数控机床的振荡现象分析与消除

撰文/田国华

■130013 一汽模具制造有限公司 吉林 长春



数控机床的振荡现象分析与消除

撰文/田国华

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本文的研究重点是数控机床的振荡现象如何清除。本文首先阐述了产生振荡的原因及消除振动的基本方法。其次介绍了对于各种不同的数控机床需要采用不同的诊断方法。进而阐述了清除数控机床的振荡现象已成为影响数控设备正常使用和保证模具质量的重要因素。并通过具体案例阐明了消除数控系统振荡故障的方法。有效的消除振荡问题，提高生产效率。数控机床；振荡；故障；消除。

数控机床的振荡现象（局部抖动现象），已成为数控全闭环控制系统较常见并且难于处理的问题。在我公司的大型精密加工中心设备上体现尤为明显，机床出现振荡现象的频次相对不是很高，但是问题点在于难于把握及诊断，该问题已成为影响数控设备正常使用和保证模具表面质量的重要因素之一。我们经过多年的经验积累逐渐形成一套较完整的判断思路和修理办法。

1产生振荡的原因分析

这里指的振荡主要针对非新安装的设备，即安装调试完成后投入使用的设备。

产生振荡的原因有很多，大体分为机械和电气两个方面。机械方面：由于常年使用积累而存在的传动间隙、弹性变形、摩擦阻力等诸多因素，或者因其它情况（撞击、过载）而产生的传动链变形，部件损坏或松动，传动链的润滑状态不良、外加负载过大等因素所致等等。电器方面：伺服系统的有关参数的影响及设置，驱动电机、编码器及联轴节、位置检测装置、电气线路及其屏蔽等出现的异常情况。

2消除振动的基本方法

有些数控伺服系统采用的是半闭环装置，而全闭环伺服系统必须是在期局部半闭环系统不发生振动的前提下进行参数调整，所以两者大同小异，本文为避免重复，暂且只讨论全闭环的情况。

要本着先外围后内部、先电气后机械、先简单后复杂、先静后动、先公用后专用、先查软件后查硬件的原则检查故障，对于数控设备出现较复杂的故障，特别是涉及到控制系统时，应用这些原则可简化故障的诊断过程，避免走弯路。有时这些原则应该结合使用，这样才能使故障尽快排除

2.1降低位置环增益

在伺服系统中有参考的标准值，例如：FIDIAC0-2系统为2000，FIDIAFIAXVKVD位置环增益1500；FANUCO-C系列为3000，西门子3系统为 1666，出现振荡可适当降低增益，但不能降太多，因为要保证系统的稳态误差。位置环增益系数Kv值的正确设定与调节。通常Kv值是作为机床数据设置的，数控系统中对各个坐标轴分别指定了Kv值的设置地址和数值单位。在速度环最佳化调节后Kv值的设定则成为反映机床性能好坏、影响最终精度的重要因素。Kv值是机床运动坐标自身性能优劣的直接表现而并非可以任意放大。关于Kv值的设置要注意两个问题，首先要满足下列公式：

Kv=v/Δ

式中v——坐标运行速度，m/ min

Δ——跟踪误差，mm

注意，不同的数控系统采用的单位可能不同，设置时要注意数控系统规定的单位。例如，坐标运行速度v的单位是m/min，则Kv值单位为m/ (mm•min)，若坐标运行速度v的单位为mm/s，则Kv的单位应为mm/(mm•s)。

其次：要满足各联动坐标轴的Kv值必须相同，以保证合成运动时的精度（简单例子：保证铣圆加工时的圆度）。通常是以Kv值最低的坐标轴为准。

案例：意大利兰苞蒂PV12加工中心，故障描述：丝母的滚珠磨损造成双向低速抖动，因丝母钢球大小需要配合制作精度较高，并且采购周期较长。所以采用短期应急办法：调整参数（FIDIAFIAXVKVD位置环增益由1200调整至1000、三轴同时调整）后应急加工正常。避免了因采购周期过长而造成的长期停机。

2.2位置检测环节检查

检查测量光栅尺读数头、及其与尺座的相对安装间隙，通常为尺座固定、读数头移动的形式，读数头的固定如果有极小的间隙，则会产生较大的抖动包括静止的时候。

检查读数头的电缆状态，包括接插部分、屏蔽状态（屏蔽点是否可靠接地）、若有EXE放大器则检查接口状态（必要时可以采取互换法）

2.3借助数控机床自带的诊断软件辅助分析

我公司数控机床的主要系统为FANUC（15、16、18、21），FIDIA（C0、C10、C20），SIEMENS840.它们都有各自的自诊断软件，能够分析出运动过程中的关键要素，例如：速度、位置精度，加速度，跟随误差，插补精度。

