劉瑞已

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410208）

在半閉環(huán)控制的機(jī)床中，參數(shù)設(shè)定比較簡(jiǎn)單，只要將電動(dòng)機(jī)的代號(hào)和功能位設(shè)定好，系統(tǒng)即可將NC系統(tǒng)、數(shù)字伺服、電動(dòng)機(jī)和機(jī)床合理匹配。所以經(jīng)過(guò)初始化設(shè)定后，機(jī)床一般即可以平穩(wěn)可靠運(yùn)行。但為了提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，全閉環(huán)控制在越來(lái)越多的機(jī)床上得到應(yīng)用。但是在全閉環(huán)控制后，因?yàn)闄C(jī)床結(jié)構(gòu)不同，安裝時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，都會(huì)影響全閉環(huán)控制過(guò)程的平穩(wěn)性和快速響應(yīng)，最終影響全閉環(huán)控制的精度。

1 半閉環(huán)時(shí)消除振蕩的對(duì)策

半閉環(huán)時(shí)消除振蕩的方法：首先分清振蕩的大概頻率，如果是斷續(xù)的、有規(guī)律的低速振蕩，我們稱之為低頻振蕩；而較異常、頻率在100～400 Hz時(shí)稱為高頻振蕩。對(duì)于低頻振蕩，F(xiàn)ANUC Oi系列數(shù)控系統(tǒng)可采取如下措施：

（1）減小位置環(huán)增益。參數(shù)為P1825，標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)定為3 000，作適當(dāng)減小，振蕩一般均可消除。

（2）降低負(fù)載慣量比。參數(shù)為P2021，一般設(shè)定在≤70%，稍有起振為宜。

（3）加入比例積分（PI）控制。參數(shù)P2003#3，設(shè)定為1，使PI控制使能。

（4）適當(dāng)增大速度積分增益。參數(shù)P2043，該值在初始化時(shí)已經(jīng)生成標(biāo)準(zhǔn)值，如果該值較小時(shí)，響應(yīng)較差，因此需要先把（2）中所述的負(fù)載慣量比返回初始值后，再將此參數(shù)適當(dāng)增大。

對(duì)于半閉環(huán)可能產(chǎn)生的高頻振蕩，則有以下幾種對(duì)策：

（1）使用250μs加速反饋功能。此功能是對(duì)速度環(huán)反饋的一種補(bǔ)償功能。由于機(jī)床的傳動(dòng)環(huán)節(jié)導(dǎo)致彈性變形，或是負(fù)載的慣量折合到電動(dòng)機(jī)軸上后與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量相比較大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生50～150 Hz的振蕩。使用此功能補(bǔ)償加速時(shí)的反饋，使響應(yīng)加快，消除振蕩。該參數(shù)為P2066，一般設(shè)定在 —10～—20之間，如在加減速時(shí)有振蕩，可適當(dāng)減小此參數(shù)值。需要注意，此值太大，可能引起不正常振蕩。

（2）加入轉(zhuǎn)矩指令濾波器功能。該功能是一低通濾波環(huán)節(jié)，對(duì)于100 Hz以上的轉(zhuǎn)矩指令有抑制作用，因此可以消除高頻振蕩。參數(shù)為P2067，這是一個(gè)與截止頻率有關(guān)的量值，范圍為1 166（200 Hz）～2 327（90 Hz）。例如當(dāng)確定100 Hz為振蕩截止頻率時(shí)，其相應(yīng)的設(shè)定值為2185。

（3）加入觀測(cè)器功能。如果加入轉(zhuǎn)矩指令濾波器不起作用，可能是振蕩頻率在數(shù)百赫茲以上，這時(shí)可加入觀測(cè)器功能。此功能實(shí)際上是對(duì)速度指令中的高頻成分進(jìn)行分離，并加以抑制。設(shè)定參數(shù)如下：

參數(shù)P2003#2（OBEN），此位參數(shù)設(shè)為1，觀測(cè)器功能有效；

參數(shù)P2047，設(shè)定觀測(cè)器檢測(cè)系數(shù)POA1，設(shè)定值按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定（初始化設(shè)定）；

參數(shù)P2050，設(shè)定觀測(cè)器檢測(cè)系數(shù)POKl，設(shè)定值按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定（初始化設(shè)定）；

