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引言

數控系統的振蕩現象已成為數控全閉環系統的共同性問題。尤其在臥式帶立柱的Z軸和旋轉數控工作臺B軸,其系統出現振蕩的頻率較高。該問題已成為影響數控設備正常使用和高度的重要因素之一。

1、產生振蕩的原因分析

產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,伺服系統的有關參數的影響也是重要的一方面。

伺服系統有交流和直流之分,本文主要討論直流伺服系統因參數影響引起的振蕩。大部分數控機床采用的是全閉環方式,其控制原理圖如圖1所示。

圖1 伺服全閉環系統

由圖1可看出,引起伺報系統振動的原因大致有四種情況:

a. 位置環不良又引起輸出電壓不穩；

b. 速度環不良引起的振動；

c. 伺服系統可調定位器太人引起電壓輸出失真；

d. 傳動機械裝置(如絲桿)間隙太大。

這些控制環的輸出參數量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進行參數優化。

2、消除振動的基本方法

有些數控伺服系統采用的是半閉環裝置,而全閉環伺服系統必須是在期局部半閉環系統不發生振動的前提下進行參數調整,所以兩者大同小異,本文為避免重復,暫只討論全閉環情況下的參數優化方法。

2.1 降低位置環增益

在伺服系統中有參考的標準值,例如FANUCO-C系列為3 000,西門子3系統為 1666,出現振蕩可適當降低增益,但不能降太多,因為要保證系統的穩態誤差。

2.2 降低負載慣量比

負載慣量比一般設置在發生振動時所示參數的70%左右,如不能消除故障,不宜繼續降低該參數值。

2.3 加入比例微積分器(PID)

比例微積分器是一個多功能控制器,它個僅能有效地對電流電壓信號進行比例增益,同時可調節輸出信號滯后或超的問題,振蕩故障有時因輸出電流電壓發生滯后或超前情況而產生,這時可通過PID來調節輸出電流電壓相位。

2.4 采用高頻抑制功能

以上討論的是有關低頻振蕩時參數優化方法,而有時數控系統會因機械上某些振蕩原因產生反饋信號中含有高頻諧波,這使輸出轉矩量不恒定,從而產生振動。

對于這種高頻振蕩情況,可在速度環上加入一階低通濾波環節,即為轉矩濾波器。其控制原理如圖2所小。

圖2 轉矩濾波功能圖

圖2表明,速度指令與速度反饋信號經速度控制器轉化為轉矩信號,轉矩信號通過一階濾波環節將高頻成分截止,從而得到有效的轉矩控制信號。通過調節參數可將機械產生的100Hz以上的頻率截止,從而達到消除高頻振蕩的效果。

2.5 采用雙位置反饋功能

雙反饋是一種改變控制方式的方法,可在同一個系統選擇半閉環或全閉環方式,其原理圖如圖3所示。

圖3 雙位置反饋控制原理圖

由圖3可看出,誤差控制器ER1和ER2分別被用于全閉環和半閉環系統中。一階延時環節的傳遞函數為(1+τS)-1,可見實際誤差ER主要取決于一階延時環節中時間常數τ,的取值:

若τ＝O,則(1+τs)-1＝1,ER＝ER1+(ER2-ER1)＝ ER2,可見在此情況下該系統處于全閉環控制誤差,從而可以利用全閉環的誤差控制方法來消除振動故障；

若τ＝∞,則(1+τs)-1＝O,ER＝ER1,可見在此情況下該系統處于半閉環控制誤差,從而可以利用半閉環的誤差控制方法來消除振動故障。

綜上所述,利用雙位置反饋可使系統在全閉環和半閉環兩種方式下進行,從而大大提高了系統的調節范圍,也增加了系統的調節參數。從時間常數上可知,該系統可在停止狀態下進行全閉環誤差調整,在過渡狀態下可進行半閉環調整?，F以 FANUCO-C為例,將具體參數調整過程進行簡單介紹。

首先設置參數P84ll＃(DPFB)為1,即為選擇雙位置反饋功能；P8449為位置反饋的最大振幅,一般設置為0；P8478(分子)和P8479(分母)為上圖中位置轉換環節的常數設置,可根據要求設置；P8480為一階延時環節的參數設置代號,其設置范圍為10 ms～300 ms,一般設定為100ms左右；P8481為零點幅度,一般情況下為0,但因振蕩可適當調高一點。

雙位置反饋功能是一種比較靈活的誤差修正方式,在系統調試過程中有很好的參數優化和保證系統穩定性的功能。

2.6 采用機械反饋功能

在保證半閉環穩定性后,使用全閉環系統來調整系統有關參數。若其機械環節引起的彈性振蕩故障,需采用機械反饋環節來調整參數,可達到很好的效果。其原理控制圖如圖4所示。

其中:K1V為速度積分增益；K2V為速度比例增益；α為機械速度反饋增益。

圖4 機械速度反饋控制原理圖

由圖4可看出,電機與工作臺之間的彈性機械裝置可能產生變形,而位置檢測主要來自位置編碼器,速度反饋直接來自電機編碼器。從整個全閉環過程來看,因機械彈性裝置的形變產生全閉環中位置反饋滯后于其它速度環節,從而引起系統振蕩。

如果依圖4中加入機械速度反饋環節,使機械速度滯后得到補償,從而達到消除振蕩的效果。例如對于FANUCO-C系統來說,將參數P8421＃l設置為1后就可啟用機械速度反饋裝置。然后根據要求設置其它有關參數,可參照其系統參數說明書來調節。

以上主要討論了幾種消除數控系統振蕩故障的基本方法,根據不同系統可選擇不同的方式進行參數優化。主要是要了解振蕩的原因才能采取相應的消除方式進行調整,不可盲目進行參數修改,以免影響到整個系統的穩定性與可靠性。

3、結論

本文討論了幾種消除數控振蕩故障的常見方法,各種控制環節都有詳細的控制理論做依據,在保證控制系統的穩定性和可靠性的同時,有效的消除振蕩問題,提高生產效率。當然,在有些控制環節還存在一些問題,需要以后繼續加深了解和解決。

數控系統振蕩問題是數控機床調試或運行中常見的故障,對于生產加工過程,及時處理好故障問題,以保證生產正常運行。同時對于進口加工中心需要重點維護,對于出現常見的振蕩問題,需要長時間的積累和對問題的理性判斷才能做到有效的維護和保養。所以,對于各種不同的數控系統需要采用不同的診斷方法,根據數控系統的特點制定有效的故障排除措施,提高生產運行能力,保證加工效率。