數(shù)控車床的伺服系統(tǒng)調(diào)整技術(shù)

陳蓉

摘 要 數(shù)控車床是當(dāng)今工業(yè)化時代技術(shù)水平的代表。對數(shù)控車床存在的問題及解決辦法進(jìn)行學(xué)習(xí)能更進(jìn)一步的促進(jìn)其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。本文對數(shù)控車床伺服系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了簡要描述、數(shù)控車床的伺服系統(tǒng)調(diào)整技術(shù)進(jìn)行了簡介，并結(jié)合實例分析了數(shù)控車床在實際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題的解決辦法，進(jìn)一步加深了讀者對于伺服系統(tǒng)的認(rèn)識，對伺服系統(tǒng)調(diào)整技術(shù)的掌握，有助于數(shù)控車床的更好應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 數(shù)控成床；伺服；調(diào)整

中圖分類號：TP659 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）19-0038-02

當(dāng)前，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，工業(yè)自動化水平不斷取得新的突破。目前，在我國各類工業(yè)廠區(qū)，數(shù)控機床正被廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)過程。數(shù)控機床是當(dāng)今生產(chǎn)過程中的重要的機械裝置，目前的數(shù)控機床采用先進(jìn)的數(shù)字控制系統(tǒng)，進(jìn)而實現(xiàn)對伺服軸的高效控制。它的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的普通機床加工程序編寫復(fù)雜、使用效率低、切削精度不高、加工零件一致性差的缺點。在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，數(shù)控機床被看作是先進(jìn)制造技術(shù)的核心。

在數(shù)控機床的實際應(yīng)用中，對整個應(yīng)用效果起著決定性作用的是機床的伺服系統(tǒng)。機床的伺服系統(tǒng)又叫隨動系統(tǒng)、拖動系統(tǒng)或者是伺服機構(gòu)。機床的伺服系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，其控制的變量為機床的移動部件的移動位置和移動速度。在數(shù)控機床使用中，伺服驅(qū)動系統(tǒng)首先接收由CNC裝置（插補裝置或插補軟件）發(fā)出的脈沖指令信號，這些信號經(jīng)過信號放大器和信號轉(zhuǎn)換模塊的放大與變換之后，再將各設(shè)備的電壓和功率放大，使它們按照信號指令進(jìn)行運動。有的設(shè)備運動帶動工作臺的運動，有的帶動刀架的運動，然后再按照幾個坐標(biāo)軸進(jìn)行組合運動，使刀具與工件之間產(chǎn)生相對運動，工件與刀具之間進(jìn)行完一系列復(fù)雜的機械運動之后，就能夠得到各種需要的形狀各異的工件。因此，要想得到高精度的理想的一致性好的批量工件，需要對數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)的調(diào)整技術(shù)進(jìn)行研究，以便能夠使工件切削時的，快速靈活的運用不同的伺服系統(tǒng)調(diào)整技術(shù)完成不同的操作，實現(xiàn)機械加工的目的。

1 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)調(diào)整技術(shù)研究概述

數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)主要有主軸、X軸、Z軸、刀塔、尾臺等。在數(shù)控機床的這些機械結(jié)構(gòu)中，對加工成的工件的質(zhì)量造成重要影響的動作主要來源于主軸、X軸、Z軸。而其中能夠完成插補加工的主要是X軸和Z軸，對其伺服進(jìn)行研究，能夠進(jìn)一步改善工件的加工質(zhì)量，有助于機械加工技術(shù)的發(fā)展。在對上述部分進(jìn)行研究時，需要結(jié)合實際加工中遇到的各種問題進(jìn)行研究。目前主要是從機械和電氣兩個方面進(jìn)行伺服調(diào)整的研究，具體的研究內(nèi)容就是機械結(jié)構(gòu)、機械裝配方面的調(diào)整和電氣伺服參數(shù)調(diào)整確定這三個方面。

