數(shù)控機床震蕩消除及提高位置精度的方法
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發(fā)表時間：2020-02-06 16:26:22
數(shù)控機床震蕩消除及提高位置精度的方法
在半閉環(huán)控制的機床中，參數(shù)設定比較簡單，只要將電動機的代號和功能位設定好，系統(tǒng)即可將NC系統(tǒng)、數(shù)字伺服、電動機和機床合理匹配。所以經(jīng)過初始化設定后，機床一般即可以平穩(wěn)可靠運行。為了提高數(shù)控機床的加工精度，全閉環(huán)控制在越來越多的機床上得到應用，但是在全閉環(huán)控制后，因為機床結(jié)構(gòu)不同，安裝時出現(xiàn)的各種問題，都會影響全閉環(huán)控制過程的平穩(wěn)性和快速響應，最終影響全閉環(huán)控制的精度。
消除震蕩的對策
半閉環(huán)時消除震蕩的方法
首先分清震蕩的大概頻率，如果是斷續(xù)的、有規(guī)律的低速震蕩，我們稱之為低頻震蕩；而較異常，頻率在100 400赫茲時稱為高頻震蕩。
對于低頻震蕩，對于FANUC0i系列數(shù)控系統(tǒng)我們可采取如下措施：
（1）降低位置環(huán)增益 參數(shù)為P1825，標準值設定為3000，作適當降低，震蕩一般均可消除。
（2）降低負載慣量比 參數(shù)為P2021，一般設定在≤70%，稍有起振為宜。
（3）加入比例積分（PI）控制 參數(shù)P2003#3，設定為1，使PI控制使能。
（4）適當增加速度積分增益 參數(shù)P2043，該值在初始化時已經(jīng)生成標準值，如果該值較低時，響應較差，因此需要先把（2）中所述的負載慣量比返回初始值后，再將此參數(shù)適當增加。
4）加入觀測器功能 如果加入轉(zhuǎn)矩指令濾波器不起作用，可能是震蕩頻率在數(shù)百赫茲以上，這是可加入觀測器功能。此功能實際上是對速度指令中的高頻成分進行分離，并加以擬制。設定參數(shù)如下：
參數(shù)P2003#2（OBEN），此位參數(shù)設為1，觀測器功能有效；
參數(shù)P2047，設定觀測器檢測系數(shù)POA1，設定值按標準設定（初始化設定）；
參數(shù)P2050，設定觀測器檢測系數(shù)POK1，設定值按標準設定（初始化設定）；
參數(shù)P2051，定觀測器檢測系數(shù)POK2，設定值按標準設定（初始化設定）；
以上是最基本的擬制方法，可在不同的機床上試驗應用，但因為機床的結(jié)構(gòu)和配置差別較大，震蕩產(chǎn)生的原因也不盡相同，所以不可以一概而論。
全閉環(huán)時消除震蕩的方法
在全閉環(huán)控制過程中產(chǎn)生不同程度的震蕩，其消除對策可按以下步驟進行。
降低位置環(huán)增益 參數(shù)為P1825，設定時在標準設定值的基礎上適當降低并觀察。一般情況下，先用此法，如不見效，再采取以下對策。
設定反向間隙和螺距誤差補償?shù)恼`差計數(shù)形式 參數(shù)P2010#4（HBPE，螺距附加到誤差計數(shù)器）的設定值為0（選擇螺補附加到全閉環(huán)形式的誤差計數(shù)器中，作為標準設定），參數(shù)P2010#5（HBBL，反向間隙補償時附加到誤差計數(shù)器）的設定值為0（選擇反向間隙補償值附加到全閉環(huán)形式的誤差計數(shù)器中，作為標準設定）。
