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數(shù)控機床系統(tǒng)產(chǎn)生振動爬行的原因
閱讀：1958 發(fā)布時間：2014-7-26
摘要：數(shù)控系統(tǒng)振蕩問題是數(shù)控機床調(diào)試或運行中常見的故障，本文介紹了數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的控制原理及產(chǎn)生振蕩的原因分析并提出了全閉環(huán)控制系統(tǒng)消除振蕩的理論依據(jù)和方法。
一、引言
數(shù)控系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象已成為數(shù)控全閉環(huán)系統(tǒng)的共同性問題。系統(tǒng)振蕩時會造成機床產(chǎn)生爬行與振動故障，尤其在臥式帶立柱的軸和旋轉(zhuǎn)數(shù)控工作臺軸其系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩的頻率較高。該問題已成為影響數(shù)控設備正常使用的重要因素之一。
二、產(chǎn)生振蕩的原因分析
機床的振蕩故障通常發(fā)生在機械部分和進給伺服系統(tǒng)。產(chǎn)生振蕩的原因有很多，陳了機械方面存在不可消除的傳動間隙、彈性變形、摩擦阻力等諸多因素外，伺服系統(tǒng)的有關參數(shù)的影響也是重要的一方面。伺服系統(tǒng)有交流和直流之分，本文主要討論直流伺服系統(tǒng)因參數(shù)影響引起的振蕩。大部分數(shù)控機床采用的是全閉環(huán)方式，其控制原理圖如圖所示。
由圖可分析，引起伺服系統(tǒng)振動的原因大致有四種情況：a位置環(huán)不良又引起輸出電壓不穩(wěn)；b速度環(huán)不良引起的振動；c伺服系統(tǒng)可調(diào)定位器太大引起電壓輸出失真；d傳動機械裝如絲杠間隙太大。這些控制環(huán)的輸出參數(shù)失真或機械傳動裝置間隙太大都是引起振動的主要因素。它們都可以通過伺服控制系統(tǒng)進行參數(shù)優(yōu)化。
三、消除振蕩的基本措施
(一)閉環(huán)伺服系統(tǒng)造成的振蕩
有些數(shù)控伺服系統(tǒng)采用的是半閉環(huán)裝置，而全閉環(huán)伺服系統(tǒng)必須是在其局部半閉環(huán)系統(tǒng)不發(fā)生振蕩的前提下進行參數(shù)調(diào)整，所以兩者大同小異，本文只討論全閉環(huán)情況下的參數(shù)優(yōu)化方法。
(二)降低位置環(huán)增益
在伺服系統(tǒng)中有參考的標準值，例如FANUC0-C系列為3000，西門子3系統(tǒng)為1666，出現(xiàn)振蕩可適當降低增益，但不能降太多，因為要保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。
(三)降低負載慣量比
負載慣量比一般設置在發(fā)生振動時所示參數(shù)的70%左右，如不能消除故障，不宜繼續(xù)降低該參數(shù)值。
(四)加入比例微積分器(PID)
比例微積分器是一個多功能控制器，它不僅能有效地對電流電壓信號進行比例增益，同時可調(diào)節(jié)輸出信號滯后成超前的問題，振蕩故障有時因輸出電流電壓發(fā)生滯后成超前情況而產(chǎn)生，這時可通過PID來調(diào)節(jié)輸出電流電壓相位。
(五)采用高頻抑制功能
以上討論的是有關低頻振蕩時參數(shù)優(yōu)化方法，而有時數(shù)控系統(tǒng)會因機械上某些振蕩原因產(chǎn)生反饋信號中含有高頻諧波，這使輸出轉(zhuǎn)矩里不恒定，從而產(chǎn)生振動。對于這種高頻振蕩情況，可在速度環(huán)上加入一階低通濾波環(huán)節(jié)，即為轉(zhuǎn)矩濾波器。其控制原理如圖所示。
圖2表明，速度指令與速度反饋信號經(jīng)速度控制器轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩信號，轉(zhuǎn)矩信號通過一階濾波環(huán)節(jié)將高頻成分截止，從而得到有效的轉(zhuǎn)矩控制信號。通過調(diào)節(jié)參數(shù)可將機械產(chǎn)生的100Hz以上的頻率截止，從而達到消除高頻振蕩的效果。
綜上所述，利用雙位反饋可使系統(tǒng)在全閉環(huán)和半閉環(huán)兩種方式下進行，從而大大提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍，也增加了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)。從時間常數(shù)上可知，該系統(tǒng)可在停止狀態(tài)下進行全閉環(huán)誤差調(diào)整，在過渡狀態(tài)下可進行半閉環(huán)調(diào)整。現(xiàn)以FANUC0-C為例，將具體參數(shù)調(diào)整過程進行簡單介紹。首先設參數(shù)P8411#(DPFB)為1，即為選擇雙位置反饋功能；P8499為位置反饋的zui大振幅，一般設置為0；P8478(分子)和P8479(分母)為上圖中位轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的常數(shù)設置，可根據(jù)要求設置；P8480為一階延時環(huán)節(jié)的參數(shù)設置代號，其設置范圍為：10~300mS，一般設定為100mS左右；P8481為零點幅度，一般情況下為0，但因振蕩可適當調(diào)高一點。
