发那科SERVO GUIDE在数控车床上的应用

黄一师

（沈阳机床股份有限公司沈一车床厂，沈阳 110142）

1 概述

FANUC 0i-Mate TD系统从里至外分为电流控制（电流环）、速度控制（速度环）和位置控制（位置环）（图1），伺服调试的首要任务就是3个环在高响应、高刚性下“和谐”工作，既合理提高伺服增益，且必须保证伺服系统不出现振荡。另外，伺服的加减速也需要根据实际机械进行调整，保证最合理的加减速，实现伺服的高速和高精度，由此引出伺服优化的两个主要方面。

图1 FANUC系统伺服控制原理

1.1 3环调整。确保在高响应、高刚性下稳定工作。

1.2 加减速调整。包括切削（插补前、插补后切削时间常数）和快速时间常数。

下面以圆的调整为例，说明FANUC伺服调试软件SERVO GUIDE的应用，圆的调整主要包含圆度、大小以及象限调整。

2 圆度的调整

圆度的问题即程序在执行G02或G03命令时，加工出的圆轮廓呈椭圆或葫芦形状，主要原因是插补的两轴动态不匹配，其中参数原因主要如下。

2.1 参与插补的两轴加减速时间常数的类型、大小是否一致（包括一般模式和高速高精度模式下插补前/插补后）。涉及参数：1610#1=1时，直线型加减速常数有效；1620表示各轴快速进给的加减速时间常数。

2.2 前馈功能使用与否、前馈系数是否设定一致。涉及参数：2005#1=1时，前馈功能有效；2092表示先行前馈系数；2069表示速度前馈系数。

2.3 位置环增益设定是否一致。涉及参数：2212#6=1时，切削/快速进给位置环增益开关功能有效；1825表示位置环增益。

若两轴的前馈功能未使用、或前馈系数和位置环增益设定不一致，则加工出的圆弧仍然有致命缺陷。因此调试前，务必对照X、Z轴的设定值，确保X、Z轴设定一致，然后重新测试圆弧，确认问题是否解决。下面以测试圆弧半径50 mm为例，说明不同的参数设置对所形成圆弧的影响，图2是X、Z轴不同加速度时生成的圆弧。

3 圆的大小调整

相对圆度问题，一般情况下，圆大小问题对加工精度影响较小，对于圆大小引起的原因主要是伺服滞后带来的加工形状误

差。在系统侧可以使用前馈功能和X、Z两轴插补后，适当设定较小的加减速时间常数等方法，改善伺服滞后所引起的加工形状误差。

图2 生成圆弧

3.1 前馈功能是否使用。涉及参数：2005#1=1时，前馈功能有效。

3.2 前馈系数设定。涉及参数：2092表示位置前馈系数；2069表示速度前馈系数；2095表示前馈定时调整参数。

3.3 前馈功能在进行伺服初始化设定时，都将会冲掉，故需要注意重新进行设定。

前馈优化前后生成的圆弧见图3，可见，优化后的圆大小明显优于优化前的。

图3 生成圆弧

4 圆象限的调整

圆象限的调整是伺服调试中较为困难之处，在实际加工中，对于加工过象限地方出现的象限条纹原因很多，主要是机床在运动过程中产生的反向间隙引起。反向间隙加速功能的原理：在机床进给轴的传动过程中，由于反向间隙、摩擦等因素，电机在反向运转时产生滞后的反转滞后，造成加工延时。此时，在加工圆弧象限过渡处将会留下象限凸起的条纹，将人为设定的反向间隙加速补偿量补偿至速度环积分环节的VCMD，以改善电机由于传动环节的影响造成的滞后。降低在反转时的位置误差，反向间隙加速功能调整（圆象限的调整）主要分为4个步骤。

4.1 将机床进给轴的位置环和速度环增益调整至合理值。如果在进给轴的增益没有进行合理调整之前，进行进给轴反向运转延时滞后调整。此时，反向间隙减速功能并不能很容易补偿反转滞后。提高伺服轴的位置环和速度环增益，本身就是提高伺服的响应和刚性，进而补偿反转滞后的延时影响。为此，在进行反向间隙加速补偿功能之前，务必将伺服电机的位置环和速度环调整至较高稳定值，在此基础上再进行其他功能补偿，则会很容易进行补偿。

4.2 背隙加速补偿的参数。涉及参数：1851为反向间隙补偿值，圆弧调试设定为1，调试完成后，再恢复为实际值；2003#5=1，反向间隙加速功能，设定为1时，开通该功能；2006#0=0，反向间隙补偿功能是否有效，通常设定为0；2009#7=1，反向加速停止功能，通常设定为1；2009#6=1，反向间隙加工功能仅切削有效（前馈）；2223#7=1，反向间隙加工功能仅切削有效（G01）；2048=600，反向间隙加速量，根据实际情况设置；2071=20，反向间隙加速有效时间，根据实际情况设置。

调试时根据实际凸起量，进行加速量（NO2048）和加速时间（NO2071）的配合调整，直至凸起消除。

4.3 进行不同方向的补偿。理论上，电机在从正到负和从负到正，其反向延时滞后的量应一致。但由于机械安装以及导轨摩擦等外界因素影响，在实际测试圆弧时，可能会出现不一致的情况。如果X或Z轴在两个方向反转延时滞后，在相同补偿值下，其效果不一样，此时需要根据不同方向分别进行补偿。涉及到的参数为反向间隙加速。

4.4 重力轴的特殊注意。通常的机械设计，重力轴都为配重铁块或氮气平衡气缸平衡主轴。但是若配重铁块和主轴侧重量差异过大，则需要进行重力轴的扭距补偿，确保Z轴上下反转时凸起量一致。在保证了上下两个方向凸起量一致基础上，再使用一段反向间隙加速功能进行细致调整。涉及参数号为2087（补偿扭矩），其设定值可设定正值（配重过轻）和负值（配重过重）。背隙加速优化前后生成的圆弧见图4。

图4 生成圆弧

图5 圆弧圆度及各轴反向间隙

为验证机床伺服优化后的效果，使用球杆仪检验伺服优化后的机床效果，球杆仪测试的圆弧半径均为50 mm，SERVO GUIDE优化前后，使用球杆仪测出的圆弧圆度及各轴反向间隙见图5。

经过对60台使用FANUC 0i-Mate TD系统的ETC3650dh机床进行伺服优化后，现场找到机床共同点，即机床在加工圆弧时，两轴的静、动态不匹配，加工出的圆弧精度低。使用SERVO GUIDE软件优化机床后，从图5中得出结果，优化后机床两轴的间隙，反向跃冲，圆度精度等均得到很大提高，特别是机床的圆度提高了30 μm，较好避免了机床过切或少切，明显提高了机床加工精度。将优化后的参数作为标准，拷贝到同类型机床上，机床生产进度加快，取得良好经济效益。