1.1 伺服機構(gòu)的機械調(diào)整

數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)調(diào)整，基本上包括了伺服系統(tǒng)的各個部件。一般的調(diào)整主要有伺服電機支架的尺寸精度檢查、裝配間隙的檢查、電機軸心與絲桿軸心的同軸程度等的檢查與調(diào)整。

1.2 伺服機構(gòu)的機械裝配調(diào)整

數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)的機械裝配調(diào)整主要是電動機的轉(zhuǎn)子軸與絲桿軸之間的連接是否緊固與平直，二者之間聯(lián)系的聯(lián)軸器的裝配是否達(dá)標(biāo)、絲桿上母線、側(cè)母線的裝配、絲桿支撐軸承的裝配是否適度、絲桿與絲母之間的反向間隙、絲桿螺距誤差、絲桿變形等情況的檢查與調(diào)整。

1.3 伺服機構(gòu)的電氣調(diào)整

相比于傳統(tǒng)的普通機床，數(shù)控機床的最大特點是其伺服控制的精度極高。這主要是因為數(shù)控機床采用了先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)對電氣系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。伺服機構(gòu)進(jìn)行電氣調(diào)整，目的是為了對整個伺服參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而優(yōu)化伺服驅(qū)動器進(jìn)行伺服電機的控制。

早期的數(shù)控機床采用步進(jìn)電機作為兩軸的電機，對于步進(jìn)電機的控制，采用的方法是開環(huán)控制，整個過程沒有反饋，因此，在加工時容易出現(xiàn)部分脈沖信號丟失，影響工件的加工尺寸。而當(dāng)前的伺服控制為伺服驅(qū)動控制。相比與傳統(tǒng)的

控制，增加了電機的反饋功能，然后再與伺服電機采用的精準(zhǔn)分度的伺服電機編碼器，使得反饋控制變得十分精確。這樣的電氣控制也叫半閉環(huán)控制（如圖1）

圖1 伺服系統(tǒng)的半閉環(huán)控制

在半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，目前又進(jìn)一步的研究，在伺服軸上添加一個光柵尺，進(jìn)而形成全閉環(huán)的控制（如圖2），這樣的控制系統(tǒng)在精度上又更進(jìn)一步。但是，由于這種全閉環(huán)的控制的成本較高，在實際的使用中并不多。目前，先進(jìn)的數(shù)控機床并且使用較多的還是采用的半閉環(huán)控制。

圖2 伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制

上述三種伺服系統(tǒng)的調(diào)整技術(shù)是目前研究的三個主要方向。其中，由于數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)和機械裝配過程對加工零件的影響巨大，而且這種影響是任何一個機床中都存在的，且它對工件能夠產(chǎn)生根本的影響。電氣影響能夠較快予以解決，對整個工件的質(zhì)量影響不是很大。

2 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)調(diào)整技術(shù)

為了研究方便，本文選取ETC1625數(shù)控車床為例分析在此機床工件加工中，應(yīng)用到的幾種伺服系統(tǒng)調(diào)整技術(shù)。

2.1 ETC1625在實際運用中遇到的與伺服調(diào)整相關(guān)的工件加工問題

2.1.1 圓弧過象限反向過沖問題

數(shù)控車床在實際加工中，一般都是用來加工回轉(zhuǎn)體零件，因此，本文以最簡單的球的加工探討其存在的與伺服系統(tǒng)調(diào)整相關(guān)的問題。

