伺服優(yōu)化原理和優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

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(zhì)量不佳的問題。文中通過FANUC SERVO GUIDE 軟件測(cè)試機(jī)床的伺服系統(tǒng)性能，針對(duì)測(cè)試結(jié)果，對(duì)機(jī)床伺服系統(tǒng)三環(huán)參數(shù)、背隙加速等伺服參數(shù)進(jìn)行逐步調(diào)試和優(yōu)化，并將優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用于某模具樣件加工試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的伺服系統(tǒng)響應(yīng)性能和機(jī)床的加工性能都有所提高。

數(shù)控機(jī)床是模具產(chǎn)品的生產(chǎn)載體，其伺服系統(tǒng)性能的好壞直接影響著模具產(chǎn)品的加工質(zhì)量。一般在機(jī)床剛出廠時(shí)，廠家會(huì)給定一組能夠保證正常加工的參數(shù)值，但并不能發(fā)揮機(jī)床最佳的加工性能[1]。另一種情況是隨著數(shù)控機(jī)床使用時(shí)間的增加，機(jī)床的機(jī)械性能發(fā)生了變化。此時(shí)與之相關(guān)的伺服參數(shù)也要隨之做出調(diào)整，否則會(huì)引起機(jī)床機(jī)電不匹配，造成機(jī)床運(yùn)行不穩(wěn)，產(chǎn)生振動(dòng)，使得零件加工表面存在振紋、過切等表面質(zhì)量不佳的問題[2]。因此為了保證模具產(chǎn)品的加工精度和表面質(zhì)量，對(duì)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化顯得尤為必要。

文中通過FANUC SERVO GUIDE 軟件測(cè)試機(jī)床的伺服系統(tǒng)性能，針對(duì)測(cè)試結(jié)果，對(duì)機(jī)床伺服系統(tǒng)三環(huán)參數(shù)、背隙加速等參數(shù)進(jìn)行逐步調(diào)試和優(yōu)化，以獲得良好的伺服動(dòng)態(tài)性能和機(jī)械剛性，使數(shù)控機(jī)床處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，充分發(fā)揮最優(yōu)加工性能，從而提升模具產(chǎn)品加工品質(zhì)和精度。

1 、伺服優(yōu)化原理和內(nèi)容

1.1 伺服優(yōu)化原理

數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)優(yōu)化的目的，是為了更好地優(yōu)化機(jī)械特性和電氣特性之間的配合，以獲得更高的伺服系統(tǒng)響應(yīng)和機(jī)械剛性，從而獲得更好的加工性能[2]。FANUC 伺服系統(tǒng)控制采用三環(huán)控制的方式，如圖 1 所示[2-3]。

??圖1 伺服控制原理圖

FANUC系統(tǒng)將伺服三環(huán)控制集成在NC的軸卡上，通過接收NC所發(fā)出的指令，經(jīng)軸卡的三環(huán)處理后輸出至放大器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。最內(nèi)環(huán)是電流控制，中間環(huán)是速度控制，最外環(huán)為位置控制。三環(huán)中，電流環(huán)是整個(gè)伺服系統(tǒng)控制的根本環(huán)節(jié)，作用是提高系統(tǒng)的快速性，限制最大電流，使系統(tǒng)有足夠大的加速轉(zhuǎn)矩。速度環(huán)是伺服控制的中間環(huán)節(jié)，作用是提高系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)能力，抑制速度波動(dòng)。位置環(huán)是最外環(huán)，其作用是保證系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟隨性能[4]。三環(huán)中，電流環(huán)響應(yīng)速度最快，其次是速度環(huán)，最后是位置環(huán)。若要提高位置環(huán)回路增益須先提高速度環(huán)回路增益，否則容易導(dǎo)致機(jī)床振蕩，運(yùn)行不穩(wěn)。因此，伺服優(yōu)化應(yīng)遵循“由內(nèi)而外”的原則，秉承先電流環(huán)、后速度環(huán)，最后位置環(huán)的先后順序進(jìn)行優(yōu)化。

