基于FANUC数控机床伺服轴的共振抑制分析.pdf

自 动 化 技术 与 应 用 2 0 1 1 年 第3 0 卷 第9 期 仪 器 仪 表 与检 测 技 术 l n s t r u men t a t i o n an d Me as u r men t 基于 F A N U C数控机床伺服轴 的共 振抑制分析 陈 卫 国 ，赵 素娜 2 1 ． 上汽通用五菱汽车股份有限公司， 广西 柳州 5 4 5 0 0 7 ； 2 ． 广西大学电气工程学院， 广西 南宁 5 3 0 0 0 0 摘要 红数控饥味仙 过程中， 有很多因素会引起被加_ r 工什趟年， 而J J 『 I _ r 过程中的机』 术振动是最要 素之 。引起机 振动的 仃， K多， 小艾分忻总结 r机床抓动的各种原冈和条什， 点研究 共振机 ， 最后结合辅助软f l - t i F A NUC f J L 眯 验 J 振抑 制效 。 关键 词 F A NUC饥 ； 』 抓 ； 顿 响 I { ， l冬 ’ 炎 t ‘ T 1 ’ 2 0 7 足献f ，J ； } A Re s o n a n c e Re s t r a i n i n g An a l y s i s Ba s e d O n F ANUC Ma c h i n e T o o l CHEN W e i - g uo ． ZHA0 S u - n a 1 ． S GMW Gu a n g x i ， L i u z h o u 5 4 5 0 0 7 Ch i n a ； 2 ． E l e c t r o n i c C o l l e g e Gu a n g x i Un i v e r s i t y ， Na n n i n g 5 3 0 0 0 0 Ch i n a Ab s t r a c t I n t h e n u me r i c a l c o n t r ol m a c hi n i n g p r o c e s s ， t h e r e a r e ma n y f a c t o r s m a y c a u s e m a c h i n i n g o u t o f t o l e r a n c e ， wh i l e t h e vi b r a t i o n o f m a c h i n e i s on e o f t h e mo s t i m p o r t a n t f a c t o r s ． Th e r e a r e m a n y r e a s o n s f o r t h e v i b e r a t i o n o f ma c h i n e ． Th i s p a p e r a n a l y z e s a n d s u mma r i z e s t h e s e r e a s o n s a n d c o n di t i o n s o f v a r i o u s v i b r a t i o n ， foc u s e s o n t h e r e s o n a n c e me c h a n i s m． Th e a c c e s s o r y s o ftwa r e i n F ANUC ma c h i n e i s c o mb i n e d t o v e r i f y r e s o n a n c e i n h i b i t i o n e f f e c t a t l a s t ． Ke y wo r ds F ANUC ma c h i n e t o o l s ； r e s o n a n c e ； f r e q u e n c y r e s p o n s e 1 引言 数控机床是一种 自动化程度高、结构较复杂的先 进加工设备 ， 具有机电一体化、高技术、高精度、高效 率的特点， 在机械制造业中获得了广泛应用。在数控机 床使用过程中， 进给轴速度不稳定、振动、抖动的现象 时有发生。机床进给轴的振动对机械加工的精度、工 件的表面质量、机床的有效使用寿命等有着不容忽视 的 影 响 。 1 。 1 机械振动原因和条件 在进给系统中， 伺服驱动装置到移动部件之间必须 要经过 由齿轮、丝杠螺母副或其他传动所组成的传动 链。产生振动的条件主要有 1 丝杠预紧力不足、弯曲。 丝杠预紧力不足 ， 容易造成运行过程 中丝杠弯曲。丝杠 如果弯曲， 摇动机床手轮的同时 ， 用手紧握丝杠， 会感受 到丝杠受力较大， 并且有轻微颤动。 2 丝杠轴向有窜动 间隙。