0 引言

　　隨著制造業(yè)的進(jìn)步和飛速發(fā)展對(duì)加工母機(jī)和裝備的精度提出了更高要求。數(shù)控機(jī)床作為裝備制造業(yè)的典型產(chǎn)品其高速工況下具有較高的加工精度逐漸成為機(jī)床生產(chǎn)廠家的共同要求。伺服參數(shù)匹配及優(yōu)化設(shè)置對(duì)于提高數(shù)控機(jī)床精度充分發(fā)揮并保證數(shù)控機(jī)床的良好的動(dòng)靜態(tài)性能具有十分重要的意義但對(duì)于伺服參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置目前尚缺乏系統(tǒng)的方法因而使數(shù)控機(jī)床難以達(dá)到最優(yōu)性能。本文針對(duì)THM46100精密臥式加工中心通過對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行整定優(yōu)化實(shí)現(xiàn)降低機(jī)床誤差并提高加工精度的目標(biāo)。

1 THM46100精密臥式加工中心簡(jiǎn)介

　　THM46100精密臥式加工中心，沈機(jī)集團(tuán)，昆明機(jī)床股份有限公司在國(guó)家機(jī)床重大專項(xiàng)支持下最新開發(fā)的四軸精密臥式加工中心可廣泛應(yīng)用于復(fù)雜箱體類零件、盤類及模具等零件的加工。如圖1所示該機(jī)床由X、Y、Z方向的直線進(jìn)給軸和繞B軸的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)構(gòu)成為提高系統(tǒng)剛度而采用了“箱中箱”的獨(dú)特結(jié)構(gòu)如圖2所示并且為了保證X方向具有較大的驅(qū)動(dòng)能力而采用了X1、X2雙軸驅(qū)動(dòng)的模式。由于該加工中心FANUC31i數(shù)控系統(tǒng)具有豐富的控制功能因此此加工中心配置了FANUC31i數(shù)控系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)X、Y、Z直線位移及B軸回轉(zhuǎn)位移的高速高精度控制。

2 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)整定方法研究

　　為提高數(shù)控機(jī)床的剛度、穩(wěn)定性及高速加工性能，需要對(duì)其控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，一方面使得機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)更好地匹配，另一方面補(bǔ)償由于機(jī)械系統(tǒng)的缺陷而引起的誤差。本文基于FANUC31i-MA，通過PI控制器參數(shù)整定和輪廓誤差抑制兩方面研究提高機(jī)床加工精度的方法。

　　2.1 三環(huán)PI控制器參數(shù)整定

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圖3控制系統(tǒng)三環(huán)控制結(jié)構(gòu)

　　如圖3所示，F(xiàn)ANUC31i-MA伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為傳統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三環(huán)控制結(jié)構(gòu)方式，分別通過位置控制環(huán)節(jié)(比例P控制器)、速度控制環(huán)節(jié)(比例積分P1控制器)、電流控制環(huán)節(jié)(比例積分Pi控制器)等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制。對(duì)數(shù)控系統(tǒng)三環(huán)控制器PI參數(shù)的調(diào)節(jié)，對(duì)于提高機(jī)床的精度具有較為重要的意義。

　　由于內(nèi)環(huán)性能的優(yōu)劣直接影響著外環(huán)的控制性能，因此在P1參數(shù)調(diào)節(jié)過程中，通常采用從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，即電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的調(diào)試順序，分別對(duì)系統(tǒng)的力矩、速度、位置進(jìn)行控制，以保證整個(gè)伺服系統(tǒng)性能的充分發(fā)揮。FANUC31i提供了以下可供調(diào)節(jié)的伺服參數(shù)。

　　1)電流環(huán)控制器;No2040-電路環(huán)積分增益和No2041-電流環(huán)比例增益。

　　2)速度環(huán)控制器:No2043-速度環(huán)積分增益和No2044一速度環(huán)比例增益。

　　3)位置環(huán)控制器:No1825-位置環(huán)路增益。

在對(duì)電流環(huán)調(diào)試過程中，在機(jī)床不發(fā)生振動(dòng)的前提下，令積分增益先失效而逐漸提高比例增益No2041，直至電機(jī)發(fā)生微弱的嘯叫，然后再通過積分增益系數(shù)No204f1的調(diào)節(jié)以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。通過電流環(huán)PI參數(shù)的整定，可以提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)性并抑制內(nèi)部干擾，使得系統(tǒng)在保證其穩(wěn)定性的同時(shí)有較大的扭矩。速度環(huán)調(diào)試方法類似于電流環(huán)P1參數(shù)的整定過程，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，通過增益的提高獲得較高的伺服剛度，同時(shí)施加積分環(huán)節(jié)消除穩(wěn)態(tài)誤差。速度環(huán)良好的性能增強(qiáng)了系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的能力，并且抑制了速度較大幅度的波動(dòng)。

