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

賀偉洪 段宇

上汽通用(沈陽)北盛汽車有限公司 遼寧沈陽 110000

數(shù)控機(jī)床技術(shù)是高精密機(jī)械和智能化電氣深度的融合，在提高機(jī)械裝部件加工精度和整機(jī)幾何精度同時(shí)，機(jī)床控制系統(tǒng)精度對(duì)提高機(jī)床加工精度有著非常重要的作用。數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)包括數(shù)控機(jī)床基本參數(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)提高數(shù)控機(jī)床精度，對(duì)機(jī)床的調(diào)試、升級(jí)改造及維護(hù)保養(yǎng)提供很大幫助。

1 數(shù)控機(jī)床的概念與特點(diǎn)

為了滿足復(fù)雜的市場(chǎng)需求，現(xiàn)階段使用的數(shù)控機(jī)床的種類也非常多，根據(jù)功能、控制原理等的不同，可以將其簡單分為點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床、普通數(shù)控機(jī)床以及其他種類。隨著數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展以及電子信息技術(shù)應(yīng)用程度的加深，一些具有特殊功能的數(shù)控機(jī)床被研發(fā)與應(yīng)用，滿足了機(jī)械制造行業(yè)多樣的發(fā)展需求。雖然數(shù)控機(jī)床的種類多種多樣，但是其主要結(jié)構(gòu)都是基本相同的，主要由兩部分組成，其中硬件系統(tǒng)包括機(jī)床本體、伺服系統(tǒng)、數(shù)控裝置、可編程控制器、驅(qū)動(dòng)裝置、電氣控制裝置以及一些輔助設(shè)備（裝置）所組成；軟件系統(tǒng)則包括輸入、傳輸、輸出以及分析處理系統(tǒng)等[1]。

與傳統(tǒng)的機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床最顯著的特點(diǎn)就是能夠根據(jù)數(shù)控指令來進(jìn)行工件的快速、準(zhǔn)確加工，而且能夠在加工過程中排除人為因素的影響，因此數(shù)控機(jī)床具有加工效率高、精度高，并且加工過程穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。與之相對(duì)應(yīng)的就是，數(shù)控機(jī)床的投資高、應(yīng)用成本高，而且由于其對(duì)操作人員、維護(hù)人員的綜合素質(zhì)提出了較高要求，需要增加大量的配套投資，因此數(shù)控機(jī)床很難在一些小規(guī)模企業(yè)中推廣應(yīng)用。

2 影響數(shù)控機(jī)床加工精度的主要因素

2.1 刀具因素

數(shù)控機(jī)床雖然在一定程度上擺脫了人為操作的影響，可以根據(jù)用戶預(yù)先定義的程序來自動(dòng)完成機(jī)械產(chǎn)品的切削加工，但其加工過程還是需要依靠刀具切削來實(shí)現(xiàn)減材操作，如果刀具本身存在幾何誤差，那么必然會(huì)影響到最終零件的加工精度。

2.2 伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)因素

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中廣泛應(yīng)用了伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，需要借助伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)切削加工，但伺服驅(qū)動(dòng)過程中可能就存在誤差（比如車床中的滾珠絲杠傳動(dòng)誤差），進(jìn)而會(huì)使運(yùn)動(dòng)部件的定位和運(yùn)行精度受到影響。此外，機(jī)械加工過程中可能會(huì)受到外力因素的影響，而這可能會(huì)使數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)和運(yùn)動(dòng)構(gòu)件出現(xiàn)變形，從而也會(huì)降低加工精度。

2.3 切削用量的選擇

現(xiàn)實(shí)中，當(dāng)采用數(shù)控機(jī)床加工機(jī)械產(chǎn)品時(shí)，需要依據(jù)加工方法合理選擇切削用量。只有科學(xué)確定切削用量并編寫入加工程序中，加工過程才符合實(shí)際要求，進(jìn)而生產(chǎn)出質(zhì)量合格的產(chǎn)品。然而現(xiàn)實(shí)卻是，很多制造企業(yè)出于提升加工效率的目的，沒有根據(jù)工藝需求科學(xué)選擇加工用量，而這就可能導(dǎo)致切削力增加，進(jìn)而就可能導(dǎo)致工件出現(xiàn)受力變形的問題，降低了加工精度。

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

3.1 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(dòng)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(dòng)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(dòng)軸直接連接滾珠絲桿螺距為10mm，系統(tǒng)的檢測(cè)單位為1μm時(shí)，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(cè)工作臺(tái)的移動(dòng)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(shí)參數(shù)計(jì)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(cè)裝置數(shù)控系統(tǒng)在調(diào)試時(shí)會(huì)因速度與反饋檢測(cè)信號(hào)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(cè)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(shí)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(huì)出現(xiàn)417報(bào)警，設(shè)定值在0-100，一般設(shè)定值為50[2]。

3.2 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(shí)負(fù)載慣量大于電機(jī)的慣量，機(jī)床軸及工作臺(tái)移動(dòng)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(huì)產(chǎn)生振動(dòng)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(shí)會(huì)產(chǎn)生（50-150）Hz的振動(dòng)，特別是機(jī)床振動(dòng)或高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)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至-20），一般設(shè)為-10。對(duì)于低頻率振動(dòng)扭矩指令濾波器參數(shù)2067設(shè)定值是約2000。對(duì)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(huì)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(duì)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)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(dòng)數(shù)。

設(shè)定時(shí)，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(dòng)的情況下盡量增大設(shè)定值，可以設(shè)定為5000。對(duì)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)[3]。調(diào)整原則是盡量提高設(shè)定值來保證在手動(dòng)快速和手動(dòng)慢速進(jìn)給等各種情況下機(jī)床都不能有振動(dòng)。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(dòng)則要修改畫面中的濾波器值參數(shù)2067，設(shè)定為約2000。

4 結(jié)語

數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為了我國機(jī)械加工行業(yè)中的主力，因此必須將提高數(shù)控機(jī)床加工精度作為工作中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。通過歸納、總結(jié)日常工作中影響加工精度的問題，針對(duì)性地提出了解決對(duì)策，能夠有效提升工件加工精度。