FANUC系统数控机床混合闭环控制功能实践研究

【摘 要】本文以FANUC系统数控机床为例，介绍数控机床伺服系统常用控制方式的优缺点，分析采用混合闭环控制的应用场景，详细说明FANUC系统数控机床混合闭环控制功能的调试步骤，以及调试过程中常见的问题与处理方法。

【关键词】数控机床;混合闭环;调试

中图分类号： TH17 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）23-0045-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.019

【Abstract】This paper takes the FANUC system numerical control machine as an example to introduce the advantages and disadvantages of the common control methods of the CNC machine tool servo system， analyzes the application scenarios of the hybrid closed-loop control， and explains in detail the debugging steps of the FANUC system CNC machine tool hybrid closed-loop control function， as well as the common debugging process. Problem and treatment.

【Key words】Numerical control machine; Mixed closed loop; Debugging

隨着航空、航天、造船、汽车等制造业的飞速发展，我国正从制造大国向制造强国发展，数控机床作为制造业的工业母机，被广泛地应用于各类机械制造领域以满足一些加工难度大、加工精度高的精密零部件的加工要求。由于零件的制造精度要求越来越高，对数控机床的控制精度要求也越来越高，而数控机床伺服系统的控制性能是影响数控机床精度的主要因素。伺服系统的控制精度又主要由伺服系统检测元件的精度来保证。

数控机床根据伺服系统选用的检测元件不同，一般分为开环、半闭环和全闭环控制三种方式。（1）开环控制的数控机床是通过步进电机来驱动工作台的移动，没有检测元件，由于步进电机本身的特点，其控制精度不是很高，不能满足高精度零件的加工要求，在数控机床中已经基本被淘汰了。（2）半闭环的数控机床通常采用光电编码器、圆光栅等角度测量元件，通过这些元件测量伺服电机旋转的角度将信号反馈给数控系统，再通过数控系统柔性齿轮比等参数，由数控系统计算得到数控机床的实际位移量，但是由于伺服电机是通过滚珠丝杆螺母副等传动机构，将电机的旋转运动转换为工作台的直线移动，而滚珠丝杆等机械传动部件也存在一定的误差，这部分误差上述测量元件无法检测反馈给数控系统，因此采用半闭环控制的数控机床仍然无法满足一些高精密零件的加工。（3）全闭环控制数控机床的检测元件则采用分离型检测元件光栅尺，光栅尺直接安装在机床的工作台上，直接测量工作台的实际位移量，这样就避开了机械传动误差对测量造成的影响，而伺服电机的本身自带的角度编码器主要是负责伺服电机运行速度的检测，同时还会将反馈信息与光栅尺进行比对计算进行偏差补偿，所以采用全闭环控制的数控机床精度更高。

在企业实际应用中，由于数控机床的床身部件在制造加工和装配等生产环节质量控制等因素的影响，再加上数控机床在使用一段时间后，由于机械磨损后机床的机械精度下降后，造成伺服电机编码器与光栅尺的检测反馈误差较大。从而使机床在运行过程中误差补偿量过大造成机床移动过程中会出现抖动、运行不稳定，甚至系统经常出现位置超差报警等故障现象，使零件加工精度下降，甚至导致设备无法正常使用。

1 混合闭环控制原理

在这种情况下FANUC系统为用户提供了混合闭环控制的功能，适用于全闭环控制数控机床因机械部件的传动间隙误差较大造成的运行不稳定情况时，通过增加伺服电机的角度编码器的位置反馈功能即混合闭环控制，即有全闭环控制的高精度同时也有半闭环控制系统的稳定性，同时提高伺服系统的位置增益，提高伺服控制系统的稳定性来达到消除机床振动、报警等故障[1]。

混合闭环控制原理如图1所示，数控机床伺服系统的误差是通过数控系统的指令信息（MCMD）与检测元件反馈回来的位置信息进行比较得到位置误差，再通过调整数控机床伺服驱动系统的位置环增益参数来提高机床的位置环控制精度[4]。而采用混合闭环控制系统的位置精度误差主要由半闭环控制的位置误差计数器ER1和全闭环控制的位置误差计数器ER2组成，数控机床在移动过程中半闭环控制系统生效这时是通过来自伺服电机内装式编码器的位置反馈信息加上伺服系统的一次延时时间常数。由于数控机床在半闭环控制的时候伺服系统是根据系统的柔性电子齿轮比参数转换计算出工作台的位移量信息，此时通常不考虑机械部件的传动误差的因素，所以机床在移动过程中不会产生振动[3]。而数控机床移动的终点位置精度也就是机床的定位精度则是通过全闭环的分离式检测器光栅尺和伺服系统的一次延时时间常数来保证，由于光栅尺是直接测量机床工作台实际位置，所以机床的进给机械传动误差不会影响机床的测量精度，所以采用闭环控制系统的数控机床定位精度比开环和半闭环控制系统的机床定位精度更高。而数控机床采用混合闭环控制则兼顾了半闭环控制的稳定性和全闭环控制高精度的优点。

2 混合闭环控制功能调试

1）将系统2019号参数的第7位DPFB（混合闭环控制功能有效）的值设置为“1”，打开FANUC系统的混合闭环控制功能;