　　通過位置環(huán)增益的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)更加精確的位置控制，減小位置偏差量，但同時(shí)可能會(huì)造成系統(tǒng)振蕩，需要根據(jù)實(shí)際情況酌情確定，其余位置偏差的關(guān)系可用下式表示:

　　位置偏差量(e)=進(jìn)給速度(Cv)/位置環(huán)路增益(KP)

 　　2.2 反沖加速功能

　　機(jī)床在其反向過程中，由于導(dǎo)軌和滑塊接觸部件之間摩擦的影響以及絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)間隙，造成電機(jī)反轉(zhuǎn)的延時(shí)，從而引起較大的輪廓誤差，使得機(jī)床在進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)的情況下，會(huì)造成圓弧切削時(shí)的過象限突起誤差。為減少此項(xiàng)誤差，F(xiàn)AIVUC31i提供了反向加速功能。通過數(shù)控系統(tǒng)的反向加速功能，在機(jī)床反向處施加一定補(bǔ)償量以增大瞬時(shí)扭矩，從而消除摩擦的影響。

　　FANUC31i提供了No1851反沖補(bǔ)償值、No2048—反沖加速量、No2071—反沖加速補(bǔ)償有效時(shí)間等反向加速參數(shù)，通過合理調(diào)節(jié)系統(tǒng)這些參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床在反向時(shí)的瞬間加速。當(dāng)其補(bǔ)償值設(shè)置的較為合理時(shí)，機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際速度將會(huì)準(zhǔn)確跟隨給定速度如圖4a所示，若補(bǔ)償值設(shè)置較小，系統(tǒng)得不到充分補(bǔ)償，其反沖加速不甚明顯如圖4b所示，若補(bǔ)償值設(shè)置過大，又會(huì)造成過補(bǔ)償，引起過切現(xiàn)象，如圖4c所示。

圖4 反沖加速功能延遲

　　2.3 靜摩擦補(bǔ)償功能

　　當(dāng)機(jī)床沿同一方向從停止?fàn)顟B(tài)開始啟動(dòng)時(shí)，由于靜摩擦的作用，造成速度增加延遲。針對(duì)此，可通過摩擦補(bǔ)償功能，如圖5所示，在機(jī)床再次啟動(dòng)時(shí)，施加補(bǔ)償數(shù)據(jù)于速度環(huán)中，由此消除速度停滯現(xiàn)象。靜摩擦補(bǔ)償需要調(diào)節(jié)的參數(shù)有No2005#7—靜摩擦補(bǔ)償功能有效、No2071—靜摩擦補(bǔ)償功能有效時(shí)間、No2073—靜摩擦補(bǔ)償值停止到開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度偏置值，和No2073—停止?fàn)顟B(tài)判斷參數(shù)確定機(jī)床是否進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。靜摩擦補(bǔ)償功能類似于反沖加速功能，其區(qū)別在于反沖加速功能針對(duì)于機(jī)床反向運(yùn)動(dòng)過程中速度的延時(shí)現(xiàn)象，而靜摩擦補(bǔ)償功能針對(duì)于機(jī)床在同一方向上由停止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的工況下，其不同的功能適用于不同的環(huán)境下，調(diào)試過程中應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分。

圖5 靜摩擦補(bǔ)償功能

　　2.4 切削/快速移動(dòng)速度環(huán)路增益切換功能

　　為了提高工件的加工精度，高的系統(tǒng)增益有利于減小位置偏差量，但是在高速情況下機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)區(qū)別于低速狀態(tài)。當(dāng)機(jī)床在低進(jìn)給速度工況下可以穩(wěn)定地切削工件，但在高速運(yùn)動(dòng)過程中，由于系統(tǒng)的運(yùn)行速度較高，可能會(huì)引起高速下的振蕩和不穩(wěn)定。為了減小系統(tǒng)的振蕩使其趨于穩(wěn)定，可以降低環(huán)路增益。因此，需要機(jī)床在低速切削狀態(tài)和高速快移狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)速度環(huán)路增益的自動(dòng)切換。

