整圓加工調(diào)試及伺服調(diào)整關(guān)鍵技術(shù)研究*

宋艷麗

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

隨著裝備制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)床作為工業(yè)母機(jī)越來越成為不可或缺的一部分，大部分金屬產(chǎn)品的生產(chǎn)都需要用到機(jī)床，而機(jī)床的加工穩(wěn)定性又是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。提高機(jī)床穩(wěn)定性是一種重要手段，進(jìn)行整圓加工調(diào)試及伺服調(diào)整是控制機(jī)床精度的重要保障，也是必要措施，是機(jī)床交付測(cè)試及維護(hù)保養(yǎng)中的重要一環(huán)，是產(chǎn)品合格率的保證。本文通過對(duì)華中數(shù)控伺服驅(qū)動(dòng)器的加工調(diào)試分析[1]，進(jìn)行伺服調(diào)整來解決整圓加工中遇到的問題，以此提出借鑒思路及方法。

1 伺服調(diào)整策略

從以往的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)中可以總結(jié)出機(jī)床在加工圓弧及小角度直線輪廓時(shí)，效果不好的原因主要在于參數(shù)設(shè)置和機(jī)械安裝不良。若機(jī)床是三軸硬軌，摩擦力會(huì)比較大。驅(qū)動(dòng)器的特性往往很難調(diào)優(yōu)，導(dǎo)致加工零件表面有條狀震紋[2]。移動(dòng)軸換向加工出來表面還會(huì)有接痕，用肉眼可明顯觀測(cè)到，一般都呈現(xiàn)出一條線。如果補(bǔ)償過量，又會(huì)產(chǎn)生象限點(diǎn)處下凹。所以，首先要做的就是提高伺服剛性，減少進(jìn)給軸在低速及高速進(jìn)給時(shí)產(chǎn)生的加工震紋[3]。

機(jī)床提高HSV-160U 驅(qū)動(dòng)（速度比例增益）前后的圓柱加工效果，如圖1所示。

圖1 圓柱加工效果

參數(shù)設(shè)置原則：保證該軸在常規(guī)速度范圍內(nèi)（20 mm/min～6 000 mm/min）移動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生爬行、囂叫、振動(dòng)等異常情況，盡量提高該軸的特性。

參數(shù)設(shè)置順序：首先提高速度比例增益，當(dāng)該軸移動(dòng)時(shí)出現(xiàn)囂叫聲，將此項(xiàng)參數(shù)值略微減小，直到移動(dòng)該軸時(shí)聲音消失；再增加位置比例增益，當(dāng)該軸移動(dòng)時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)聲，將此項(xiàng)參數(shù)值略微減小，直至移動(dòng)該軸時(shí)聲音消失[4]；重復(fù)以上步驟一至兩次，直至獲得一個(gè)較高的比例增益。一般情況下，提高“PA0 位置比例增益”及“PA2速度比例增益”驅(qū)動(dòng)參數(shù)即可。

檢查標(biāo)準(zhǔn)：使用1000 mm/min的速度移動(dòng)該軸，系統(tǒng)顯示的跟蹤誤差在0.2 mm以下為宜，0.1 mm為佳。

如果在進(jìn)給軸的增益沒有進(jìn)行合理調(diào)整之前，進(jìn)行進(jìn)給軸反向間隙和過象限突跳補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整，過象限突跳補(bǔ)償?shù)募訙p速功能并不能很容易地補(bǔ)償反轉(zhuǎn)滯后[5]。提高伺服軸的位置環(huán)和速度環(huán)增益，本身就是在提高伺服的響應(yīng)和剛性，進(jìn)而補(bǔ)償反轉(zhuǎn)滯后的延時(shí)影響[6]。因此，在進(jìn)行過象限突跳補(bǔ)償功能之前，務(wù)必將位置環(huán)和速度環(huán)調(diào)整至較高的穩(wěn)定值，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行其他功能的補(bǔ)償，將會(huì)很容易進(jìn)行補(bǔ)償。

2 調(diào)整伺服匹配狀態(tài)

