數(shù)控機床的振蕩現(xiàn)象分析與消除

撰文/田國華

■130013 一汽模具制造有限公司 吉林 長春

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數(shù)控機床的振蕩現(xiàn)象分析與消除

撰文/田國華

■130013 一汽模具制造有限公司 吉林 長春

本文的研究重點是數(shù)控機床的振蕩現(xiàn)象如何清除。本文首先闡述了產(chǎn)生振蕩的原因及消除振動的基本方法。其次介紹了對于各種不同的數(shù)控機床需要采用不同的診斷方法。進而闡述了清除數(shù)控機床的振蕩現(xiàn)象已成為影響數(shù)控設(shè)備正常使用和保證模具質(zhì)量的重要因素。并通過具體案例闡明了消除數(shù)控系統(tǒng)振蕩故障的方法。有效的消除振蕩問題，提高生產(chǎn)效率。數(shù)控機床；振蕩；故障；消除。

數(shù)控機床的振蕩現(xiàn)象（局部抖動現(xiàn)象），已成為數(shù)控全閉環(huán)控制系統(tǒng)較常見并且難于處理的問題。在我公司的大型精密加工中心設(shè)備上體現(xiàn)尤為明顯，機床出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象的頻次相對不是很高，但是問題點在于難于把握及診斷，該問題已成為影響數(shù)控設(shè)備正常使用和保證模具表面質(zhì)量的重要因素之一。我們經(jīng)過多年的經(jīng)驗積累逐漸形成一套較完整的判斷思路和修理辦法。

1產(chǎn)生振蕩的原因分析

這里指的振蕩主要針對非新安裝的設(shè)備，即安裝調(diào)試完成后投入使用的設(shè)備。

產(chǎn)生振蕩的原因有很多，大體分為機械和電氣兩個方面。機械方面：由于常年使用積累而存在的傳動間隙、彈性變形、摩擦阻力等諸多因素，或者因其它情況（撞擊、過載）而產(chǎn)生的傳動鏈變形，部件損壞或松動，傳動鏈的潤滑狀態(tài)不良、外加負載過大等因素所致等等。電器方面：伺服系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)的影響及設(shè)置，驅(qū)動電機、編碼器及聯(lián)軸節(jié)、位置檢測裝置、電氣線路及其屏蔽等出現(xiàn)的異常情況。

2消除振動的基本方法

有些數(shù)控伺服系統(tǒng)采用的是半閉環(huán)裝置，而全閉環(huán)伺服系統(tǒng)必須是在期局部半閉環(huán)系統(tǒng)不發(fā)生振動的前提下進行參數(shù)調(diào)整，所以兩者大同小異，本文為避免重復，暫且只討論全閉環(huán)的情況。

要本著先外圍后內(nèi)部、先電氣后機械、先簡單后復雜、先靜后動、先公用后專用、先查軟件后查硬件的原則檢查故障，對于數(shù)控設(shè)備出現(xiàn)較復雜的故障，特別是涉及到控制系統(tǒng)時，應用這些原則可簡化故障的診斷過程，避免走彎路。有時這些原則應該結(jié)合使用，這樣才能使故障盡快排除

2.1降低位置環(huán)增益

在伺服系統(tǒng)中有參考的標準值，例如：FIDIAC0-2系統(tǒng)為2000，F(xiàn)IDIAFIAXVKVD位置環(huán)增益1500；FANUCO-C系列為3000，西門子3系統(tǒng)為 1666，出現(xiàn)振蕩可適當降低增益，但不能降太多，因為要保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。位置環(huán)增益系數(shù)Kv值的正確設(shè)定與調(diào)節(jié)。通常Kv值是作為機床數(shù)據(jù)設(shè)置的，數(shù)控系統(tǒng)中對各個坐標軸分別指定了Kv值的設(shè)置地址和數(shù)值單位。在速度環(huán)最佳化調(diào)節(jié)后Kv值的設(shè)定則成為反映機床性能好壞、影響最終精度的重要因素。Kv值是機床運動坐標自身性能優(yōu)劣的直接表現(xiàn)而并非可以任意放大。關(guān)于Kv值的設(shè)置要注意兩個問題，首先要滿足下列公式：

