磨床的伺服调试

王 鹏，马吉民

（中车齐齐哈尔车辆有限公司，黑龙江齐齐哈尔 161002）

0 引言

数控外圆磨床是比较精密的数控加工设备，磨床与其他数控加工设备比较而言，应具有稳定的砂轮平衡系统、良好的伺服响应特性与低速特性。现以意大利莫罗拉外圆数控磨床为例就这3个方面简略分析一下在磨床维修与调试过程中应注意的各个方面的问题，以及数控参数调整等问题。

1 进给伺服系统伺服响应

进给伺服系统是由电气、机械等环节组成的一个整体，其组成环节的特性参数对整体系统的特性的影响。从理论上讲，可以根据要求与系统的数学模型确定其参数。但是机械系统的阻尼、刚度、惯量等参数干扰因素过多，只能依靠现有参数及经验进行调整，修正。

1.1 进给伺服系统的一般模型

由系统模型可以看出整个伺服系统由伺服指令，位置控制单元、速度控制单元、位置检测单元、执行机构等部分组成。驱动轴是由电流环，速度环和位置环组成，一般来说位置环是一个简单的比例调节器，速度环和电流环是由比例积分调节器组成，是驱动的核心部分。在系统中不考虑电流环，因为系统已完成电流环自动匹配。

1.2 控制系统传递函数

公式（1）中Kp为位置环比例系数（西门子参数：MD32200，位置环增益；MD32300，轴的加速度）；Kv为速度环比例系数（西门子参数：MD1407速度环增益）；Tv为速度环时间常数（西门子参数：MD1409）；Kf为反馈环比例系数。由传递函数可以看出，调节位置环增益、速度环增益、速度环时间常数可以改善控制器的输出特性。

1.3 机械特性与传递函数

把伺服执行系统等效为弹簧系统可以得出机械系统传递函数见式（2）。

式中s——拉普拉斯

k——传动刚度

m——执行部件质量

Cr——导轨副上的黏性阻尼系数

由机械系统传递函数可以看出输出特性与传动刚度、执行部件质量、导轨副上的黏性阻尼系数、切削力、摩擦力等参数有关。由控制系统及机械系统传递函数可以得出以下结论。

（1）在机械系统中由于传动刚度、执行部件质量、导轨副上的黏性阻尼系数等机械参数机床制造、安装后已基本固定，以通过调整传动间隙、调整预紧力等手段恢复原设计机械参数。

（2）由于摩擦力受润滑等因素影响，应保证系统各传动部件具有良好的润滑。

（3）严格按照机床原设计加工能力进行加工。

（4）在保证机械传动稳定的情况下进行伺服参数调整。

（5）速度控制环的调整在保证伺服轴不发生振动的情况下，尽量增大速度增益，通过调整时间常数改善系统的稳定性。

（6）通过调整位置环增益，适应其他传递环节，保证系统的跟随性。

（7）伺服传动系统是电气控制、机械传动等综合系统调整时应综合考虑各参数。

2 低速进给运动平稳性

由于磨床系统磨削时进给速度在（0.03～0.1）mm/min属于低速进给运动，机床的低速特性决定产品表面光洁度和精度。以下就低速特性进行分析。

2.1 爬行的概念

进给系统在低速进给时，在驱动速度是均匀的情况下，当系统的刚度不足、摩擦力偏大等系统参数不恰当时，就会出现执行部件运动时快时慢、甚至停顿的现象，这种现象称为爬行现象。它是低速运动不平稳的体现。

2.2 爬行的临界速度式

式中m——质量

θ——阻尼比

k——刚度

Δf=fs-fd

2.3 爬行的抑制措施

由公式得出在维修调试中，可通过提高传动刚度、减小摩擦因数等手段降低爬行临界速度，保证系统加工精度。

3 砂轮的平衡

3.1 砂轮平衡问题的提出

几乎所有的旋转体都存在不平衡问题。由于磨床主轴属于高速旋转运动，不平衡现象影响主轴的旋转精度，导致产品表面光洁度变差。为了解决上述问题，通常要对砂轮进行平衡。

3.2 砂轮平衡问题的解决

由于磨床砂轮是旋转体，如果质量分布不均匀，其重心就可能会偏离旋转中心即产生不平衡量。当砂轮旋转时，不平衡量将引起呈现正弦规律的振动，转速一定时，振动的位移量与不平衡量成正比。通过测量不平衡量引起振动位移的大小，平衡仪自动校正质量的位置，使振动幅值尽可能降到最低，以使砂轮达到平衡。

4 结论

数控冷切设备尤其是数控磨床等精密冷切设备，伺服传动系统、主轴驱动系统是决定机床特性的关键因素。伺服传动系统是数控设备的关键，在伺服调试中应综合考虑数控系统中的位置增益、速度增益、时间常数等相关参数，机械系统调试中应注意系统刚度、各部位间隙、摩擦阻力、阻尼等相关参数。伺服调整应以系统稳定性为首要考虑条件，其次在保证稳定的前提下，尽量提高系统的响应速度，使系统获得尽量高的高速特性。