采用雙位置反饋功能 如果機床在半閉環(huán)時是平穩(wěn)的，而在全閉環(huán)時有震蕩可用此功能。機床在安裝時可能會有反向間隙存在，如果間隙較大，而機械無法消除時，就會成為全閉環(huán)振蕩的主要原因。采用該功能最主要就是調(diào)整一階時間常數(shù)，使之在過渡過程中位置誤差按半閉環(huán)控制，而在停止時按全閉環(huán)控制。設定參數(shù)主要有P2078（雙環(huán)反饋折合系數(shù)的分子）、P2079（雙環(huán)反饋折合系數(shù)的分母）、P2080（雙環(huán)反饋一階延時時間常數(shù)）和P2081（雙環(huán)反饋的零點幅度）。參數(shù)P2080的設定范圍為10～300ms,正常情況下設定為100 ms,如果在加減速期間有振蕩，可每次增加50 ms試之，如已消除，可在該基礎上減少20 ms。在此需注意的是，聯(lián)動軸需要設定同樣的數(shù)據(jù)。P2081（雙環(huán)反饋的零點幅度）一般先設定為0，如有振蕩，可稍微增加，單位為um。
用機械速度反饋功能 一般在加入全閉環(huán)后，對于機械傳動鏈較長的坐標，如加工中心轉(zhuǎn)臺（具有齒輪減速和蝸輪蝸桿傳動），不可避免地在電動機和轉(zhuǎn)臺之間形成了彈性環(huán)節(jié)，這也是產(chǎn)生振動的原因之一。
如果在電動機和轉(zhuǎn)臺之間形成了彈性環(huán)節(jié)，則全閉環(huán)位置反饋響應要慢一些，而速度反饋是直接取自電動機上的編碼器，這時會產(chǎn)生振蕩，如加入機械速度反饋環(huán)節(jié)，可以使急需速度滯后的情況得到補償，從而消除振動。當參數(shù)P2012#1（MSPE）設定為1時，該功能有效；參數(shù)P2088（機械速度反饋增益）的標準設定為30（設定范圍30～100）。
以上是全閉環(huán)控制時消除振蕩的一些基本對策，在實際工作中要認真觀察振蕩的現(xiàn)象，結(jié)合機床的結(jié)構(gòu)和配置情況，分析振蕩的根源，找出合理有效的方法，均能獲得滿意的效果。
全閉環(huán)時提高位置精度的方法
如何提高全閉環(huán)的定位精度
1.反向間隙的補償
通常，首先要求機械安裝完成后的反向間隙必須保證在一定范圍內(nèi)。因為反向間隙在不同速度下切換方向時的數(shù)值不同，所以FANUC0i將進給和快速時的反向間隙分開進行補償，傳統(tǒng)習慣上只是設定前者，這是不可取的。參數(shù)P1851（各軸進給時的反向間隙補償值），按切削進給（一般取500～1000mm/min）時檢測的反向間隙值設定（用激光干涉儀測量）；參數(shù)P1852（各軸快速時的反向間隙補償值），按快速（例如10000 mm/min）時檢測的反向間隙值設定（用激光干涉儀測量）；參數(shù)P1800#4（RBK）設定為1，則切削和快速的反向間隙可以分別生效。
2.螺距誤差的補償
FANUC0i系統(tǒng)對每軸都可設置多達128點的螺距誤差補償點數(shù)。為了提高精度，建議用5 mm或10 mm的間隙進行補償，效果更好。
3.補償計數(shù)器的設定
全閉環(huán)控制時，通常按如下設定：參數(shù)P2010#5（HBBL，反向間隙補償值加到誤差計數(shù)器中）設定為0；參數(shù)P2010#4（HBPE，螺距誤差補償值加到誤差計數(shù)器中）設定為0。在無振蕩的前題下，盡量提高位置環(huán)增益P1825，速度環(huán)增益P2043，P2045及負載慣量比P2021等參數(shù)。
通過以上幾個步驟的調(diào)試，一般都能獲得很好的定位精度。
如何提高插補的輪廓精度
