基于FANUC數控機床全閉環伺服系統振動根源剖析與高效解決方案研究

摘 要：研究針對FANUC數控機床全閉環伺服系統振動問題展開深入分析。FANUC全閉環伺服系統廣泛應用于機械加工設備，全閉環在提高機床精度的同時振動問題嚴重影響設備性能和加工精度。目前對該系統振動問題的研究比較單一，缺乏綜合性。本文結合實際案例，找出導致系統振動的機械結構、電氣和控制參數等多方面因素。針對這些問題，分別從機械結構調整、電氣故障排除和控制參數優化三個方面提出了全面有效的解決方法。包括定期檢查軸承狀態并及時更換、對聯軸器進行校準、穩定反饋電壓、排查缺相故障以及合理調整速度環參數和正確設置位置環參數等措施。通過這些系統性的解決方法，為提高設備性能和加工精度提供了有力支持。

關鍵詞：FANUC全閉環伺服系統 振動 解決方案 機械調整 電氣故障" 控制參數

1 緒論

1.1 研究背景

FANUC全閉環伺服系統在世界范圍內用戶廣泛，振動問題時常困擾用戶。目前研究比較單一，缺乏綜合性。

隨著工業自動化的不斷發展，FANUC全閉環伺服系統在各類機械加工設備中得到了廣泛應用。而根據實際生產反應，伺服系統的振動問題時常困擾著用戶，嚴重影響了設備的加工精度。目前，對于FANUC全閉環伺服系統振動問題的研究多集中在機械結構、速度環、負載慣性等單一因素上，缺乏對振動問題的系統性分析和解決方法。因此，深入研究FANUC全閉環伺服系統的振動問題，提出系統性的解決方法，具有重要的現實意義。

1.2 研究目的

本研究旨在深入剖析FANUC全閉環伺服系統振動的原因，并提出全面高效的解決方案。通過對FANUC全閉環伺服系統的工作原理和結構進行深入研究，結合實際案例分析，找出導致系統振動的各種因素。

從機械結構方面來看，發那科電機基礎不牢固、剛性不夠或固定不牢，轉子機械平衡，軸彎曲或破裂等情況，都會引起系統振動。對于這些問題，可以通過緊固螺釘等方式來解決。

從電氣控制方面來看，速度環問題是引起振動的重要因素之一。若積分增益、比例增益以及加速度反饋增益設置不恰當，系統可能會出現抖動現象。增益值較高時，速度提升，慣性力增強，從而更易引發抖動。通過降低增益值，可以維持速度的響應性，減少抖動的發生。同時，也不能忽略電氣部分可能引起的抖動問題。制動器未打開，反饋電壓不穩定等情況，都可能導致系統振動。

綜上所述，本研究將針對這些不同的原因，提出全面高效的解決方案，以解決FANUC全閉環伺服系統的振動問題，提高設備的性能和加工精度。

2 FANUC全閉環伺服系統振動理論基礎

2.1 伺服系統工作原理

2.1.1 系統組成部分

FANUC的全閉環伺服系統主要包括伺服電機、機械傳動系統和伺服驅動器等關鍵組件。伺服電機作為執行單元，將電能轉換為機械能，確保了位置、速度和轉矩的精確控制。而伺服驅動器的作用是接收控制指令，并對電機執行驅動與控制任務。FANUC的全閉環伺服電機一般采用的是永磁同步電機，它以高效率、高精度和快速響應著稱。伺服驅動器由電源模塊、控制模塊和驅動模塊等構成，確保了對電機的精確操控。

2.1.2 工作流程解析

FANUC全閉環伺服系統的工作流程主要包括信號傳輸和動力輸出兩個過程。

在信號傳遞領域，由控制系統發出的控制信號經過編碼器的反饋等過程，傳送至伺服驅動器。伺服驅動器依據接獲的信號，對電機執行控制。在位置控制模式中，控制系統發出的位置指令信號經過處理傳送至伺服驅動器。伺服驅動器依據位置指令信號與編碼器反饋的實際位置信號，計算位置偏差，并通過控制算法產生控制信號，驅動電機運動，使電機的實際位置逐步靠近指令位置。

在動力輸出方面，伺服驅動器將電源模塊提供的電能轉換為電機所需的動力，推動電機旋轉。電機的旋轉通過聯軸器等傳動裝置，傳遞至負載，實現對負載的精確控制。

整個工作流程中，信號傳輸的準確性和及時性以及動力輸出的穩定性和可靠性，對伺服系統的性能和精度起著至關重要的作用。

2.2 振動產生的原因

伺服系統的振動是由多種因素共同作用產生的，其主要分為機械結構因素、電氣因素、控制參數因素，了解這些因素及原理對于解決振動問題至關重要。

2.2.1 機械結構因素

軸承磨損是導致伺服系統振動的常見機械結構因素之一。當軸承出現磨損時，會使電機軸和設備系統的聯軸器發生偏移，安裝螺釘未擰緊，從而引起振動。其次，一般情況下使用全閉環的機床規格中型偏大，機械傳動為齒輪齒條、大規格絲桿等。通常配備較大的減速裝置，大多數機械設備的傳動剛性較低，傳動間隙較大，這導致在全閉環控制過程中出現振動。