伺服優(yōu)化的實(shí)質(zhì)是根據(jù)機(jī)床的頻率響應(yīng)曲線、圓弧測(cè)試圖進(jìn)行分析，合理調(diào)整伺服三環(huán)參數(shù)，盡可能使各軸精確的跟隨移動(dòng)指令和抑制干擾扭矩，即在一定的機(jī)械狀態(tài)下確保伺服系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)振蕩，保證三環(huán)控制回路能夠在高響應(yīng)、高剛性下“和諧”工作[5-6]。

1.2 伺服優(yōu)化的內(nèi)容

對(duì)于數(shù)控機(jī)床伺服優(yōu)化主要包括兩個(gè)方面[7]：

（1）提高伺服電機(jī)增益，抑制機(jī)床振動(dòng)通過頻率響應(yīng)測(cè)試抑制機(jī)床共振點(diǎn)，提高機(jī)床增益，以匹配機(jī)床的機(jī)械剛性、提高電機(jī)的響應(yīng)速度。

（2）循圓象限凸起抑制，調(diào)整加工精度通過觀察機(jī)床圓弧象限測(cè)試進(jìn)行調(diào)整，抑制伺服軸換向時(shí)的凸起，消除加工時(shí)的象限痕。

2 、伺服優(yōu)化案例分析

2.1 加工故障現(xiàn)象

某加工中心使用 FANUC 0i-MF 系統(tǒng)加工模具產(chǎn)品試件，使用AICC功能，進(jìn)給量為2000mm/min, 經(jīng)加工后，零件加工表面有明顯的振紋，存在過切，如圖2所示。

2.2 伺服優(yōu)化方案

（1）首先利用 SERVO GUIDE 軟件測(cè)試機(jī)床 3 軸靜態(tài)頻率響應(yīng)曲線，觀察機(jī)床的機(jī)械性能。靜態(tài)頻率響應(yīng)測(cè)試是 SER?VO GUIDE 調(diào)試中非常重要的一環(huán)，它波形的好壞反映了機(jī)床很重要的機(jī)械特性，它調(diào)整的好壞直接影響了后續(xù)圓弧部分的調(diào)整，以及機(jī)床運(yùn)行的平穩(wěn)和加工效果的好壞，在整個(gè)調(diào)試中具有非常重的分量。頻率響應(yīng)測(cè)試通過頻率響應(yīng)測(cè)量各軸的共振點(diǎn)，并用濾波器參數(shù)來抑制共振[5]。在滿足波形要求，保證共振點(diǎn)被抑制的情況下，提高速度環(huán)路增益。以 X 軸測(cè)試為例，優(yōu)化前頻率響應(yīng)圖如圖3所示。

圖3 X軸優(yōu)化前頻率響應(yīng)波形

調(diào)試中主要以幅頻特性曲線作為考察伺服特性的主要依據(jù)[5]。由圖3 可知，幅頻曲線在低頻 50HZ—200HZ 范圍內(nèi)幅值低于 0d B，表示系統(tǒng)響應(yīng)滯后。先檢查電流環(huán)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)“HRV+

控制有效”未選中，如圖4所示。此功能是在HRV3基礎(chǔ)上進(jìn)行控制的，即HRV3+功能，可以實(shí)現(xiàn)電流環(huán)更高速響應(yīng)和較高的速度增益設(shè)定。選中“HRV+控制有效”選項(xiàng)，再次測(cè)試頻響曲線，如圖5所示。

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圖4 電流環(huán)參數(shù)

圖5 X軸優(yōu)化中頻率響應(yīng)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(tǒng)響應(yīng)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(diǎn)。調(diào)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(jī)床高頻共振被抑制，振蕩現(xiàn)象明顯減弱。機(jī)床消除振動(dòng)的原則是在抑制掉高頻振蕩點(diǎn)后，確保機(jī)床平穩(wěn)運(yùn)行的狀態(tài)下盡可能提高機(jī)床伺服系統(tǒng)速度增益[4]。經(jīng)反復(fù)調(diào)試，最終將速度環(huán)增益由原來的 150 調(diào)整到最終的 180。優(yōu)化前后的速度環(huán)參數(shù)設(shè)置如圖6所示。

（a）速度增益優(yōu)化前

（b）速度增益優(yōu)化后??

