超精密立式磨床Z軸振動(dòng)案例分析

楊逢春 張 軍 葉 超

（中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽621900）

0 引言

立式磨床主要用于磨削長(zhǎng)軸類、筒類等零件內(nèi)、外圓，我單位近期成功研制了一臺(tái)超精密立式磨床。該機(jī)床采用基于PMAC控制器的開發(fā)式數(shù)控系統(tǒng)，X軸、Z軸、C軸均采用直驅(qū)電機(jī)，其導(dǎo)軌采用靜壓支承，直線電機(jī)帶動(dòng)大型重載負(fù)載運(yùn)動(dòng)，并由平衡杠協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)平衡。

該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)機(jī)床在國內(nèi)為首次研發(fā)，在裝調(diào)、優(yōu)化等方面尚無相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，在研制優(yōu)化過程中遇到了很多技術(shù)難題。本文以工作中實(shí)際遇到的典型問題為對(duì)象，詳細(xì)介紹了超精密立式磨床Z軸導(dǎo)軌振動(dòng)故障的解決思路，以期為類似專用機(jī)床的研制調(diào)試提供參考。

1 故障現(xiàn)象及系統(tǒng)控制原理

機(jī)床進(jìn)給軸振動(dòng)，對(duì)加工的精度、工件的表面質(zhì)量有著不容忽視的影響。Z軸在移動(dòng)過程中出現(xiàn)振動(dòng)，嚴(yán)重影響機(jī)床精度。

Z軸采用科爾摩根驅(qū)動(dòng)器，并由西門子直線電機(jī)帶動(dòng)大型重載部件運(yùn)動(dòng)，海德漢光柵尺作全閉環(huán)反饋，并由平衡杠協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)平衡。

該系統(tǒng)采用PC機(jī)+PMAC+科爾摩根驅(qū)動(dòng)器+西門子直線電機(jī)的控制方案，海德漢光柵作為反饋，如圖1所示。此方案在驅(qū)動(dòng)器側(cè)實(shí)現(xiàn)速度環(huán)、電流環(huán)控制，PMAC控制卡側(cè)實(shí)現(xiàn)位置環(huán)控制，運(yùn)動(dòng)精度高。

圖1 方案原理圖

工控機(jī)作為上位機(jī)向PMAC控制器發(fā)出指令，PMAC經(jīng)過分析處理，向科爾摩根發(fā)出模擬量信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器接收到信號(hào)后經(jīng)過一系列的算法，輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)西門子直線電機(jī)移動(dòng)。海德漢光柵尺實(shí)時(shí)將移動(dòng)位移轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)反饋給PMAC，組成全閉環(huán)系統(tǒng)。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

Z軸由科爾摩根724型驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)西門子直線電機(jī)1FN3，其導(dǎo)軌采用雙C型結(jié)構(gòu)靜壓支承，如圖2所示，導(dǎo)軌行程接近1.5 m，導(dǎo)軌由床身、側(cè)導(dǎo)軌、上導(dǎo)軌以及滑臺(tái)組成。制造時(shí)保證導(dǎo)軌零件形位精度控制在1 μm，由于靜、動(dòng)部件不接觸，真正實(shí)現(xiàn)了無摩擦，減小了熱變形對(duì)精度的影響。

圖2 Z軸結(jié)構(gòu)圖

3 故障分析與處理

Z軸在移動(dòng)過程出現(xiàn)振動(dòng)，與機(jī)械傳動(dòng)方面、電氣伺服方面都可能有關(guān)。機(jī)械方面可能與機(jī)械油膜間隙、機(jī)械安裝、平衡系統(tǒng)有關(guān)，電氣方面與伺服剛性、反饋系統(tǒng)等都有關(guān)。

靜壓導(dǎo)軌移動(dòng)部件受到摩擦力，主要需檢查靜壓是否建立，油膜沒建立好，是引起振動(dòng)和爬行的主要原因之一。缺少潤(rùn)滑油會(huì)導(dǎo)致活塞受損，從而引起振動(dòng)。重新加注潤(rùn)滑油后，系統(tǒng)振動(dòng)有一定改善，但是依舊存在（可以通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)速度得知），如圖3所示。

圖3 Z軸速度監(jiān)測(cè)分析圖

機(jī)床進(jìn)給軸振動(dòng)與伺服各個(gè)環(huán)節(jié)也密切相關(guān)，指令速度與實(shí)際速度波動(dòng)很大，加上機(jī)床Z軸屬重載，平衡杠非線性等因素影響，也會(huì)引起系統(tǒng)振動(dòng)，適當(dāng)提高速度環(huán)，降低電流環(huán)，系統(tǒng)跟隨特性有明顯改善。

為了保證系統(tǒng)慣量匹配，綜合調(diào)整電流環(huán)和速度環(huán)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行伺服優(yōu)化，先將電流環(huán)由原來的25.5降低為20，速度環(huán)增益由2.5增加至5，在積分時(shí)間上，電流環(huán)時(shí)間設(shè)置為0.7 ms，速度環(huán)時(shí)間設(shè)置為10 ms。

再配合示波器和信號(hào)發(fā)生器對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)節(jié)電流環(huán)、速度環(huán)，最終使電機(jī)達(dá)到滿意的控制特性，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后電流、速度跟隨分析圖

4 建議及總結(jié)

隨著我國機(jī)械制造水平的提高，超精密機(jī)床正逐漸邁入國際先進(jìn)水平。目前，超精密機(jī)床雖然精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但只要在其裝配、調(diào)試過程中掌握機(jī)床相關(guān)模塊的工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)，了解其操作方法、動(dòng)作順序，利用高精度的檢測(cè)方法，對(duì)故障現(xiàn)象從原理上作充分分析，就一定能找到排除故障的方法，從而達(dá)到預(yù)期效果。通過超精密立式磨床機(jī)電控制系統(tǒng)調(diào)試，我們對(duì)基于PMAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)以及直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有了深入了解，為后續(xù)相關(guān)設(shè)備調(diào)試積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。