FANUC高速高精加工的参数调整.docx
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FANUC高速高精加工的参数调整
ItwaslastrevisedonJanuary2,2021
FANUC高速高精加工的参数调整
铣床、加工中心高速、高精加工的参数调整
（北京发那科机电有限公司 王玉琪）
使用铣床或加工中心机床加工高精度零件（如模具）时，应根据实际机床的机械性能对CNC系统（包括伺服）进行调整。
在FANUC的AC电机的参数说明书中叙述了一般调整方法。
本文是参数说明书中相关部分的翻译稿，最后的“补充说明”叙述了一些实际调试经验和注意事项，仅供大家参考。
对于数控车床，可以参考此调整方法。
但是车床CNC系统无G08和G05功能，故车床加工精度（如车螺纹等）不佳时，只能调整HRV参数和伺服参数。
Cs控制时还可调整主轴的控制参数。
1
使用αi电机
⑴概述
i系列CNC（15i/16i/18i）的伺服因为使用了HRV2和HRV3控制（21i为选择功能），改善了电流回路的响应，因此可使速度回路和位置回路设定较高而稳定的增益值。
图使用伺服HRV控制后的效果
速度回路和位置回路的高增益，可以改善伺服系统的响应和刚性。
因此可以减小机床的加工形状误差，提高定位速度。
由于这一效果，使得伺服调整简化。
HRV2控制可以改善整个系统的伺服性能。
伺服用HRV2调整后，可以用HRV3改善高速电流控制，因此可进行高精度的机械加工。
“高速、高精加工的伺服参数调整”。
２
图伺服HRV控制的效果实例
⑵适用的伺服软件系列号及版本号
90B0/A（01）及其以后的版本（用于15i，16i，18i和21i，但必须使用320C5410伺服卡）。
⑶调整步骤概况
HRV2和HRV3控制的调整与设定大致用以下步骤：
①）
电流回路的周期从以前的250μs降为125μs。
电流响应的改善是伺服性能改善的基础。
②）
进行速度回路增益的调整时，对于速度回路的高速部分，应该使用速度环比例项的高速处理功能。
电流环控制周期时间的降低使电流响应得以改善，使用振荡抑制滤波器使可消除机械的谐振，这样可提高速度回路的振荡极限。
③
机床可在某个频率下产生谐振。
此时，用消振滤波器消除某一频率下的振荡是非常有效的。
④
当伺服系统的响应较高时，可能会出现加工的形状误差取决于CNC指令的扰动周期的现象。
这种现象可用精细加/减速功能消除。
速度环使用尽可能高的回路增益可以改善整个伺服系统的性能。
⑤
使用预读功能的前馈，可以消除伺服的时滞，从而可减小加工的形状误差。
一般，前馈系数为97%—99%。
⑥*6）
当提高了速度回路的响应时，可以设定较高的位置增益。
较高的位置增益可减小加工误差。
3
⑦
若要求进一步改善伺服性能，可使用HRV3，以此设定更高的速度回路增益。
图伺服HRV控制的调整
表3.4.1使用HRV2，3时的标准伺服参数（刚性高的加工中心机床）
功能
标准参数
16i
15i
设定值
切削/快移可切换
⑴伺服HRV2控制（*1）
No2020
No1874
设定电流周期为125μs的电机型号
⑵速度环比例项高速处理功能
No2017No2021
No1959,#7No1875
1（使该功能生效）近似1500-2000（伺服调整画面速度增益:
700%-900%）
○
⑶消振滤波器
No2113No2177
No1706No2620
振荡的中心频率30（用于祛除200Hz或更高频率的谐振,设定较高的速度环增益）
⑷精细加/减速增益功能
No2007#6No2209#2No2109
No1951#6No1749#2No1702
1（使精细加/减速生效）1（线性精细加/减速）16（精细加/减速时间常数）
○
⑸预读前馈
No2005#1No2092No2069
No1883#1No1985No1962
1（使前馈功能生效）9700-9900（前馈系数）近似100（速度环前馈系数）
○
○
⑹位置增益
No1825
No1825
8000-10000（初始设定约5000）
⑺伺服HRV3控制
No2013#0No2202#1No2334No2335
No1707#0No1742#1No2747No2748
11150100%-400%（只在高速HRV电流控制方式的切削进给时有效）
○“切削进给/快速移动的切换功能”）
4
（*1）当只使用电流周期250μs的电机时，设定应按以下修改：
No2004（16i），No1809（15i）设00000011（250μs电流周期）
No2040（16i），No1852（15i）设（标准值）×0.8
No2041（16i），No1853（15i）设（标准值）×1.6
⑷详细调整
①电流环周期和电流环增益的设定
“⑴伺服HRV2控制”的设定内容，设定电流控制环的的参数。
对于使用同一个DSP的两个轴要设相同的周期时间。
该设定使得电流回路的处理周期为125μs，位置回路的周期为1ms。
其结果使电流回路的响应性能提高了1.6倍。
注
1用一个DSP控制的两个轴设定相同的周期时间。
