUC系統(tǒng)的混合閉環(huán)控

7、制功能；2混合閉環(huán)控制時伺服系統(tǒng)的變換系數(shù)設(shè)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?；旌祥]環(huán)控制時伺服系統(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)每轉(zhuǎn)一圈工作臺移動所需的位置反饋脈沖數(shù)設(shè)置，一個位置反饋脈沖數(shù)為機(jī)床的脈沖當(dāng)量1mm，所以n=伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈工作臺的移動量1000o 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(jī)內(nèi)裝式編碼器時，d的值設(shè)置為100萬2。例如：型數(shù)控機(jī)床的軸伺服電機(jī)采用ai脈沖編碼器，伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)1圈軸的實(shí)際移動量為10mm，機(jī)床的脈沖當(dāng)量為15、脈沖。變換系數(shù) K 值二n、d=

8、101000、100 萬=1、100。如果機(jī)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(shè)置值為1,系統(tǒng)2079號參數(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，則還要計(jì)算“A=8000000變換系數(shù)，看A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號參數(shù)設(shè)置為1,將系統(tǒng)2079號參數(shù)設(shè)置為100;假設(shè)A值為非整數(shù)時，則需要計(jì)算出使“MA二整數(shù)時的最小的M值。再進(jìn)行如下設(shè)定使機(jī)床的檢測單位為1、M：軸的變換系數(shù)：2078號參數(shù)、2079號參數(shù)二n、dM的最小約分?jǐn)?shù)。軸的指令倍乘比CMR： 1820號參數(shù)設(shè)置為M倍的CMR。軸的柔性齒輪比設(shè)置：伺服電機(jī)

9、轉(zhuǎn)1圈所需的位置反饋脈沖數(shù)、100萬M值的最小約分?jǐn)?shù)。參考計(jì)數(shù)器容量：1821號參數(shù)二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圈所需的位置反饋脈沖數(shù)的整數(shù)倍。軸移動到位寬度：1826號參數(shù)設(shè)置為M倍的半閉環(huán)控制機(jī)床的到位寬度值。軸移動時的位置偏差極限量：1828號參數(shù)二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)二M倍停止時的位置偏差量。8軸的反向間隙值：1851號參數(shù)二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號參數(shù)二M倍機(jī)床實(shí)際的螺距誤差補(bǔ)償值倍率。3系統(tǒng)2049號參數(shù)：混合閉環(huán)控制時位置反饋?zhàn)畲笳穹翟O(shè)置。設(shè)置值二最大振幅um.全

10、閉環(huán)端的最小檢測單位64通常情況下該值設(shè)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(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)試過程中機(jī)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(jī)床運(yùn)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(shè)置為全閉環(huán)端的最小檢測單位um. 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(shè)置值的范圍內(nèi)，剛開始調(diào)試時該將該參數(shù)設(shè)置為0，如果機(jī)床運(yùn)行時工作臺在停止中機(jī)床工作臺出現(xiàn)忽快忽慢的現(xiàn)象，請將該參數(shù)值調(diào)大一點(diǎn)。但是如果機(jī)床一些軸反向間隙值較大時，機(jī)床在移動過程中就會

11、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(shè)置為1。6系統(tǒng)2118號參數(shù)：混合閉環(huán)控制位置反饋?zhàn)畲笳`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)的誤差時數(shù)控系統(tǒng)就會產(chǎn)生報(bào)警，通常將系統(tǒng)2118號參數(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)2022號參數(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)2022號參數(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)床工作臺的定位精度。3結(jié)束語以上混合閉環(huán)控制功能調(diào)試方法是本人在長期從事數(shù)控維修所總結(jié)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(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)床在使用了幾年時間后由于機(jī)械磨損和機(jī)床精度下降后工作臺再移動過程中出現(xiàn)后工作臺抖動