參數(shù)P2051，設(shè)定觀測(cè)器檢測(cè)系數(shù)POK2，設(shè)定值按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定（初始化設(shè)定）。

以上是最基本的抑制方法，可在不同的機(jī)床上試驗(yàn)應(yīng)用。但因?yàn)闄C(jī)床的結(jié)構(gòu)和配置差別較大，振蕩產(chǎn)生的原因也不盡相同，所以不可一概而論。

2 全閉環(huán)時(shí)消除振蕩的方法

在全閉環(huán)控制過(guò)程中產(chǎn)生不同程度的振蕩，其消除對(duì)策可按以下步驟進(jìn)行。

（1）減小位置環(huán)增益。參數(shù)為P1825，設(shè)定時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值的基礎(chǔ)上適當(dāng)減小并觀察。一般情況下，先用此法，如不見(jiàn)效，再采取以下對(duì)策。

（2）設(shè)定反向間隙和螺距誤差補(bǔ)償?shù)恼`差計(jì)數(shù)形式。參數(shù)P2010#4（HBPE，螺距附加到誤差計(jì)數(shù)器）的設(shè)定值為0（選擇螺補(bǔ)附加到全閉環(huán)形式的誤差計(jì)數(shù)器中，作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定），參數(shù)P2010#5（HBBL，反向間隙補(bǔ)償時(shí)附加到誤差計(jì)數(shù)器）的設(shè)定值為0（選擇反向間隙補(bǔ)償值附加到全閉環(huán)形式的誤差計(jì)數(shù)器中，作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定）。

（3）采用雙位置反饋功能。如果機(jī)床在半閉環(huán)時(shí)是平穩(wěn)的，而在全閉環(huán)時(shí)有振蕩可用此功能。機(jī)床在安裝時(shí)可能會(huì)有反向間隙存在，如果間隙較大，而機(jī)械無(wú)法消除時(shí)，就會(huì)成為全閉環(huán)振蕩的主要原因。采用該功能最主要就是調(diào)整一階時(shí)間常數(shù)，使之在過(guò)渡過(guò)程中位置誤差按半閉環(huán)控制，而在停止時(shí)按全閉環(huán)控制。設(shè)定參數(shù)主要有P2078（雙環(huán)反饋折合系數(shù)的分子）、P2079（雙環(huán)反饋折合系數(shù)的分母）、P2080（雙環(huán)反饋一階延時(shí)時(shí)間常數(shù)）和P2081（雙環(huán)反饋的零點(diǎn)幅度）。參數(shù)P2080的設(shè)定范圍為10～300 ms，正常情況下設(shè)定為100 ms，如果在加減速期間有振蕩，可每次增加50 ms試之，如已消除，可在該基礎(chǔ)上減少20 ms。在此需注意的是，聯(lián)動(dòng)軸需要設(shè)定同樣的數(shù)據(jù)。P2081（雙環(huán)反饋的零點(diǎn)幅度）一般先設(shè)定為0，如有振蕩，可稍微增大，單位為μm。

（4）用機(jī)械速度反饋功能。一般在加入全閉環(huán)后，對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)的坐標(biāo)，如加工中心轉(zhuǎn)臺(tái)（具有齒輪減速和蝸輪蝸桿傳動(dòng)），不可避免地在電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)臺(tái)之間形成了彈性環(huán)節(jié)，這也是產(chǎn)生振動(dòng)的原因之一。如果在電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)臺(tái)之間形成了彈性環(huán)節(jié)，則全閉環(huán)位置反饋?lái)憫?yīng)要慢一些，而速度反饋是直接取自電動(dòng)機(jī)上的編碼器，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩。如加入機(jī)械速度反饋環(huán)節(jié)，可以使急需速度滯后的情況得到補(bǔ)償，從而消除振動(dòng)。當(dāng)參數(shù)P2012#1（MSPE）設(shè)定為1時(shí)，該功能有效；參數(shù)P2088（機(jī)械速度反饋增益）的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為30（設(shè)定范圍30～100）。

以上是全閉環(huán)控制時(shí)消除振蕩的一些基本對(duì)策，在實(shí)際工作中要認(rèn)真觀察振蕩的現(xiàn)象，結(jié)合機(jī)床的結(jié)構(gòu)和配置情況，分析振蕩的根源，找出合理有效的方法，均能獲得滿意的效果。

