FANUC伺服优化功能在模具加工中的应用
2021-3-30 来源：芜湖职业技术学院 机械工程学院 作者：葛阿萍
摘要：为了改善模具加工中零件加工表面存在振纹、过切等表面质量不佳的问题。文中通过FANUC SERVO GUIDE 软件测试机床的伺服系统性能，针对测试结果，对机床伺服系统三环参数、背隙加速等伺服参数进行逐步调试和优化，并将优化结果应用于某模具样件加工试验，试验结果表明，优化后的伺服系统响应性能和机床的加工性能都有所提高。
关键词：伺服优化；伺服系统；SERVO GUIDE；加工质量
数控机床是模具产品的生产载体，其伺服系统性能的好坏直接影响着模具产品的加工质量。一般在机床刚出厂时，厂家会给定一组能够保证正常加工的参数值，但并不能发挥机床最佳的加工性能[1]。另一种情况是随着数控机床使用时间的增加，机床的机械性能发生了变化。此时与之相关的伺服参数也要随之做出调整，否则会引起机床机电不匹配，造成机床运行不稳，产生振动，使得零件加工表面存在振纹、过切等表面质量不佳的问题[2]。因此为了保证模具产品的加工精度和表面质量，对数控机床伺服系统进行优化显得尤为必要。
文中通过FANUC SERVO GUIDE 软件测试机床的伺服系统性能，针对测试结果，对机床伺服系统三环参数、背隙加速等参数进行逐步调试和优化，以获得良好的伺服动态性能和机械刚性，使数控机床处于稳定的工作状态，充分发挥最优加工性能，从而提升模具产品加工品质和精度。
1 、伺服优化原理和内容
1.1 伺服优化原理
数控机床伺服系统优化的目的，是为了更好地优化机械特性和电气特性之间的配合，以获得更高的伺服系统响应和机械刚性，从而获得更好的加工性能[2]。FANUC 伺服系统控制采用三环控制的方式，如图 1 所示[2-3]。
图1 伺服控制原理图
FANUC系统将伺服三环控制集成在NC的轴卡上，通过接收NC所发出的指令，经轴卡的三环处理后输出至放大器，驱动电机运行。最内环是电流控制，中间环是速度控制，最外环为位置控制。三环中，电流环是整个伺服系统控制的根本环节，作用是提高系统的快速性，限制最大电流，使系统有足够大的加速转矩。速度环是伺服控制的中间环节，作用是提高系统抗负载扰动能力，抑制速度波动。位置环是最外环，其作用是保证系统的静态精度和动态跟随性能[4]。三环中，电流环响应速度最快，其次是速度环，最后是位置环。若要提高位置环回路增益须先提高速度环回路增益，否则容易导致机床振荡，运行不稳。因此，伺服优化应遵循“由内而外”的原则，秉承先电流环、后速度环，最后位置环的先后顺序进行优化。
伺服优化的实质是根据机床的频率响应曲线、圆弧测试图进行分析，合理调整伺服三环参数，尽可能使各轴精确的跟随移动指令和抑制干扰扭矩，即在一定的机械状态下确保伺服系统不会出现振荡，保证三环控制回路能够在高响应、高刚性下“和谐”工作[5-6]。
1.2 伺服优化的内容
对于数控机床伺服优化主要包括两个方面[7]：
（1）提高伺服电机增益，抑制机床振动通过频率响应测试抑制机床共振点，提高机床增益，以匹配机床的机械刚性、提高电机的响应速度。
（2）循圆象限凸起抑制，调整加工精度通过观察机床圆弧象限测试进行调整，抑制伺服轴换向时的凸起，消除加工时的象限痕。
2 、伺服优化案例分析
2.1 加工故障现象
某加工中心使用 FANUC 0i-MF 系统加工模具产品试件，使用AICC功能，进给量为2000mm/min, 经加工后，零件加工表面有明显的振纹，存在过切，如图2所示。
图2 优化前试件
2.2 伺服优化方案
（1）首先利用 SERVO GUIDE 软件测试机床 3 轴静态频率响应曲线，观察机床的机械性能。静态频率响应测试是 SER⁃VO GUIDE 调试中非常重要的一环，它波形的好坏反映了机床很重要的机械特性，它调整的好坏直接影响了后续圆弧部分的调整，以及机床运行的平稳和加工效果的好坏，在整个调试中具有非常重的分量。频率响应测试通过频率响应测量各轴的共振点，并用滤波器参数来抑制共振[5]。在满足波形要求，保证共振点被抑制的情况下，提高速度环路增益。以 X 轴测试为例，优化前频率响应图如图3所示。