插補的形式、參與插補軸的響應差異及各軸的反向間隙等因素都影響輪廓的定位精度。最常見的是，在用圓弧插補切圓時，通常發(fā)生偏心圓、凹凸圓、錯位圓等現(xiàn)象。主要對策如下：
參與插補的各軸的位置環(huán)增益要設定一致
插補是一個脈沖分配過程，如果參與插補的軸響應快慢不同，勢必造成軌跡偏移現(xiàn)象，因此該值首先要設定一致。在參與插補各軸在不振蕩的前題下，參數(shù)1825的設定值盡可能提高，而且必須一致。
使用反向間隙加速功能
反向間隙的存在是影響換向點輪廓精度的最主要因素，因此FANUC0i系統(tǒng)針對性地提出3種解決方案
1.常規(guī)反向間隙加速功能 用此功能一般步驟是：1）設定反向間隙補償值，參數(shù)P1851（間隙補償值）的設置總為正值，在半閉環(huán)有效；如果是全閉環(huán)，可將P1851設為1，把參數(shù)P2006#0設定為1，即在全閉環(huán)中，反向間隙設定值不起作用。2）使用反向間隙加速功能 參數(shù)P2003#5設定為1，使能反向間隙加速功能。參數(shù)P2048（反向間隙加速范圍值）的典型設定為600。參數(shù)P2071（反向間隙加速有效周期）通常設定為50～100。3）如果過切，2.可加入反向間隙加速停止功能。參數(shù)P2009#7設定為1，使能反向間隙加速停止功能。參數(shù)P2082（反向間隙加速停止時間）的典型設定為5。
3.采用新反向間隙加速功能 即為適應不同速度的切削條件，以指數(shù)形式加入反向間隙加速，效果更好。具體步驟如下：1）設定反向間隙補償。 2）使能新反向間隙加速功能，在常規(guī)新反向間隙加速功能中的2）、3）的基礎上，設置參數(shù)P2009#2為1，即新反向間隙加速功能有效
加入靜摩擦補償功能
當機床由停止狀態(tài)轉(zhuǎn)為激活運動時，由于靜摩擦，機械運動必然滯后。設置參數(shù)包括：參數(shù)P2005#7，設定為1，靜摩擦補償功能有效。參數(shù)P2072（靜摩擦補償量），通常設置為100，當克服靜摩擦運行啟動后，此補償要取消。故還需設置如下參數(shù)：1）參數(shù)P2009#7，設置為1，可以取消靜摩擦補償功能；2）參數(shù)P2073（靜摩擦補償取消時間），設定值為8 ms的倍數(shù)；3）參數(shù)P2097（靜摩擦補償停止參數(shù)），通常設置為55。
加入前饋功能
前饋功能是對伺服系統(tǒng)運算滯后的一種補償功能。設置參數(shù)包括：參數(shù)P2005#1設置為1，使前饋功能有效；參數(shù)P2068（前饋系數(shù)），典型設置值為70；參數(shù)P2067（速度前饋系數(shù)），典型設置值為50。設置好以上參數(shù)，斷電并重新上電，如有超調(diào)，可以適當降低前饋系數(shù)；如無超調(diào)，可逆向調(diào)整之。
加入超前前饋功能
使用該功能時，應在前饋功能設置參數(shù)的基礎上再設置如下參數(shù)：參數(shù)P2092（超前前饋系數(shù)），通常設置為9850。另外需要說明的是，前饋功能可在零件加工程序中用G08PI（或G08P0）設定（或取消）。
需要說明的是，在全閉環(huán)控制時，提高精度和克服振蕩有時會相輔相成，有時也會發(fā)生矛盾，所以在調(diào)試過程中要多觀察現(xiàn)象，綜合分析，抓住主要矛盾，不可墨守成規(guī)。另外FANUC 0MC、15、、16、18、20、21等產(chǎn)品均有相同和類似功能，只是參數(shù)號各不相同，請推廣應用。