3 全閉環(huán)時(shí)提高位置精度的方法

（1）反向間隙的補(bǔ)償。首先要求機(jī)械安裝完成后的反向間隙必須保證在一定范圍內(nèi)。因?yàn)榉聪蜷g隙在不同速度下切換方向時(shí)的數(shù)值不同，所以FANUC 0i將進(jìn)給和快速時(shí)的反向間隙分開進(jìn)行補(bǔ)償，傳統(tǒng)習(xí)慣上只是設(shè)定前者，這是不可取的。參數(shù)P1851（各軸進(jìn)給時(shí)的反向間隙補(bǔ)償值），按切削進(jìn)給（一般取500～1 000 mm/min）時(shí)檢測(cè)的反向間隙值設(shè)定（用激光干涉儀進(jìn)行測(cè)量）；參數(shù)P1852（各軸快速時(shí)的反向間隙補(bǔ)償值），按快速 （例如10 000 mm/min）時(shí)檢測(cè)的反向間隙值設(shè)定（用激光干涉儀進(jìn)行測(cè)量）；參數(shù)P1800#4（RBK）設(shè)定為1，則切削和快速的反向間隙可以分別生效。

（2）螺距誤差的補(bǔ)償。FANUC 0i系統(tǒng)對(duì)每軸都可設(shè)置多達(dá)128點(diǎn)的螺距誤差補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)。為了提高精度，建議用5 mm或10 mm的間隙進(jìn)行補(bǔ)償，效果更好。

（3）補(bǔ)償計(jì)數(shù)器的設(shè)定。全閉環(huán)控制時(shí)，通常按如下設(shè)定：參數(shù)P2010#5（HBBL，反向間隙補(bǔ)償值加到誤差計(jì)數(shù)器中）設(shè)定為0；參數(shù)P2010#4（HBPE，螺距誤差補(bǔ)償值加到誤差計(jì)數(shù)器中）設(shè)定為0。

（4）在無(wú)振蕩的前提下，盡量提高位置環(huán)增益P1825，速度環(huán)增益P2043、P2045及負(fù)載慣量比P2021等參數(shù)。

通過(guò)以上幾個(gè)步驟的調(diào)試，一般都能獲得很好的定位精度。

4 如何提高插補(bǔ)的輪廓精度

插補(bǔ)的形式、參與插補(bǔ)軸的響應(yīng)差異及各軸的反向間隙等因素都影響輪廓的定位精度。最常見(jiàn)的是，在用圓弧插補(bǔ)切圓時(shí)，通常發(fā)生偏心圓、凹凸圓、錯(cuò)位圓等現(xiàn)象。主要對(duì)策如下：

（1）參與插補(bǔ)的各軸的位置環(huán)增益要設(shè)定一致

插補(bǔ)是一個(gè)脈沖分配過(guò)程，如果參與插補(bǔ)的軸響應(yīng)快慢不同，勢(shì)必造成軌跡偏移現(xiàn)象，因此該值首先要設(shè)定一致。在參與插補(bǔ)各軸不振蕩的前提下，參數(shù)1825的設(shè)定值盡可能提高，而且必須一致。

（2）使用反向間隙加速功能

反向間隙的存在是影響換向點(diǎn)輪廓精度的最主要因素。因此FANUC 0i系統(tǒng)針對(duì)性地提出兩種解決方案。

一種是常規(guī)反向間隙加速功能。用此功能一般步驟如下：①設(shè)定反向間隙補(bǔ)償值參數(shù)P1851（間隙補(bǔ)償值）的設(shè)置總為正值，在半閉環(huán)有效；如果是全閉環(huán)，可將P1851設(shè)為1，把參數(shù)P2006#0設(shè)定為1，即在全閉環(huán)中，反向間隙設(shè)定值不起作用。②使用反向間隙加速功能參數(shù)P2003#5設(shè)定為1，使能反向間隙加速功能。參數(shù)P2048（反向間隙加速范圍值）的典型設(shè)定為600。參數(shù)P2071（反向間隙加速有效周期）通常設(shè)定為50～100。③如果過(guò)切，可加入反向間隙加速停止功能。參數(shù)P2009#7設(shè)定為1，使能反向間隙加速停止功能。參數(shù)P2082（反向間隙加速停止時(shí)間）的典型設(shè)定為5。

