宋福林 余偉

【摘 要】本文以FANUC系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床為例，介紹數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)常用控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，分析采用混合閉環(huán)控制的應(yīng)用場(chǎng)景，詳細(xì)說(shuō)明FANUC系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床混合閉環(huán)控制功能的調(diào)試步驟，以及調(diào)試過(guò)程中常見的問(wèn)題與處理方法。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控機(jī)床;混合閉環(huán);調(diào)試

中圖分類號(hào)： TH17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）23-0045-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.019

【Abstract】This paper takes the FANUC system numerical control machine as an example to introduce the advantages and disadvantages of the common control methods of the CNC machine tool servo system， analyzes the application scenarios of the hybrid closed-loop control， and explains in detail the debugging steps of the FANUC system CNC machine tool hybrid closed-loop control function， as well as the common debugging process. Problem and treatment.

【Key words】Numerical control machine; Mixed closed loop; Debugging

隨著航空、航天、造船、汽車等制造業(yè)的飛速發(fā)展，我國(guó)正從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)發(fā)展，數(shù)控機(jī)床作為制造業(yè)的工業(yè)母機(jī)，被廣泛地應(yīng)用于各類機(jī)械制造領(lǐng)域以滿足一些加工難度大、加工精度高的精密零部件的加工要求。由于零件的制造精度要求越來(lái)越高，對(duì)數(shù)控機(jī)床的控制精度要求也越來(lái)越高，而數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的控制性能是影響數(shù)控機(jī)床精度的主要因素。伺服系統(tǒng)的控制精度又主要由伺服系統(tǒng)檢測(cè)元件的精度來(lái)保證。

數(shù)控機(jī)床根據(jù)伺服系統(tǒng)選用的檢測(cè)元件不同，一般分為開環(huán)、半閉環(huán)和全閉環(huán)控制三種方式。（1）開環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的移動(dòng)，沒有檢測(cè)元件，由于步進(jìn)電機(jī)本身的特點(diǎn)，其控制精度不是很高，不能滿足高精度零件的加工要求，在數(shù)控機(jī)床中已經(jīng)基本被淘汰了。（2）半閉環(huán)的數(shù)控機(jī)床通常采用光電編碼器、圓光柵等角度測(cè)量元件，通過(guò)這些元件測(cè)量伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度將信號(hào)反饋給數(shù)控系統(tǒng)，再通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)柔性齒輪比等參數(shù)，由數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算得到數(shù)控機(jī)床的實(shí)際位移量，但是由于伺服電機(jī)是通過(guò)滾珠絲桿螺母副等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為工作臺(tái)的直線移動(dòng)，而滾珠絲桿等機(jī)械傳動(dòng)部件也存在一定的誤差，這部分誤差上述測(cè)量元件無(wú)法檢測(cè)反饋給數(shù)控系統(tǒng)，因此采用半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床仍然無(wú)法滿足一些高精密零件的加工。（3）全閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)元件則采用分離型檢測(cè)元件光柵尺，光柵尺直接安裝在機(jī)床的工作臺(tái)上，直接測(cè)量工作臺(tái)的實(shí)際位移量，這樣就避開了機(jī)械傳動(dòng)誤差對(duì)測(cè)量造成的影響，而伺服電機(jī)的本身自帶的角度編碼器主要是負(fù)責(zé)伺服電機(jī)運(yùn)行速度的檢測(cè)，同時(shí)還會(huì)將反饋信息與光柵尺進(jìn)行比對(duì)計(jì)算進(jìn)行偏差補(bǔ)償，所以采用全閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床精度更高。

在企業(yè)實(shí)際應(yīng)用中，由于數(shù)控機(jī)床的床身部件在制造加工和裝配等生產(chǎn)環(huán)節(jié)質(zhì)量控制等因素的影響，再加上數(shù)控機(jī)床在使用一段時(shí)間后，由于機(jī)械磨損后機(jī)床的機(jī)械精度下降后，造成伺服電機(jī)編碼器與光柵尺的檢測(cè)反饋誤差較大。從而使機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中誤差補(bǔ)償量過(guò)大造成機(jī)床移動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)、運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)位置超差報(bào)警等故障現(xiàn)象，使零件加工精度下降，甚至導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常使用。