Kv=v/Δ

式中v——坐標運行速度，m/ min

Δ——跟蹤誤差，mm

注意，不同的數(shù)控系統(tǒng)采用的單位可能不同，設(shè)置時要注意數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的單位。例如，坐標運行速度v的單位是m/min，則Kv值單位為m/ (mm?min)，若坐標運行速度v的單位為mm/s，則Kv的單位應為mm/(mm?s)。

其次：要滿足各聯(lián)動坐標軸的Kv值必須相同，以保證合成運動時的精度（簡單例子：保證銑圓加工時的圓度）。通常是以Kv值最低的坐標軸為準。

案例：意大利蘭苞蒂PV12加工中心，故障描述：絲母的滾珠磨損造成雙向低速抖動，因絲母鋼球大小需要配合制作精度較高，并且采購周期較長。所以采用短期應急辦法：調(diào)整參數(shù)（FIDIAFIAXVKVD位置環(huán)增益由1200調(diào)整至1000、三軸同時調(diào)整）后應急加工正常。避免了因采購周期過長而造成的長期停機。

2.2位置檢測環(huán)節(jié)檢查

檢查測量光柵尺讀數(shù)頭、及其與尺座的相對安裝間隙，通常為尺座固定、讀數(shù)頭移動的形式，讀數(shù)頭的固定如果有極小的間隙，則會產(chǎn)生較大的抖動包括靜止的時候。

檢查讀數(shù)頭的電纜狀態(tài)，包括接插部分、屏蔽狀態(tài)（屏蔽點是否可靠接地）、若有EXE放大器則檢查接口狀態(tài)（必要時可以采取互換法）

2.3借助數(shù)控機床自帶的診斷軟件輔助分析

我公司數(shù)控機床的主要系統(tǒng)為FANUC（15、16、18、21），F(xiàn)IDIA（C0、C10、C20），SIEMENS840.它們都有各自的自診斷軟件，能夠分析出運動過程中的關(guān)鍵要素，例如：速度、位置精度，加速度，跟隨誤差，插補精度。

2.4參數(shù)調(diào)整開環(huán)設(shè)置（屏蔽光柵尺）

借助機床參數(shù)設(shè)置加以分析、排除位置檢測環(huán)節(jié)（光柵、磁柵、感應同步器、獨立編碼器）的故障因素。

圖1

例如：尺子表面有灰塵、油污等贓物，讀數(shù)頭與尺子的距離有微小的變化，反饋電纜屏蔽不良造成的干擾或是電纜接觸不良，獨立編碼器本身問題或是聯(lián)軸節(jié)等問題，感應同步器的滑尺與定尺之間間距，及其模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置問題等等。

借助參數(shù)設(shè)置將機床的控制系統(tǒng)由閉環(huán)轉(zhuǎn)為開環(huán)控制方法，是我們在借鑒的基礎(chǔ)上自主摸索創(chuàng)建的，已經(jīng)形成一套較標準的技術(shù)文件，在我公司大型加工中心的故障診斷排除過程中起到了較大的作用，不僅僅在機床振動的問題上，而且在位置環(huán)本身故障得排查方面，和因位置環(huán)暫時無法恢復而應急加工方面，也起到了相當大的作用。

