FANUC伺服優化功能在模具加工中的應用
2021-3-30 來源：蕪湖職業技術學院 機械工程學院 作者：葛阿萍
摘要：為了改善模具加工中零件加工表面存在振紋、過切等表面質量不佳的問題。文中通過FANUC SERVO GUIDE 軟件測試機床的伺服系統性能，針對測試結果，對機床伺服系統三環參數、背隙加速等伺服參數進行逐步調試和優化，并將優化結果應用于某模具樣件加工試驗，試驗結果表明，優化后的伺服系統響應性能和機床的加工性能都有所提高。
關鍵詞：伺服優化；伺服系統；SERVO GUIDE；加工質量
數控機床是模具產品的生產載體，其伺服系統性能的好壞直接影響著模具產品的加工質量。一般在機床剛出廠時，廠家會給定一組能夠保證正常加工的參數值，但并不能發揮機床最佳的加工性能[1]。另一種情況是隨著數控機床使用時間的增加，機床的機械性能發生了變化。此時與之相關的伺服參數也要隨之做出調整，否則會引起機床機電不匹配，造成機床運行不穩，產生振動，使得零件加工表面存在振紋、過切等表面質量不佳的問題[2]。因此為了保證模具產品的加工精度和表面質量，對數控機床伺服系統進行優化顯得尤為必要。
文中通過FANUC SERVO GUIDE 軟件測試機床的伺服系統性能，針對測試結果，對機床伺服系統三環參數、背隙加速等參數進行逐步調試和優化，以獲得良好的伺服動態性能和機械剛性，使數控機床處于穩定的工作狀態，充分發揮最優加工性能，從而提升模具產品加工品質和精度。
1 、伺服優化原理和內容
1.1 伺服優化原理
數控機床伺服系統優化的目的，是為了更好地優化機械特性和電氣特性之間的配合，以獲得更高的伺服系統響應和機械剛性，從而獲得更好的加工性能[2]。FANUC 伺服系統控制采用三環控制的方式，如圖 1 所示[2-3]。
圖1 伺服控制原理圖
FANUC系統將伺服三環控制集成在NC的軸卡上，通過接收NC所發出的指令，經軸卡的三環處理后輸出至放大器，驅動電機運行。最內環是電流控制，中間環是速度控制，最外環為位置控制。三環中，電流環是整個伺服系統控制的根本環節，作用是提高系統的快速性，限制最大電流，使系統有足夠大的加速轉矩。速度環是伺服控制的中間環節，作用是提高系統抗負載擾動能力，抑制速度波動。位置環是最外環，其作用是保證系統的靜態精度和動態跟隨性能[4]。三環中，電流環響應速度最快，其次是速度環，最后是位置環。若要提高位置環回路增益須先提高速度環回路增益，否則容易導致機床振蕩，運行不穩。因此，伺服優化應遵循“由內而外”的原則，秉承先電流環、后速度環，最后位置環的先后順序進行優化。
伺服優化的實質是根據機床的頻率響應曲線、圓弧測試圖進行分析，合理調整伺服三環參數，盡可能使各軸精確的跟隨移動指令和抑制干擾扭矩，即在一定的機械狀態下確保伺服系統不會出現振蕩，保證三環控制回路能夠在高響應、高剛性下“和諧”工作[5-6]。
1.2 伺服優化的內容
對于數控機床伺服優化主要包括兩個方面[7]：
（1）提高伺服電機增益，抑制機床振動通過頻率響應測試抑制機床共振點，提高機床增益，以匹配機床的機械剛性、提高電機的響應速度。
（2）循圓象限凸起抑制，調整加工精度通過觀察機床圓弧象限測試進行調整，抑制伺服軸換向時的凸起，消除加工時的象限痕。
2 、伺服優化案例分析
2.1 加工故障現象
某加工中心使用 FANUC 0i-MF 系統加工模具產品試件，使用AICC功能，進給量為2000mm/min, 經加工后，零件加工表面有明顯的振紋，存在過切，如圖2所示。
圖2 優化前試件
2.2 伺服優化方案
（1）首先利用 SERVO GUIDE 軟件測試機床 3 軸靜態頻率響應曲線，觀察機床的機械性能。靜態頻率響應測試是 SER?VO GUIDE 調試中非常重要的一環，它波形的好壞反映了機床很重要的機械特性，它調整的好壞直接影響了后續圓弧部分的調整，以及機床運行的平穩和加工效果的好壞，在整個調試中具有非常重的分量。頻率響應測試通過頻率響應測量各軸的共振點，并用濾波器參數來抑制共振[5]。在滿足波形要求，保證共振點被抑制的情況下，提高速度環路增益。以 X 軸測試為例，優化前頻率響應圖如圖3所示。
