伺服系統反向間隙加速補償技術分析*

朱 強，孫 立

(①蕪湖職業技術學院機械工程學院，安徽 蕪湖 241006;②北京發那科機電有限公司，北京 100085)

當數控機床移動部件反向運動時，伺服電動機本身的反轉摩擦會引起反轉延時，另外機床傳動部分(絲杠、導軌)的摩擦也會引起電動機反轉延時。由于電動機的反轉延時，在加工工件的表面，電動機過象限處會產生一條象限線條，將會引起工件加工形狀誤差。本文以FANUC 數控系統為例，從半閉環伺服控制的角度闡述使用二級反向間隙加速補償技術解決上述問題的方法。

1 頻率響應曲線

半閉環數控機床伺服控制框圖如圖1 所示。

圖1 伺服控制框圖

上述框圖中，將速度輸入信號和速度反饋信號取出如圖2 所示，將兩組信號放在一起比較，可以發現，輸出信號在幅值和相位上都發生了變化，產生衰減和滯后現象，如圖3 所示。

圖2 輸入輸出信號

圖3 輸入輸出信號比較

根據上述的曲線，將輸入信號和輸出信號的幅度比較，按下面公式計算:

將頻率作為橫坐標，幅度作為縱坐標，畫出幅頻響應曲線，如圖4 所示。

圖4 幅頻曲線

2 實施方案

利用SERVO GUIDE 軟件測定某一個軸的頻率響應時，有如圖5 所示波形。

圖5 補償前軸的頻率響應波形圖

由圖5 可知，在低頻部分數值為-10 dB。其值越低于0 dB，反映的就是機械傳動部分摩擦力越大，必須對于這部分摩擦引起的反轉滯后進行補償，另外，電動機本身的摩擦也會引起反轉滯后，在頻率響應波形圖上會使波形疊加，故也需對此進行補償。

針對上面的兩種原因，使用FANUC 伺服控制二級反向間隙加速補償功能:第一級用于補償電動機反轉摩擦轉矩，第二級用于補償機床傳動部分摩擦轉矩。由于不同機床的絲杠導軌傳動部分使用部件不同，相應的摩擦力也不一樣。滾動導軌和滑動導軌相比，機械摩擦比較小，因此二級加速補償功能對于滑動導軌更加具有針對性。

二級反向間隙加速補償是在一級反向間隙補償功能的基礎上進行。所以二級補償的起點和終點需要進行設定，它和一級補償之間的關系如圖6 所示。

調試中需要設定的參數如表1 所示。

圖6 二級反向間隙加速補償原理圖

3 實施步驟

以圓弧切削加工為例，象限位有條紋出現，二級反向間隙加速補償步驟如下:

(1)調整一級加速量

一級加速量在電動機一反轉時就加入，所以補償量的合適與否就看一開始反轉時是過切還是欠切。如圖7 所示，一級加速量設定過大，有過切現象，應減小參數2048、2094 的設定值。設定舉例:P2048=150;P2094=150(如果各象限突起相同，設定在P2048，在兩個方向都補償一樣的量)。

圖7 有過切現象

圖8 過切現象解除

如圖8 所示，設定的一級加速量，沒有產生過切現象，為最佳的一級補償量。剩余的象限突起需要二級加速量進行補償。設定舉例:P2048=100;P2094=50(兩個方向需要補償不同量時，分別設定在P2048 和P2094 中，進行最佳量補償)。

(2)調整二級加速量

二級加速量是在一級加速量的基礎上進行的，所以二級加速的起點和終點需要進行調整，以下的幾種情況分別說明。

如圖9 所示，二級加速起點太遲、終點過早，補償時間太短，應調整參數設置值。設定舉例:P2039=500;P2082=10;P2089=0。

圖9 二級加速起點遲、終點早

圖10 二級加速起點遲

如圖10 所示，二級補償的起點有點遲，需要重新調整起點，修改時，保持終點不變。設定舉例:P2039=500;P2082=5;P2089=40(為保證終點不變，修改值為40)。

如圖11:二級加速的終點有點早，需要重新修改，此時保持起點不變。設定舉例:P2039=500;P2082=5(修改終點，保持起點不變);P2089=60。

圖11 二級加速終點早

圖12 二級加速起點、終點適當

如圖12:合理調整二級加速起點、終點，得到如圖12，由于二級加速量補償比較多，產生過切。此時需要調整二級補償量。設定舉例:P2039=150;P2082=5;P2089=60。

注:①調整二級補償量時，起點和終點可能需要重新設定，重新按照上面的步驟調整起點、終點。

②象限的突起有時通過加大二級加速補償量都消除不了突起，可以適當加大二級加速補償偏置。

③二級加速補償量設定太大，會引起電動機反向或停止時過硬，產生聲音。

④實際加工時，除去合理地在參數里進行補償外，還需要準確設定機械反向間隙補償。

通過以上二級反向間隙加速補償，圖5 的頻率響應波形得到有效改善，補償后的波形圖如圖13 所示，經過加工試切，其象限點處光順平滑。

圖13 補償后軸的頻率響應波形圖

4 結語

數控機床伺服系統的反向間隙補償是一份十分復雜而繁瑣的工作。筆者整理了數控機床伺服系統二級反向間隙補償的思路和經驗，具有實踐指導意義。數控伺服系統經過以上的調整，其加工性能將得到極大的發揮。

［1］北京FANUC 機電有限公司.FANUC 伺服調整教材(B-10085CM/09)［Z］.2006.

［2］北京FANUC 機電有限公司.FANUC 0i -C 維修說明書B -64115CM_01［Z］.2004.

［3］過慶琪.消除數控加工輪廓誤差的一種方法［J］.制造技術與機床，2000 (1):44.

［4］何紅欣.數控機床伺服系統的調整［J］.制造技術與機床，2006(8):120 -122.

［5］陳芳.數控機床伺服參數設定與調整［J］.機床與液壓，2009(7).