數控系統參數消除振蕩及提高位置精度的方法

劉瑞已

（湖南工業職業技術學院，湖南 長沙 410208）

在半閉環控制的機床中，參數設定比較簡單，只要將電動機的代號和功能位設定好，系統即可將NC系統、數字伺服、電動機和機床合理匹配。所以經過初始化設定后，機床一般即可以平穩可靠運行。但為了提高數控機床的加工精度，全閉環控制在越來越多的機床上得到應用。但是在全閉環控制后，因為機床結構不同，安裝時會出現各種問題，都會影響全閉環控制過程的平穩性和快速響應，最終影響全閉環控制的精度。

1 半閉環時消除振蕩的對策

半閉環時消除振蕩的方法：首先分清振蕩的大概頻率，如果是斷續的、有規律的低速振蕩，我們稱之為低頻振蕩；而較異常、頻率在100～400 Hz時稱為高頻振蕩。對于低頻振蕩，FANUC Oi系列數控系統可采取如下措施：

（1）減小位置環增益。參數為P1825，標準值設定為3 000，作適當減小，振蕩一般均可消除。

（2）降低負載慣量比。參數為P2021，一般設定在≤70%，稍有起振為宜。

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

（4）適當增大速度積分增益。參數P2043，該值在初始化時已經生成標準值，如果該值較小時，響應較差，因此需要先把（2）中所述的負載慣量比返回初始值后，再將此參數適當增大。

對于半閉環可能產生的高頻振蕩，則有以下幾種對策：

（1）使用250μs加速反饋功能。此功能是對速度環反饋的一種補償功能。由于機床的傳動環節導致彈性變形，或是負載的慣量折合到電動機軸上后與電動機的轉子慣量相比較大時，就會產生50～150 Hz的振蕩。使用此功能補償加速時的反饋，使響應加快，消除振蕩。該參數為P2066，一般設定在 —10～—20之間，如在加減速時有振蕩，可適當減小此參數值。需要注意，此值太大，可能引起不正常振蕩。

（2）加入轉矩指令濾波器功能。該功能是一低通濾波環節，對于100 Hz以上的轉矩指令有抑制作用，因此可以消除高頻振蕩。參數為P2067，這是一個與截止頻率有關的量值，范圍為1 166（200 Hz）～2 327（90 Hz）。例如當確定100 Hz為振蕩截止頻率時，其相應的設定值為2185。

（3）加入觀測器功能。如果加入轉矩指令濾波器不起作用，可能是振蕩頻率在數百赫茲以上，這時可加入觀測器功能。此功能實際上是對速度指令中的高頻成分進行分離，并加以抑制。設定參數如下：

參數P2003#2（OBEN），此位參數設為1，觀測器功能有效；

參數P2047，設定觀測器檢測系數POA1，設定值按標準設定（初始化設定）；

參數P2050，設定觀測器檢測系數POKl，設定值按標準設定（初始化設定）；

參數P2051，設定觀測器檢測系數POK2，設定值按標準設定（初始化設定）。

以上是最基本的抑制方法，可在不同的機床上試驗應用。但因為機床的結構和配置差別較大，振蕩產生的原因也不盡相同，所以不可一概而論。

2 全閉環時消除振蕩的方法

在全閉環控制過程中產生不同程度的振蕩，其消除對策可按以下步驟進行。

（1）減小位置環增益。參數為P1825，設定時在標準設定值的基礎上適當減小并觀察。一般情況下，先用此法，如不見效，再采取以下對策。

（2）設定反向間隙和螺距誤差補償的誤差計數形式。參數P2010#4（HBPE，螺距附加到誤差計數器）的設定值為0（選擇螺補附加到全閉環形式的誤差計數器中，作為標準設定），參數P2010#5（HBBL，反向間隙補償時附加到誤差計數器）的設定值為0（選擇反向間隙補償值附加到全閉環形式的誤差計數器中，作為標準設定）。

（3）采用雙位置反饋功能。如果機床在半閉環時是平穩的，而在全閉環時有振蕩可用此功能。機床在安裝時可能會有反向間隙存在，如果間隙較大，而機械無法消除時，就會成為全閉環振蕩的主要原因。采用該功能最主要就是調整一階時間常數，使之在過渡過程中位置誤差按半閉環控制，而在停止時按全閉環控制。設定參數主要有P2078（雙環反饋折合系數的分子）、P2079（雙環反饋折合系數的分母）、P2080（雙環反饋一階延時時間常數）和P2081（雙環反饋的零點幅度）。參數P2080的設定范圍為10～300 ms，正常情況下設定為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，可在該基礎上減少20 ms。在此需注意的是，聯動軸需要設定同樣的數據。P2081（雙環反饋的零點幅度）一般先設定為0，如有振蕩，可稍微增大，單位為μm。

（4）用機械速度反饋功能。一般在加入全閉環后，對于機械傳動鏈較長的坐標，如加工中心轉臺（具有齒輪減速和蝸輪蝸桿傳動），不可避免地在電動機和轉臺之間形成了彈性環節，這也是產生振動的原因之一。如果在電動機和轉臺之間形成了彈性環節，則全閉環位置反饋響應要慢一些，而速度反饋是直接取自電動機上的編碼器，這時會產生振蕩。如加入機械速度反饋環節，可以使急需速度滯后的情況得到補償，從而消除振動。當參數P2012#1（MSPE）設定為1時，該功能有效；參數P2088（機械速度反饋增益）的標準設定為30（設定范圍30～100）。

