超精密立式磨床Z軸振動案例分析

楊逢春 張 軍 葉 超

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽621900）

0 引言

立式磨床主要用于磨削長軸類、筒類等零件內(nèi)、外圓，我單位近期成功研制了一臺超精密立式磨床。該機床采用基于PMAC控制器的開發(fā)式數(shù)控系統(tǒng)，X軸、Z軸、C軸均采用直驅(qū)電機，其導軌采用靜壓支承，直線電機帶動大型重載負載運動，并由平衡杠協(xié)調(diào)動態(tài)平衡。

該結構特點機床在國內(nèi)為首次研發(fā)，在裝調(diào)、優(yōu)化等方面尚無相關經(jīng)驗可以借鑒，在研制優(yōu)化過程中遇到了很多技術難題。本文以工作中實際遇到的典型問題為對象，詳細介紹了超精密立式磨床Z軸導軌振動故障的解決思路，以期為類似專用機床的研制調(diào)試提供參考。

1 故障現(xiàn)象及系統(tǒng)控制原理

機床進給軸振動，對加工的精度、工件的表面質(zhì)量有著不容忽視的影響。Z軸在移動過程中出現(xiàn)振動，嚴重影響機床精度。

Z軸采用科爾摩根驅(qū)動器，并由西門子直線電機帶動大型重載部件運動，海德漢光柵尺作全閉環(huán)反饋，并由平衡杠協(xié)調(diào)動態(tài)平衡。

該系統(tǒng)采用PC機+PMAC+科爾摩根驅(qū)動器+西門子直線電機的控制方案，海德漢光柵作為反饋，如圖1所示。此方案在驅(qū)動器側實現(xiàn)速度環(huán)、電流環(huán)控制，PMAC控制卡側實現(xiàn)位置環(huán)控制，運動精度高。

圖1 方案原理圖

工控機作為上位機向PMAC控制器發(fā)出指令，PMAC經(jīng)過分析處理，向科爾摩根發(fā)出模擬量信號，驅(qū)動器接收到信號后經(jīng)過一系列的算法，輸出控制信號驅(qū)動西門子直線電機移動。海德漢光柵尺實時將移動位移轉化成數(shù)字信號反饋給PMAC，組成全閉環(huán)系統(tǒng)。

2 機械結構

Z軸由科爾摩根724型驅(qū)動器驅(qū)動西門子直線電機1FN3，其導軌采用雙C型結構靜壓支承，如圖2所示，導軌行程接近1.5 m，導軌由床身、側導軌、上導軌以及滑臺組成。制造時保證導軌零件形位精度控制在1 μm，由于靜、動部件不接觸，真正實現(xiàn)了無摩擦，減小了熱變形對精度的影響。

圖2 Z軸結構圖

3 故障分析與處理

Z軸在移動過程出現(xiàn)振動，與機械傳動方面、電氣伺服方面都可能有關。機械方面可能與機械油膜間隙、機械安裝、平衡系統(tǒng)有關，電氣方面與伺服剛性、反饋系統(tǒng)等都有關。

靜壓導軌移動部件受到摩擦力，主要需檢查靜壓是否建立，油膜沒建立好，是引起振動和爬行的主要原因之一。缺少潤滑油會導致活塞受損，從而引起振動。重新加注潤滑油后，系統(tǒng)振動有一定改善，但是依舊存在（可以通過監(jiān)測系統(tǒng)速度得知），如圖3所示。

圖3 Z軸速度監(jiān)測分析圖

機床進給軸振動與伺服各個環(huán)節(jié)也密切相關，指令速度與實際速度波動很大，加上機床Z軸屬重載，平衡杠非線性等因素影響，也會引起系統(tǒng)振動，適當提高速度環(huán)，降低電流環(huán)，系統(tǒng)跟隨特性有明顯改善。

為了保證系統(tǒng)慣量匹配，綜合調(diào)整電流環(huán)和速度環(huán)，對系統(tǒng)進行伺服優(yōu)化，先將電流環(huán)由原來的25.5降低為20，速度環(huán)增益由2.5增加至5，在積分時間上，電流環(huán)時間設置為0.7 ms，速度環(huán)時間設置為10 ms。

再配合示波器和信號發(fā)生器對電機進行調(diào)試，調(diào)節(jié)電流環(huán)、速度環(huán)，最終使電機達到滿意的控制特性，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后電流、速度跟隨分析圖

4 建議及總結

隨著我國機械制造水平的提高，超精密機床正逐漸邁入國際先進水平。目前，超精密機床雖然精度高、結構復雜，但只要在其裝配、調(diào)試過程中掌握機床相關模塊的工作原理和機械結構，了解其操作方法、動作順序，利用高精度的檢測方法，對故障現(xiàn)象從原理上作充分分析，就一定能找到排除故障的方法，從而達到預期效果。通過超精密立式磨床機電控制系統(tǒng)調(diào)試，我們對基于PMAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)以及直線電機驅(qū)動系統(tǒng)有了深入了解，為后續(xù)相關設備調(diào)試積累了豐富的經(jīng)驗。