在半閉環(huán)控制的機床中，參數(shù)設定比較簡單，只要將電動機的代號和功能位設定好，系統(tǒng)即可將NC系統(tǒng)、數(shù)字伺服、電動機和機床合理匹配。所以經(jīng)過初始化設定后，機床一般即可以平穩(wěn)可靠運行。為了提高數(shù)控機床的加工精度，全閉環(huán)控制在越來越多的機床上得到應用，但是在全閉環(huán)控制后，因為機床結(jié)構(gòu)不同，安裝時出現(xiàn)的各種問題，都會影響全閉環(huán)控制過程的平穩(wěn)性和快速響應，最終影響全閉環(huán)控制的精度。
消除震蕩的對策
半閉環(huán)時消除震蕩的方法
首先分清震蕩的大概頻率，如果是斷續(xù)的、有規(guī)律的低速震蕩，我們稱之為低頻震蕩；而較異常，頻率在100 400赫茲時稱為高頻震蕩。
對于低頻震蕩，對于FANUC0i系列數(shù)控系統(tǒng)我們可采取如下措施：
（1）降低位置環(huán)增益 參數(shù)為P1825，標準值設定為3000，作適當降低，震蕩一般均可消除。
（2）降低負載慣量比 參數(shù)為P2021，一般設定在≤70%，稍有起振為宜。
（3）加入比例積分（PI）控制 參數(shù)P2003#3，設定為1，使PI控制使能。
（4）適當增加速度積分增益 參數(shù)P2043，該值在初始化時已經(jīng)生成標準值，如果該值較低時，響應較差，因此需要先把（2）中所述的負載慣量比返回初始值后，再將此參數(shù)適當增加。
4）加入觀測器功能 如果加入轉(zhuǎn)矩指令濾波器不起作用，可能是震蕩頻率在數(shù)百赫茲以上，這是可加入觀測器功能。此功能實際上是對速度指令中的高頻成分進行分離，并加以擬制。設定參數(shù)如下：
參數(shù)P2003#2（OBEN），此位參數(shù)設為1，觀測器功能有效；
參數(shù)P2047，設定觀測器檢測系數(shù)POA1，設定值按標準設定（初始化設定）；
參數(shù)P2050，設定觀測器檢測系數(shù)POK1，設定值按標準設定（初始化設定）；
參數(shù)P2051，定觀測器檢測系數(shù)POK2，設定值按標準設定（初始化設定）；
以上是最基本的擬制方法，可在不同的機床上試驗應用，但因為機床的結(jié)構(gòu)和配置差別較大，震蕩產(chǎn)生的原因也不盡相同，所以不可以一概而論。
全閉環(huán)時消除震蕩的方法
在全閉環(huán)控制過程中產(chǎn)生不同程度的震蕩，其消除對策可按以下步驟進行。
降低位置環(huán)增益 參數(shù)為P1825，設定時在標準設定值的基礎上適當降低并觀察。一般情況下，先用此法，如不見效，再采取以下對策。
設定反向間隙和螺距誤差補償?shù)恼`差計數(shù)形式 參數(shù)P2010#4（HBPE，螺距附加到誤差計數(shù)器）的設定值為0（選擇螺補附加到全閉環(huán)形式的誤差計數(shù)器中，作為標準設定），參數(shù)P2010#5（HBBL，反向間隙補償時附加到誤差計數(shù)器）的設定值為0（選擇反向間隙補償值附加到全閉環(huán)形式的誤差計數(shù)器中，作為標準設定）。