2.2.2 電氣因素

反饋電壓不穩定、缺相問題、外部干擾是引起伺服系統振動的重要電氣因素之一。若反饋電壓出現異常，應檢驗振動周期是否與轉速相關。同時，若制動器未能正常開啟，同樣會引起振動。檢查抱閘是否打開，增加編碼器或編碼器矢量控制零位伺服功能，通過增大或減小扭矩輸出的扭矩可以解決抖動問題。最后，發那科全閉環控制所使用的編碼器、光柵尺與SDU模塊之間的連接線纜大部分為機床廠家自行制作，因此線材質量、屏蔽與否不能得到良好保證，且機床外圍強干擾源較多，干擾時常存在，干擾通常會引起伺服軸誤動作、振動、零點無法建立等故障。

2.2.3 控制參數因素

速度環增益、位置環增益等參數設置不當是引發伺服系統振動的常見原因之一。若積分增益、比例增益以及加速度反饋增益設置不恰當，系統可能會產生抖動現象。增益值越高，速度越快，慣性力增強，偏差減小，這會使得系統更易發生抖動。例如，在FANUC Series 32i-MODEL B系統中，調節參數2088#（機械速度反饋系數增益）、1825#（位置環增益）、2043#（加速度比例增益）、2066#（加速度反饋增益）來消除由于參數設置不當引起的振動。

3 FANUC全閉環伺服系統振動案例分析

3.1 機械結構問題案例

聯軸器不平衡案例：同樣，在機械加工車間一臺FANUC CY-VMC1060立式加工中心X軸出現了振動現象。問題源于聯軸器的不平衡。由于聯軸器旋轉時的不平衡狀態，電機與機械的軸線無法對齊，這導致了負載的諧振現象，最終引起了振動。技術人員首先對聯軸器進行了檢查，發現聯軸器的連接部分存在松動，經過重新調整并緊固了聯軸器的連接部分。在調整過程中，技術人員還使用了專業的檢測設備，對聯軸器的平衡度進行了精確測量和調整后設備的振動也隨之消失。

3.2 電氣問題案例

缺相故障案例：在機械加工車間內，一臺FANUC CK61125/3000型號的數控車床的Z軸發生了劇烈的震動。技術人員經過排查，發現是電源電壓不穩定導致缺相故障造成的振動。缺相故障可能源自伺服驅動器內部的電源電路，如電容器、電阻器或電感器出現老化、損壞或接觸不良等問題，導致電源供應不穩定，進而引發缺相故障。技術員首先對伺服驅動器的電源電路進行了檢查，結果發現驅動電路中的一相散熱風扇電容器出現了損壞。經更換了損壞的電容器，使電源供應恢復穩定，設備的缺相故障得到了解決，振動也隨之消失。

3.3 控制參數問題案例

3.3.1 速度環比例增益不當案例

在一臺FANUC Series 32i-MODEL B昆明KiMiA-4數控鏜銑床上，Z軸正方向系統在運行過程中出現了明顯的振動。技術人員經過詳細檢查和分析，確定是機械速度反饋系數增益（參數2088#）設置不當導致的振動問題。原本為了提高設備生產效率，將速度環增益設置得較大，但這卻導致了系統的不穩定，產生了振動。據相關資料顯示，當速度環增益過大時，系統的速度響應會變得過快，慣性力增大，從而更容易出現抖動。在這個案例中，技術人員通過逐步降低速度環增益，同時觀察設備的運行狀態。逐步調整，最終找到了一個合適的增益值，使得設備的振動明顯減弱，恢復了穩定運行。

3.3.2 位置環增益不當案例

同樣在另一臺FANUC Series 32i-MODEL B昆明KiMiA-4數控鏜銑床上，FANUC全閉環伺服系統Z軸負方向也出現了振動現象。經過深入排查，發現是位置環增益（參數1825#）設置不合理所致。如果位置環增益設置過低，系統的響應速度會變慢，過高的位置環增益還可能導致整個伺服系統出現振蕩現象，表現為系統無法穩定地停留在目標位置，而是在目標位置附近來回波動。在這個案例中，技術人員首先對設備的位置參數情況進行了詳細的分析，通過不斷地嘗試和調整位置參數，最終找到了一個合適的位置比參數值，使設備的振動得到了有效控制。

4 FANUC全閉環伺服系統振動解決方法

4.1 機械結構調整

聯軸器校準：聯軸器的校準對于伺服系統的穩定運行至關重要。其校準方法主要有以下幾種：一是使用專業的檢測設備，如激光校準儀，對聯軸器的同心度和角度偏差進行精確測量。根據測量結果，調整聯軸器的位置，使其達到最佳的平衡狀態。二是通過手動調整的方法，在設備靜止狀態下，通過盤車觀察聯軸器的運轉情況，逐步調整聯軸器的位置，直到振動最小為止。三是參考設備的安裝手冊和技術要求，按照規定的步驟和參數進行聯軸器的校準。