用伺服調(diào)整工具或球桿儀，測(cè)量出整圓時(shí)兩軸的伺服不匹配度。圖形呈橢圓或花生形，沿45°或135°對(duì)角方向拉伸變形。

在分別進(jìn)行順時(shí)針或逆時(shí)針測(cè)試時(shí)，拉伸變形軸向發(fā)生改變，將兩個(gè)方向的圖顯示在一起。通常，隨著進(jìn)給率的增加，拉伸變形量也會(huì)增加。調(diào)整伺服匹配狀態(tài)加工效果，如圖2 所示。若順時(shí)針繪制出一個(gè)長(zhǎng)軸朝向一、三象限的橢圓，如圖2（a）所示，即為X軸（橫軸）超前于Y軸（縱軸），應(yīng)適當(dāng)增大Y軸或減小X軸位置比例增益。將伺服不匹配值控制在“±0.1 ms”以內(nèi)，如圖2（b）所示。球桿儀不匹配的單位：ms，毫秒。

圖2 調(diào)整伺服匹配狀態(tài)加工效果

在無反向間隙補(bǔ)償時(shí)，使用華中8 型數(shù)控系統(tǒng)自帶的伺服調(diào)試工具可測(cè)量出突跳的三個(gè)時(shí)間，以備后續(xù)調(diào)試參考[7]。圓度測(cè)試圖，如圖3所示。

圖3 圓度測(cè)試圖

3 圓柱輪廓加工及圓度誤差測(cè)量

3.1 圓柱輪廓加工

首先準(zhǔn)備刀具，刀具為直徑8 mm～20 mm 立銑刀，為4 刃合金，螺旋角30°。夾持后伸出長(zhǎng)度在40 mm 以下，在保證正常切削和夾持的情況下，夾持后刀具伸出長(zhǎng)度越短越好。工件材料：45#鋼、合金鋁、黃銅。尺寸：長(zhǎng)90 mm、寬90 mm、高30 mm。精加工切削參數(shù)：吃刀深度5 mm～20 mm、吃刀量0.1 mm 左右，每齒進(jìn)給量0.04 mm 左右。每齒進(jìn)給量＝進(jìn)給速度÷主軸轉(zhuǎn)速÷刀具刃數(shù)。

切削程序如表1 所示，刀具軌跡路線如圖4所示。

表1 切削程序

圖4 刀具軌跡路線

3.2 圓度誤差測(cè)量

3.2.1 安裝杠桿千分表

使主軸回到被加工圓的圓心上方，將磁力表座吸到主軸轉(zhuǎn)子上，取消主軸使能，使其可自由旋轉(zhuǎn)，再安裝杠桿千分表，如圖5所示。

圖5 杠桿千分表安裝

使表?xiàng)U和被測(cè)面的夾角盡量地小，以保證測(cè)量精度[8]；若條件不允許，可換算度數(shù)值，如圖6所示。

圖6 換算度數(shù)值

使表針的測(cè)量方向與被加工圓的直徑重合（朝向圓心），調(diào)整磁力表座上的微調(diào)桿，使杠桿表針接觸已加工面，適當(dāng)壓表并校零。

3.2.2 測(cè)量前的調(diào)表

用手正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)主軸轉(zhuǎn)子（禁止觸碰磁力表座），觀察杠桿表的變化是否在量程范圍內(nèi)。若不在：1）適當(dāng)調(diào)整壓表距離；2）更換大量程杠桿表；3）檢查程序及系統(tǒng)參數(shù)。

若表針兩個(gè)方向都有明顯抖動(dòng)，無法讀數(shù)：1）調(diào)整杠桿表安裝角度，使表?xiàng)U的偏擺面垂直于水平面，如圖7 所示；2）改善切削工藝，減小加工振動(dòng)；3）更換較大測(cè)量精度的杠桿表（如0.01 mm）。

圖7 工件與杠桿表位置設(shè)定

3.2.3 圓度測(cè)量

用手緩慢勻速地朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)主軸頭，記錄杠桿表讀數(shù)，其中最大的讀數(shù)差值即為杠桿表測(cè)量的圓度誤差。圓度測(cè)量數(shù)值如表2所示。

表2 圓度測(cè)量數(shù)值

4 反向間隙及過象限突跳補(bǔ)償設(shè)置

4.1 反向間隙

機(jī)器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可能存在間隙。在直連機(jī)構(gòu)中這通常是由滾珠螺桿端部浮動(dòng)或驅(qū)動(dòng)螺母磨損造成的，導(dǎo)致機(jī)器在被驅(qū)動(dòng)換向時(shí)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的停頓[9]。