丝杠在其轴向方向出现窜动间隙 ， 容易引起加减 收稿 日期 2 0 1 1 0 4 0 7 速时产生振动与速度不稳现象。 3 丝杠轴承磨损。丝 杠轴承磨损后 ， 机床运动时除了会振动外 ， 还会发出很 大的噪声 。提高整个传动链的传动刚度 ， 是消除振动和 爬行的有效手段。 1 ． 2 电气元件故障引起的振动 电气故障包括编码器、编码器的连结线接触不 良 或受到干扰、电源三相输入不平衡、伺服电动机、变频 器或驱动板等故障 ， 这些电气元件主要是负责速度信号 反馈及速度调节的。其中， 以编码器故障最为常见 。编 码器作为闭环系统的检测元件 ， 它的反馈信号直接影响 到各轴电动机 包括主轴电动机 的速度调整 ， 当编码器 由于脏污或损坏 ， 或者连结线出现问题使反馈信号不稳 时 ， 变频器 主要用于主轴 电动机 或伺服驱动部分会根 据信号不停地调整频率与 电压 ， 以期待达到指令转速 ， 这样 电动机不停地加减速 ， 使机床振动。这种现象最明 显 的标志就是机床负载表指示值变大。 1 ． 3 系统参数设置不当和加工程序问题 一 个闭环系统可能 由于参数设定不合理而引起系 仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 l n s t r ume n t a t ion a nd Mea s u r men t 自动化技 术与应用2 01 1 年第 3 0卷第 9期 统振荡， 如位置环的增益、速度环的增益、电流环的增 益、加速度等参数。若加速反馈的增益过大 ， 在加减速 期间会产生异常的声响和振荡。在 电机不转动时， 很小 的偏移会被速度环 的比例增益放大。在加减速期间电 动机和机械之间的连接有可能出现差动 弹性变形 ， 从 而在 电动机和丝杠间引起微小 的速度差 ， 容易产生振 荡。消除振荡的最佳方法就是减少放大倍数。在实际操 作中， 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。另外， 如果加工程序过于频繁的执行 换刀、长时间高强度的加工工件也会引起机床机械结 构的变化进而引起振动。 1 ． 4 机床共振与系统振荡 机床在某一特定的转速时可能出现共振现象 ， 出现 共振时， 采取措施一般是加工时避开共振转速范围或采 用阻尼法消除共振。另外如果机床的参数设定不好 ， 可 能引起系统振荡 ， 消除这种振荡的最佳方法就是减小系 统的放大倍数。 机床在使用过程中， 经常出现的是 电气元件故障与 机械故障引起的振动。实 际上电气故障与机械故障不 是孤立的， 比如与轴转动有关的机械故障可能会影响到 编码器的信号反馈 ， 这时虽然测得编码器的信号不稳 定 ， 但不能武断地判断为编码器故障； 而电气出现故障， 也会引起机械零件振动 ， 同样不能因为是机械零件振动 判为机械故 障。 因此， 为 了延长机床机械部件的寿命 ， 预防其过速 老化， 避免在机床长时间运行后其机械结构出现磨损影 响机床加工精度 ， 我们有必要在做出振动分析后对系统 进 行调 整 。 本文基于 F ANU C数控机床， 用频率响应方法对其 伺服进给轴共振情况进行分析 ， 并提出对策。 2 欠阻尼振动[ 5 H7 ] 一 个振动系统 ， 在临界阻尼和过阻尼情况下不能振 动， 只有在欠阻尼情况下才能振动。而欠阻尼振动的振 幅随时间变得越来越小 ， 经过一段时间后振动就停止 了。因此 ， 欠阻尼受迫振动系统更具有实 际意义 ， 讨论 这样的振动系统的性质就更有价值。 欠阻尼振动系统的品质 因数 Q 以欠阻尼弹簧振子为例 。无强迫力时欠阻尼弹簧 振子的振动规律为 X A o e 一 c o s t o t 1 其 中 是阻尼因数 ， ∞ 是振动的圆 k 频率， ∞ 。 是振子的固有圆频率 ， k是弹性系数 ， m 是振子质量。 品质 因数是为了描述振动系统在振动 中能量耗损 的情况而引入的。其定义是 Q 2 Jr t 至t T 的一周{J J IJ、J 系 l 的能 对于欠阻尼的弹簧振子 ， a m ， ， ， 其 中y 是阻力系数。 Q 值越高 ， 衰减越缓慢。 我们在对伺服轴进行共振分析时 ， 首先就是要找出 其共振点。对于一个受迫振动的系统 ， 为了找出其振动 点， 总希望这个频率的响应 曲线 共振峰曲线 越尖锐越 好 ， 即振幅与频率的相对变化越大越好。 在欠阻尼系统 中， 品质 因数为 Q 3 其中， z x O 为带宽 ， 可见带宽越窄， 系统 值也越 高 ， 也就是说满足这些条件的点为振动点。 