2若电机停止时的声响比比工作时的大，按下述方法修改电流环的增益：
--将No2040（16i）或No1852（15i）修改后的值乘以0.6。
--将No2041（16i）或No1853（15i）修改后的值乘以0.6。
--No2041（16i）或No1853（15i）=0。
②速度回路增益的设定
“增益调整步骤”的叙述调整速度环的增益。
[速度环的增益调整参数]
No2017（16i）的第7位或No1959（15i）的第7位：
设1（使速度环的比例项高速处理功能生效）
速度增益值（在伺服调整画面上的增益）调整：
以初始值150%逐渐增加增益值，目标值约为1000%
③消振滤波器的调整
“②速度回路增益的设定”前调整消振滤波器。
若谐振频率为200Hz或低于200Hz，不要使用消振滤波器。
5
谐振频率的测量使用伺服调整软件，具体请见“⑸用伺服调整软件测量谐振频率的方法”。
图消振滤波器
（调整步骤）
●以低速（F1000—F10000）开动机床。
●逐渐增加速度环的增益，直至进给时出现轻微振荡。
此时若设定大的速度环增益，机床有频率为200Hz以下的低频振荡，消除了先前出现的高频振荡。
如果高频振荡不出现，则不要使用消振滤波器。
●设定了产生轻微振荡的速度环增益后，观察TCMD，测量频率。
●在下述的参数中设定测量频率：
[设定消振滤波器的参数]
No2113（16i），No1706（15i）
衰减中心频率{Hz}：
设为机床的谐振频率。
No2117（16i），No2620（15i）
衰减频带：
30（当中心频率为600Hz或以上时设40）。
图消振滤波器的效果（转矩指令波形）
④精细加/减速功能的设定
使用伺服HRV2控制时，可以设定高的位置环增益和高的速度环增益。
因此，当指定较大的加/减速度时，会产生与扰动周期相关的振荡。
为了避免这种振荡，可以使用精细加/减速功能。
但要确保精细加/减速的时间常数为8的倍数。
[精细加/减速的参数设定]
No2007#6（16i），No1951#6（15i）：
1（使精细加/减速功能生效）
6
No2209#2（16i），No1749#2（15i）：
1（线性精细加/减速）
No2109（16i），No1702（15i）：
16（精细加/减速的时间常数）
“切削进给/快速移动的切换功能”。
⑤前馈系数调整
“高速/高精加工的伺服参数调整步骤”。
[前馈参数的设定]
No2005#1（16i），No1883#1（15i）：
1（使前馈功能生效）
No2092（16i），No1985（15i）：
9700—9900（预读前馈系数）
No2069（16i），No1962（15i）：
近似100（速度前馈系数）
⑥位置增益调整
指令的进给速度按下式计算：
指令速度＝（位置增益）×（位置偏差）＋（前馈量）
因此，若指令值和实际移动位置有偏差，增益大时会使误差的修正作用大，从而使得加工的形状误差小。
当使用伺服HRV2时，由于速度环的响应得到改善，可以设定比以前高的位置增益。
对于中型加工中心机床，增益值可设80—100[1/s]。
（大型机床或闭环控制的机床，如果反向间隙较大时，其增益值应该设得小一些。
）
快速移动机床，以最大切削速度进行加工，在加/减速时观察TCMD波形，以确定位置增益的极限。
当TCMD的波形上在10—30Hz期间出现急剧上升时，即为位置增益极限。
然后，在极限值参数中设为其值的80%。
位置增益确定后，应重新调整上面⑤中设定的位置前馈系数。
7
[位置增益参数的设定]
No1825（16i，15i）：
5000--10000
⑦伺服HRV3的调整
需要设定以下参数：
[HRV3参数的设定]
No2013#0（16i），No1707#0（15i）：
1（使HRV3功能生效）
No2202#1（16i），No1742#1（15i）：
1（使速度环增益的切削进给/快速移动切换功能生效）
No2334（16i），No2747（15i）：
150（高速HRV电流控制的电流环增益倍率）
下列参数用于调整使用高速HRV电流控制，在切削进给时的速度环增益。
其值设定为出现振荡时的0.7。
[伺服HRV3控制参数的设定]
No2335（16i），No2748（15i）：
100—400（高速HRV电流控制的速度环增益比率）
⑸使用伺服调整软件测量机床谐振频率的方法
使用下述方法测量机床的谐振。
伺服软件应该用1998年8月的或其后的版本。
①使用伺服调整软件（SD）的准备。
在调整2中设定测量数据的型式。
（用模拟/数字一体的伺服检查板时设6作为数据位数。
用数字检查板时，将DIP开关设到12（奇数轴）或13（偶数轴））。
②设定No2206#7（16i），No1746#7（15i）为1。
两个伺服轴用同一个DSP控制时设定这一位。
③在这种状态，在每一电流环控制周期输出TCMD波形。
④在SD的F9画面上各通道的设定，选择TCMD测量。
对于电流的设定，设为放大器的最大电流值。
8
⑤在这一状态下，使电机加/减速，在伺服的波形图上检查加/减速的正确输出。
⑥用SD，设定数据点数，实现0.1秒的数据采集.