1 混合閉環(huán)控制原理

在這種情況下FANUC系統(tǒng)為用戶提供了混合閉環(huán)控制的功能，適用于全閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床因機(jī)械部件的傳動(dòng)間隙誤差較大造成的運(yùn)行不穩(wěn)定情況時(shí)，通過(guò)增加伺服電機(jī)的角度編碼器的位置反饋功能即混合閉環(huán)控制，即有全閉環(huán)控制的高精度同時(shí)也有半閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)提高伺服系統(tǒng)的位置增益，提高伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性來(lái)達(dá)到消除機(jī)床振動(dòng)、報(bào)警等故障[1]。

混合閉環(huán)控制原理如圖1所示，數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的誤差是通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的指令信息（MCMD）與檢測(cè)元件反饋回來(lái)的位置信息進(jìn)行比較得到位置誤差，再通過(guò)調(diào)整數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位置環(huán)增益參數(shù)來(lái)提高機(jī)床的位置環(huán)控制精度[4]。而采用混合閉環(huán)控制系統(tǒng)的位置精度誤差主要由半閉環(huán)控制的位置誤差計(jì)數(shù)器ER1和全閉環(huán)控制的位置誤差計(jì)數(shù)器ER2組成，數(shù)控機(jī)床在移動(dòng)過(guò)程中半閉環(huán)控制系統(tǒng)生效這時(shí)是通過(guò)來(lái)自伺服電機(jī)內(nèi)裝式編碼器的位置反饋信息加上伺服系統(tǒng)的一次延時(shí)時(shí)間常數(shù)。由于數(shù)控機(jī)床在半閉環(huán)控制的時(shí)候伺服系統(tǒng)是根據(jù)系統(tǒng)的柔性電子齒輪比參數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算出工作臺(tái)的位移量信息，此時(shí)通常不考慮機(jī)械部件的傳動(dòng)誤差的因素，所以機(jī)床在移動(dòng)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)[3]。而數(shù)控機(jī)床移動(dòng)的終點(diǎn)位置精度也就是機(jī)床的定位精度則是通過(guò)全閉環(huán)的分離式檢測(cè)器光柵尺和伺服系統(tǒng)的一次延時(shí)時(shí)間常數(shù)來(lái)保證，由于光柵尺是直接測(cè)量機(jī)床工作臺(tái)實(shí)際位置，所以機(jī)床的進(jìn)給機(jī)械傳動(dòng)誤差不會(huì)影響機(jī)床的測(cè)量精度，所以采用閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床定位精度比開環(huán)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)的機(jī)床定位精度更高。而數(shù)控機(jī)床采用混合閉環(huán)控制則兼顧了半閉環(huán)控制的穩(wěn)定性和全閉環(huán)控制高精度的優(yōu)點(diǎn)。

2 混合閉環(huán)控制功能調(diào)試

1）將系統(tǒng)2019號(hào)參數(shù)的第7位DPFB（混合閉環(huán)控制功能有效）的值設(shè)置為“1”，打開FANUC系統(tǒng)的混合閉環(huán)控制功能;

2）混合閉環(huán)控制時(shí)伺服系統(tǒng)的變換系數(shù)設(shè)置。

系統(tǒng)2078號(hào)參數(shù)：混合閉環(huán)控制變換系數(shù)分子。

系統(tǒng)2079號(hào)參數(shù)：混合閉環(huán)控制變換系數(shù)分母。

混合閉環(huán)控制時(shí)伺服系統(tǒng)的變換系數(shù)K值計(jì)算公式如下：

K=n/d

公式式中n表示為該軸伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈工作臺(tái)移動(dòng)所需的位置反饋脈沖數(shù)設(shè)置，一個(gè)位置反饋脈沖數(shù)為機(jī)床的脈沖當(dāng)量（1μm），所以n=伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈工作臺(tái)的移動(dòng)量X1000。d表示編碼器的位置反饋脈沖數(shù)，如果檢測(cè)元件為伺服電機(jī)內(nèi)裝式編碼器時(shí)，d的值設(shè)置為100萬(wàn)[2]。

