數控機床的振蕩現象分析與消除

撰文/田國華

■130013 一汽模具制造有限公司 吉林 長春

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數控機床的振蕩現象分析與消除

撰文/田國華

■130013 一汽模具制造有限公司 吉林 長春

本文的研究重點是數控機床的振蕩現象如何清除。本文首先闡述了產生振蕩的原因及消除振動的基本方法。其次介紹了對于各種不同的數控機床需要采用不同的診斷方法。進而闡述了清除數控機床的振蕩現象已成為影響數控設備正常使用和保證模具質量的重要因素。并通過具體案例闡明了消除數控系統振蕩故障的方法。有效的消除振蕩問題，提高生產效率。數控機床；振蕩；故障；消除。

數控機床的振蕩現象（局部抖動現象），已成為數控全閉環控制系統較常見并且難于處理的問題。在我公司的大型精密加工中心設備上體現尤為明顯，機床出現振蕩現象的頻次相對不是很高，但是問題點在于難于把握及診斷，該問題已成為影響數控設備正常使用和保證模具表面質量的重要因素之一。我們經過多年的經驗積累逐漸形成一套較完整的判斷思路和修理辦法。

1產生振蕩的原因分析

這里指的振蕩主要針對非新安裝的設備，即安裝調試完成后投入使用的設備。

產生振蕩的原因有很多，大體分為機械和電氣兩個方面。機械方面：由于常年使用積累而存在的傳動間隙、彈性變形、摩擦阻力等諸多因素，或者因其它情況（撞擊、過載）而產生的傳動鏈變形，部件損壞或松動，傳動鏈的潤滑狀態不良、外加負載過大等因素所致等等。電器方面：伺服系統的有關參數的影響及設置，驅動電機、編碼器及聯軸節、位置檢測裝置、電氣線路及其屏蔽等出現的異常情況。

2消除振動的基本方法

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期局部半閉環系統不發生振動的前提下進行參數調整，所以兩者大同小異，本文為避免重復，暫且只討論全閉環的情況。

要本著先外圍后內部、先電氣后機械、先簡單后復雜、先靜后動、先公用后專用、先查軟件后查硬件的原則檢查故障，對于數控設備出現較復雜的故障，特別是涉及到控制系統時，應用這些原則可簡化故障的診斷過程，避免走彎路。有時這些原則應該結合使用，這樣才能使故障盡快排除

2.1降低位置環增益

在伺服系統中有參考的標準值，例如：FIDIAC0-2系統為2000，FIDIAFIAXVKVD位置環增益1500；FANUCO-C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。位置環增益系數Kv值的正確設定與調節。通常Kv值是作為機床數據設置的，數控系統中對各個坐標軸分別指定了Kv值的設置地址和數值單位。在速度環最佳化調節后Kv值的設定則成為反映機床性能好壞、影響最終精度的重要因素。Kv值是機床運動坐標自身性能優劣的直接表現而并非可以任意放大。關于Kv值的設置要注意兩個問題，首先要滿足下列公式：

Kv=v/Δ

式中v——坐標運行速度，m/ min

Δ——跟蹤誤差，mm

注意，不同的數控系統采用的單位可能不同，設置時要注意數控系統規定的單位。例如，坐標運行速度v的單位是m/min，則Kv值單位為m/ (mm?min)，若坐標運行速度v的單位為mm/s，則Kv的單位應為mm/(mm?s)。

其次：要滿足各聯動坐標軸的Kv值必須相同，以保證合成運動時的精度（簡單例子：保證銑圓加工時的圓度）。通常是以Kv值最低的坐標軸為準。

案例：意大利蘭苞蒂PV12加工中心，故障描述：絲母的滾珠磨損造成雙向低速抖動，因絲母鋼球大小需要配合制作精度較高，并且采購周期較長。所以采用短期應急辦法：調整參數（FIDIAFIAXVKVD位置環增益由1200調整至1000、三軸同時調整）后應急加工正常。避免了因采購周期過長而造成的長期停機。

2.2位置檢測環節檢查

檢查測量光柵尺讀數頭、及其與尺座的相對安裝間隙，通常為尺座固定、讀數頭移動的形式，讀數頭的固定如果有極小的間隙，則會產生較大的抖動包括靜止的時候。

檢查讀數頭的電纜狀態，包括接插部分、屏蔽狀態（屏蔽點是否可靠接地）、若有EXE放大器則檢查接口狀態（必要時可以采取互換法）

2.3借助數控機床自帶的診斷軟件輔助分析

我公司數控機床的主要系統為FANUC（15、16、18、21），FIDIA（C0、C10、C20），SIEMENS840.它們都有各自的自診斷軟件，能夠分析出運動過程中的關鍵要素，例如：速度、位置精度，加速度，跟隨誤差，插補精度。

