葛阿萍 朱強(qiáng)

摘要：為了改善模具加工中零件表面出現(xiàn)的過切、少切等象限痕問題，文中提出一種基于反向間隙加速功能的方法，該方法通過FANUC SERVO GUIDE軟件對機(jī)床伺服軸進(jìn)行圓弧測試，針對測試結(jié)果，合理調(diào)整反向間隙加速補(bǔ)償參數(shù)，有效改善圓弧切削時象限的凹陷，消除加工象限痕，提升零件加工表面質(zhì)量和加工形狀精度。

關(guān)鍵詞：反向間隙;加速補(bǔ)償;反轉(zhuǎn)延遲;圓弧測試

中圖分類號：TH17 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1009-3044（2020）34-0221-04

Abstract： In order to improve the problem of over cutting and less cutting quadrant marks on the surface of parts in die and mold processing， a method based on reverse clearance acceleration function is proposed. This method uses FANUC servo guide software to test the arc of the servo shaft of the machine tool. According to the test results， the acceleration compensation parameters of the reverse clearance are adjusted reasonably， which can effectively improve the quadrant depression during arc cutting， eliminate the quadrant marks， and improve the surface quality and shape accuracy of parts.

Key words： backlash; acceleration compensation; reversal delay; circular test

伴隨著科技進(jìn)步，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快，對產(chǎn)品的質(zhì)量要求也越來越高。在裝備制造行業(yè)，如何保證模具表面高質(zhì)量高精度，一直是企業(yè)亟待解決的難題。模具制造離不開數(shù)控加工中心，而使用加工中心進(jìn)行圓弧切削時一直存在著圓弧象限凸起或象限凹陷的現(xiàn)象[1]。為此，文中將從反向間隙加速補(bǔ)償角度，討論一種可以提升模具表面加工質(zhì)量的方法。以FANUC數(shù)控系統(tǒng)為例，利用FANUC SERVO GUIDE軟件對機(jī)床伺服軸進(jìn)行圓弧測試，根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行分析，合理調(diào)整和優(yōu)化反向間隙加速補(bǔ)償參數(shù)，有效改善圓弧切削時象限凹陷，消除加工時象限痕，從而提升零件加工表面質(zhì)量和加工精度。

1 反向間隙加速功能原理

實際加工中，加工過象限處容易產(chǎn)生過切或少切現(xiàn)象，在零件表面呈現(xiàn)出一條象限痕。除了受加工工藝因素的影響，主要還受機(jī)械摩擦和反向間隙這兩個因素的影響。在機(jī)床系統(tǒng)中，當(dāng)反向間隙、機(jī)械摩擦力影響較大時，在電機(jī)反轉(zhuǎn)時，就會產(chǎn)生延遲，使得機(jī)床軸換向滯后，導(dǎo)致加工延時，從而造成圓弧切削時的象限凸起[2-3]。反向間隙加速功能原理則是將人為設(shè)定的反向間隙加速補(bǔ)償值補(bǔ)償?shù)剿俣拳h(huán)電機(jī)的速度指令中，用來改善電機(jī)因傳動環(huán)節(jié)的影響而導(dǎo)致的反轉(zhuǎn)延時，從而減小反轉(zhuǎn)時的位置誤差[3-4]。其功能控制原理圖如圖1所示。

2 反向間隙加速功能調(diào)整方法和內(nèi)容

2.1 反向間隙加速功能調(diào)整方法

（1）SERVO GUIDE自動調(diào)整導(dǎo)航器。通過FANUC的伺服調(diào)試軟件，利用自動調(diào)整導(dǎo)航器進(jìn)行在線調(diào)整，對測試的圓弧插補(bǔ)圖形進(jìn)行分析和處理，自動快速地設(shè)定出反向間隙加速功能相關(guān)參數(shù)最優(yōu)值。該方法方便快捷，但對特殊情況還需進(jìn)行手動調(diào)整[5]。

（2）SERVO GUIDE手動調(diào)整。通過FANUC伺服調(diào)試軟件，對機(jī)床伺服軸進(jìn)行圓弧測試，根據(jù)實際所測圓弧象限凸起量或凹陷量，有針對性地使用反向間隙加速功能、合理調(diào)整反向間隙加速補(bǔ)償相關(guān)參數(shù)，直到圓弧象限處的凸起或凹陷被抑制，甚至消除[3]。此種方法要求調(diào)試人員對反向間隙加速功能相關(guān)參數(shù)有較清晰的理解，對調(diào)試人員的調(diào)試經(jīng)驗有一定的要求。