圖3 X軸優化前頻率響應波形
調試中主要以幅頻特性曲線作為考察伺服特性的主要依據[5]。由圖3 可知，幅頻曲線在低頻 50HZ—200HZ 范圍內幅值低于 0d B，表示系統響應滯后。先檢查電流環參數，發現“HRV+
控制有效”未選中，如圖4所示。此功能是在HRV3基礎上進行控制的，即HRV3+功能，可以實現電流環更高速響應和較高的速度增益設定。選中“HRV+控制有效”選項，再次測試頻響曲線，如圖5所示。
圖4 電流環參數
圖5 X軸優化中頻率響應波形
在使用了HRV+控制有效后，低頻部分幅值基本接近0d B,系統響應滯后明顯改善。但高頻部分在 380h Z 左右仍存在明顯的共振點。調試中逐步加入濾波器來抑制高頻振蕩。在使用 HRV 濾波器后機床高頻共振被抑制，振蕩現象明顯減弱。機床消除振動的原則是在抑制掉高頻振蕩點后，確保機床平穩運行的狀態下盡可能提高機床伺服系統速度增益[4]。經反復調試，最終將速度環增益由原來的 150 調整到最終的 180。優化前后的速度環參數設置如圖6所示。
（a）速度增益優化前
（b）速度增益優化后
圖6 速度環關鍵參數
最終優化后X軸頻響特性曲線如圖7所示。此時曲線的最高點低于5d B,高頻衰減區域的幅值低于-20d B。經優化后的機床機械特性已明顯提高，既充分發揮了伺服的剛性余量，又保證了伺服軸的穩定運行。
圖7 X軸優化后頻率響應波形
（2）在合理優化了三軸伺服環增益，確保三軸在高剛性下穩定運行后。將 CMR（柔性齒輪比）擴大 10 倍（系統檢測精度提升）。因為在機械性能較好的前提下，擴大CMR倍數能夠改
善電流特性曲線，使得機床運行更加平穩，降低電流波動，對加工表面的光潔度一定的改善作用。
（3）經上述調試后，機床高頻振動被抑制，伺服響應性能有所提高。再次加工，奔馳件試件表面振紋已明顯改善，但加工試件上仍存在過切現象，需通過圓度測試進一步檢測。以 XY
插補圓弧為例，如圖8所示。橫軸為X軸，縱軸為Y軸。
圖8 XZ軸圓弧調整前圖形
圖9 XZ軸圓弧調整后圖形
根據XY軸圓度測試圖分析，四個象限均有凸起，Y軸兩象限凸起接近 10um。這可能是造成工件加工爬坡過切的原因。在機床系統中，當反沖摩擦的影響較大時，在電機反轉時，就會產生延遲，造成圓弧切削時的象限凸起。以Y軸為例，嘗試對Y的象限凸起進行補償，試著將背隙加速補償參數調大，觀察Y 軸象限凸起有所改善，經反復調試，將 Y 軸背隙加速補償量（NO. 2048）由原來的 200 增加到 600，背隙加速有效時間（NO.2071）由原來的0增加到10。X軸背隙加速補償量由原來的0增加到300，背隙加速有效時間由原來的0加到6。經優化后的XY軸圓弧圖形如圖9所示。四個象限凸起均被抑制在5um以內，明顯改善。
2.3 加工測試
完成上述步驟調試后，使用AICC功能，再次加工。由于高頻振動得到抑制，象限凸起現象改善，使得機床運行平穩。最終加工效果刀路整齊，表面光滑無振紋，過切現象有所改善。加工后試件如圖10所示。
圖10 優化后試件
3 、結語
經試驗研究結果表明，通過 FANUC 伺服優化可有效解決模具加工中零件表面振紋和過切現象，改善模具產品表面加工品質和加工精度，提高數控機床的加工性能。在實際伺服優化過程中，由于各廠家機床本身機械的不同，裝配的差異，其伺服參數調整會有些差異，即便是同一臺機床不同時期因磨損使用程度的不同，其伺服優化也并不完全相同，但整個伺服優化的方法和流程大體一致。伺服優化是一項煩瑣的工作，需反復調試，摸索總結，方能確定好的優化結果。
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