在接近Y 軸前后機(jī)器從開始以近乎理想圓運(yùn)行，然后機(jī)器停頓并偏離理想圓。圖形刻度調(diào)整將實(shí)際切削零件上的平臺(tái)轉(zhuǎn)換成在診斷圖形中的反向間隙。

測(cè)量及設(shè)置反向間隙補(bǔ)償值：沿著加工方向旋轉(zhuǎn)主軸，記錄過象限點(diǎn)前后的讀數(shù)差，若千分表壓表6格，即表針順時(shí)針旋轉(zhuǎn)12 μm，一般千分表的最小測(cè)量單位為0.002 mm。若為測(cè)量外圓，即該軸反向間隙補(bǔ)償值不夠，還需要增加12 μm。若為測(cè)量?jī)?nèi)圓，即該軸反向間隙補(bǔ)償值過多，需要減小12 μm。反向間隙設(shè)置如圖8所示。

圖8 反向間隙設(shè)置

兩個(gè)軸都調(diào)整完后，減小刀具半徑補(bǔ)償值，再次精加工整圓輪廓，千分表測(cè)量，直到整圓在軸線上的錯(cuò)位減至最小。

4.2 過象限突跳

當(dāng)某一機(jī)器軸向某一方向驅(qū)動(dòng)，然后必須向相反方向反向移動(dòng)，在換向處機(jī)器不是平穩(wěn)反向運(yùn)動(dòng)，而可能短時(shí)的黏性停頓[10]。

在接近Y 軸前后機(jī)器如何從開始以近乎理想圓運(yùn)行，然后由于機(jī)器停頓而偏離理想圓，如圖9 所示。由于機(jī)器表現(xiàn)出向理想圓外運(yùn)動(dòng)，圖形刻度調(diào)整將實(shí)際切削零件上的平臺(tái)轉(zhuǎn)換成在診斷圖形中的尖峰。

圖9 過象限突跳調(diào)整

4.2.1 過象限突跳補(bǔ)償方法

過象限突跳補(bǔ)償參數(shù)主要用于彌補(bǔ)機(jī)床在換向時(shí)的短暫黏性停頓，該現(xiàn)象可導(dǎo)致被加工零件在圓弧象限點(diǎn)處產(chǎn)生臺(tái)階痕跡[11]，如圖10所示。

圖10 臺(tái)階痕跡

華中8 型數(shù)控系統(tǒng)提供兩種補(bǔ)償方法，由參數(shù)“30*125：過象限突跳補(bǔ)償類型”（“*”號(hào)為對(duì)應(yīng)軸號(hào)，為“0”表示X 軸，為“1”表示Y 軸，以此類推）設(shè)定，具體參數(shù)如表3所示。

表3 過象限突跳補(bǔ)償參數(shù)

上表中30*126、30*127、30*130、30*131 為位置環(huán)補(bǔ)償?shù)膮?shù)，30*127、30*130、30*132、30*133、30*134 為速度環(huán)補(bǔ)償?shù)膮?shù)。通常情況下使用位置環(huán)補(bǔ)償方式，該方法補(bǔ)償量比較直觀，操作簡(jiǎn)便。

4.2.2 突跳測(cè)量及設(shè)置過象限突跳補(bǔ)償

1）在象限點(diǎn)附近緩慢旋轉(zhuǎn)主軸，記錄過象限點(diǎn)時(shí)的讀數(shù)變化，若壓表2 格后還原，即表針順時(shí)針偏轉(zhuǎn)4 μm 又回到原位，即為該軸的象限點(diǎn)處有4 μm 的凸起，若為測(cè)量外圓，需要增加4 μm 的過象限突跳值。過象限突跳測(cè)量，如圖11 所示。

圖11 過象限突跳測(cè)量

2）延遲時(shí)間、加速時(shí)間、減速時(shí)間，可參照無反向間隙補(bǔ)償時(shí)的伺服調(diào)試工具所測(cè)量出的時(shí)間設(shè)置。一般情況下減速時(shí)間可設(shè)為0，方便后續(xù)的調(diào)試。

