FANUC 0iF PLUS立式加工中心升級全閉環的研究與實踐

劉世國 ， 高錦南

（武漢船舶職業技術學院，湖北 武漢 430050）

0 引言

隨著現代工業和制造技術的發展，切削加工已進入高速高精的新階段，為了適應生產要求，滿足市場需求，對數控機床的定位精度、重復定位精度提出更高要求。目前，制造業中應用最普遍的是基于交流伺服電機編碼器反饋的半閉環數控機床，雖然它具有穩定性好、成本低、調試維修容易的優點，但是無法忽略絲桿精度、磨損等因素影響，不能真實反映機床的行走狀態，控制精度稍遜一籌。

因此，對于加工精度要求很高的精密機床和大型加工中心，在半閉環控制機床的工作臺上安裝光柵尺等位置檢測反饋裝置，實時檢測工作臺的實際工作位置，并將其與CNC裝置計算出的指令位置（或位移）相比較，用差值進行控制，以期達到更高的加工精度，其控制模型如圖1所示。

圖1 全閉環控制模型

本研究以FANUC 0iF PLUS數控系統的YL-59A型加工中心為研究對象，闡述了Z軸從半閉環升級到全閉環控制的具體過程，包括光柵尺安裝與調整、全閉環參數配置等，并利用Renishaw XL-80激光干涉儀分別檢測了加工中心改造前后Z軸的定位精度和重復定位精度，從檢測結果對比分析的數據可看出，升級全閉環后的控制精度有大幅提升。

1 光柵尺的安裝與調整

YL-59A型加工中心Z軸選用光柵尺進行機床實際位置的反饋，通過分離型檢測器（SDU）輸入，由光纜（FSSB）與CNC建立通信，傳遞位置信息。光柵尺由標尺光柵和指示光柵（讀數頭）兩部分組成，其機械安裝調整的精度直接影響光柵尺檢測、反饋和控制的精度[1]。

1.1 標尺光柵的安裝與調整

先將Z軸光柵尺的標尺光柵固定在機床固定部件上，尺身與Z軸移動方向平行，相對床身保持靜止，在尺身兩端用M4的螺釘緊固，但不要上緊，如圖2所示；然后將表座吸在床身的固定部件上，千分表表頭壓在光柵尺尺身外殼表面，移動Z軸，檢測Z軸運動對光柵尺表面在YZ平面內、XZ平面內的平行度，通過調整保證誤差不超過0.1 mm/全長。

1.2 指示光柵的安裝與調整

先將指示光柵（讀數頭）與Z軸移動部件相連，使其與Z軸一起移動，安裝時應注意指示光柵（讀數頭）的安裝方向，必須避開切屑、切削液或其他油液的濺落方向，防止污染；然后檢查指示光柵（讀數頭）與尺身外殼之間的距離，通過調整保證在1 mm～1.5 mm以內，如圖2所示，避免讀數頭卡滯或磨損。

1.3 光柵尺線纜連接

將光柵尺線纜與分離型檢測器（SDU）的接口JF101相連，如圖2所示，保證線纜的彎曲半徑在允許的最小彎曲半徑內。

圖2 光柵尺安裝示意圖

2 全閉環控制參數配置

2.1 FSSB配置-軸設定

先按下MDI鍵盤的“SYSTEM”功能鍵，然后按軟功能擴展鍵“?”數次，看到“FSSB”軟功能鍵后將其按下，進入FSSB網絡配置引導操作畫面，再按下“軸”軟功能鍵，修改Z軸后面對應的M1為1，表示將坐標軸的位置測量反饋輸入到分離檢測單元[2]。

2.2 全閉環參數設置

由于加工中心Z軸最小移動單位為1 μm，絲桿螺距為10 mm，選用光柵尺的分辨率為0.5 μm，零脈沖間距為50 mm，則FANUC 0iF PLUS數控系統全閉環參數設置如表1所示。

表1 全閉環參數設置

在正確設置伺服參數后，若光柵尺精度與系統精度不一致，會出現以下報警。

1）SV448報警：表示位置檢測器與速度檢測器移動方向相反，需將NO.2018#0設為1，使分離型檢測器的信號方向反轉。

2）SV445報警：表示軟件斷線，相對于速度反饋脈沖的變化，位置反饋脈沖變化量較小，需將NO.2003#1設為1，以No.2064/32rev進行檢測，NO.2064以8的倍數增大設定值[3]。

3 全閉環控制精度檢測

為了驗證加工中心Z軸從半閉環升級改造全閉環后的控制效果，利用Renishaw XL-80激光干涉儀檢測改造前后Z軸的定位精度與重復定位精度，檢測時均未進行螺距誤差補償。

3.1 加工中心與激光干涉儀準備

1）設置系統參數：將加工中心螺距誤差補償值全部清零，坐標系偏置G54為0（便于測量程序以機床坐標零點運行）[4]。

2）建立參考點：將被測軸Z軸以有擋塊回參的方式建立參考點，并設置合理的正負軟限位，保證測量安全。

3）安裝連接設備：線性測量鏡組中的干涉鏡固定在主軸上，隨著Z軸一起移動，反射鏡固定在工作臺上，檢測時保持靜止，激光頭安裝于鏡組的前方，如圖3所示；安裝完成后，將各設備與計算機通過線纜連接。

圖3 激光干涉儀設備安裝

4）確定檢測參數：根據Z軸運動行程確定精度檢測范圍為-500 mm～0，所有參數的具體設定如表2所示。

表2 激光干涉儀檢測參數

5）啟動雷尼紹CARTO軟件，生成檢測程序，并載入至加工中心。

3.2 檢測精度對比分析

半閉環控制的精度檢測結果如圖4所示，全閉環控制的精度檢測結果如圖5所示。根據GB/T 17421.2—2000標準的統計方法，將升級改造前后的檢測結果進行對比分析，統計結果如圖6所示。

圖4 半閉環控制精度檢測結果（未補償）

圖5 全閉環控制精度檢測結果（未補償）

圖6 半閉環與全閉環檢測結果對比

從圖6可以看出，在未進行螺距誤差補償的情況下，相比半閉環控制的加工中心，全閉環控制的定位精度、重復定位精度、反向間隙以及平均位置偏差都獲得了大幅提升，繼而能夠有效提高零件的加工質量。

4 結論

通過在FANUC 0iF PLUS數控系統的YL-59A型加工中心Z軸加裝光柵尺，實現了從半閉環到全閉環控制的升級改造，并利用激光干涉儀對改造前后的定位精度、重復定位精度等指標進行了驗證，從驗證結果可知全閉環控制能大幅提升加工中心控制精度。因此，本研究闡述的全閉環升級改造方法可行，能為FANUC數控系統的其他類似機床升級改造提供參考。