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1、FANUC高速加工功能与伺服优化功能在模具加工中的应用以结果对比的方式对发那科经济型数控系统的模具加工功能进行试验,采用具有典型特征的行位镶件试切加工，并调用发那科系统AI轮廓控制功能的各个精度等级或修改对应的系统参数，使机床实现快速、精确的伺服控制，改善机床的动态特性，最后对得到的不同加工质量的曲面进行分析。AI轮廓控制是发那科高速加工功能中的一项，对工件质量要求较高时普遍采用此控制方式。FANUC数控系统提供多种高速、高精度控制功能，可使系统在加工过程中增加程序预读段数，预知加工轨迹，从而提前做出判断。还可以通过对相应参数的调整，达到优化表面质量、减小形状误差、提高加工效率等目的。图1需要
2、CNC加工的行位镶件1.制造前准备(1)产品分析试验产品是某品牌汽车进气室模具中的行位镶件，如图1所示。镶件与塑胶产品模型通过软件求差运算得到的曲面造型尺寸为74mm17mm,曲面最小凹处拐角半径为2.23mm,造型表面无内尖角和多轴加工特征(见图2)。图2曲面上多处的拐角该汽车进气室产品通常在高温下工作，属于无法直接看到的汽车内部件，其表面质量要求较低，选用PA66+30%玻璃纤维作为塑胶产品的材料。加入30%玻璃纤维后，尼龙材料尺寸稳定性、耐热性和耐老化性都有提升。PA66材料在注射模具过程前的熔化温度达到230-280oC,由于模具的温度需要达到8090C才有良好的结晶度，所以其模具钢材
3、要具有耐高温的特性。选用1.2738模具钢作为行位镶件材料，该模具钢具有相对优越的力学性能、良好的可加工性和较高的出厂硬度。（2）加工轨迹优化对比在UGNX软件中的“固定轮廓铳”选项（尤其是该选项下的“驱动方法”选项）中合理地设置参数，可以获得更优化、更快速的铳削刀轨。如图3所示，“驱动方法”选择“区域铳削”，点击“生成刀轨”，默认生成了平行于加工坐标系X轴的加工刀轨（见图3a）。考虑到该产品有较多相同的拐角特征，所以重新指定“区域铳削”中的“切削角”参数，在“切削角”选项下选择“矢量”，指定“矢量”平行于加工坐标系的丫轴，随后点击“生成刀轨”，得到了一段旋转90后的切削刀轨（见图3b）。a）
4、默认策略生成的横向加工轨迹b）指定切削角度后生成的加工轨迹图3加工轨迹两段加工刀轨通过UG软件生成刀轨报告（见表1）,对比发现：在相同的进给速度、切削模式、刀轨步距、驱动方式和轨迹精度的条件下，两个刀轨后处理得到的NC代码大小不同，分别是1315200字节和832473字节，因此程序长度是影响加工时间的主要原因。表1UG软件报告的刀立参效默认策修4成的幡司AO诿指定切削南度G4成的加工轨避v,t(an4nin)100O100O切附搐式往复往复但室步Rmm0.10.1步也府用部位在部件上左部除上1；GHlU的加工时画25-41,14*22*JX文件大小（字节）1315200832473（3）制造
5、装备的选择模具中的零件对精度要求高，其加工设备不但要具有数控功能，还要有能适应加工条件的力学性能。本产品的加工选用了制造车间里搭配有FANUCSeriesOi-Mate-MD操作系统的国产加工中心（加工中心的主要性能参数见表2）,该FANUC操作系统原有的先行控制功能已升级为Al轮廓控制（AlCCl）功能，在软件驱动上改善了机床的机械运动性能。选用以X、Y轴为线轨、Z轴为硬轨的机床设备，主轴安装的刀柄是数控机械加工主流的BT40刀柄，机床最高转速可达8000rmin,其通用性可满足常规的加工工序。表2数控统床建商达VcMIO50主要性能，的邂格工作台(长X宽)/(mm*11三n)1370*40
6、5十岫华工ff?曲比山(mm三135-780刀柄型号BT-W十岫电机功率*w75(交流信)0.005X.I.Zb快移速度，(InnIlm15000切削进蛤速度/(Bovmm)1-10000怆卿L标精度定位精度三n.00.019瑁0.016SZ轴0.019重复定位精度EImm0.015H0.012Z0.015为了避免对比加工结果时外来条件的干扰,精加工时使用相同的刀具和相同浓度的切削液，采用相同喷射力度并关闭油雾收集器等外部设备。2.FANUC0iMate-MD数控系统高速加工功能调试(1)FANUCOi-Mate-MD系统中的AI轮廓控制功能通过AI轮廓控制功能可以实现进给速度的加快，伺服系统
7、的延迟和加、减速的延迟，从而减少机械加工中的形状误差。如图4所示，可通过系统设定界面检查该FANUC系统中是否具有AI轮廓控制功能，在机器上依次按“SET”+”“精度LV”键。如果系统有Al轮廓控制功能(AICC),则可设定速度优先或精度优先的参数集，从而在加工时指定适合加工条件的精度级。当系统内设定的加工条件仍无法满足零件的加工需求时，可以单独调整相应的参数号来改善加工条件。Oi-Mate-MD和Oi-MD系统AICCI功能具体可选择条件见表3。Oi-Mate-MD系统中AlCCI功能对应的功能参数设定见表4。图4Oi-Mate-MD系统精度选择界面3CrMitZDWfMDlUtAKXI功体
8、彳透法务”OMw(DObMDAKCIAXX11640”去修吊1M4皿版xtwvm4途”于&It始的*It整射ML*三*MtM9K行或M干站S-能逐EIE欣丛孑MIN负呐MPIf一一4OrMateMD系统中AlCCl功能对应的功能，Kift定付标(*9)(旧范围)允许,S(mnvts,)(NolMO)(250-5000)仲ICM通ms(No.1772)(0-100)SiAICCAIAPC(No.1737)(28-3750)为“1G的同常也m(NO.17W)(O-100)甚干拐角速度在城速IWJ允忤速度小(Srnmin)(Kal7J3)(200-1000)时大允许帆度，XnmlV)(NO.1735
9、)200-3750)LVl402430002450030I11O500W16400400减R恁动降依啾除性降低少加工馔势年抵降代隆仕降低降代置开式面旗降低*降低降低缩IW也环豺周降怔咏降低咏it：ft5l等被高用去不，优生等裂中安用优良等级抵丸.(2)发那科Al轮廓控制功能(AlCCI)启动指令在Oi-Mate-MD系统使用G05.I时，务必利用单程序段指定。当各程序文件需要调用不同的加工条件时，需要以G05lQlRx的方式选择加工条件，如使用G05.1Q1R10,则接下来将以精度优先的方式运行该段程序后的指令。程序结束前应该指定G05.1Q0,需要利用单程序段指定该指令，也可用复位来解除AI