2.2 反向間隙加速功能調(diào)整內(nèi)容

機(jī)床進(jìn)給軸反向運(yùn)轉(zhuǎn)滯后主要有兩個因素[2-3]，一是由于伺服電機(jī)本身摩擦引起的反轉(zhuǎn)滯后，二是由于機(jī)械部分（絲杠、導(dǎo)軌）傳動摩擦導(dǎo)致的反轉(zhuǎn)滯后。為了補(bǔ)償這兩個因素造成的機(jī)床進(jìn)給軸換向滯后，采用二段反向間隙加速功能分別進(jìn)行針對性的補(bǔ)償。第一段反向間隙加速功能用來補(bǔ)償電動機(jī)反轉(zhuǎn)時的摩擦力矩，消除電氣的滯后，確保電機(jī)精確的位置控制;第二段反向間隙加速功能主要用來補(bǔ)償機(jī)床的摩擦力矩，消除機(jī)械的滯后，確保機(jī)械傳動的零誤差。

2.2.1 一段反向間隙加速功能調(diào)整內(nèi)容

（1）調(diào)整各軸速度環(huán)增益和位置環(huán)增益

首先將各軸速度環(huán)和位置環(huán)增益調(diào)整到較高的合理值，然后再進(jìn)行反向間隙加速功能的補(bǔ)償，補(bǔ)償效果將會更好。因為在各軸速度環(huán)增益和位置環(huán)增益被提高后，機(jī)床的剛性和伺服響應(yīng)性能都會有所提高，從而在一定程度上補(bǔ)償了因電機(jī)反轉(zhuǎn)滯后而造成的加工延時的影響[4]。

（2）調(diào)整一段反向間隙補(bǔ)償參數(shù)

待伺服軸增益調(diào)整至合理值后，需要設(shè)定相關(guān)的反向間隙補(bǔ)償參數(shù)。如反向間隙加速功能開啟參數(shù)（NO.2003#5）、反向間隙補(bǔ)償功能設(shè)定有效參數(shù)（NO.2006#0）、反向間隙加速度（NO.2048）等參數(shù)。具體參數(shù)如表1所示[3]。

在進(jìn)行調(diào)試時，需根據(jù)所測圓弧象限凸起量，對反向間隙加速度（NO2048）和反向間隙加速時間（NO2071）這兩個參數(shù)進(jìn)行配合調(diào)整，直至圓弧象限凸起被抑制[3-4]。

（3）圓弧象限處不同方向的補(bǔ)償

理論上，同一個軸上加工象限痕在不同方向的凸起量或凹陷量應(yīng)是一致的。但是由于受到機(jī)床的導(dǎo)軌摩擦、絲杠預(yù)拉伸和機(jī)械安裝調(diào)試等多種因素的影響。實際情況下，在進(jìn)行圓弧測試時，可能會出現(xiàn)正向向負(fù)向反轉(zhuǎn)和負(fù)向向正向反轉(zhuǎn)時加工象限痕不一致的情況，如圖2所示。X軸2個方向上都有象限痕，但正向向負(fù)向反轉(zhuǎn)時象限是凹下，而負(fù)向向正向反轉(zhuǎn)的象限是凸起的。此時需要分別對X軸不同方向上的滯后量進(jìn)行補(bǔ)償[3]。在X軸從正向向負(fù)向反轉(zhuǎn)時，調(diào)整反向間隙加速量NO.2048，在X軸從負(fù)向向正向反轉(zhuǎn)時，調(diào)整反向間隙加速量NO.2094。

（4）重力軸扭矩補(bǔ)償

機(jī)床重力軸的平衡性能直接影響著機(jī)床的加工性能，其平衡性能一般采用氮氣氣缸平衡裝置或配重鐵塊加以保持。若是配重鐵塊的重量與主軸側(cè)的重量相差很大，則需要先對重力軸的扭距予以補(bǔ)償，以確保Z 軸上下反轉(zhuǎn)時凸起量保持一致[3]。在此基礎(chǔ)上，再使用一段反向間隙加速功能進(jìn)行細(xì)致調(diào)整。若配重過輕，調(diào)整扭矩補(bǔ)償參數(shù)NO. 2087為正值;若配重過重，調(diào)整扭矩補(bǔ)償參數(shù)為負(fù)值。

2.2.2 二段反向間隙加速功能調(diào)整內(nèi)容

在一段反向間隙加速補(bǔ)償量已被調(diào)到很高值時，而圓弧加工象限凸起并沒有出現(xiàn)很明顯被抑制的現(xiàn)象，可以進(jìn)一步嘗試二段反向間隙加速調(diào)整功能。二段反向間隙加速調(diào)整是以一段反向間隙加速調(diào)整為基礎(chǔ)，兩者的相互配合關(guān)系如圖3所示[6]。