　　可通過調(diào)整參數(shù)No2202—切削/快移速度環(huán)路增益切換功能生效、No2021—切削時(shí)速度環(huán)路增益負(fù)載慣量比、No2107—增益切換倍率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在切削過程和快速移動(dòng)過程中速度環(huán)路增益的切換，以最大程度地抑制負(fù)載波動(dòng)。

　2.5 同步自動(dòng)補(bǔ)償功能

　　THM46100的X軸采用了雙軸驅(qū)動(dòng)模式，當(dāng)X軸運(yùn)行位移較大時(shí)，由于光柵尺絕對(duì)精度和安裝精度的影響以及機(jī)床熱變形的影響，主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間會(huì)產(chǎn)生機(jī)械性的扭力和扭轉(zhuǎn)變形，從而影響到軸向的位置控制精度。雖然可以通過螺距誤差補(bǔ)償在一定程度上緩解該種變形，但是對(duì)于熱變形卻并不能消除。因此通過系統(tǒng)的同步補(bǔ)償功能，對(duì)主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將兩者的扭矩偏差量施加給從動(dòng)軸，從而使得主、從軸之間的扭矩誤差得到抑制，以提高其位置控制精度，其控制框圖如圖6所示。

 
圖6 同步補(bǔ)償功能控制框圖

　　通過調(diào)節(jié)參數(shù)No2403—同步自動(dòng)補(bǔ)償系數(shù)、No2404—同步自動(dòng)補(bǔ)償最大值、No2405—同步自動(dòng)補(bǔ)償過濾器系數(shù)，實(shí)現(xiàn)雙軸驅(qū)動(dòng)的同步自動(dòng)補(bǔ)償功能。從圖7中可以看出，當(dāng)不實(shí)施同步補(bǔ)償時(shí)，主、從軸之間存在著位置偏差，當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)償后主從軸之間的位置偏差得到消除。

圖7 同步自動(dòng)補(bǔ)償功能示意圖

3 伺服參數(shù)調(diào)試實(shí)驗(yàn)論證按照上述方法

　　我們對(duì)THM46100精密臥式加工中心伺服參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，通過FANUC31i的伺服調(diào)試工具Servo Guide對(duì)伺服調(diào)試前后機(jī)床的狀態(tài)進(jìn)行圓周測(cè)試，并進(jìn)一步通過球桿儀測(cè)試調(diào)試前后機(jī)床的精度狀況。對(duì)機(jī)床的X、Y軸進(jìn)行圓周測(cè)試，如圖8所示，為調(diào)試前后Servo Guide的圓周測(cè)試結(jié)果對(duì)比。從中可以看出，調(diào)試后Y軸的過象限誤差得到了較大程度的消除，X軸的過現(xiàn)限誤差也得到了較大程度的降低，但并未完全消除。調(diào)試前后分別采用球桿儀對(duì)其圓運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果分別如圖9和圖10所示，調(diào)試后機(jī)床的圓度誤差得到了較大程度的抑制，但X軸的過象限誤差仍較為明顯，與Servo Guide測(cè)試結(jié)果較為相符。

 
圖8 調(diào)試前后Servo Guide測(cè)試結(jié)果對(duì)比

　　造成調(diào)試后X軸仍存在較為明顯的過象限誤差的原因，一方面是由于同步補(bǔ)償功能設(shè)置的不合理，另一方面是由于X軸的主動(dòng)軸和從動(dòng)軸安裝過程中的安裝誤差所引起的，其機(jī)械方面的因素較為突出。因此需要對(duì)X軸進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)一步確定原因。

4 結(jié)論

　　本文基于FANUC31i從伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PI參數(shù)調(diào)節(jié)和部分補(bǔ)償功能兩方面，研究了的精密臥式加工中心伺服系統(tǒng)優(yōu)化方法，旨在提高THM46100精密臥式加工中心的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能及加工精度。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)THM46100精密臥式加工中心進(jìn)行調(diào)試后其精度及性能有了較大程度的提高。由于FANUC31i系統(tǒng)具有較為全面且復(fù)雜的控制功能，要充分發(fā)揮其功能并進(jìn)一步提高采用其的數(shù)控機(jī)床的性能，還需要對(duì)其他功能進(jìn)行深入研究和探索。