電氣系統調試提升數控機床精度的方法

賀偉洪 段宇

上汽通用(沈陽)北盛汽車有限公司 遼寧沈陽 110000

數控機床技術是高精密機械和智能化電氣深度的融合，在提高機械裝部件加工精度和整機幾何精度同時，機床控制系統精度對提高機床加工精度有著非常重要的作用。數控系統參數包括數控機床基本參數、進給參數及梯形圖參數等，通過修改控制系統參數提高數控機床精度，對機床的調試、升級改造及維護保養提供很大幫助。

1 數控機床的概念與特點

為了滿足復雜的市場需求，現階段使用的數控機床的種類也非常多，根據功能、控制原理等的不同，可以將其簡單分為點位控制數控機床、普通數控機床以及其他種類。隨著數控加工技術的不斷發展以及電子信息技術應用程度的加深，一些具有特殊功能的數控機床被研發與應用，滿足了機械制造行業多樣的發展需求。雖然數控機床的種類多種多樣，但是其主要結構都是基本相同的，主要由兩部分組成，其中硬件系統包括機床本體、伺服系統、數控裝置、可編程控制器、驅動裝置、電氣控制裝置以及一些輔助設備（裝置）所組成；軟件系統則包括輸入、傳輸、輸出以及分析處理系統等[1]。

與傳統的機床相比，數控機床最顯著的特點就是能夠根據數控指令來進行工件的快速、準確加工，而且能夠在加工過程中排除人為因素的影響，因此數控機床具有加工效率高、精度高，并且加工過程穩定可靠等優點。與之相對應的就是，數控機床的投資高、應用成本高，而且由于其對操作人員、維護人員的綜合素質提出了較高要求，需要增加大量的配套投資，因此數控機床很難在一些小規模企業中推廣應用。

2 影響數控機床加工精度的主要因素

2.1 刀具因素

數控機床雖然在一定程度上擺脫了人為操作的影響，可以根據用戶預先定義的程序來自動完成機械產品的切削加工，但其加工過程還是需要依靠刀具切削來實現減材操作，如果刀具本身存在幾何誤差，那么必然會影響到最終零件的加工精度。

2.2 伺服系統驅動因素

現代數控機床中廣泛應用了伺服電機和伺服驅動系統，需要借助伺服系統的驅動來實現切削加工，但伺服驅動過程中可能就存在誤差（比如車床中的滾珠絲杠傳動誤差），進而會使運動部件的定位和運行精度受到影響。此外，機械加工過程中可能會受到外力因素的影響，而這可能會使數控機床的傳動和運動構件出現變形，從而也會降低加工精度。

2.3 切削用量的選擇

現實中，當采用數控機床加工機械產品時，需要依據加工方法合理選擇切削用量。只有科學確定切削用量并編寫入加工程序中，加工過程才符合實際要求，進而生產出質量合格的產品。然而現實卻是，很多制造企業出于提升加工效率的目的，沒有根據工藝需求科學選擇加工用量，而這就可能導致切削力增加，進而就可能導致工件出現受力變形的問題，降低了加工精度。

3 電氣系統調試提升數控機床精度的方法

3.1 進給系統慣量與系統控制參數的優化

（1）數控機床柔性齒輪比的設定。柔性齒輪比的參數指的是匹配伺服電機脈沖數與絲桿的最小移動量，由于伺服電機連接的滾珠絲杠和同步帶輪不同，數控系統移動最小單位量也是不同的，因此，使柔性齒輪比參數設置有所不同，修改電子齒輪比的分倍頻可實現不同的脈沖當量。例如在半閉環的FANUC0iMD系統中設定柔性齒輪比參數，當運動軸直接連接滾珠絲桿螺距為10mm，系統的檢測單位為1μm時，電機每旋轉1周（10mm）所需的脈沖數為 10/0．001=10000 脈沖。

（2）位置反饋脈沖數的設定。全閉環控制的數控機床裝有光柵尺檢測工作臺的移動距離，當電機旋轉1周光柵尺反饋的脈沖數為位置脈沖數。設定時參數計算如下，在使用螺距10mm的滾珠絲桿（直接連接）、具有1脈沖0．5μm分辨率的光柵尺的情形下，電機每旋轉1周的反饋脈沖數=滾珠絲桿的螺距10mm/光柵尺的分辨率 0．0005mm。

（3）機械速度反饋參數設定。帶光柵檢測裝置數控系統在調試時會因速度與反饋檢測信號不一致而產生振蕩，一般都是機械系統剛性不足造成，首先考慮調整機械速度反饋的參數，數控機床光柵檢測反饋原理。床身機械結構電機側速度反饋參數2012#1設定為1時表示有效，α反饋增益參數2088設定為50，如果是串行光柵，設定數值＞100會出現417報警，設定值在0-100，一般設定值為50[2]。

3.2 數控系統參數調整及伺服的優化

（1）加速反饋。當伺服電機與機床連接時負載慣量大于電機的慣量，機床軸及工作臺移動的慣性和摩擦阻尼滯后，伺服控制系統如果沒有接收伺服位置偏差反饋進行PID調節控制就沒有位置控制插補輸出脈沖，數控機床會產生振動和軌跡誤差。加速反饋與負載慣量關系，調整負載慣量比值＞512時會產生（50-150）Hz的振動，特別是機床振動或高速運動產生的動態軌跡誤差較大，而機床負載慣性的軌跡誤差與加速度成正比。加速度前饋能減小伺服系統的軌跡誤差，在FANUC0iMD數控系統用加速度前饋及轉矩前饋軌跡誤差補償。加速度反饋增益參數2066設定值為（-10至-20），一般設為-10。對于低頻率振動扭矩指令濾波器參數2067設定值是約2000。對于高頻率的機械共振≥200Hz使用HRV（HighResponseVec-tor，高分辨率）濾波器來抑制。

（2）增益優化與補償。高增益值會導致數控系統輸出速度變化劇烈，速度突然變化致使數控機床機械裝置受到較大的沖擊影響系統的穩定性，所以增益對伺服系統的穩態精度和動態性能都有很大的影響。伺服單元位置環增益控制，系統要求將位置環增益設定為較大值來提高機器剛性并增大機器的固有振動數。

設定時，首先將功能位參數2003位3（PIEN）設定為1，回路增益參數1825設定為3000，在機床不產生振動的情況下盡量增大設定值，可以設定為5000。對于速度增益值的設定，速度增益值=（1+負載慣量比（參數2021）/256）×100。式中的負載慣量比是電機的慣量和負載的慣量比，直接和機床的機械特性相關[3]。調整原則是盡量提高設定值來保證在手動快速和手動慢速進給等各種情況下機床都不能有振動。一般通過設定參數2066值為-10增加伺服電流環來改變，如果還有振動則要修改畫面中的濾波器值參數2067，設定為約2000。

4 結語

數控機床已經成為了我國機械加工行業中的主力，因此必須將提高數控機床加工精度作為工作中的重點和難點。通過歸納、總結日常工作中影響加工精度的問題，針對性地提出了解決對策，能夠有效提升工件加工精度。