Lynuc系统摩擦力补偿

黄灿华

摘 要：Lynuc系统的摩擦补偿原理，摩擦力的非线性特征，真圆度测试，测试步骤，如何在数控机床上减少圆插补的过象限误差。

关键词：摩擦；摩擦补偿；tanh模型；真圆度测试；过象限误差

在数控机床高速加工的过程中，对精度要求比较高，其中摩擦对加工精度影响比较大，有害于运动精度的控制。数控机床的摩擦特征在低速时表现出很强的非线性，主要表现在速度过零时，在非线性摩擦力的作用下，机床在低速或者换向时跟随误差会出现尖峰，如在数控机床进行圆运动时，会有象限突起现象。所以本文着重对摩擦力进行tanh建模进行求解，来实现对摩擦力有效补偿，从而提高机床的轮廓精度。

摩擦主要作用于传动装置和导轨。机床运动轴应该特别注意静摩擦，因为在轴启动时需要的力比正常运转时需要的力大得多，这样在轴启动时候就会产生比较大的跟随误差。例如：一个轴从负的速度加速到正的速度时当速度通过0的时候，因为要改变摩擦力状态，插补轴将会有一个很短时间的停滞从而产生轮廓误差，这个现象在加工圆形轮廓工件时特别突出，在转换象限的地方，一个轴已经到达了它的最大速度而另一个轴的速度却为0。加上了这个摩擦补偿以后电流环就提前补偿一个电流值，达到减弱或消除“象限凸起”的目的。因为PID是控制滞后的，用PID调节误差来不及。

1 摩擦补偿的工作原理

摩擦力tanh函数模型可以用如下表达式表示：

2 LS50机床真圆度测试

对LS50机床进行半径分别为3，X轴和Y轴做圆运动，

打开真圆度测试页面，因为该参数需要用测真圆度曲线进行微调。

真圆度测试页面打开方法：点击菜单栏上的“Motor”，在下拉菜单下选择“Circle Accuracy”。

弹出的对话框里面选择需要做哪个轴的补偿（见图2）。

（1）基本参数讲解

Resolution：解析度（轴1mm对应的脉冲数）

Comp Ratio：摩擦补偿速率，对应参数里面的【摩擦补偿系数A】

Fric Comp：摩擦补偿电流值，对应参数里面的【摩擦补偿系数C】

Radius：真圆度运行半径（默认统一3mm）

Ta：S型曲线加减速时间

Ts：S型曲线S型部分加减速时间

Vel：真圆度测试时，轴运行速度

（2）首先补偿X轴

根据经验，一般导轨滑块结构的机床

Fric Comp：一般取值200-800之间

Comp Ratio：一般取值 0.02-0.002之间

为了调试思路比较清晰，在此先调X轴（X轴属于#1马达）且调试时都把放大系数设成“120”，如图3右上角。调#1马达时只需要关注横坐标，也就是黑框区域。

以上是无摩擦力补偿参数的数据，真圆度达到了15.3um，且X方向（#1马达）象限凸起比Y方向（#2马达）严重。

（3）先尝试给一个大概的值

补偿之前会先试着设一个大概值Fric Comp：500；Comp Ratio：0.005。

发现象限凸起明显减小，但是有“过补偿”问题，在180°处，曲线稍为往里面凹了，在此需要减小“Fric Comp摩擦补偿电流值”。

进过多次试验，发现Fric Comp：350；Comp Ratio：0.008时补偿效果比较合理，记录该值。

（4）然后补偿Y轴

調完X轴，再调Y轴（Y轴属于#2马达）且调试时都把放大系数设成“120”，如图6右上角。调#2马达时只需要关注纵坐标，也就是黑框区域。

经过多次试验，发现Fric Comp：250；Comp Ratio：0.008时补偿效果比较合理。

3 把X参数恢复回去，测试效果

把XY补偿参数都写进去后，测试得到的补偿效果见图7。

达到了6.6um，补偿效果非常明显，见图7。

“Comp Ratio”“Fric Comp”太大、太小产生的影响

答：Comp Ratio太大：补偿速度会越快，会产生位置过冲，但曲线又可以回复，呈正弦曲线波动。

太小： 补偿效果改善不明显

Fric Comp太大：补偿速度会越快，会产生位置过冲，曲线“向里凹”不会正弦波动

太小：补偿效果改善不明显

下图解释比较直观：

4 结束语

摩擦力一直是机械运动中难以克服的问题。尤其在极低速和速度反向区域，运动形式的复杂性，使摩擦力影响极为突出。虽然对摩擦机理及其补偿方法有很多研究和进展，但是在当前，机械加工和控制水平是不可能完全消除摩擦的。使用tanh模型摩擦力补偿使得LS50数控机床大大消除了圆插补轨迹是轮廓误差的尖峰，满足了机床高速高精度的加工要求。

参考文献

[1]微小 位领域の摩擦特性を考虑した象限突起补偿器.pdf[Z].2008，

6.

[2]摩擦力を考虑した 弧补问运动の 时间逆 达 数制御.pdf[Z].

2008.6.

[3]颜冠军，冯斌，张东升，等.840D数控系统摩擦补偿等实现[J].CNC Seminar，2011.