4.2 電氣故障排除

電壓不穩定及缺相故障排查：檢查線路有無損壞或接觸不良現象。例如電機運行不平穩、發出異常聲響或某相電流缺失等。確保發那科伺服電機的電源線路，包括電源開關、保險絲、變壓器等部分，均處于良好狀態，以保障電源供應無誤。檢查發那科伺服電機接線盒內的螺絲是否緊固，接觸是否正常。若發現故障，需擰緊螺絲或更換接線。同時，檢查驅動器的運行狀況，若存在故障，應立即進行更換或修理。同時，檢查控制信號是否中斷或異常，確保驅動器能夠正常接收并處理控制信號。

4.3 控制參數優化

速度環參數調整策略：調整速度環參數對于降低FANUC全閉環伺服系統的振動極為關鍵。在不同的工作場景下，需要根據實際情況合理調整速度環增益等參數。

首先，在系統開始震動時，逐步減少速度環的比例增益。將比例增益從初始值逐漸減小，每次調整的幅度不宜過大，建議在5%至10%的幅度進行調整。同時觀察系統的運行狀態，若振動減弱，則繼續以較小的幅度調整，直到找到一個合適的增益值，既能滿足系統的響應速度要求，又能避免振動的產生，通過調整參數2088#（機械速度反饋系數增益）由系統默認值3200逐步調整至數值2000后振動范圍符合零件的加工要求。接下來，調整速度環積分增益參數2043#時必須小心謹慎。速度積分增益主要作用于系統的穩態誤差，積分增益過高可能會引起系統超調，進而增加振動。通常情況下，應先將積分增益設定為較低數值，隨后依據系統實際運行狀況逐步提升。同時，加速度反饋增益的調整也極為重要。加速度反饋增益可以提高系統的動態響應性能，但如果設置不當，也會引起振動。在調整加速度反饋增益時，可以先從較小的值開始嘗試，觀察系統的振動情況，逐步增加或減小增益值，直到找到一個合適的參數組合。

位置環參數設置技巧：位置環增益參數是解決FANUC全閉環伺服系統振動問題的關鍵之一，該參數決定了伺服系統對位置指令的響應速度和精度。增大位置環增益可以加快伺服系統對位置指令的響應速度，使機床更快地達到目標位置。適當的位置環增益調整能夠有效降低位置誤差，從而提升機床定位的精確度。然而，位置環增益過高可能會引起系統不穩定，導致振蕩或超調等問題。結合已出現的振動現象，將1825#（位置環增益）參數由系統默認值的2200調整至1000后振動消除。因此，需要根據機床的實際情況和加工需求進行合理設置。

機械速度反饋系數增益和加速度比例增益、加速度比例增益、加速度反饋增益需配合調整，直至達到加工質量與生產效率的完美結合。

5 結論與展望

5.1 研究結論總結

本研究深入分析了FANUC全閉環伺服系統振動的原因，并提出了全面有效的解決方法。

FANUC全閉環伺服系統振動的原因主要包括機械結構、電氣和控制參數三個方面。針對這些因素，我們建議了合適的解決方案。關于機械設備的調整，定期進行軸承檢查和維護，確保及時替換受損的軸承是至關重要的。此外，對聯軸器進行精確校正，保證其連接的穩定性和最佳平衡狀態。在處理電氣問題時，需要檢查線路、調整設置和清除灰塵。對于相位缺失的問題，通過一系列排查步驟來識別故障根源，并實施恰當的解決措施。在控制參數的優化上，適當調整速度環和位置環的參數。

綜上所述，通過對FANUC全閉環伺服系統振動問題的深入研究和分析，我們提出了系統性的解決方法，為提高設備的性能和加工精度提供了有力的支持。

5.2 未來研究方向展望

未來對于FANUC全閉環伺服系統振動問題的研究展望可從多維度深入展開。首先，需進一步探究不同工作環境（如高溫、高濕度、高粉塵、高電磁等復雜環境）對伺服系統振動的影響，通過模擬實驗為設計適應性更強的伺服系統提供依據。其次，推動機械工程、電氣工程、控制工程、材料科學等多學科的交叉研究，融合各領域知識，綜合分析伺服系統振動產生機制，并提出綜合性解決方案。同時，加強對新型伺服系統技術如直線電機伺服系統、永磁同步電機無傳感器控制技術等的研究與應用，以期獲得更好的性能和抗振動能力。此外，建立更加完善的伺服系統振動測試標準和方法，確保測試結果的準確性和可比性，為研究和解決振動問題提供可靠數據支持。最后，加強國際間的合作與交流，借鑒其他國家和地區在伺服系統振動問題研究方面的先進經驗和技術提升專業人員的技術水平和創新能力，加強企業與研究機構間的合作，共同推動伺服系統技術的創新與發展，為解決FANUC全閉環伺服系統振動問題提供更加有效的方法和技術支持。

總之，未來對于FANUC全閉環伺服系統振動問題的研究充滿挑戰和機遇。通過不斷探索和創新，我們有望找到更加有效的解決方法，推動伺服系統技術的不斷發展和進步。

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