發那科SERVO GUIDE在數控車床上的應用

黃一師

（沈陽機床股份有限公司沈一車床廠，沈陽 110142）

1 概述

FANUC 0i-Mate TD系統從里至外分為電流控制（電流環）、速度控制（速度環）和位置控制（位置環）（圖1），伺服調試的首要任務就是3個環在高響應、高剛性下“和諧”工作，既合理提高伺服增益，且必須保證伺服系統不出現振蕩。另外，伺服的加減速也需要根據實際機械進行調整，保證最合理的加減速，實現伺服的高速和高精度，由此引出伺服優化的兩個主要方面。

圖1 FANUC系統伺服控制原理

1.1 3環調整。確保在高響應、高剛性下穩定工作。

1.2 加減速調整。包括切削（插補前、插補后切削時間常數）和快速時間常數。

下面以圓的調整為例，說明FANUC伺服調試軟件SERVO GUIDE的應用，圓的調整主要包含圓度、大小以及象限調整。

2 圓度的調整

圓度的問題即程序在執行G02或G03命令時，加工出的圓輪廓呈橢圓或葫蘆形狀，主要原因是插補的兩軸動態不匹配，其中參數原因主要如下。

2.1 參與插補的兩軸加減速時間常數的類型、大小是否一致（包括一般模式和高速高精度模式下插補前/插補后）。涉及參數：1610#1=1時，直線型加減速常數有效；1620表示各軸快速進給的加減速時間常數。

2.2 前饋功能使用與否、前饋系數是否設定一致。涉及參數：2005#1=1時，前饋功能有效；2092表示先行前饋系數；2069表示速度前饋系數。

2.3 位置環增益設定是否一致。涉及參數：2212#6=1時，切削/快速進給位置環增益開關功能有效；1825表示位置環增益。

若兩軸的前饋功能未使用、或前饋系數和位置環增益設定不一致，則加工出的圓弧仍然有致命缺陷。因此調試前，務必對照X、Z軸的設定值，確保X、Z軸設定一致，然后重新測試圓弧，確認問題是否解決。下面以測試圓弧半徑50 mm為例，說明不同的參數設置對所形成圓弧的影響，圖2是X、Z軸不同加速度時生成的圓弧。

3 圓的大小調整

相對圓度問題，一般情況下，圓大小問題對加工精度影響較小，對于圓大小引起的原因主要是伺服滯后帶來的加工形狀誤

差。在系統側可以使用前饋功能和X、Z兩軸插補后，適當設定較小的加減速時間常數等方法，改善伺服滯后所引起的加工形狀誤差。

圖2 生成圓弧

3.1 前饋功能是否使用。涉及參數：2005#1=1時，前饋功能有效。

3.2 前饋系數設定。涉及參數：2092表示位置前饋系數；2069表示速度前饋系數；2095表示前饋定時調整參數。

3.3 前饋功能在進行伺服初始化設定時，都將會沖掉，故需要注意重新進行設定。

前饋優化前后生成的圓弧見圖3，可見，優化后的圓大小明顯優于優化前的。

圖3 生成圓弧

4 圓象限的調整

圓象限的調整是伺服調試中較為困難之處，在實際加工中，對于加工過象限地方出現的象限條紋原因很多，主要是機床在運動過程中產生的反向間隙引起。反向間隙加速功能的原理：在機床進給軸的傳動過程中，由于反向間隙、摩擦等因素，電機在反向運轉時產生滯后的反轉滯后，造成加工延時。此時，在加工圓弧象限過渡處將會留下象限凸起的條紋，將人為設定的反向間隙加速補償量補償至速度環積分環節的VCMD，以改善電機由于傳動環節的影響造成的滯后。降低在反轉時的位置誤差，反向間隙加速功能調整（圓象限的調整）主要分為4個步驟。

4.1 將機床進給軸的位置環和速度環增益調整至合理值。如果在進給軸的增益沒有進行合理調整之前，進行進給軸反向運轉延時滯后調整。此時，反向間隙減速功能并不能很容易補償反轉滯后。提高伺服軸的位置環和速度環增益，本身就是提高伺服的響應和剛性，進而補償反轉滯后的延時影響。為此，在進行反向間隙加速補償功能之前，務必將伺服電機的位置環和速度環調整至較高穩定值，在此基礎上再進行其他功能補償，則會很容易進行補償。

4.2 背隙加速補償的參數。涉及參數：1851為反向間隙補償值，圓弧調試設定為1，調試完成后，再恢復為實際值；2003#5=1，反向間隙加速功能，設定為1時，開通該功能；2006#0=0，反向間隙補償功能是否有效，通常設定為0；2009#7=1，反向加速停止功能，通常設定為1；2009#6=1，反向間隙加工功能僅切削有效（前饋）；2223#7=1，反向間隙加工功能僅切削有效（G01）；2048=600，反向間隙加速量，根據實際情況設置；2071=20，反向間隙加速有效時間，根據實際情況設置。

調試時根據實際凸起量，進行加速量（NO2048）和加速時間（NO2071）的配合調整，直至凸起消除。

4.3 進行不同方向的補償。理論上，電機在從正到負和從負到正，其反向延時滯后的量應一致。但由于機械安裝以及導軌摩擦等外界因素影響，在實際測試圓弧時，可能會出現不一致的情況。如果X或Z軸在兩個方向反轉延時滯后，在相同補償值下，其效果不一樣，此時需要根據不同方向分別進行補償。涉及到的參數為反向間隙加速。

4.4 重力軸的特殊注意。通常的機械設計，重力軸都為配重鐵塊或氮氣平衡氣缸平衡主軸。但是若配重鐵塊和主軸側重量差異過大，則需要進行重力軸的扭距補償，確保Z軸上下反轉時凸起量一致。在保證了上下兩個方向凸起量一致基礎上，再使用一段反向間隙加速功能進行細致調整。涉及參數號為2087（補償扭矩），其設定值可設定正值（配重過輕）和負值（配重過重）。背隙加速優化前后生成的圓弧見圖4。

圖4 生成圓弧

圖5 圓弧圓度及各軸反向間隙

為驗證機床伺服優化后的效果，使用球桿儀檢驗伺服優化后的機床效果，球桿儀測試的圓弧半徑均為50 mm，SERVO GUIDE優化前后，使用球桿儀測出的圓弧圓度及各軸反向間隙見圖5。

經過對60臺使用FANUC 0i-Mate TD系統的ETC3650dh機床進行伺服優化后，現場找到機床共同點，即機床在加工圓弧時，兩軸的靜、動態不匹配，加工出的圓弧精度低。使用SERVO GUIDE軟件優化機床后，從圖5中得出結果，優化后機床兩軸的間隙，反向躍沖，圓度精度等均得到很大提高，特別是機床的圓度提高了30 μm，較好避免了機床過切或少切，明顯提高了機床加工精度。將優化后的參數作為標準，拷貝到同類型機床上，機床生產進度加快，取得良好經濟效益。