2.4參數調整開環設置（屏蔽光柵尺）

借助機床參數設置加以分析、排除位置檢測環節（光柵、磁柵、感應同步器、獨立編碼器）的故障因素。

圖1

例如：尺子表面有灰塵、油污等贓物，讀數頭與尺子的距離有微小的變化，反饋電纜屏蔽不良造成的干擾或是電纜接觸不良，獨立編碼器本身問題或是聯軸節等問題，感應同步器的滑尺與定尺之間間距，及其模數轉換裝置問題等等。

借助參數設置將機床的控制系統由閉環轉為開環控制方法，是我們在借鑒的基礎上自主摸索創建的，已經形成一套較標準的技術文件，在我公司大型加工中心的故障診斷排除過程中起到了較大的作用，不僅僅在機床振動的問題上，而且在位置環本身故障得排查方面，和因位置環暫時無法恢復而應急加工方面，也起到了相當大的作用。

圖1即為我公司幾大重點數控系統的參數設置方法。

2.5機械傳動鏈的系統檢查

2.5.1檢查驅動電機與滾珠絲杠的連接間隙，（皮帶張緊度、齒輪嚙合間隙、鍵或漲緊環間隙）

2.5.2檢查導軌潤滑及磨損（滑動導軌的油膜，滾動軸承的潤滑狀態，導軌面研傷情況）

2.5.3檢查絲杠傳動副（絲杠的兩端軸承、預緊螺母、絲杠的拉伸負荷），絲母的竄動量（滾珠的磨損、滾珠循環滾道、負荷墊片的間隙狀態）。

2.6 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。

2.7 加入比例微積分器（PID）

比例微積分器是一個多功能控制器，它個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或超前的問題，振蕩故障有時因輸出電流電壓發生滯后或超前情況而產生，這時可通過PID來調節輸出電流電壓相位。

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。

案例分析：

機床簡介：我公司一臺江蘇多棱三軸數控銑TK42160A，數控系統采用SIEMENS840D，伺服驅動器類型：6SN1123，1FK6系列伺服電機，速度反饋ERN1387編碼器，位置檢測裝置選用FAGORNCVP直線光柵尺。

故障現象：工作臺X軸抖動嚴重（逐漸由低速抖動轉向高速抖動）。

診斷過程：

●根據輪廓誤差調整Kv因素（減小參數32200的數值）；無效

●檢查讀數頭安裝間隙（位置環FAGOR光柵尺）；正常

●檢查皮帶張緊度（工作臺電機通過皮帶與絲母連接驅動X軸）；正常

●檢查工作臺導軌貼塑料（滾動軸承輔助）；正常

●檢查導軌潤滑及磨損；【半年前的相似故障：低速抖動爬行，快速正常，修改位置環增益參數】。正常

●檢查絲杠預緊、伸長程度（備帽）；正常

●參數調整開環設置（屏蔽光柵尺），故障現象明顯減弱。

●拆除絲母發現負荷調整墊松動幾乎脫落，負荷間隙很大。故障癥結所在。

修復方法：

根據絲母預加符合重新制作調整墊片，安裝并采取防松措施，試車前把所有參數恢復到原始狀態，上電試車故障現象消除。

3結論

本文討論了幾種消除數控振蕩故障的常見方法，各種控制環節都有詳細的控制理論做依據，在保證控制系統的穩定性和可靠性的同時，有效的消除振蕩問題，提高生產效率。當然，在有些控制環節還存在一些問題，需要以后繼續加深了解和解決。

數控系統振蕩問題是數控機床調試或運行中常見的故障，對于生產加工過程，及時處理好故障問題，以保證生產正常運行。同時對于進口加工中心需要重點維護，對于出現常見的振蕩問題，需要長時間的積累和對問題的理性判斷才能做到有效的維護和保養。所以，對于各種不同的數控機床需要采用不同的診斷方法，根據數控機床各自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。

田國華（1972.9.9-）,男,籍貫：吉林省長春市,職稱：高級工程師,研究方向：裝備技術。

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