2）混合闭环控制时伺服系统的变换系数设置。

系统2078号参数：混合闭环控制变换系数分子。

系统2079号参数：混合闭环控制变换系数分母。

混合闭环控制时伺服系统的变换系数K值计算公式如下：

K=n/d

公式式中n表示为该轴伺服电机每转一圈工作台移动所需的位置反馈脉冲数设置，一个位置反馈脉冲数为机床的脉冲当量（1μm），所以n=伺服电机每转一圈工作台的移动量X1000。d表示编码器的位置反馈脉冲数，如果检测元件为伺服电机内装式编码器时，d的值设置为100万[2]。

例如：某型数控机床的X轴伺服电机采用αi脉冲编码器，伺服电机每转1圈X轴的实际移动量为10mm，机床的脉冲当量为1μm/脉冲。

变换系数K值=n/d=10X 1000/100万=1/100。

如果机床只是采用半闭环控制时，只要将系统2078号参数的设置值为1，系统2079号参数的设置值为100即可。

而数控机床在采用混合闭环控制时，则还要计算“A=8000000X变换系数”，看A值是否为整数，如果计算出A值为整数直接按照半闭环系统设置即将系统2078号参数设置为1，将系统2079号参数设置为100;若A值为非整数时，则需要计算出使“MXA=整数”时的最小的M值。再进行如下设定使机床的检测单位为1/M：

（1）轴的变换系数：2078号参数/2079号参数=n/d *M的最小约分数。

（2）轴的指令倍乘比CMR：1820号参数设置为M倍的CMR。

（3）轴的柔性齿轮比设置：伺服电机转1圈所需的位置反馈脉冲数/100万XM值的最小约分数。

（4）参考计数器容量：1821号参数=M倍的参考计数器容量，参考计数器容量通常设置为伺服电机转1圈所需的位置反馈脉冲数的整数倍。

（5）轴移动到位宽度：1826号参数设置为M倍的半闭环控制机床的到位宽度值。

（6）轴移动时的位置偏差极限量：1828号参数=M倍移动时的位置偏差量。

（7）轴停止时的位置偏差极限量：1829号参数=M倍停止时的位置偏差量。

（8）轴的反向间隙值：1851号参数=M倍的机床实际反向间隙值。

（9）轴的螺距误差补偿值倍率：3623号参数=M倍机床实际的螺距误差补偿值倍率。

3）系统2049号参数：混合闭环控制时位置反馈最大振幅值设置。

设置值=最大振幅（μm）/（全闭环端的最小检测单位X64）通常情况下该值设置为0。

4）系统2080号参数：混合闭环控制一次延时时间常数。

在数控机床调试的初期，该参数通常设置为10毫秒左右，如果调试过程中机床在移动时工作台出现振动时，则该参数每次增加50毫秒，逐渐增大到机床运行基本稳定即可。

5）系统2202号参数第4位：混合闭环控制位置反馈零幅。

该参数值设置为全闭环端的最小检测单位（μm/p），在执行定位操作时使全闭环和半闭环的位置偏差值控制在小于该参数设置值的范围内，刚开始调试时该将该参数设置为0，如果机床运行时工作台在停止中机床工作台出现忽快忽慢的现象，请将该参数值调大一点。但是如果机床某个轴反向间隙值较大时，机床在移动过程中就会出现较大的位置偏差，这时需要将系统2202号参数第4位设置为1。

6）系统2118号参数：混合闭环控制位置反馈最大误差值。

当在伺服电机脉冲编码器和光栅尺之间产生误差相当于设定在参数中的值大于等于系统脉冲数的误差时数控系统就会产生报警，通常将系统2118号参数设置为相当于机床的实际反向间隙值的2-3倍。

7）将数控系统2010号参数第4位设置为0，将反向间隙补偿值累加到半闭环端确保机床运行的稳定性。

8）将数控系统2010号参数第5位设置为0，将螺距误差补偿值累加到全闭环端保证机床工作台的定位精度。

3 结束语

以上混合闭环控制功能调试方法是本人在长期从事数控维修所总结出来的一些方法提供给大家参考，本文所述的内容主要适用于机床厂采用混合闭环控制系统数控机床的安装与调试以及用户的数控机床在使用了几年时间后由于机械磨损和机床精度下降后工作台再移动过程中出现后工作台抖动的现象时对设备进行优化处理，大家在实际使用时可能还受机床机械装配精度较差、设备老化磨损情况严重等一些其他因素，当设备精度误差较为严重的机床，又不愿意对机床的机械部件进行大修的情况下，建议维修人员将全闭环控制检测元件光栅尺屏蔽掉，使机床变为半闭环控制来避免机床出现抖动和报警等现象让机床还可以正常使用，能够加工一些精度要求不高的产品零件提高机床的使用寿命。

【参考文献】

[1]江卫华，苏文静.伺服电动机混合闭环控制及实现[J].微电机，2008，41（12）：81-82.

[2]FANUC伺服参数说明书[M].北京：北京FANUC机电有限公司，2006：130.

[3]劉畅，孙秀娥.利用双位置反馈功能解决机械传动中的刚性不足问题[J].制造技术与机床，2011，5：70-71.

[4]曹艳波，孙宁.双位置反馈系统精度分析[J].自动化仪表，2015，36（3）：97-99.

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