采用雙位置反饋功能 如果機床在半閉環(huán)時是平穩(wěn)的，而在全閉環(huán)時有震蕩可用此功能。機床在安裝時可能會有反向間隙存在，如果間隙較大，而機械無法消除時，就會成為全閉環(huán)振蕩的主要原因。采用該功能最主要就是調(diào)整一階時間常數(shù)，使之在過渡過程中位置誤差按半閉環(huán)控制，而在停止時按全閉環(huán)控制。設定參數(shù)主要有P2078（雙環(huán)反饋折合系數(shù)的分子）、P2079（雙環(huán)反饋折合系數(shù)的分母）、P2080（雙環(huán)反饋一階延時時間常數(shù)）和P2081（雙環(huán)反饋的零點幅度）。參數(shù)P2080的設定范圍為10～300ms,正常情況下設定為100 ms,如果在加減速期間有振蕩，可每次增加50 ms試之，如已消除，可在該基礎上減少20 ms。在此需注意的是，聯(lián)動軸需要設定同樣的數(shù)據(jù)。P2081（雙環(huán)反饋的零點幅度）一般先設定為0，如有振蕩，可稍微增加，單位為um。
用機械速度反饋功能 一般在加入全閉環(huán)后，對于機械傳動鏈較長的坐標，如加工中心轉(zhuǎn)臺（具有齒輪減速和蝸輪蝸桿傳動），不可避免地在電動機和轉(zhuǎn)臺之間形成了彈性環(huán)節(jié)，這也是產(chǎn)生振動的原因之一。
如果在電動機和轉(zhuǎn)臺之間形成了彈性環(huán)節(jié)，則全閉環(huán)位置反饋響應要慢一些，而速度反饋是直接取自電動機上的編碼器，這時會產(chǎn)生振蕩，如加入機械速度反饋環(huán)節(jié)，可以使急需速度滯后的情況得到補償，從而消除振動。當參數(shù)P2012#1（MSPE）設定為1時，該功能有效；參數(shù)P2088（機械速度反饋增益）的標準設定為30（設定范圍30～100）。
以上是全閉環(huán)控制時消除振蕩的一些基本對策，在實際工作中要認真觀察振蕩的現(xiàn)象，結(jié)合機床的結(jié)構(gòu)和配置情況，分析振蕩的根源，找出合理有效的方法，均能獲得滿意的效果。
全閉環(huán)時提高位置精度的方法
如何提高全閉環(huán)的定位精度
1.反向間隙的補償
通常，首先要求機械安裝完成后的反向間隙必須保證在一定范圍內(nèi)。因為反向間隙在不同速度下切換方向時的數(shù)值不同，所以FANUC0i將進給和快速時的反向間隙分開進行補償，傳統(tǒng)習慣上只是設定前者，這是不可取的。參數(shù)P1851（各軸進給時的反向間隙補償值），按切削進給（一般取500～1000mm/min）時檢測的反向間隙值設定（用激光干涉儀測量）；參數(shù)P1852（各軸快速時的反向間隙補償值），按快速（例如10000 mm/min）時檢測的反向間隙值設定（用激光干涉儀測量）；參數(shù)P1800#4（RBK）設定為1，則切削和快速的反向間隙可以分別生效。
2.螺距誤差的補償
FANUC0i系統(tǒng)對每軸都可設置多達128點的螺距誤差補償點數(shù)。為了提高精度，建議用5 mm或10 mm的間隙進行補償，效果更好。
3.補償計數(shù)器的設定
全閉環(huán)控制時，通常按如下設定：參數(shù)P2010#5（HBBL，反向間隙補償值加到誤差計數(shù)器中）設定為0；參數(shù)P2010#4（HBPE，螺距誤差補償值加到誤差計數(shù)器中）設定為0。在無振蕩的前題下，盡量提高位置環(huán)增益P1825，速度環(huán)增益P2043，P2045及負載慣量比P2021等參數(shù)。
通過以上幾個步驟的調(diào)試，一般都能獲得很好的定位精度。
如何提高插補的輪廓精度
插補的形式、參與插補軸的響應差異及各軸的反向間隙等因素都影響輪廓的定位精度。最常見的是，在用圓弧插補切圓時，通常發(fā)生偏心圓、凹凸圓、錯位圓等現(xiàn)象。主要對策如下：
參與插補的各軸的位置環(huán)增益要設定一致