另一種是采用新反向間隙加速功能。即為適應(yīng)不同速度的切削條件，以指數(shù)形式加入反向間隙加速，效果更好。具體步驟如下：①設(shè)定反向間隙補(bǔ)償。②使能新反向間隙加速功能，在常規(guī)新反向間隙加速功能的基礎(chǔ)上，設(shè)置參數(shù)P2009#2為1，即新反向間隙加速功能有效。

（3）加入靜摩擦補(bǔ)償功能

當(dāng)機(jī)床由停止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為激活運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于靜摩擦，機(jī)械運(yùn)動(dòng)必然滯后。設(shè)置參數(shù)包括：參數(shù)P2005#7，設(shè)定為1，靜摩擦補(bǔ)償功能有效。參數(shù)P2072（靜摩擦補(bǔ)償量），通常設(shè)置為100，當(dāng)克服靜摩擦運(yùn)行啟動(dòng)后，此補(bǔ)償要取消。故還需設(shè)置如下參數(shù)：①參數(shù)P2009#7，設(shè)置為1，可以取消靜摩擦補(bǔ)償功能。②參數(shù)P2073（靜摩擦補(bǔ)償取消時(shí)間），設(shè)定值為8 ms的倍數(shù)。③參數(shù)P2097（靜摩擦補(bǔ)償停止參數(shù)），通常設(shè)置為55。

（4）加入前饋功能

前饋功能是對(duì)伺服系統(tǒng)運(yùn)算滯后的一種補(bǔ)償功能。設(shè)置參數(shù)包括：參數(shù)P2005#1設(shè)置為1，使前饋功能有效；參數(shù)P2068（前饋系數(shù)），典型設(shè)置值為70；參數(shù)P2067（速度前饋系數(shù)），典型設(shè)置值為50。設(shè)置好以上參數(shù)，斷電并重新上電，如有超調(diào)，可以適當(dāng)降低前饋系數(shù)；如無(wú)超調(diào)，可逆向調(diào)整之。

（5）加入超前前饋功能

使用該功能時(shí)，應(yīng)在前饋功能設(shè)置參數(shù)的基礎(chǔ)上再設(shè)置如下參數(shù)：參數(shù)P2092（超前前饋系數(shù)），通常設(shè)置為9850。另外需要說(shuō)明的是，前饋功能可在零件加工程序中用G08P1（或G08P0）設(shè)定（或取消）。

需要說(shuō)明的是，在全閉環(huán)控制時(shí)，提高精度和克服振蕩有時(shí)會(huì)相輔相成，有時(shí)也會(huì)發(fā)生矛盾，所以在調(diào)試過(guò)程中要多觀察現(xiàn)象，綜合分析，抓住主要矛盾，不可墨守成規(guī)。另外FANUC 0MC、15、16、18、20、21等產(chǎn)品均有相同和類似功能，只是參數(shù)號(hào)各不相同。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用越來(lái)越需要全閉環(huán)系統(tǒng)，而全閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性而導(dǎo)致的振蕩是最難解決的問(wèn)題之一。本文詳細(xì)的介紹了消除振蕩的對(duì)策以及進(jìn)一步提高位置精度的方法，希望能給數(shù)控機(jī)床使用者帶來(lái)一定的方便。但是消除系統(tǒng)振蕩和提高位置精度除了從參數(shù)角度進(jìn)行改良外還有一些其他方法，譬如從機(jī)械角度出發(fā)，提高機(jī)械零部件的制造精度和安裝精度以及其結(jié)構(gòu)的合理性等多個(gè)方面都對(duì)消除振蕩和提高位置精度有好處，在使用中要根據(jù)實(shí)際情況從多方面入手，以保證我們的數(shù)控機(jī)床能具備良好的加工性能和加工精度。

[1]牛志斌.數(shù)控車床故障診斷與維修技巧[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]陳宇曉.數(shù)控銑床故障診斷與維修技巧[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3]劉希金，等.數(shù)控機(jī)床故障檢測(cè)與維修問(wèn)答[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.