图3 X轴优化前频率响应波形
调试中主要以幅频特性曲线作为考察伺服特性的主要依据[5]。由图3 可知，幅频曲线在低频 50HZ—200HZ 范围内幅值低于 0d B，表示系统响应滞后。先检查电流环参数，发现“HRV+
控制有效”未选中，如图4所示。此功能是在HRV3基础上进行控制的，即HRV3+功能，可以实现电流环更高速响应和较高的速度增益设定。选中“HRV+控制有效”选项，再次测试频响曲线，如图5所示。
图4 电流环参数
图5 X轴优化中频率响应波形
在使用了HRV+控制有效后，低频部分幅值基本接近0d B,系统响应滞后明显改善。但高频部分在 380h Z 左右仍存在明显的共振点。调试中逐步加入滤波器来抑制高频振荡。在使用 HRV 滤波器后机床高频共振被抑制，振荡现象明显减弱。机床消除振动的原则是在抑制掉高频振荡点后，确保机床平稳运行的状态下尽可能提高机床伺服系统速度增益[4]。经反复调试，最终将速度环增益由原来的 150 调整到最终的 180。优化前后的速度环参数设置如图6所示。
（a）速度增益优化前
（b）速度增益优化后
图6 速度环关键参数
最终优化后X轴频响特性曲线如图7所示。此时曲线的最高点低于5d B,高频衰减区域的幅值低于-20d B。经优化后的机床机械特性已明显提高，既充分发挥了伺服的刚性余量，又保证了伺服轴的稳定运行。
图7 X轴优化后频率响应波形
（2）在合理优化了三轴伺服环增益，确保三轴在高刚性下稳定运行后。将 CMR（柔性齿轮比）扩大 10 倍（系统检测精度提升）。因为在机械性能较好的前提下，扩大CMR倍数能够改
善电流特性曲线，使得机床运行更加平稳，降低电流波动，对加工表面的光洁度一定的改善作用。
（3）经上述调试后，机床高频振动被抑制，伺服响应性能有所提高。再次加工，奔驰件试件表面振纹已明显改善，但加工试件上仍存在过切现象，需通过圆度测试进一步检测。以 XY
插补圆弧为例，如图8所示。横轴为X轴，纵轴为Y轴。
图8 XZ轴圆弧调整前图形
图9 XZ轴圆弧调整后图形
根据XY轴圆度测试图分析，四个象限均有凸起，Y轴两象限凸起接近 10um。这可能是造成工件加工爬坡过切的原因。在机床系统中，当反冲摩擦的影响较大时，在电机反转时，就会产生延迟，造成圆弧切削时的象限凸起。以Y轴为例，尝试对Y的象限凸起进行补偿，试着将背隙加速补偿参数调大，观察Y 轴象限凸起有所改善，经反复调试，将 Y 轴背隙加速补偿量（NO. 2048）由原来的 200 增加到 600，背隙加速有效时间（NO.2071）由原来的0增加到10。X轴背隙加速补偿量由原来的0增加到300，背隙加速有效时间由原来的0加到6。经优化后的XY轴圆弧图形如图9所示。四个象限凸起均被抑制在5um以内，明显改善。
2.3 加工测试
完成上述步骤调试后，使用AICC功能，再次加工。由于高频振动得到抑制，象限凸起现象改善，使得机床运行平稳。最终加工效果刀路整齐，表面光滑无振纹，过切现象有所改善。加工后试件如图10所示。
图10 优化后试件
3 、结语
经试验研究结果表明，通过 FANUC 伺服优化可有效解决模具加工中零件表面振纹和过切现象，改善模具产品表面加工品质和加工精度，提高数控机床的加工性能。在实际伺服优化过程中，由于各厂家机床本身机械的不同，装配的差异，其伺服参数调整会有些差异，即便是同一台机床不同时期因磨损使用程度的不同，其伺服优化也并不完全相同，但整个伺服优化的方法和流程大体一致。伺服优化是一项烦琐的工作，需反复调试，摸索总结，方能确定好的优化结果。
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