系統(tǒng)參數(shù)在消除機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)振動(dòng)方面的妙用

楊云峰

（中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

在驅(qū)動(dòng)移動(dòng)部件低速運(yùn)行過(guò)程中，數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)部件開始時(shí)不能啟動(dòng)，啟動(dòng)后又突然做加速運(yùn)動(dòng)，而后又停頓，繼而又做加速運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)部件周而復(fù)始忽停忽跳、忽慢忽快的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象稱為爬行。當(dāng)高速運(yùn)行時(shí)，移動(dòng)部件又會(huì)出現(xiàn)明顯的振動(dòng)。

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)產(chǎn)生爬行和振動(dòng)的原因較多，一般認(rèn)為是由于機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件之間潤(rùn)滑不好，導(dǎo)致機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生靜摩擦阻力；當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)不能向前運(yùn)動(dòng)，使?jié)L珠絲桿產(chǎn)生彈性變形，把電機(jī)的能量?jī)?chǔ)存在變形上；電機(jī)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)，儲(chǔ)存的能量所產(chǎn)生的彈性力大于靜摩擦力時(shí)，機(jī)床工作臺(tái)向前蠕動(dòng)，周而復(fù)始的這樣運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。

事實(shí)上這只是其中的1 個(gè)原因，產(chǎn)生這類故障的原因還可能是機(jī)械進(jìn)給傳動(dòng)鏈出現(xiàn)故障，也可能是進(jìn)給系統(tǒng)電氣部分出現(xiàn)問(wèn)題，或者是電氣部分和機(jī)械部分的綜合故障所造成的，還有1 個(gè)最容易被忽略的原因就是系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)主要包括2 個(gè)方面：①故障前后系統(tǒng)參數(shù)被人為修改；②機(jī)床長(zhǎng)期運(yùn)行絲杠機(jī)械性能發(fā)生變化，與當(dāng)前的系統(tǒng)控制參數(shù)不夠匹配。這兩種原因?qū)е碌臋C(jī)床振動(dòng)都可以通過(guò)修改某些系統(tǒng)參數(shù)來(lái)消除機(jī)床的振動(dòng)。如果是由于第二個(gè)方面原因?qū)е碌臋C(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)，那么通過(guò)適當(dāng)調(diào)整機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)來(lái)消除振動(dòng)，不僅可以減少機(jī)床故障的停機(jī)時(shí)間，而且還可以節(jié)省大筆更換絲杠備件的費(fèi)用。

1 故障診斷與維修實(shí)例

將歷年來(lái)遇到的常見的數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)來(lái)消除機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)振動(dòng)的典型故障及分析過(guò)程描述出來(lái)，以期為廣大機(jī)床維修人員解決類似問(wèn)題提供參考。

1.1 德國(guó)哈默五軸加工中心C600U

（1）故障現(xiàn)象：機(jī)床配置海德漢TNC530i 數(shù)控系統(tǒng)。Y 軸在進(jìn)給過(guò)程中振動(dòng)很大，停止進(jìn)給運(yùn)動(dòng)后振動(dòng)慢慢的減弱，鏜出的孔有振紋。

（2）故障分析與解決：首先檢查機(jī)床導(dǎo)軌副的潤(rùn)滑情況。松開Y 軸的抱閘手動(dòng)盤動(dòng)絲杠，在絲杠開始轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬間和轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中并沒(méi)有感覺(jué)到很大的摩擦阻力，說(shuō)明導(dǎo)軌副潤(rùn)滑良好。其次檢查進(jìn)給傳動(dòng)鏈。檢查軸承、絲杠螺母副和絲杠本身的預(yù)緊和配合均比較理想；檢查聯(lián)軸器也沒(méi)有任何損壞的情況。