雙位反饋功能是一種比較靈活的誤差修正方式，在系統(tǒng)調(diào)試過程中有很好的參數(shù)優(yōu)化和保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的功能。
一、引言
數(shù)控系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象已成為數(shù)控全閉環(huán)系統(tǒng)的共同性問題。系統(tǒng)振蕩時會造成機床產(chǎn)生爬行與振動故障，尤其在臥式帶立柱的軸和旋轉(zhuǎn)數(shù)控工作臺軸其系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩的頻率較高。該問題已成為影響數(shù)控設備正常使用的重要因素之一。
二、產(chǎn)生振蕩的原因分析
機床的振蕩故障通常發(fā)生在機械部分和進給伺服系統(tǒng)。產(chǎn)生振蕩的原因有很多，陳了機械方面存在不可消除的傳動間隙、彈性變形、摩擦阻力等諸多因素外，伺服系統(tǒng)的有關參數(shù)的影響也是重要的一方面。伺服系統(tǒng)有交流和直流之分，本文主要討論直流伺服系統(tǒng)因參數(shù)影響引起的振蕩。大部分數(shù)控機床采用的是全閉環(huán)方式，其控制原理圖如圖所示。
由圖可分析，引起伺服系統(tǒng)振動的原因大致有四種情況：a位置環(huán)不良又引起輸出電壓不穩(wěn)；b速度環(huán)不良引起的振動；c伺服系統(tǒng)可調(diào)定位器太大引起電壓輸出失真；d傳動機械裝如絲杠間隙太大。這些控制環(huán)的輸出參數(shù)失真或機械傳動裝置間隙太大都是引起振動的主要因素。它們都可以通過伺服控制系統(tǒng)進行參數(shù)優(yōu)化。
三、消除振蕩的基本措施
(一)閉環(huán)伺服系統(tǒng)造成的振蕩
有些數(shù)控伺服系統(tǒng)采用的是半閉環(huán)裝置，而全閉環(huán)伺服系統(tǒng)必須是在其局部半閉環(huán)系統(tǒng)不發(fā)生振蕩的前提下進行參數(shù)調(diào)整，所以兩者大同小異，本文只討論全閉環(huán)情況下的參數(shù)優(yōu)化方法。
(二)降低位置環(huán)增益
在伺服系統(tǒng)中有參考的標準值，例如FANUC0-C系列為3000，西門子3系統(tǒng)為1666，出現(xiàn)振蕩可適當降低增益，但不能降太多，因為要保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。
(三)降低負載慣量比
負載慣量比一般設置在發(fā)生振動時所示參數(shù)的70%左右，如不能消除故障，不宜繼續(xù)降低該參數(shù)值。
(四)加入比例微積分器(PID)
比例微積分器是一個多功能控制器，它不僅能有效地對電流電壓信號進行比例增益，同時可調(diào)節(jié)輸出信號滯后成超前的問題，振蕩故障有時因輸出電流電壓發(fā)生滯后成超前情況而產(chǎn)生，這時可通過PID來調(diào)節(jié)輸出電流電壓相位。
(五)采用高頻抑制功能
以上討論的是有關低頻振蕩時參數(shù)優(yōu)化方法，而有時數(shù)控系統(tǒng)會因機械上某些振蕩原因產(chǎn)生反饋信號中含有高頻諧波，這使輸出轉(zhuǎn)矩里不恒定，從而產(chǎn)生振動。對于這種高頻振蕩情況，可在速度環(huán)上加入一階低通濾波環(huán)節(jié)，即為轉(zhuǎn)矩濾波器。其控制原理如圖所示。
圖2表明，速度指令與速度反饋信號經(jīng)速度控制器轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩信號，轉(zhuǎn)矩信號通過一階濾波環(huán)節(jié)將高頻成分截止，從而得到有效的轉(zhuǎn)矩控制信號。通過調(diào)節(jié)參數(shù)可將機械產(chǎn)生的100Hz以上的頻率截止，從而達到消除高頻振蕩的效果。
綜上所述，利用雙位反饋可使系統(tǒng)在全閉環(huán)和半閉環(huán)兩種方式下進行，從而大大提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍，也增加了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)。從時間常數(shù)上可知，該系統(tǒng)可在停止狀態(tài)下進行全閉環(huán)誤差調(diào)整，在過渡狀態(tài)下可進行半閉環(huán)調(diào)整。現(xiàn)以FANUC0-C為例，將具體參數(shù)調(diào)整過程進行簡單介紹。首先設參數(shù)P8411#(DPFB)為1，即為選擇雙位置反饋功能；P8499為位置反饋的zui大振幅，一般設置為0；P8478(分子)和P8479(分母)為上圖中位轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的常數(shù)設置，可根據(jù)要求設置；P8480為一階延時環(huán)節(jié)的參數(shù)設置代號，其設置范圍為：10~300mS，一般設定為100mS左右；P8481為零點幅度，一般情況下為0，但因振蕩可適當調(diào)高一點。
雙位反饋功能是一種比較靈活的誤差修正方式，在系統(tǒng)調(diào)試過程中有很好的參數(shù)優(yōu)化和保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的功能。