圖6 速度環(huán)關(guān)鍵參數(shù)

最終優(yōu)化后X軸頻響特性曲線如圖7所示。此時(shí)曲線的最高點(diǎn)低于5d B,高頻衰減區(qū)域的幅值低于-20d B。經(jīng)優(yōu)化后的機(jī)床機(jī)械特性已明顯提高，既充分發(fā)揮了伺服的剛性余量，又保證了伺服軸的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖7 X軸優(yōu)化后頻率響應(yīng)波形

（2）在合理優(yōu)化了三軸伺服環(huán)增益，確保三軸在高剛性下穩(wěn)定運(yùn)行后。將 CMR（柔性齒輪比）擴(kuò)大 10 倍（系統(tǒng)檢測(cè)精度提升）。因?yàn)樵跈C(jī)械性能較好的前提下，擴(kuò)大CMR倍數(shù)能夠改

善電流特性曲線，使得機(jī)床運(yùn)行更加平穩(wěn)，降低電流波動(dòng)，對(duì)加工表面的光潔度一定的改善作用。

（3）經(jīng)上述調(diào)試后，機(jī)床高頻振動(dòng)被抑制，伺服響應(yīng)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(xiàn)象，需通過圓度測(cè)試進(jìn)一步檢測(cè)。以 XY

插補(bǔ)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(diào)整前圖形

圖9 XZ軸圓弧調(diào)整后圖形

根據(jù)XY軸圓度測(cè)試圖分析，四個(gè)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(jī)床系統(tǒng)中，當(dāng)反沖摩擦的影響較大時(shí)，在電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生延遲，造成圓弧切削時(shí)的象限凸起。以Y軸為例，嘗試對(duì)Y的象限凸起進(jìn)行補(bǔ)償，試著將背隙加速補(bǔ)償參數(shù)調(diào)大，觀察Y 軸象限凸起有所改善，經(jīng)反復(fù)調(diào)試，將 Y 軸背隙加速補(bǔ)償量（NO. 2048）由原來的 200 增加到 600，背隙加速有效時(shí)間（NO.2071）由原來的0增加到10。X軸背隙加速補(bǔ)償量由原來的0增加到300，背隙加速有效時(shí)間由原來的0加到6。經(jīng)優(yōu)化后的XY軸圓弧圖形如圖9所示。四個(gè)象限凸起均被抑制在5um以內(nèi)，明顯改善。

2.3 加工測(cè)試

完成上述步驟調(diào)試后，使用AICC功能，再次加工。由于高頻振動(dòng)得到抑制，象限凸起現(xiàn)象改善，使得機(jī)床運(yùn)行平穩(wěn)。最終加工效果刀路整齊，表面光滑無振紋，過切現(xiàn)象有所改善。加工后試件如圖10所示。

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3?、結(jié)語

經(jīng)試驗(yàn)研究結(jié)果表明，通過 FANUC 伺服優(yōu)化可有效解決模具加工中零件表面振紋和過切現(xiàn)象，改善模具產(chǎn)品表面加工品質(zhì)和加工精度，提高數(shù)控機(jī)床的加工性能。在實(shí)際伺服優(yōu)化過程中，由于各廠家機(jī)床本身機(jī)械的不同，裝配的差異，其伺服參數(shù)調(diào)整會(huì)有些差異，即便是同一臺(tái)機(jī)床不同時(shí)期因磨損使用程度的不同，其伺服優(yōu)化也并不完全相同，但整個(gè)伺服優(yōu)化的方法和流程大體一致。伺服優(yōu)化是一項(xiàng)煩瑣的工作，需反復(fù)調(diào)試，摸索總結(jié)，方能確定好的優(yōu)化結(jié)果。

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編輯：黃飛

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