數控轉塔沖床沖頭高速定位精度調整方法及技術分析

王立勤，張延偉，陳天元，路 坤

（濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250306）

0 引言

沖頭采用數控伺服驅動系統控制的數控伺服轉塔沖床由于沖壓頻次提高，各軸送進速度加快，在工作效率明顯提高的同時也帶來機床精度調試的困難。在驅動系統調試過程中我們充分利用了系統具有的各種高速定位調整方法，應用FANUC系統的伺服軟件SERVO GUIDE，通過波形圖分析、數據測試，最終獲得比較理想的參數，把伺服轉塔沖床做到真正意義上的高速高精設備。

1 高速定位精度調整的方法和技術分析

1.1 電機頻率響應的調整和應用

機床在裝配完畢后的機械性能特性亦即電機的負載情況直接影響到機床的加工精度，通過SERVO GUIDE軟件測試電機頻率響應曲線，可初步分析各軸的負載特性，找出在整個頻率范圍內不符合要求的點，如各個共振點，添加相應的濾波器消除共振，得到比較理想的頻率響應曲線，為進一步調試驅動參數做好準備。

整個頻率范圍包括低頻區和高頻區，把小于200Hz的區域視為低頻區，大于200Hz的區域視為高頻區。良好的頻率響應表現為以下幾點：①響應帶寬（即幅頻曲線上0dB區間）要足夠寬，主要通過調整伺服位置環增益（PRM 1825）、速度環增益（PRM 2021）參數來實現，使之越寬越好；②在響應帶寬內的最大幅值應低于10dB；③在高頻附近的幅值應低于-20dB。

調試過程中低頻的濾波可通過伺服調整畫面的濾波器選項調整或者通過機械裝配調整，一般共振在高頻段，通過設置中心頻率、帶寬、阻尼，觀察波形在高頻段降大于-20db的波形中心取作中心頻率，根據大于-20db的波形寬度設定帶寬，阻尼設定范圍為（0-100），設置數值越小曲線衰減越明顯。

下面以一臺數控沖床的X軸頻率測試舉例說明。

圖1a是對X軸電機測得的頻率響應曲線，由圖可見在425Hz的高頻區振幅超出-20db，在此處添加濾波器后再次測得的頻率響應曲線如圖1b所示。

通常在一個軸的不同位置測頻率響應曲線，可加2～3個濾波器消除共振。

圖1 X軸電機頻率響應曲線

在調整后的頻率響應下，適當增加速度環增益會使位置誤差減小，提高軸的精度。圖2a為增加速度環增益前的位置誤差波形圖，圖2b為增加后的誤差波形圖，可明顯看出增加后誤差減小，精度提高。

圖2 誤差波形圖

1.2 速度環控制方式設定

速度環控制方式分為IP控制和PI控制，IP控制（2003#3=0）適合高速定位控制，PI控制（2003#3=1）更適合高精度控制。應用中視具體需求設定此參數。

下面舉例說明A軸PI控制和IP控制的速度反饋情況。

如圖3所示的PI控制對于指令的啟動速度較快，但是穩定時間變長，通常適合于高精加工；圖4的IP控制到達目標位置的時間縮短，但是軸到位時易出現波動。所以用IP控制會提高沖頭的沖壓頻次，但相應可能導致軸到位時不穩定。

圖3 PI控制下的A軸速度曲線

圖4 IP控制下的A軸速度曲線

如果送料軸選用IP控制，那么在高速定位的同時可能會影響到精度，位置誤差會增大。故速度環控制方式的選擇需要根據具體的工件加工工藝要求設定。

1.3 速度環比例高速處理功能

開啟速度環比例高速處理功能（2017#7=1），可以提高速度環路的指令跟蹤性，提高伺服剛性。

比較圖5和圖2b，其中圖2b為開啟速度環比例高速處理功能的波形誤差圖，可明顯看出未開啟的波形差。實測X軸精度、速度略有變差，電機發出異響，無法承受高速度環增益，電機性能變差。

1.4 位置增益切換功能

如圖6所示，開啟位置增益切換功能可變功能2015#0=1，同時設定位置增益切換有效速度2028，可使在小于等于此速度下的位置增益增大2倍，有助于在定位結束時縮短定位時間，達到快速平穩定位。

圖6 位置增益切換

如圖7所示為X軸未開啟切換功能誤差波形圖。比較圖7和圖2b，其中圖2b為X軸開啟了位置增益切換功能，設定50轉/分為切換點，可以看到定位遲緩，精度較差。

1.5 1/2PI控制

圖7 未開切換功能的誤差波形

設置2203#2=1，開啟此功能，可以設置更高的速度環增益。

通常為了提高高速高精加工、高速定位以及超精密定位等伺服性能，保持速度環路的高度穩定，盡可能較高地設定速度環路增益會收到顯著效果，這種情況下需要提高電流環路的響應特性。

電流環路1/2PI功能是可以提高電流環路的響應性的一種功能。

比較圖8和圖2b，圖8未開啟此功能，速度環增益設值為150，得到的誤差比較大。圖2b開啟了此功能，速度環增益可以設值為300，誤差明顯變小。

圖8 X軸關閉1/2PI控制誤差波形圖

1.6 開啟低速時積分功能

2015#1為1時此功能有效。

通過在低速區設定某個速度值，用此功能可以實現在所設低速區內增加相應的積分功能，通過對低速時的速度環路積分器進行計算，就可在保持低速時和停止時的定位特性的同時，實現高響應特性，減小震蕩，減小定位誤差。

圖9表示了在定位運動中積分有效和無效的范圍，圖10是測得的關閉此功能的X軸定位的誤差波形圖。可以看出相比開啟此功能的圖2b所示誤差增大，停止時間也長。

圖9 低速時積分時的積分無效范圍

圖10 X軸關閉低速積分功能誤差波形圖

2 結束語

FANUC系統所具有的伺服參數調整功能對于高速定位的伺服沖床而言起到很好的作用，在快速定位、減小誤差和振動等方面充分提高伺服性能，使機床的機械特性得到更好的提升，最終保證了機床的加工精度，提高了加工效率。

[1]北京發那科機電有限公司.FANUC伺服電機參數說明書.2006.

[2]北京發那科機電有限公司，編.FANUC CNC伺服調整培訓教程[M].北京：高等教育出版社，2011.