數控機床系統產生振動爬行的原因及消除措施

摘要：數控系統振蕩問題是數控機床調試或運行中常見的故障，本文介紹了數控機床伺服系統的控制原理及產生振蕩的原因分析并提出了全閉環控制系統消除振蕩的理論依據和方法。

關鍵詞：數控機床；伺服系統；振蕩；消除

一、引言

數控系統的振蕩現象已成為數控全閉環系統的共同性問題。系統振蕩時會造成機床產生爬行與振動故障，尤其在臥式帶立柱的軸和旋轉數控工作臺軸其系統出現振蕩的頻率較高。該問題已成為影響數控設備正常使用的重要因素之一。

二、產生振蕩的原因分析

機床的振蕩故障通常發生在機械部分和進給伺服系統。產生振蕩的原因有很多，陳了機械方面存在不可消除的傳動間隙、彈性變形、摩擦阻力等諸多因素外，伺服系統的有關參數的影響也是重要的一方面。伺服系統有交流和直流之分，本文主要討論直流伺服系統因參數影響引起的振蕩。大部分數控機床采用的是全閉環方式，其控制原理圖如圖所示。

由圖可分析，引起伺服系統振動的原因大致有四種情況：a位置環不良又引起輸出電壓不穩；b速度環不良引起的振動；c伺服系統可調定位器太大引起電壓輸出失真；d傳動機械裝如絲杠間隙太大。

這些控制環的輸出參數失真或機械傳動裝置間隙太大都是引起振動的主要因素。它們都可以通過伺服控制系統進行參數優化。

三、消除振蕩的基本措施

（一）閉環伺服系統造成的振蕩

有些數控伺服系統采用的是半閉環裝置，而全閉環伺服系統必須是在其局部半閉環系統不發生振蕩的前提下進行參數調整，所以兩者大同小異，本文只討論全閉環情況下的參數優化方法。

（二）降低位置環增益

在伺服系統中有參考的標準值，例如FANUC-OC系列為3000，西門子3系統為1666，出現振蕩可適當降低增益，但不能降太多，因為要保證系統的穩態誤差。

（三）降低負載慣量比

負載慣量比一般設置在發生振動時所示參數的70%左右，如不能消除故障，不宜繼續降低該參數值。

（四）加入比例微積分器（PID）

比例微積分器是一個多功能控制器，它不僅能有效地對電流電壓信號進行比例增益，同時可調節輸出信號滯后成超前的問題，振蕩故障有時因輸出電流電壓發生滯后成超前情況而產生，這時可通過PID來調節輸出電流電壓相位。

（五）采用高頻抑制功能

以上討論的是有關低頻振蕩時參數優化方法，而有時數控系統會因機械上某些振蕩原因產生反饋信號中含有高頻諧波，這使輸出轉矩里不恒定，從而產生振動。對于這種高頻振蕩情況，可在速度環上加入一階低通濾波環節，即為轉矩濾波器。其控制原理如圖所示。

圖2表明，速度指令與速度反饋信號經速度控制器轉化為轉矩信號，轉矩信號通過一階濾波環節將高頻成分截止，從而得到有效的轉矩控制信號。通過調節參數可將機械產生的100Hz以上的頻率截止，從而達到消除高頻振蕩的效果。

綜上所述，利用雙位反饋可使系統在全閉環和半閉環兩種方式下進行，從而大大提高了系統的調節范圍，也增加了系統的調節參數。從時間常數上可知，該系統可在停止狀態下進行全閉環誤差調整，在過渡狀態下可進行半閉環調整。現以FANUC0-C為例，將具體參數調整過程進行簡單介紹。首先設參數P8411#（DPFB）為1，即為選擇雙位置反饋功能；P8499為位置反饋的最大振幅，一般設置為0；P8478（分子）和P8479（分母）為上圖中位轉換環節的常數設置，可根據要求設置；P8480為一階延時環節的參數設置代號，其設置范圍為：10~300mS，一般設定為100mS左右；P8481為零點幅度，一般情況下為0，但因振蕩可適當調高一點。

雙位反饋功能是一種比較靈活的誤差修正方式，在系統調試過程中有很好的參數優化和保證系統穩定性的功能。

（六）采用機械反饋功能

在保證半閉環穩定性后，使用全閉環系統來調整系統有關參數。若其機械環節引起的彈性振蕩故障，需采用機械反饋環節來調整參數，可達到很好的效果。

由機械原因引起的振蕩若造成爬行與振動的原因在機械部分，應首先檢查導軌副。因移動部件所受的摩擦阻力主要是來自導軌副，導軌副的動、靜摩擦因數大，且其差值也大，容易造成爬行。目前數控機床的導軌副廣泛采用了滾動導軌、靜壓導軌、塑料導軌，如果導軌副的間隙調整不好，仍會造成爬行成振動。對于靜壓導軌應著重檢查靜壓是否建立，對于塑料導軌可檢查導軌面上是否有雜質或異物，對于滾動導軌則應檢查導軌副的預緊情況等。

其次，要檢查進給傳動鏈。有效地提高傳動鏈的傳動剛度，對于提高運動精度，消除爬行非常有益。引起爬行的原因常常是軸承、絲杠螺母副和絲杠本身的預緊不理想，傳動鏈中存在間隙或傳動鏈長，傳動軸直徑偏小，支承和支承座的剛度不夠等。

另外，克服爬行除了在系統中引入阻尼、變更系統的動力特性外，從摩擦學的角度最有效的方法就是通過改善潤滑或變更材料以改變摩擦因數。有時爬行就是因導軌副潤滑狀態不好造成的。采用具有防爬作用的導軌潤滑油是一種非常有效的措施，這種導軌潤滑油中有極性防爬添加劑，能在導軌表面形成一層不易破裂的油膜，從而改善導軌的摩擦特性。

四、結束語

數控系統振蕩問題是數控機床調試或運行中常見的故障，以上主要討論了幾種消除數控系統振蕩故障的基本方法，根據不同系統可選擇不同的方式進行參數優化。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整，不可盲目進行參數修改，以免影響到整個系統的穩定性與可靠性。對于各種不同的數控系統需要采用不同的診斷方法，根據數控系統的特點制定有效的故障排除措施，提高生產運行能力，保證加工效率。

參考文獻：

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