3 频 率响应[ 8 ] 频率响应 或频率特性 是一个 电路或系统的输出量 与输入量 一般都是电压 之比 传输系数或增益 和输入 信号的频率之间的关系。因为这个比值一般是复量 ， 所 以频率响应又可分为幅频特性和相频特性。我们可以 用二阶微分方程来描述伺服驱动轴 的运动 。 二阶系统的传递 函数 G 0 9 2 2 { m ∞ 4 式中 振荡环节的阻尼比 0 0 ． 7时， A to 是单调衰减的， 没有峰值。 当 1， 当 0 ． 7时， A 1 ，6 【 0 当 0时， A ， ∞ 这表 明外加正弦信号的频率和振荡环节的 自然振 荡频率相同， 引起环节的共振 ， 环节处于临界稳定状态。 振荡环节的阻尼比 越小 ， 峰值越大 ， 这意味着环 从上 图可 以看 出其发生 共振 的中心频率点 约为 2 9 0 Hz ， 频率带宽约为 8 0 Hz ， 在 S e r v o G u i d e中我们在相 同的中心频率和带宽的条件下 ， 设定不 同的阻尼值 ， 我 们设定中心频率为 2 9 0 Hz ， 带宽为 8 0 Hz ， 阻尼为 7 0 ， 其频 率特性 曲线分别为 ， 如图 3 。 设定中心频率为 2 9 0 Hz ， 带宽为 8 0 Hz ， 阻尼为 4 0 ， 其 频率特性曲线， 如图 4 。 一 一 ～ 一 一 一 万 一 一 ～ 一 。 一 一 ～ 仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 I ns t r u men t at i o n an d M e a s u r m e n t 自动化技 术与应用 2 0l 1 年第 3 0卷第 9期 图 3 在阻尼值为 7 0时， z轴的频率特性曲线 图 4 在阻尼值为 4 0时 ， Z轴的频率特性曲线 设定中心频率为 2 9 0 Hz ， 带宽为 8 0 Hz ， 阻尼为2 0 ， 其 频率特性 曲线 ， 如图 5 。 僦 l 0 2 O 5 0 1 0 O 咖 Io耋 o ∞ r 蝌O 图 5 在阻尼值为 2 0时， Z轴的频率特性曲线 通过上面图示 ， 可 以看出 ， 在相同的振动 中心频率 和带宽的条件下阻尼越小 ， 共振点找的越准确 ， S e r v O Gu i d e 滤波器对共振点频率的抑制越明显。 5 结束语 本文全面分析了引起机床振动的原 因， 针对机床伺 服驱动轴振动结合欠阻尼受迫振动理论和频率响应理 论得到寻找共振点的方法 ， 最后在生产现场的机床上用 软件进行验证。要抑制共振 ， 首先是要寻找共振点 ， 只 有得到了共振点才能有 目的的设定滤波参数对共振点 频率进行抑制。结合生产实践 ， 定期的对机床进行静态 频率响应 ， 能更好的针对不同的机床特性对其进行参数 的设定 ， 在保证工件加工精度的同时也能有效降低机床 关键机械部件的磨损程度。 参考文献 [ 1 】 张会端， 谭庆昌， 永臣． 机床工作台上刀具工作点的轴 向振动分析 ． 北京工业大学学报， 2 0 0 8 ， 3 4 1 1 1 1 3 2 -1 1 3 9 ． [ 2 ] 韩益建． 数控机床的振动故障分析[ J 1 ． 制造技术与机床， 2 0 0 9 5 1 3 4 -1 3 5 ． [ 3 ] 孟秀琴 ， 岳利． 数控机床进给轴振动故障分析f J 】 ． 机电信 息 ， 2 0 1 0 1 8 2 6 2 - 2 6 3 ． [ 4 ] 高立新， 丁庆新， 高广新， 焦汝娟， 李晓俭 ． 数控机床振动 自检系统⋯． 制造技术与机床， 2 0 0 2 8 9 -1 0 ． [ 5 ] 王众臣， 姜雪洁． 阻尼振动的研究[ J ] _ 青岛建筑工程学院 学报， 2 0 0 0 ， 2 1 2 9 0 - 9 4 ． [ 6 ]漆安慎 ． 力 M】 ． 北京 高等教育出版社 ， 1 9 9 7 ． [ 7 】赵凯华． 力学[ M】 ． 北京 高等教育出版社 ， 1 9 9 5 ． [ 8 】 程鹏． 自动控制原理 】 ． 北京 高等教育出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 9 】陈芳， 朱仕学 ． 数控机床伺服参数设定与调整【 J 】 ． 机床与 液压， 2 0 0 9 ， 3 7 7 5 3 - 5 5 ． 作者 简介 陈卫国 1 9 8 3 一 ， 男， 工学硕士， 工程师， 研究方 向 模 式 识 别 、伺 服 运 动 控 制 现 场 总线 一 臻u { 争 I 1 P 。 譬篷 喜 毒o ∞ 带 _ I 善u |l 毒々 一毒鑫 ． o喵 挪 蕃 } _ 一 _ P 】 薅h 争 I I 。 ． nⅥ 喜o _毒盎