例如：某型數(shù)控機(jī)床的X軸伺服電機(jī)采用αi脈沖編碼器，伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)1圈X軸的實(shí)際移動(dòng)量為10mm，機(jī)床的脈沖當(dāng)量為1μm/脈沖。

變換系數(shù)K值=n/d=10X 1000/100萬(wàn)=1/100。

如果機(jī)床只是采用半閉環(huán)控制時(shí)，只要將系統(tǒng)2078號(hào)參數(shù)的設(shè)置值為1，系統(tǒng)2079號(hào)參數(shù)的設(shè)置值為100即可。

而數(shù)控機(jī)床在采用混合閉環(huán)控制時(shí)，則還要計(jì)算“A=8000000X變換系數(shù)”，看A值是否為整數(shù)，如果計(jì)算出A值為整數(shù)直接按照半閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)置即將系統(tǒng)2078號(hào)參數(shù)設(shè)置為1，將系統(tǒng)2079號(hào)參數(shù)設(shè)置為100;若A值為非整數(shù)時(shí)，則需要計(jì)算出使“MXA=整數(shù)”時(shí)的最小的M值。再進(jìn)行如下設(shè)定使機(jī)床的檢測(cè)單位為1/M：

（1）軸的變換系數(shù)：2078號(hào)參數(shù)/2079號(hào)參數(shù)=n/d *M的最小約分?jǐn)?shù)。

（2）軸的指令倍乘比CMR：1820號(hào)參數(shù)設(shè)置為M倍的CMR。

（3）軸的柔性齒輪比設(shè)置：伺服電機(jī)轉(zhuǎn)1圈所需的位置反饋脈沖數(shù)/100萬(wàn)XM值的最小約分?jǐn)?shù)。

（4）參考計(jì)數(shù)器容量：1821號(hào)參數(shù)=M倍的參考計(jì)數(shù)器容量，參考計(jì)數(shù)器容量通常設(shè)置為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)1圈所需的位置反饋脈沖數(shù)的整數(shù)倍。

（5）軸移動(dòng)到位寬度：1826號(hào)參數(shù)設(shè)置為M倍的半閉環(huán)控制機(jī)床的到位寬度值。

（6）軸移動(dòng)時(shí)的位置偏差極限量：1828號(hào)參數(shù)=M倍移動(dòng)時(shí)的位置偏差量。

（7）軸停止時(shí)的位置偏差極限量：1829號(hào)參數(shù)=M倍停止時(shí)的位置偏差量。

（8）軸的反向間隙值：1851號(hào)參數(shù)=M倍的機(jī)床實(shí)際反向間隙值。

（9）軸的螺距誤差補(bǔ)償值倍率：3623號(hào)參數(shù)=M倍機(jī)床實(shí)際的螺距誤差補(bǔ)償值倍率。

3）系統(tǒng)2049號(hào)參數(shù)：混合閉環(huán)控制時(shí)位置反饋?zhàn)畲笳穹翟O(shè)置。

設(shè)置值=最大振幅（μm）/（全閉環(huán)端的最小檢測(cè)單位X64）通常情況下該值設(shè)置為0。

4）系統(tǒng)2080號(hào)參數(shù)：混合閉環(huán)控制一次延時(shí)時(shí)間常數(shù)。

在數(shù)控機(jī)床調(diào)試的初期，該參數(shù)通常設(shè)置為10毫秒左右，如果調(diào)試過(guò)程中機(jī)床在移動(dòng)時(shí)工作臺(tái)出現(xiàn)振動(dòng)時(shí)，則該參數(shù)每次增加50毫秒，逐漸增大到機(jī)床運(yùn)行基本穩(wěn)定即可。