圖1即為我公司幾大重點數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置方法。

2.5機械傳動鏈的系統(tǒng)檢查

2.5.1檢查驅(qū)動電機與滾珠絲杠的連接間隙，（皮帶張緊度、齒輪嚙合間隙、鍵或漲緊環(huán)間隙）

2.5.2檢查導軌潤滑及磨損（滑動導軌的油膜，滾動軸承的潤滑狀態(tài)，導軌面研傷情況）

2.5.3檢查絲杠傳動副（絲杠的兩端軸承、預緊螺母、絲杠的拉伸負荷），絲母的竄動量（滾珠的磨損、滾珠循環(huán)滾道、負荷墊片的間隙狀態(tài)）。

2.6 降低負載慣量比

負載慣量比一般設(shè)置在發(fā)生振動時所示參數(shù)的70%左右，如不能消除故障，不宜繼續(xù)降低該參數(shù)值。

2.7 加入比例微積分器（PID）

比例微積分器是一個多功能控制器，它個僅能有效地對電流電壓信號進行比例增益，同時可調(diào)節(jié)輸出信號滯后或超前的問題，振蕩故障有時因輸出電流電壓發(fā)生滯后或超前情況而產(chǎn)生，這時可通過PID來調(diào)節(jié)輸出電流電壓相位。

以上主要討論了幾種消除數(shù)控系統(tǒng)振蕩故障的基本方法，根據(jù)不同系統(tǒng)可選擇不同的方式進行參數(shù)優(yōu)化。主要是要了解振蕩的原因才能采取相應的消除方式進行調(diào)整，不可盲目進行參數(shù)修改，以免影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

案例分析：

機床簡介：我公司一臺江蘇多棱三軸數(shù)控銑TK42160A，數(shù)控系統(tǒng)采用SIEMENS840D，伺服驅(qū)動器類型：6SN1123，1FK6系列伺服電機，速度反饋ERN1387編碼器，位置檢測裝置選用FAGORNCVP直線光柵尺。

故障現(xiàn)象：工作臺X軸抖動嚴重（逐漸由低速抖動轉(zhuǎn)向高速抖動）。

診斷過程：

●根據(jù)輪廓誤差調(diào)整Kv因素（減小參數(shù)32200的數(shù)值）；無效

●檢查讀數(shù)頭安裝間隙（位置環(huán)FAGOR光柵尺）；正常

●檢查皮帶張緊度（工作臺電機通過皮帶與絲母連接驅(qū)動X軸）；正常

●檢查工作臺導軌貼塑料（滾動軸承輔助）；正常

●檢查導軌潤滑及磨損；【半年前的相似故障：低速抖動爬行，快速正常，修改位置環(huán)增益參數(shù)】。正常

●檢查絲杠預緊、伸長程度（備帽）；正常

●參數(shù)調(diào)整開環(huán)設(shè)置（屏蔽光柵尺），故障現(xiàn)象明顯減弱。

●拆除絲母發(fā)現(xiàn)負荷調(diào)整墊松動幾乎脫落，負荷間隙很大。故障癥結(jié)所在。

修復方法：

根據(jù)絲母預加符合重新制作調(diào)整墊片，安裝并采取防松措施，試車前把所有參數(shù)恢復到原始狀態(tài)，上電試車故障現(xiàn)象消除。

3結(jié)論

本文討論了幾種消除數(shù)控振蕩故障的常見方法，各種控制環(huán)節(jié)都有詳細的控制理論做依據(jù)，在保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性的同時，有效的消除振蕩問題，提高生產(chǎn)效率。當然，在有些控制環(huán)節(jié)還存在一些問題，需要以后繼續(xù)加深了解和解決。

數(shù)控系統(tǒng)振蕩問題是數(shù)控機床調(diào)試或運行中常見的故障，對于生產(chǎn)加工過程，及時處理好故障問題，以保證生產(chǎn)正常運行。同時對于進口加工中心需要重點維護，對于出現(xiàn)常見的振蕩問題，需要長時間的積累和對問題的理性判斷才能做到有效的維護和保養(yǎng)。所以，對于各種不同的數(shù)控機床需要采用不同的診斷方法，根據(jù)數(shù)控機床各自的特點制定有效的故障排除措施，提高生產(chǎn)運行能力，保證加工效率。

田國華（1972.9.9-）,男,籍貫：吉林省長春市,職稱：高級工程師,研究方向：裝備技術(shù)。

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