接下來(lái)檢查進(jìn)給伺服。將Y 軸的速度編碼器端口、位置編碼器端口及PWM 信號(hào)端口與X 軸的速度編碼器端口、位置編碼器端口及PWM 信號(hào)端口互換。互換后開機(jī)實(shí)驗(yàn)，移動(dòng)X 軸沒(méi)有出現(xiàn)振動(dòng)，而Y 軸故障依舊，說(shuō)明Y 軸的伺服驅(qū)動(dòng)沒(méi)有問(wèn)題。考慮到機(jī)床伺服系統(tǒng)為全閉環(huán)結(jié)構(gòu)，所以，將Y 軸由全閉環(huán)控制改成半閉環(huán)控制，開機(jī)實(shí)驗(yàn)后故障依舊，說(shuō)明Y 軸的光柵尺沒(méi)有問(wèn)題。

將此故障現(xiàn)象咨詢哈默公司的售后服務(wù)工程師，其判斷為絲杠磨損，需更換絲杠。但是，因?yàn)樵摍C(jī)床為進(jìn)口機(jī)床，國(guó)內(nèi)沒(méi)有此類絲杠的備件，從國(guó)外訂貨周期需要3 到6 個(gè)月，而且費(fèi)用相當(dāng)昂貴，因此，設(shè)想如果能夠通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)消除Y 軸振動(dòng)，不僅可以減少機(jī)床故障的停機(jī)時(shí)間，而且可以節(jié)省購(gòu)買絲杠的費(fèi)用。最后通過(guò)多次試驗(yàn)，把加速度參數(shù)MP1060.1 修改為6，速度前饋控制系統(tǒng)的KV 系數(shù)MP1510.1 修改為6 后，Y 軸振動(dòng)消除，機(jī)床恢復(fù)正常。

1.2 德國(guó)車削中心CTX320

（1）故障現(xiàn)象：機(jī)床配置西門子840D 數(shù)控系統(tǒng)。X 軸在從正向往負(fù)向進(jìn)給的時(shí)候，振動(dòng)逐漸增大。

（2）故障分析與解決：因?yàn)樵摍C(jī)床X 軸用的是直線電機(jī)，沒(méi)有絲杠，首先檢查導(dǎo)軌副的潤(rùn)滑情況及導(dǎo)軌副的安裝位置是否發(fā)生變化，經(jīng)檢查后均正常，所以，初步判斷為進(jìn)給伺服系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

為了進(jìn)一步判斷故障的原因，更換X 軸的伺服驅(qū)動(dòng)，再次開機(jī)實(shí)驗(yàn)，故障依舊。更換NCU（numerical control unit，數(shù)控單元）及NCU BOX，再次開機(jī)實(shí)驗(yàn)故障依舊。

檢查系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、伺服驅(qū)動(dòng)器的增益、積分時(shí)間電位器調(diào)節(jié)等均在合適的范圍內(nèi)，與故障前的調(diào)整完全一致，但是，由于機(jī)床的長(zhǎng)期運(yùn)行，機(jī)床的機(jī)械性能與新機(jī)床剛開始調(diào)試時(shí)相比可能會(huì)發(fā)生變化，而現(xiàn)在的系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、伺服驅(qū)動(dòng)器的增益、積分時(shí)間電位器調(diào)節(jié)等均匹配的是新機(jī)床調(diào)試時(shí)候的機(jī)械性能，為驗(yàn)證此猜想，維修時(shí)記錄原值的前提下，經(jīng)過(guò)多次修改實(shí)驗(yàn)，最后將參數(shù)1407#原來(lái)的值180 000 改為90 000 后，移動(dòng)Y 軸振動(dòng)消失，機(jī)床恢復(fù)正常。

1.3 寶雞數(shù)控車床J1CK6140

（1）故障現(xiàn)象：機(jī)床配置FAGOR 8025T 數(shù)控系統(tǒng)。X 軸伺服故障，更換X 軸伺服后，X 軸在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中竄動(dòng)很大。

