探討電氣系統(tǒng)調(diào)試提升數(shù)控機(jī)床精度的方法

崔承洋 郭凱

摘 要：通過對數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)、伺服的優(yōu)化來提升數(shù)控機(jī)床精度調(diào)試實(shí)例的分析，總結(jié)數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)精度的調(diào)試方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;電氣系統(tǒng);精度

在數(shù)控機(jī)床加工過程中，除了要控制機(jī)床本身出現(xiàn)的機(jī)械誤差外，還要控制電氣系統(tǒng)的控制誤差，控制電氣系統(tǒng)誤差主要是對系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)試?？刂葡到y(tǒng)參數(shù)有伺服進(jìn)給系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)等。數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)又包括數(shù)控機(jī)床的基本參數(shù)、進(jìn)給參數(shù)及梯形圖參數(shù)等，通過修改控制系統(tǒng)參數(shù)可以提高數(shù)控機(jī)床精度，對機(jī)床的調(diào)試、升級改造及維護(hù)保養(yǎng)有很大幫助。以FANUC0iMD系統(tǒng)的機(jī)床機(jī)電聯(lián)調(diào)為例，通過運(yùn)用數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試、機(jī)械誤差補(bǔ)償、伺服驅(qū)動參數(shù)優(yōu)化等方法來提高數(shù)控機(jī)床整機(jī)精度，從而彌補(bǔ)機(jī)床機(jī)械零部件尺寸公差、形位公差以及裝配精度誤差之間的不足，使機(jī)床精度能夠達(dá)到更高的標(biāo)準(zhǔn)，這對于電氣系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的精度調(diào)整具有重要使用。

一、機(jī)械誤差的測量與補(bǔ)償

1.加工中心的刀庫可以有效提升加工生產(chǎn)率，刀庫在換刀時所出現(xiàn)的誤差一般來源于刀柄、主軸錐孔、刀具磨損等，它們會使定位精度出現(xiàn)下降，進(jìn)而影響到加工質(zhì)量。為了保證加工工件的尺寸精度，需要在參數(shù)5001和5002設(shè)定刀具長度補(bǔ)償或半徑補(bǔ)償。

2.螺距誤差補(bǔ)償。數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠和螺母因有裝配誤差、螺距累積誤差等，其中絲杠的螺距累積誤差會造成機(jī)床定位精度下降。一般使用激光干涉儀測量出螺距累積誤差值，螺距誤差補(bǔ)償在數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)3620～3624中輸入激光干涉儀測量的數(shù)值，補(bǔ)償數(shù)值后在數(shù)控系統(tǒng)自動增加或減少控制的脈沖數(shù)來提高機(jī)床的定位精度。

3.反向間隙補(bǔ)償。滾珠絲桿與螺母之間、滾珠絲桿與支撐它的軸承之間的軸向間隙、數(shù)控機(jī)床滾珠絲桿軸承預(yù)緊力不夠、磨損產(chǎn)生間隙造成的軸向竄動等原因都會使數(shù)控機(jī)床工作臺移動產(chǎn)生反向間隙。反向間隙使數(shù)控機(jī)床工作臺反向移動的初始階段產(chǎn)生空行程不能立即執(zhí)行動作造成的反向誤差，直到間隙消除為止工作臺才移動。檢查方法是沿一個方向手動移動坐標(biāo)軸一段距離后用千分表打托盤，然后用手輪反向移動托盤直到表針擺動為止，手輪移動的尺寸即為反向間隙，把此數(shù)值輸入數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)1851中進(jìn)行間隙補(bǔ)償。

二、進(jìn)給系統(tǒng)慣量與系統(tǒng)控制參數(shù)的優(yōu)化

1.數(shù)控機(jī)床柔性齒輪比的設(shè)定。柔性齒輪比的參數(shù)指的是匹配伺服電機(jī)脈沖數(shù)與絲桿的最小移動量，由于伺服電機(jī)連接的滾珠絲杠和同步帶輪不同，數(shù)控系統(tǒng)移動最小單位量也是不同的，因此，使柔性齒輪比參數(shù)設(shè)置有所不同，修改電子齒輪比的分倍頻可實(shí)現(xiàn)不同的脈沖當(dāng)量。例如在半閉環(huán)的FANUC0iMD系統(tǒng)中設(shè)定柔性齒輪比參數(shù)，當(dāng)運(yùn)動軸直接連接滾珠絲桿螺距為10mm，系統(tǒng)的檢測單位為1μm時，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)1周（10mm）所需的脈沖數(shù)為10/0.001=10000脈沖。