对于HRV1:
400个数据项
对于HRV2:
800个数据项
对于HRV3:
1600个数据项
⑦转动电机，记下产生异常声响时的数据。
⑧调整SD的画面，使每次只显示第一轴或第二轴，（第一轴和第二轴的波形显示或隐藏可用键SHIFT+1和SHIFT+2控制）。
此外，在F3菜单上的放大项上设定适当值，以便清楚地观察TCMD波形上的振荡。
⑨此时，按CTRL+F键，置于频率分析方式。
在尖波下的刻度值乘以10即为谐振频率。
⑩完成调整后，将No2206#7（16i），No1746#7（15i）复位为0。
谐振频率例
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（1）概述
本节叙述预读控制，高精度轮廓控制和AI纳米轮廓控制及按进给速度差值CNC进行加/减速时确定伺服参数的步骤。
（2）标准设定
高速/高精度加工的标准参数
*1使用该功能时，可能出现高频振荡，取决于机械的谐振点。
在这种情况下，不要使用这一功能。
若高频振荡出现在高增益下，可使用转矩指令滤波器。
*2不使用精细加/减速，而使用CNC的插补后直线加/减速。
在批量传送程序数据时，不要使用精细加/减速，而使用CNC软件的插补后直线加/减速。
*3对于快速移动，用带前馈的精细加/减速实现高速定位，需要的时间常数约为40—64ms。
此时，可使用精细加/减速的切削进给/快速移动切换功能。
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（3）速度增益的调整
“增益调整步骤”调整速度环的增益。
在可能的条件下使用伺服HRV2控制。
[调整目的]
使用尽可能高的速度环增益，可以获得以下效果：
●改善伺服的刚性
●改善伺服的响应
在正常进给加工时，只要不出现振荡，高的速度环增益会改善表面精度和加工形状精度。
高的速度环增益可改善高速、高精度加工以及高速定位的性能。
为了设定稳定的速度环高增益，使用速度环的比例项高速处理功能是非常有用的。
正如下面例中所述，高速、高精度加工的效果取决于允许的速度环最大增益值。
（4）前馈系数的调整（加工圆弧R10/进给F4000）
[调整目的]
在通常无前馈控制的位置控制回路中，按下式输出速度指令：
（位置偏差）×（位置环增益）。
这就是说，只有在机床的指令位置和实际位置有误差时机床才能移动。
例如，当位置增益为30[1/s]，进给速度为10m/min时，其位置偏差为5.56mm。
对于直线插补，位置偏差不会造成零件的形状误差。
但在加工圆弧或拐角时，就会造成大的形状误差。
消除位置偏差的有用功能是位置前馈。
前馈功能是将CNC的位置指令变为有补偿功能的速度指令。
前馈可减小位置偏差（理论上为0），因此，可使圆弧或拐角的形状误差大大减小。
但是，伺服响应性能的改善，有可能使机床出现冲击。
为避免这一情况，必须同时使用插补前的加/减速功能。
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[值的调整方法]
理论上，前馈系数100%时的位置偏差为0，消除了形状误差。
但是，实际上，有速度环的响应时滞。
所以，稍小于100%的值可加工出指令的形状。
通常，最佳值为95%--99%（设9500--9900）。
默认值为9800。
首先在加工圆弧时进行观察调整前馈系数（开始调整前先设定速度环的前馈系数为50%）。
[实际调整]
编制加工圆（R10/F4000）的下列程序，用调试软件RD测量加工时的刀具运动轨迹。
程序中的G08P1和P08P0是16系统的起动和结束预读控制的G代码。
预读控制方式的起动与结束代码
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μ
图3.4.3（a）前馈调整
速度增益：
100% 速度增益：
100%
预读前馈系数：
95% 预读前馈系数：
98%
FAD时间常数：
24ms（线性） FAD时间常数：
24ms（线性）
70%--80%，微调前馈系数，且使用过象限突起补偿功能（反向间隙的加速功能），以减小过象限的突起，从而改善正圆度（图3.4.3（d））。
速度环增益的效果
速度环增益：
200% 速度环增益：
300%
预读前馈系数：
98% 预读前馈系数：
99%
FAD时间常数：
24ms FAD时间常数：