10、轮廓控制方式。以上启动方式对应Oi-Mate-MD系统参数号No.l604#0,当#0的值置1时，执行加工程序时将自动开启Al轮廓控制功能，当#0的值置0时，可以用G05.1Q1程序段将Al轮廓控制功能生效。(3)Al轮廓控制功能(AleCI)调整控制AICCI方式下的加、减速度方法有三种:通过加工程序指定Vf作为基准速度。在G05.1QlRx程序段中指定“x”的精度等级。设定对应参数号的值。在Al轮廓控制功能下，若指定速度超过系统设定的进给速度，系统将进行插补前加、减速控制，通过预读程序段自动控制进给速度。进给速度也可通过设定以下参数进行控制：各轴插补前最大允许加速度No.l660o各轴AI
11、CC控制中最大允许加速度No.l737基于拐角速度在减速时的允许速度差No.1783O各轴圆弧插补时最大允许加速度No.1735.3 .加工结果分析加工结果汇总见表5,从1号件和2号件的加工表面质量图可以看出，在相同刀具和加工轨迹的情况下，将系统参数No.l604M)置.1后，修改功能启动参数前后的程序，加工时间仅相差IOs左右，AI轮廓控制功能加工的刀纹较平顺，表面刀纹方向平行于加工轨迹，但曲面的加工效果不理想。3 *xaaxe1fn随后通过修改加工轨迹的公差，将轨迹公差提高到0.01mm,NC文件的大小也随之提高了1/3,小线段进给增多。1号件和3号件的轨迹长度相同，轨迹公差分别为0.03
12、mm和0.01mm,程序实际加工时间相差不大，刀纹随着轨迹的公差提高而更平滑。但在大文件程序加工中，因系统预读程序段少，在加工陡峭面时机械会发生振动和多次停顿，导致表面仍有明显的缺陷。对比4号件和5号件，加工时均开启了AlCCl功能，两件采取不同的精度控制等级，4号件为LVl（速度优先）级,5号件为LVlO（精度优先）级，进给速度最高为100OmmZmino汇总加工结果可得出，设定在精度优先级的情况下得到的加工表面质量有明显的改变，平面缺陷也得到改善，曲面拐角更平滑，但程序实际加工时间相比速度优先级长9%。6号件与5号件平面和拐角特征相似，但实际加工时间有小幅度降低。这是因为在加工前分别调整了
13、系统参数No.l772（32）和No.l783（500）,减小加工时的钟型加、减速时间常数和微调拐角减速时允许的速度差参数可以加快程序插补前的加速度，从而加快程序运行速度并保持拐角的加工精度。4 .结语通过实际加工和观察，对FANUCOiMate-MD数控系统的AlCCI功能有了更多了解。在UGNX8.5软件中对本次加工的刀具轨迹进行优化和仿真加工，结合实际加工设备考虑加工轨迹的方向，尽量减少加工时出现的拐角振动。当开启AlCCl功能，处于LV1（速度优先）级的状态时，机床的各轴均处于在程序设定的最快进给速度，此时机床各轴的伺服负载均处于30%40%;在调用LVlO（精度优先）级时，当遇到陡峭
14、面或加工拐角，机床各轴的伺服负载均处于20%33%,其机床的进给指令不断发生变化，使机械传动更加平稳，从而得到更好的加工质量。AICCl功能没有绝对的高速、高精度，如果要高精度，在遇到圆弧或拐角处必须适当减速，如果要高速度加工，必然会造成较大的跟随误差FANUC伺服优化功能在模具加工中的应用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FANUCSERVOGUIDE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
15、高。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FANUCSERVOGUlDE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
16、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
17、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
18、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FANUCOi-MF系统加工模具产品试件，使用AICC功能，进给量为200Ommmin,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(I
19、)首先利用SERVOGUIDE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-VOGUIDE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，图3X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OdB,表示系统响应滞后。先检查电流环参数，发现“HR
20、V+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。RiR Mrt) Bo w wnoo w v 岫 C *ili wa -r4E-F,:田$W4IB。制SMIV设叫帕图4电流环参数MB力图5X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OdB,系统响应滞后明显改善。但高频部分在380hZ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
21、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5dB,高频衰减区域的幅值低于-20dB。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7X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
22、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。X Y G Z10. 000-9 9998-0 0009200 01.0图9XZ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，丫轴两象限凸起接近IOUm。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
23、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，经反发调试，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力口至J6。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AIeC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。