以上是全閉環控制時消除振蕩的一些基本對策，在實際工作中要認真觀察振蕩的現象，結合機床的結構和配置情況，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 全閉環時提高位置精度的方法

（1）反向間隙的補償。首先要求機械安裝完成后的反向間隙必須保證在一定范圍內。因為反向間隙在不同速度下切換方向時的數值不同，所以FANUC 0i將進給和快速時的反向間隙分開進行補償，傳統習慣上只是設定前者，這是不可取的。參數P1851（各軸進給時的反向間隙補償值），按切削進給（一般取500～1 000 mm/min）時檢測的反向間隙值設定（用激光干涉儀進行測量）；參數P1852（各軸快速時的反向間隙補償值），按快速 （例如10 000 mm/min）時檢測的反向間隙值設定（用激光干涉儀進行測量）；參數P1800#4（RBK）設定為1，則切削和快速的反向間隙可以分別生效。

（2）螺距誤差的補償。FANUC 0i系統對每軸都可設置多達128點的螺距誤差補償點數。為了提高精度，建議用5 mm或10 mm的間隙進行補償，效果更好。

（3）補償計數器的設定。全閉環控制時，通常按如下設定：參數P2010#5（HBBL，反向間隙補償值加到誤差計數器中）設定為0；參數P2010#4（HBPE，螺距誤差補償值加到誤差計數器中）設定為0。

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

通過以上幾個步驟的調試，一般都能獲得很好的定位精度。

4 如何提高插補的輪廓精度

插補的形式、參與插補軸的響應差異及各軸的反向間隙等因素都影響輪廓的定位精度。最常見的是，在用圓弧插補切圓時，通常發生偏心圓、凹凸圓、錯位圓等現象。主要對策如下：

（1）參與插補的各軸的位置環增益要設定一致

插補是一個脈沖分配過程，如果參與插補的軸響應快慢不同，勢必造成軌跡偏移現象，因此該值首先要設定一致。在參與插補各軸不振蕩的前提下，參數1825的設定值盡可能提高，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輪廓精度的最主要因素。因此FANUC 0i系統針對性地提出兩種解決方案。

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

另一種是采用新反向間隙加速功能。即為適應不同速度的切削條件，以指數形式加入反向間隙加速，效果更好。具體步驟如下：①設定反向間隙補償。②使能新反向間隙加速功能，在常規新反向間隙加速功能的基礎上，設置參數P2009#2為1，即新反向間隙加速功能有效。

（3）加入靜摩擦補償功能

當機床由停止狀態轉為激活運動時，由于靜摩擦，機械運動必然滯后。設置參數包括：參數P2005#7，設定為1，靜摩擦補償功能有效。參數P2072（靜摩擦補償量），通常設置為100，當克服靜摩擦運行啟動后，此補償要取消。故還需設置如下參數：①參數P2009#7，設置為1，可以取消靜摩擦補償功能。②參數P2073（靜摩擦補償取消時間），設定值為8 ms的倍數。③參數P2097（靜摩擦補償停止參數），通常設置為55。

（4）加入前饋功能

前饋功能是對伺服系統運算滯后的一種補償功能。設置參數包括：參數P2005#1設置為1，使前饋功能有效；參數P2068（前饋系數），典型設置值為70；參數P2067（速度前饋系數），典型設置值為50。設置好以上參數，斷電并重新上電，如有超調，可以適當降低前饋系數；如無超調，可逆向調整之。

（5）加入超前前饋功能

使用該功能時，應在前饋功能設置參數的基礎上再設置如下參數：參數P2092（超前前饋系數），通常設置為9850。另外需要說明的是，前饋功能可在零件加工程序中用G08P1（或G08P0）設定（或取消）。

需要說明的是，在全閉環控制時，提高精度和克服振蕩有時會相輔相成，有時也會發生矛盾，所以在調試過程中要多觀察現象，綜合分析，抓住主要矛盾，不可墨守成規。另外FANUC 0MC、15、16、18、20、21等產品均有相同和類似功能，只是參數號各不相同。

5 結語

隨著社會的進步，數控機床的應用越來越需要全閉環系統，而全閉環系統的不穩定性而導致的振蕩是最難解決的問題之一。本文詳細的介紹了消除振蕩的對策以及進一步提高位置精度的方法，希望能給數控機床使用者帶來一定的方便。但是消除系統振蕩和提高位置精度除了從參數角度進行改良外還有一些其他方法，譬如從機械角度出發，提高機械零部件的制造精度和安裝精度以及其結構的合理性等多個方面都對消除振蕩和提高位置精度有好處，在使用中要根據實際情況從多方面入手，以保證我們的數控機床能具備良好的加工性能和加工精度。

[1]牛志斌.數控車床故障診斷與維修技巧[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2]陳宇曉.數控銑床故障診斷與維修技巧[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3]劉希金，等.數控機床故障檢測與維修問答[M].北京：機械工業出版社，2003.