24ms
（5）速度环前馈系数的调整（用4角有1/4圆弧的方形工件）
[调整步骤]
前馈可减小位置偏差和加工形状误差。
若速度环对速度指令的响应低，速度控制就不能按指令速度所要求的大的加速度运行，因此造成了加工形状误差。
速度环的响应可用增加速度环增益和调整速度环前馈系数来改善。
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速度前馈是将速度指令的一部分（速度指令乘以适当的系数）送给电流环对转矩指令进行补偿。
在速度环（PI控制），只是在指令速度与实际速度不同时（有速度偏差）才有补偿转矩。
另外，速度前馈是根据以前指定的加速度值进行转矩指令的补偿。
用速度前馈可以减小由于速度环的时滞造成的形状误差。
[前馈系数值的调整方法]
可用下列公式。
但在实际调整中，开始时的速度前馈系数用100。
（速度环的前馈系数）＝100×（电机的转子惯量＋负载惯量）／电机的转子惯量
[实际调整]
用4角有圆弧（半径5mm）的方形工件进行速度前馈系数的调整。
调整时，应使按圆弧半径箝制进给速度的功能无效（该功能无效后，或如下例，要保证进给速度等于或高于可以指定的F4000）。
程编形状
按大写字符P键，以显示基准形状。
执行程序并测量实际运行轨迹。
于是，在同一图上画出下面所示的实际轨迹和基准轨迹。
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指令轨迹和实际轨迹
μm的形状误差，即使在XY方式也可以看到。
但是，如果预读前馈生效，形状误差即减小，除非将误差放大很难在图形上看到。
此时，使用形状补偿方式（轮廓方式），只是为了显示而将误差放大（ctrlO）。
速度前馈系数
速度环增益：
200% 速度环增益：
100%
预读前馈系数：
99% 预读前馈系数：
99%
FAD时间常数：
24ms（线形） FAD时间常数：
24ms（线形）
速度前馈系数：
0% 速度前馈系数：
X100%
15
前馈调整
速度增益：
100% 速度增益：
100%
预读前馈系数：
99% 预读前馈系数：
99%
FAD时间常数：
24ms（线性） FAD时间常数：
24ms（线性）
速度增益系数：
X200%，Y200% 速度增益系数：
X120%，Y180%
速度前馈的调整
圆弧区域的变形可以用增加速度增益值使其变小（图3.4.3（l））。
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速度前馈的调整
速度增益：
300%
预读前馈系数：
99%
FAD时间常数：
24ms（线性）
速度增益系数：
X120%，Y180%
（6）按圆弧半径的进给速度箝制参数的调整
[调整目的]
如前所述，速度环前馈系数的调整可以改善速度环的响应延时，从而减小了加速度变化大的区域的形状误差。
但是，只靠速度前馈不能完全消除加工的形状误差。
而且，如果机床的刚性低，机床可能由于加速度的变化而振动。
为了减小加速度大的区域的加速度的变化，应减小目标方向的指令进给速度。
加工时（预读控制），按圆弧半径箝制进给速度的功能可实现对进给速度的控制（减小）。
对该功能的参数进行调整，可以找到机床允许的垂直方向的加速度值。
如下所述，该值可用于设定高精度轮廓控制（连续小程序段）中“根据加速度降低进给速度”的参数的基准。
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上图中，R是圆弧半径，F是进给速度。
则垂直方向（径向）的加速度为F2/R。
按半径箝制进给速度功能指定R和F做为确保径向方向的加速度不超过指令值的参数。
例如，指令R=5mm，F=4000mm/min作为按圆弧半径箝制进给速度功能的参数，则圆弧的径向加速度为：
F2/R=（4000/60）2/5=889mm/sec2
当用高精度轮廓控制时，要设定同样的加速度值作为小程序段按加速度限制进给速度功能的参数。
上例中，若切削的进给速度为F4000（mm/min），则要求达到这一速度的时间计算如下：
4000/60/889*1000=75msec
当用圆弧半径箝制进给速度功能减小了沿圆弧的进给速度时，加工的形状精度就可以得到改善。
但是此时的负面效果是：
要求的加工时间较长。
图3.4.3（l）
用圆弧半径箝制进给
速度功能时 速度功能时