數(shù)控車床的精度如果較好，理論上在加工球體形狀的零件時，其表面光滑度會非常好。但是，如果在X軸和Z軸裝配時，由于裝配質(zhì)量不高，使得裝配存在裝配不匹配、反向的間隙過大等問題，那么加工出來的球形物體的表面往往會存在反向過沖的問題。在數(shù)控機床的實際應(yīng)用中，還有一類不是很常見的圓弧過象限插補反向躍沖帶來的棱的突起問題。這類問題的特點是，加工出來的產(chǎn)品會在圓弧過象限的頂點處出現(xiàn)一個棱或者是兩段很明顯的接痕。對于用這樣的車床加工軸承內(nèi)環(huán)時也有可能出現(xiàn)這種情況，不過這種現(xiàn)象一般需要借助檢驗工具進(jìn)行輔助檢查與分析才能分辨出。出現(xiàn)的圓弧問題中，還有可能出現(xiàn)圓弧的表面有暗影或者很細(xì)的紋格，只是這類伺服系統(tǒng)問題出現(xiàn)的幾率較小。endprint

2.1.2 加工件表面的振紋與暗影現(xiàn)象

在使用上述機床加工過程中，還會出現(xiàn)一類問題就是加工好的零件產(chǎn)品，會在檢查過程中發(fā)現(xiàn)其表面存在振紋與暗影問題。對于出現(xiàn)的這種問題，其產(chǎn)生的原因相對而言更為復(fù)雜。一般這類問題在大批零件的檢查中發(fā)現(xiàn)有規(guī)律的加工暗影、雜亂的暗影和加工振紋。這些問題的出現(xiàn)，與伺服調(diào)整系統(tǒng)有一定的關(guān)系，但是這類問題的出現(xiàn)，不僅僅只有伺服系統(tǒng)這一個方面的問題。伺服調(diào)整能對此問題的解決做出一點幫助，而且可以借助伺服檢測的手段能夠?qū)Τ霈F(xiàn)這些現(xiàn)象的原因進(jìn)行一些確定與排除。

2.2 改善上述問題，本機床應(yīng)用到的伺服調(diào)整技術(shù)

對于此機床在加工中，出現(xiàn)的問題，其原因是綜合性的。為了改善機床的加工性能，制造更好的產(chǎn)品，需要采用相關(guān)辦法，進(jìn)行伺服調(diào)整，進(jìn)而改善數(shù)控機床的控制水平，提高加工效果。

2.2.1 調(diào)整聯(lián)軸器

機床使用的聯(lián)軸器，是一個柔性的連接單元，主要有兩部分。聯(lián)軸器的兩端分別連接伺服電機轉(zhuǎn)子和絲杠。在實際使用中，聯(lián)軸器部位會發(fā)出“嘯叫”，這是由于連軸器的高頻振動，這樣的現(xiàn)象會使加工的工件出現(xiàn)振紋。遇到這類問題，一般是采取調(diào)整伺服參數(shù)來予以解決。如調(diào)整電流環(huán)路1/2PI功能和速度環(huán)路比例項高速處理功能，進(jìn)而提高伺服高速相應(yīng)PID的參數(shù)。但是，絕大多數(shù)的情況下，對于這類問題，采取的是更換聯(lián)軸器或和調(diào)整機械安裝誤差來予以解決。

2.2.2 伺服爬行問題

數(shù)控車床如果存在爬行問題，會使車床加工時，尺寸控制不嚴(yán)，導(dǎo)致反向脈沖出現(xiàn)。對于伺服爬行問題，可以采取對數(shù)控機床的X、Z向伺服軸進(jìn)行單脈沖檢測。然后，更改電氣設(shè)備的設(shè)置，對爬行問題予以解決。

3 總結(jié)

數(shù)控機床作為當(dāng)前機械加工領(lǐng)域的重要幫手，對其進(jìn)行深入研究，并加大相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用驗證十分有必要。數(shù)控機床的伺服調(diào)整技術(shù)能夠?qū)?shù)控機床存在的結(jié)構(gòu)問題、裝配問題和電氣系統(tǒng)問題予以有效的解決，使加工而成的工件質(zhì)量很高。數(shù)控機床的伺服調(diào)整技術(shù)種類繁多，涉及到機床的各個方面，需要我們進(jìn)一步深入研究并予以驗證，希望能促進(jìn)相關(guān)技術(shù)在數(shù)控機床加工中的實際應(yīng)用。

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