3）兩個(gè)軸都調(diào)整完后，減小刀具半徑補(bǔ)償值，再次精加工整圓輪廓，打表測(cè)量，直到整圓在象限點(diǎn)的凸起減至最小。

4）補(bǔ)償后，若沿著加工方向打表，突跳點(diǎn)先凹再凸，說明補(bǔ)償時(shí)間太短，需要適當(dāng)增加。

5）若突跳點(diǎn)先凸再凹，說明補(bǔ)償時(shí)間太長(zhǎng)了，需要適當(dāng)減少。

6）重復(fù)步驟4、5 的操作直至“凸臺(tái)平整”或“只有凹坑”（過補(bǔ)償）、“只有凸起”（欠補(bǔ)償）。

一般情況下，按照以上步驟即可將機(jī)床調(diào)整到比較好的特性狀態(tài)。

4.3 突跳補(bǔ)償使用系統(tǒng)中的調(diào)試工具測(cè)量

在系統(tǒng)的“診斷”界面有一個(gè)“伺服調(diào)試”按鍵，按下該鍵后便進(jìn)入到系統(tǒng)集成的調(diào)試工具界面，可通過鍵盤上的“↑”“↓”方向鍵選擇“圓度測(cè)試”項(xiàng)目，在“自動(dòng)”狀態(tài)下“配置”完測(cè)試圓的直徑和速度等參數(shù)后，按下“返回”鍵，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成測(cè)試程序，再按下“循環(huán)啟動(dòng)”鍵即可自動(dòng)運(yùn)行程序并采集整圓軌跡[12]，如圖12所示。

圖12 整圓軌跡采集

采集完成后屏幕右上方會(huì)給出突跳補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)數(shù)據(jù)，此時(shí)可以按下屏幕下方的“應(yīng)用”鍵，直接將系統(tǒng)計(jì)算出的突跳補(bǔ)償參數(shù)錄入到系統(tǒng)中，按下“保存”再“復(fù)位”參數(shù)即可生效。

注意事項(xiàng)：1）在使用該功能時(shí)要關(guān)閉反向間隙補(bǔ)償及突跳補(bǔ)償，避免測(cè)量數(shù)據(jù)疊加導(dǎo)致誤差放大；2）因?yàn)榇蠖鄶?shù)機(jī)床的位置反饋都來自于電機(jī)編碼器，而電機(jī)到機(jī)床之間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致一定的延遲，所以實(shí)際需要設(shè)定的突跳補(bǔ)償時(shí)間比系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)算出來的要短，還需要適當(dāng)微調(diào)[13]。若使用全閉環(huán)的直線光柵尺，就可以避免該問題的發(fā)生[14]。

4.4 人工測(cè)量計(jì)算法

反向躍沖的影響將使圓弧插補(bǔ)刀徑出現(xiàn)一個(gè)小平臺(tái)后再向原軌跡復(fù)位的臺(tái)階，在象限點(diǎn)一個(gè)軸沿著原來的方向繼續(xù)移動(dòng)，另外一個(gè)軸在圓弧象限點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生改變。如果此時(shí)存在反向間隙，那么此時(shí)X軸仍繼續(xù)移動(dòng)，而Y 軸電機(jī)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，但由于絲杠有反向間隙，因此沒有產(chǎn)生工件運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)圖13 中的公式可反算突跳的尖峰高度，若平臺(tái)的寬度是0.5 mm，工件直徑是30 mm，則突跳的尖峰高度：0.5×0.5÷30＝0.008 3 mm。即過象限突跳補(bǔ)償值設(shè)置為0.008 mm。

圖13 人工測(cè)量計(jì)算法

若加工速度為1 000 mm/min，則象限點(diǎn)到突跳尖峰的時(shí)間：0.5÷（1 000/60 000）＝30 ms。即延時(shí)時(shí)間和加速時(shí)間的和為30 ms，減速時(shí)間小于30 ms。

5 結(jié)語(yǔ)

整圓加工可以直接觀察加工效果，檢查零件表面質(zhì)量，通過采集數(shù)據(jù)進(jìn)行伺服調(diào)整，實(shí)現(xiàn)反向間隙調(diào)整及過象限突跳調(diào)整，解決產(chǎn)品缺陷問題，完善加工效果，優(yōu)化零件表面加工質(zhì)量[15-18]。通過機(jī)床實(shí)際加工測(cè)試，發(fā)現(xiàn)問題，提出解決方案，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，給出加工調(diào)整指導(dǎo)意見，為機(jī)床伺服參數(shù)調(diào)整人員提供借鑒。