2.4参数调整开环设置（屏蔽光栅尺）

借助机床参数设置加以分析、排除位置检测环节（光栅、磁栅、感应同步器、独立编码器）的故障因素。

图1

例如：尺子表面有灰尘、油污等赃物，读数头与尺子的距离有微小的变化，反馈电缆屏蔽不良造成的干扰或是电缆接触不良，独立编码器本身问题或是联轴节等问题，感应同步器的滑尺与定尺之间间距，及其模数转换装置问题等等。

借助参数设置将机床的控制系统由闭环转为开环控制方法，是我们在借鉴的基础上自主摸索创建的，已经形成一套较标准的技术文件，在我公司大型加工中心的故障诊断排除过程中起到了较大的作用，不仅仅在机床振动的问题上，而且在位置环本身故障得排查方面，和因位置环暂时无法恢复而应急加工方面，也起到了相当大的作用。

图1即为我公司几大重点数控系统的参数设置方法。

2.5机械传动链的系统检查

2.5.1检查驱动电机与滚珠丝杠的连接间隙，（皮带张紧度、齿轮啮合间隙、键或涨紧环间隙）

2.5.2检查导轨润滑及磨损（滑动导轨的油膜，滚动轴承的润滑状态，导轨面研伤情况）

2.5.3检查丝杠传动副（丝杠的两端轴承、预紧螺母、丝杠的拉伸负荷），丝母的窜动量（滚珠的磨损、滚珠循环滚道、负荷垫片的间隙状态）。

2.6 降低负载惯量比

负载惯量比一般设置在发生振动时所示参数的70%左右，如不能消除故障，不宜继续降低该参数值。

2.7 加入比例微积分器（PID）

比例微积分器是一个多功能控制器，它个仅能有效地对电流电压信号进行比例增益，同时可调节输出信号滞后或超前的问题，振荡故障有时因输出电流电压发生滞后或超前情况而产生，这时可通过PID来调节输出电流电压相位。

以上主要讨论了几种消除数控系统振荡故障的基本方法，根据不同系统可选择不同的方式进行参数优化。主要是要了解振荡的原因才能采取相应的消除方式进行调整，不可盲目进行参数修改，以免影响到整个系统的稳定性与可靠性。

案例分析：

机床简介：我公司一台江苏多棱三轴数控铣TK42160A，数控系统采用SIEMENS840D，伺服驱动器类型：6SN1123，1FK6系列伺服电机，速度反馈ERN1387编码器，位置检测装置选用FAGORNCVP直线光栅尺。

故障现象：工作台X轴抖动严重（逐渐由低速抖动转向高速抖动）。

诊断过程：

●根据轮廓误差调整Kv因素（减小参数32200的数值）；无效

●检查读数头安装间隙（位置环FAGOR光栅尺）；正常

●检查皮带张紧度（工作台电机通过皮带与丝母连接驱动X轴）；正常

●检查工作台导轨贴塑料（滚动轴承辅助）；正常

●检查导轨润滑及磨损；【半年前的相似故障：低速抖动爬行，快速正常，修改位置环增益参数】。正常

●检查丝杠预紧、伸长程度（备帽）；正常

●参数调整开环设置（屏蔽光栅尺），故障现象明显减弱。

●拆除丝母发现负荷调整垫松动几乎脱落，负荷间隙很大。故障症结所在。

修复方法：

根据丝母预加符合重新制作调整垫片，安装并采取防松措施，试车前把所有参数恢复到原始状态，上电试车故障现象消除。

3结论

本文讨论了几种消除数控振荡故障的常见方法，各种控制环节都有详细的控制理论做依据，在保证控制系统的稳定性和可靠性的同时，有效的消除振荡问题，提高生产效率。当然，在有些控制环节还存在一些问题，需要以后继续加深了解和解决。

数控系统振荡问题是数控机床调试或运行中常见的故障，对于生产加工过程，及时处理好故障问题，以保证生产正常运行。同时对于进口加工中心需要重点维护，对于出现常见的振荡问题，需要长时间的积累和对问题的理性判断才能做到有效的维护和保养。所以，对于各种不同的数控机床需要采用不同的诊断方法，根据数控机床各自的特点制定有效的故障排除措施，提高生产运行能力，保证加工效率。

田国华（1972.9.9-）,男,籍贯：吉林省长春市,职称：高级工程师,研究方向：装备技术。

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