2.位置反饋脈沖數(shù)的設(shè)定。全閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床裝有光柵尺檢測工作臺的移動距離，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)1周光柵尺反饋的脈沖數(shù)為位置脈沖數(shù)。設(shè)定時參數(shù)計算如下，在使用螺距10mm的滾珠絲桿（直接連接）、具有1脈沖0.5μm分辨率的光柵尺的情形下，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)1周的反饋脈沖數(shù)=滾珠絲桿的螺距10mm/光柵尺的分辨率0.0005mm。

3.機(jī)械速度反饋參數(shù)設(shè)定。帶光柵檢測裝置數(shù)控系統(tǒng)在調(diào)試時會因速度與反饋檢測信號不一致而產(chǎn)生振蕩，一般都是機(jī)械系統(tǒng)剛性不足造成，首先考慮調(diào)整機(jī)械速度反饋的參數(shù)，數(shù)控機(jī)床光柵檢測反饋原理。床身機(jī)械結(jié)構(gòu)電機(jī)側(cè)速度反饋參數(shù)2012#1設(shè)定為1時表示有效，α反饋增益參數(shù)2088設(shè)定為50，如果是串行光柵，設(shè)定數(shù)值>100會出現(xiàn)417報警，設(shè)定值在0～100，一般設(shè)定值為50。

三、數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整及伺服的優(yōu)化

1.加速反饋。當(dāng)伺服電機(jī)與機(jī)床連接時負(fù)載慣量大于電機(jī)的慣量，機(jī)床軸及工作臺移動的慣性和摩擦阻尼滯后，伺服控制系統(tǒng)如果沒有接收伺服位置偏差反饋進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制就沒有位置控制插補(bǔ)輸出脈沖，數(shù)控機(jī)床會產(chǎn)生振動和軌跡誤差。加速反饋與負(fù)載慣量關(guān)系，調(diào)整負(fù)載慣量比值>512時會產(chǎn)生（50～150）Hz的振動，特別是機(jī)床振動或高速運(yùn)動產(chǎn)生的動態(tài)軌跡誤差較大，而機(jī)床負(fù)載慣性的軌跡誤差與加速度成正比。加速度前饋能減小伺服系統(tǒng)的軌跡誤差，在FANUC0iMD數(shù)控系統(tǒng)用加速度前饋及轉(zhuǎn)矩前饋軌跡誤差補(bǔ)償。加速度反饋增益參數(shù)2066設(shè)定值為（-10～-20），一般設(shè)為-10。對于低頻率振動扭矩指令濾波器參數(shù)2067設(shè)定值是約2000。對于高頻率的機(jī)械共振≥200Hz使用HRV（HighResponseVec-tor，高分辨率）濾波器來抑制。

2.增益優(yōu)化與補(bǔ)償。高增益值會導(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)輸出速度變化劇烈，速度突然變化致使數(shù)控機(jī)床機(jī)械裝置受到較大的沖擊影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以增益對伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)性能都有很大的影響。伺服單元位置環(huán)增益控制，系統(tǒng)要求將位置環(huán)增益設(shè)定為較大值來提高機(jī)器剛性并增大機(jī)器的固有振動數(shù)。

設(shè)定時，首先將功能位參數(shù)2003位3（PIEN）設(shè)定為1，回路增益參數(shù)1825設(shè)定為3000，在機(jī)床不產(chǎn)生振動的情況下盡量增大設(shè)定值，可以設(shè)定為5000。對于速度增益值的設(shè)定，速度增益值=（1+負(fù)載慣量比（參數(shù)2021）/256）×100。式中的負(fù)載慣量比是電機(jī)的慣量和負(fù)載的慣量比，直接和機(jī)床的機(jī)械特性相關(guān)。調(diào)整原則是盡量提高設(shè)定值來保證在手動快速和手動慢速進(jìn)給等各種情況下機(jī)床都不能有振動。一般通過設(shè)定參數(shù)2066值為-10增加伺服電流環(huán)來改變，如果還有振動則要修改畫面中的濾波器值參數(shù)2067，設(shè)定為約2000。

四、結(jié)語

綜上所述，數(shù)控機(jī)床技術(shù)能夠?qū)⒏呔軝C(jī)械與智能化電氣系統(tǒng)有機(jī)融合，提高機(jī)械零部件加工精度和幾何精度，對提升機(jī)床加工精度有著重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉賢文.數(shù)控機(jī)床故障診斷與排除[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.