（2）故障分析與解決：為分清故障部位，考慮到機(jī)床伺服系統(tǒng)為半閉環(huán)結(jié)構(gòu)，脫開電動(dòng)機(jī)與絲杠的連接后再次開機(jī)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)故障仍然存在，因此初步判定故障原因在電氣部分的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。為進(jìn)一步判別故障原因，采用置換法找1 臺(tái)與該機(jī)床同型號(hào)的X 軸的電機(jī)在與絲杠脫開的情況下安裝后再次開機(jī)實(shí)驗(yàn)，故障依然存在，因此初步判定是更換的伺服驅(qū)動(dòng)有問(wèn)題。因?yàn)楦鼡Q的伺服驅(qū)動(dòng)在原來(lái)的機(jī)床上是驅(qū)動(dòng)Z 軸的，而FAGOR 伺服驅(qū)動(dòng)的軸控制參數(shù)是在伺服上設(shè)置的，所以懷疑是因?yàn)閆 軸和X 軸的控制參數(shù)不一樣，經(jīng)過(guò)與另外一臺(tái)與該機(jī)床型號(hào)一樣的機(jī)床的X 軸伺服上的控制參數(shù)對(duì)比，確實(shí)不一樣，按照與該機(jī)床同型號(hào)的機(jī)床的X 軸伺服控制參數(shù)設(shè)置好后，機(jī)床恢復(fù)正常。

1.4 德國(guó)五軸連動(dòng)加工中心50eV

（1）故障現(xiàn)象：機(jī)床配置HEIDENHAIN MILLPLUS 數(shù)控系統(tǒng)，X 軸手動(dòng)或者自動(dòng)進(jìn)給時(shí)振動(dòng)很大。

（2）故障分析與解決：檢查X 軸的定位精度和重復(fù)定位精度均在正常范圍之內(nèi)，說(shuō)明絲母和絲杠及聯(lián)軸節(jié)的連接均沒(méi)有問(wèn)題，檢查X 軸的反向間隙也在正常范圍內(nèi)。把控制X 軸位置編碼器的參數(shù)4606 從1 改為0 后，X 軸由全閉環(huán)控制改成半閉環(huán)控制，系統(tǒng)重啟后在手動(dòng)和自動(dòng)方式下，X 軸進(jìn)給均沒(méi)出現(xiàn)振動(dòng)，因此懷疑機(jī)床長(zhǎng)期運(yùn)行，絲杠磨損，機(jī)械性能發(fā)生變化，與當(dāng)前的位置控制參數(shù)不匹配。為不讓X 軸的精度受到影響，把X軸位置編碼器的參數(shù)4606 從0 改為1，恢復(fù)X 軸為全閉環(huán)控制。經(jīng)過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)，把速度控制增益參數(shù)4626 從35000 改為20000，把位置增益參數(shù)4624 從4000 改為2500 后，系統(tǒng)重啟后在手動(dòng)和自動(dòng)方式下，移動(dòng)X 軸振動(dòng)消失，機(jī)床恢復(fù)正常。

2 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控機(jī)床是一個(gè)完整的有機(jī)整體，機(jī)械、電氣、液壓的控制存在相互聯(lián)系和相互影響。因此分析解決爬行與振動(dòng)故障時(shí)，應(yīng)該有整體的概念和經(jīng)驗(yàn)，這樣才能有效解決實(shí)際問(wèn)題。

對(duì)于使用時(shí)間比較長(zhǎng)的機(jī)床出現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的爬行和振動(dòng)故障，為節(jié)約維修時(shí)間和更換絲杠的備件費(fèi)用，首先應(yīng)該考慮通過(guò)適當(dāng)修改某些系統(tǒng)參數(shù)，達(dá)到消除機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的爬行和振動(dòng)故障，如果通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)修改參數(shù)確實(shí)無(wú)法消除機(jī)床的振動(dòng)，再考慮通過(guò)其它方法來(lái)消除機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的振動(dòng)。