18
[调整值的设定建议]
经验上，设定下列值是适当的。
参数号请见响应CNC的参数说明书。
高刚性小型机床：
拐角圆弧R5时，设F4000（889mm/sec2）
刚性相对高的中型和小型加工中心机床：
拐角圆弧R5时，设F3000（500mm/sec2）
大型机床：
拐角圆弧R5时，设F2500（347mm/sec2）
高刚性的大型机床：
拐角圆弧R5时，设F2000（222mm/sec2）
[实际调整]
用圆弧半径速度箝制功能
（7）用进给速度差限制拐角加速度功能的允许速度差的调整
[调整目的]
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[设定建议]
具体的参数号，请见相应的CNC说明书。
高刚性的小型机床：
F400
相对高刚性的中型和小型加工中心：
F300
大型机床：
F200
[实际调整]
执行下列程序，测量刀具的实际轨迹。
μμm（进给速度为F300）。
若即使拐角处的进给速度降到接近于0也不能去掉过冲，其原因可能是插补前的加/减速度太大。
此时，须设定大的插补前加/减速的时间常数。
（此时，加工时间就相当长。
）
图3.4.3（s）绘出了使用拐角降速功能沿X和Y的（拐角1）进给速度。
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拐角的进给速度为F300
拐角的进给速度为F1000时，时间常数和进给速度的关系
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使用α电机
上面的叙述是使用αi系列电动机（16i-B，18i-B，15i-B，0i-B等）的情况。
使用α电动机时（16i-A，18i-A，15i-A，16，18，0i-A等），调整方法与之基本相同，但参数号稍有不同。
此时，适用的软件版本：
90A0/E（05）及其以后的版本。
使用的伺服卡：
320C543
⑴HRV控制的参数
使用HRV时的标准伺服参数（刚性高的加工中心机床）
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⑵高速高精度加工参数
高速/高精度加工的标准参数
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补充说明
1．上面资料是“FANUCAC伺服电动机的参数说明书”部分内容的译文，阐述了调整时一般须遵循的步骤。
2．实际调整时，首先要消除机床各轴的反向间隙。
方法是：
先用千分表实测，将实测值设于CNC的系统参数中，并使用“反向间隙（补偿的）加速功能”消除机床的反向间隙。
反向间隙意味着系统控制的非线性，补偿不好，会引起系统的振荡，甚至无法调整。
当然，反向间隙补偿不好，机床的定位精度、加工精度或回零都会有问题。
有时，调整过程中设了不可思议的非常大的位置增益值时，多一半是因为未补偿好反向间隙。
另外，应该把反向间隙补偿看作动态问题来处理，只用千分表测量是不够的，应该用伺服调试软件观察刀具的运动轨迹，运行加工圆的程序时，在调试软件的XY方式应观察到运动轨迹接近一个正圆。
无伺服调试软件时，必须通过实际加工来观察运动轨迹。
若运动轨迹的圆度不好，须按情况修改间补量。
此外，还应注意，机床的反向间隙与移动速度是有关的，运行的测试程序中应编写常用的加工速度。
3．影响加工精度的因素有：
CNC控制单元、进给伺服、主轴单元、机床的机械部分和加工程序。
上述调整虽说是综合调整，但有时必须调整机床，特别是有关传动链部分（包括测量元件的安装）。
因为CNC系统对机械性能的校正与补偿是有限度的，特别是有时为了价格方面的考虑，系统及伺服的选择不恰当时。
根拒经验，影响伺服性能（当然也就是加工与定位精度）的机械因素除了人们熟知的之外，主要还有两个：
机械的运动惯量和测量元件的安装（安装位置、安装的耦合情况、刚性等）。
选购系统时，常常只注意电机的转数、转矩、功率而忽略了电机与机械的惯量匹配，要求机械惯量应小于电动机惯量的3倍（折算后），当然理论上比这一要求要严格的多。
另外，加工是实时的，所以调整时应考虑整个系统（包括机械）的动态性能。
至于加工程序的影响，这是加工
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