5）系統(tǒng)2202號(hào)參數(shù)第4位：混合閉環(huán)控制位置反饋零幅。

該參數(shù)值設(shè)置為全閉環(huán)端的最小檢測(cè)單位（μm/p），在執(zhí)行定位操作時(shí)使全閉環(huán)和半閉環(huán)的位置偏差值控制在小于該參數(shù)設(shè)置值的范圍內(nèi)，剛開始調(diào)試時(shí)該將該參數(shù)設(shè)置為0，如果機(jī)床運(yùn)行時(shí)工作臺(tái)在停止中機(jī)床工作臺(tái)出現(xiàn)忽快忽慢的現(xiàn)象，請(qǐng)將該參數(shù)值調(diào)大一點(diǎn)。但是如果機(jī)床某個(gè)軸反向間隙值較大時(shí)，機(jī)床在移動(dòng)過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)較大的位置偏差，這時(shí)需要將系統(tǒng)2202號(hào)參數(shù)第4位設(shè)置為1。

6）系統(tǒng)2118號(hào)參數(shù)：混合閉環(huán)控制位置反饋?zhàn)畲笳`差值。

當(dāng)在伺服電機(jī)脈沖編碼器和光柵尺之間產(chǎn)生誤差相當(dāng)于設(shè)定在參數(shù)中的值大于等于系統(tǒng)脈沖數(shù)的誤差時(shí)數(shù)控系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，通常將系統(tǒng)2118號(hào)參數(shù)設(shè)置為相當(dāng)于機(jī)床的實(shí)際反向間隙值的2-3倍。

7）將數(shù)控系統(tǒng)2010號(hào)參數(shù)第4位設(shè)置為0，將反向間隙補(bǔ)償值累加到半閉環(huán)端確保機(jī)床運(yùn)行的穩(wěn)定性。

8）將數(shù)控系統(tǒng)2010號(hào)參數(shù)第5位設(shè)置為0，將螺距誤差補(bǔ)償值累加到全閉環(huán)端保證機(jī)床工作臺(tái)的定位精度。

3 結(jié)束語(yǔ)

以上混合閉環(huán)控制功能調(diào)試方法是本人在長(zhǎng)期從事數(shù)控維修所總結(jié)出來(lái)的一些方法提供給大家參考，本文所述的內(nèi)容主要適用于機(jī)床廠采用混合閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的安裝與調(diào)試以及用戶的數(shù)控機(jī)床在使用了幾年時(shí)間后由于機(jī)械磨損和機(jī)床精度下降后工作臺(tái)再移動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)后工作臺(tái)抖動(dòng)的現(xiàn)象時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化處理，大家在實(shí)際使用時(shí)可能還受機(jī)床機(jī)械裝配精度較差、設(shè)備老化磨損情況嚴(yán)重等一些其他因素，當(dāng)設(shè)備精度誤差較為嚴(yán)重的機(jī)床，又不愿意對(duì)機(jī)床的機(jī)械部件進(jìn)行大修的情況下，建議維修人員將全閉環(huán)控制檢測(cè)元件光柵尺屏蔽掉，使機(jī)床變?yōu)榘腴]環(huán)控制來(lái)避免機(jī)床出現(xiàn)抖動(dòng)和報(bào)警等現(xiàn)象讓機(jī)床還可以正常使用，能夠加工一些精度要求不高的產(chǎn)品零件提高機(jī)床的使用壽命。

【參考文獻(xiàn)】

[1]江衛(wèi)華，蘇文靜.伺服電動(dòng)機(jī)混合閉環(huán)控制及實(shí)現(xiàn)[J].微電機(jī)，2008，41（12）：81-82.

[2]FANUC伺服參數(shù)說(shuō)明書[M].北京：北京FANUC機(jī)電有限公司，2006：130.

[3]劉暢，孫秀娥.利用雙位置反饋功能解決機(jī)械傳動(dòng)中的剛性不足問(wèn)題[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2011，5：70-71.

[4]曹艷波，孫寧.雙位置反饋系統(tǒng)精度分析[J].自動(dòng)化儀表，2015，36（3）：97-99.