通常，二段反向間隙加速功能的起始點即為一段反向間隙加速功能的終點。當(dāng)二段反向間隙加速起始點參數(shù) NO2082 設(shè)定為正時，終點 NO2089 則被設(shè)定在起始點的2倍處，若二段反向間隙加速起始點 NO2082 設(shè)定為負(fù)時，終點 NO2089 則被設(shè)定在起始點的3倍處[5]。二段反向間隙加速功能相關(guān)參數(shù)如表2所示。

需要注意的是在使用二段反向間隙加速功能時，一段反向間隙加速補(bǔ)償量的值不宜設(shè)定過大。若設(shè)置過大，造成補(bǔ)償過量導(dǎo)致電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生過切現(xiàn)象。

3 反向間隙加速補(bǔ)償調(diào)整案例

3.1 加工故障現(xiàn)象

某FANUC 0i-MD加工中心銑削某模具產(chǎn)品，普通模式加工，進(jìn)給速度為F2000mm/min。加工后，零件四個凹面中間都存在一條加工象限痕，如圖4所示。

3.2 故障解決方案

從加工現(xiàn)象來看，出現(xiàn)象限痕的地方都是圓弧凹面中間，考慮到有可能與Z軸反向間隙、反向加速補(bǔ)償有關(guān)。但從零件樣件看不能準(zhǔn)確判斷該象限痕是凸起的還是凹下的，嘗試通過SERVO GUIDE軟件對XZ軸進(jìn)行圓弧測試分析，原始XZ軸圓弧圖形如圖5所示。圓弧橫向為X軸，縱向是Z軸。

由圖5可知，Z軸兩個方向象限位置均凹陷，考慮有可能是因為Z軸反向間隙加速補(bǔ)償過量導(dǎo)致的，檢查反向間隙補(bǔ)償加速補(bǔ)償相關(guān)參數(shù)，原始參數(shù)設(shè)置如圖6所示。

Z軸使用了二段反向間隙加速功能，可能因使用不當(dāng)，而造成了象限過切。二段反向間隙加速功能在機(jī)床靜摩擦力相當(dāng)大的時候可以使用，能非常有效地抑制凸起，但若使用不當(dāng)，就會造成過切。取消二段反向間隙加速功能，并試著加大一段反向間隙相關(guān)參數(shù)的設(shè)定值，再次進(jìn)行XZ軸圓弧測試，發(fā)現(xiàn)圓弧象限凹陷有所改善。經(jīng)反復(fù)調(diào)試，最終將反向間隙補(bǔ)償值參數(shù)NO.1851由原來的15修改為17，一段反向間隙加速度參數(shù)NO.2048（正向到負(fù)向）設(shè)定值由原來的20增加到350，參數(shù)2094（負(fù)向到正向）的值由原來的60增加到385，具體參數(shù)設(shè)置如圖7所示。

調(diào)整后，再次測試XZ軸圓弧圖形，如圖8所示。圓弧平滑無過切，象限凹陷已被消除。

3.3 加工測試

完成上述步驟調(diào)整后，普通模式下，再次加工。由于合理使用反向間隙加速功能和設(shè)置反向間隙加速補(bǔ)償相關(guān)參數(shù)，有效消除圓弧象限凹陷，最終零件加工表面光滑無象限痕。如圖9所示。

4 結(jié)語

對于圓弧切削時的象限凸起和凹陷問題，需根據(jù)機(jī)床實際情況分析和處理，有針對性地使用反向間隙加速功能，合理調(diào)整相關(guān)反向間隙加速補(bǔ)償參數(shù)。對于靜態(tài)摩擦力很大的機(jī)床如硬軌機(jī)床，可以嘗試使用二段反向間隙加速功能，而對于采用了滑塊結(jié)構(gòu)的線軌機(jī)床使用一段反向間隙加速功能即可。經(jīng)試驗研究表明，合理使用反向間隙加速功能可有效消除圓弧象限痕，改善加工過切，提升加工形狀精度和加工表面質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 萇曉兵，賴立迅，徐為為.加工中心銑圓過象限誤差分析與對策[J].機(jī)床與液壓，2017，45（14）：57-59.

[2] 黃一師.發(fā)那科SERVO GUIDE在數(shù)控車床上的應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修，2015（12）：44-46.

[3] 徐少華. FANUC伺服調(diào)試步驟和注意點[Z].北京：北京FANUC機(jī)電有限公司，2009.

[4] 朱強(qiáng)，孫立.伺服系統(tǒng)反向間隙加速補(bǔ)償技術(shù)分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2014（2）：175-177.

[5] FANUC伺服調(diào)整教材B—10085CM/09[Z].北京：北京FANUC機(jī)電有限公司，2006.

[6] 朱強(qiáng).一種伺服優(yōu)化方法在模具曲面加工中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計，2016，33（3）：84-87.

【通聯(lián)編輯：代影】