插補是一個脈沖分配過程，如果參與插補的軸響應快慢不同，勢必造成軌跡偏移現(xiàn)象，因此該值首先要設定一致。在參與插補各軸在不振蕩的前題下，參數(shù)1825的設定值盡可能提高，而且必須一致。
使用反向間隙加速功能
反向間隙的存在是影響換向點輪廓精度的最主要因素，因此FANUC0i系統(tǒng)針對性地提出3種解決方案
1.常規(guī)反向間隙加速功能 用此功能一般步驟是：1）設定反向間隙補償值，參數(shù)P1851（間隙補償值）的設置總為正值，在半閉環(huán)有效；如果是全閉環(huán)，可將P1851設為1，把參數(shù)P2006#0設定為1，即在全閉環(huán)中，反向間隙設定值不起作用。2）使用反向間隙加速功能 參數(shù)P2003#5設定為1，使能反向間隙加速功能。參數(shù)P2048（反向間隙加速范圍值）的典型設定為600。參數(shù)P2071（反向間隙加速有效周期）通常設定為50～100。3）如果過切，2.可加入反向間隙加速停止功能。參數(shù)P2009#7設定為1，使能反向間隙加速停止功能。參數(shù)P2082（反向間隙加速停止時間）的典型設定為5。
3.采用新反向間隙加速功能 即為適應不同速度的切削條件，以指數(shù)形式加入反向間隙加速，效果更好。具體步驟如下：1）設定反向間隙補償。 2）使能新反向間隙加速功能，在常規(guī)新反向間隙加速功能中的2）、3）的基礎上，設置參數(shù)P2009#2為1，即新反向間隙加速功能有效
加入靜摩擦補償功能
當機床由停止狀態(tài)轉(zhuǎn)為激活運動時，由于靜摩擦，機械運動必然滯后。設置參數(shù)包括：參數(shù)P2005#7，設定為1，靜摩擦補償功能有效。參數(shù)P2072（靜摩擦補償量），通常設置為100，當克服靜摩擦運行啟動后，此補償要取消。故還需設置如下參數(shù)：1）參數(shù)P2009#7，設置為1，可以取消靜摩擦補償功能；2）參數(shù)P2073（靜摩擦補償取消時間），設定值為8 ms的倍數(shù)；3）參數(shù)P2097（靜摩擦補償停止參數(shù)），通常設置為55。
加入前饋功能
前饋功能是對伺服系統(tǒng)運算滯后的一種補償功能。設置參數(shù)包括：參數(shù)P2005#1設置為1，使前饋功能有效；參數(shù)P2068（前饋系數(shù)），典型設置值為70；參數(shù)P2067（速度前饋系數(shù)），典型設置值為50。設置好以上參數(shù)，斷電并重新上電，如有超調(diào)，可以適當降低前饋系數(shù)；如無超調(diào)，可逆向調(diào)整之。
加入超前前饋功能
使用該功能時，應在前饋功能設置參數(shù)的基礎上再設置如下參數(shù)：參數(shù)P2092（超前前饋系數(shù)），通常設置為9850。另外需要說明的是，前饋功能可在零件加工程序中用G08PI（或G08P0）設定（或取消）。
需要說明的是，在全閉環(huán)控制時，提高精度和克服振蕩有時會相輔相成，有時也會發(fā)生矛盾，所以在調(diào)試過程中要多觀察現(xiàn)象，綜合分析，抓住主要矛盾，不可墨守成規(guī)。另外FANUC 0MC、15、、16、18、20、21等產(chǎn)品均有相同和類似功能，只是參數(shù)號各不相同，請推廣應用。
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此文關鍵字：數(shù)控機床,震蕩,消除,提高,位置,精度,方法
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