摘要：數(shù)控系統(tǒng)振蕩問題是數(shù)控機(jī)床調(diào)試或運(yùn)行中常見的故障，本文介紹了數(shù)控機(jī)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(shí)會(huì)造成機(jī)床產(chǎn)生爬行與振動(dòng)故障，尤其在臥式帶立柱的軸和旋轉(zhuǎn)數(shù)控工作臺(tái)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(shè)備正常使用的重要因素之一。
　　
　　二、產(chǎn)生振蕩的原因分析
　　
　　機(jī)床的振蕩故障通常發(fā)生在機(jī)械部分和進(jìn)給伺服系統(tǒng)。產(chǎn)生振蕩的原因有很多，陳了機(jī)械方面存在不可消除的傳動(dòng)間隙、彈性變形、摩擦阻力等諸多因素外，伺服系統(tǒng)的有關(guān)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?jǐn)?shù)控機(jī)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(dòng)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(dòng)；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(dòng)機(jī)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(jī)械傳動(dòng)裝置間隙太大都是引起振動(dòng)的主要因素。它們都可以通過伺服控制系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)降低增益，但不能降太多，因?yàn)橐ＷC系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。
　　
　　(三)降低負(fù)載慣量比
　　
　　負(fù)載慣量比一般設(shè)置在發(fā)生振動(dòng)時(shí)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(gè)多功能控制器，它不僅能有效地對(duì)電流電壓信號(hào)進(jìn)行比例增益，同時(shí)可調(diào)節(jié)輸出信號(hào)滯后成超前的問題，振蕩故障有時(shí)因輸出電流電壓發(fā)生滯后成超前情況而產(chǎn)生，這時(shí)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(guān)低頻振蕩時(shí)參數(shù)優(yōu)化方法，而有時(shí)數(shù)控系統(tǒng)會(huì)因機(jī)械上某些振蕩原因產(chǎn)生反饋信號(hào)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(dòng)。對(duì)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(hào)經(jīng)速度控制器轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩信號(hào)，轉(zhuǎn)矩信號(hào)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(hào)。通過調(diào)節(jié)參數(shù)可將機(jī)械產(chǎn)生的100Hz以上的頻率截止，從而達(dá)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(jìn)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(shí)間常數(shù)上可知，該系統(tǒng)可在停止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行全閉環(huán)誤差調(diào)整，在過渡狀態(tài)下可進(jìn)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(jìn)行簡單介紹。首先設(shè)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(shè)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(shè)置，可根據(jù)要求設(shè)置；P8480為一階延時(shí)環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置代號(hào)，其設(shè)置范圍為：10~300mS，一般設(shè)定為100mS左右；P8481為零點(diǎn)幅度，一般情況下為0，但因振蕩可適當(dāng)調(diào)高一點(diǎn)。
　　
　　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。
　　
　　(六)采用機(jī)械反饋功能
　　
　　在保證半閉環(huán)穩(wěn)定性后，使用全閉環(huán)系統(tǒng)來調(diào)整系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)。若其機(jī)械環(huán)節(jié)引起的彈性振蕩故障，需采用機(jī)械反饋環(huán)節(jié)來調(diào)整參數(shù)，可達(dá)到很好的效果。
　　
　　由機(jī)械原因引起的振蕩若造成爬行與振動(dòng)的原因在機(jī)械部分，應(yīng)首先檢查導(dǎo)軌副。因移動(dòng)部件所受的摩擦阻力主要是來自導(dǎo)軌副，導(dǎo)軌副的動(dòng)、靜摩擦因數(shù)大，且其差值也大，容易造成爬行。目前數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌副廣泛采用了滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌、塑料導(dǎo)軌，如果導(dǎo)軌副的間隙調(diào)整不好，仍會(huì)造成爬行成振動(dòng)。對(duì)于靜壓導(dǎo)軌應(yīng)著重檢查靜壓是否建立，對(duì)于塑料導(dǎo)軌可檢查導(dǎo)軌面上是否有雜質(zhì)或異物，對(duì)于滾動(dòng)導(dǎo)軌則應(yīng)檢查導(dǎo)軌副的預(yù)緊情況等。
　　
　　其次，要檢查進(jìn)給傳動(dòng)鏈。有效地提高傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)剛度，對(duì)于提高運(yùn)動(dòng)精度，消除爬行非常有益。引起爬行的原因常常是軸承、絲杠螺母副和絲杠本身的預(yù)緊不理想，傳動(dòng)鏈中存在間隙或傳動(dòng)鏈長，傳動(dòng)軸直徑偏小，支承和支承座的剛度不夠等。
　　
　　另外，克服爬行除了在系統(tǒng)中引入阻尼、變更系統(tǒng)的動(dòng)力特性外，從摩擦學(xué)的角度zui有效的方法就是通過改善潤滑或變更材料以改變摩擦因數(shù)。有時(shí)爬行就是因?qū)к壐睗櫥瑺顟B(tài)不好造成的。采用具有防爬作用的導(dǎo)軌潤滑油是一種非常有效的措施，這種導(dǎo)軌潤滑油中有極性防爬添加劑，能在導(dǎo)軌表面形成一層不易破裂的油膜，從而改善導(dǎo)軌的摩擦特性。
　　
　　四、結(jié)束語
　　
　　數(shù)控系統(tǒng)振蕩問題是數(shù)控機(jī)床調(diào)試或運(yùn)行中常見的故障，以上主要討論了幾種消除數(shù)控系統(tǒng)振蕩故障的基本方法，根據(jù)不同系統(tǒng)可選擇不同的方式進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。主要是要了解振蕩的原因才能采取相應(yīng)的消除方式進(jìn)行調(diào)整，不可盲目進(jìn)行參數(shù)修改，以免影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。對(duì)于各種不同的數(shù)控系統(tǒng)需要采用不同的診斷方法，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)制定有效的故障排除措施，提高生產(chǎn)運(yùn)行能力，保證加工效率。

　　(作者：江蘇省徐州技師學(xué)院 尹勇)