張紹新 （安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械系，安徽 淮南232001）

數(shù)控機床由計算機數(shù)控裝置、伺服單元和驅(qū)動裝置及測量裝置 （即伺服系統(tǒng)）、控制面板、控制介質(zhì)與程序輸入輸出設(shè)備、PLC及機床I／O電路和裝置、機床本體6大部分組成［1］。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)在工作過程中會產(chǎn)生振動，主要包括低頻振動 （振動頻率小于100Hz）、中頻振動 （振動頻率在100～400Hz之間）和高頻振動 （振動頻率大于400Hz）等。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)產(chǎn)生振動的原因包括2個方面，一方面是由于伺服系統(tǒng)的指令信號受外力干擾信號作用和其自身在線路中的非線型失真產(chǎn)生諧波，另一方面是由于機床部件之間存在間隙［1］。下面，筆者對FANUC－0i數(shù)控機床伺服系統(tǒng)振動抑制方法進行了探討。

1 低頻振動抑制方法

1.1 設(shè)置干擾濾波器

FANUC－0i數(shù)控機床伺服系統(tǒng)在受到外力干擾信號作用下會產(chǎn)生低頻振動，從而影響金屬零件的加工精度，為此設(shè)置干擾濾波器來抑制低頻振動。設(shè)置干擾濾波器抑制低頻振動圖如圖1所示。當(dāng)外力干擾信號作用于伺服系統(tǒng)時，電機的轉(zhuǎn)速將發(fā)生變化，其非輸出軸上的光電編碼器將變化的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為變化的轉(zhuǎn)速電信號，該信號經(jīng)微分處理器、限幅器和濾波器處理和反饋環(huán)增益，再反饋至前端與扭矩指令信號進行比較后進入伺服系統(tǒng)，從而有效地抑制外力干擾信號產(chǎn)生的低頻振動。在FANUC－0i數(shù)控機床上進行金屬零件XY平面圓弧切削加工時，其伺服系統(tǒng)因受到外力干擾信號而產(chǎn)生低頻振動，通過設(shè)置干擾濾波器并進行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置與調(diào)整［2］，使伺服系統(tǒng)低頻振動得到較好的抑制。由金屬零件XY平面圓弧切削加工結(jié)果圖（見圖2）可知，在伺服系統(tǒng)中設(shè)置干擾濾波器前后，金屬零件圓弧切削加工誤差減少了0.9μm，提高了該圓弧切削加工金屬零件的精度和表明光潔度。

圖1 設(shè)置干擾濾波器抑制低頻振動圖

圖2 金屬零件XY平面圓弧切削加工結(jié)果圖

1.2 設(shè)置PI控制器

由于FANUC－0i數(shù)控機床機械剛性低，響應(yīng)性能差，導(dǎo)致其伺服系統(tǒng)容易產(chǎn)生低頻振動，為此設(shè)置PI控制器來消除或減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)伺服系統(tǒng)接收到脈沖編碼器速度指令后，伺服電機在較短時間內(nèi)加大轉(zhuǎn)矩以提高系統(tǒng)響應(yīng)性，最終使伺服系統(tǒng)的低頻振動得到抑制（見圖3）。在FANUC－0i數(shù)控機床上進行XY平面圓弧切削加工時，伺服系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振動后，通過設(shè)置PI控制器并進行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置調(diào)整，金屬零件加工半徑誤差接近于0μm（見圖4），從而使金屬零件圓弧切削加工精度大大提高。

圖3 設(shè)置PI控制器抑制低頻振動圖

2 中頻振動抑制方法

FANUC－0i數(shù)控機床伺服系統(tǒng)在產(chǎn)生中頻振動時會對傳動速度造成很大影響，從而嚴重影響機床的加工質(zhì)量，為此通過設(shè)置扭矩濾波器來抑制數(shù)控機床伺服系統(tǒng)產(chǎn)生的中頻振動（見圖5）［3］。當(dāng)伺服系統(tǒng)振動產(chǎn)生較大扭矩時，電機速度會發(fā)生變化，其變化值通過光電編碼器反饋，經(jīng)比例積分處理器處理后再經(jīng)過扭矩濾波器進行二次抑制，由此有效抑制伺服系統(tǒng)的中頻振動。例如進行金屬零件XY平面圓弧切削加工時伺服系統(tǒng)產(chǎn)生中頻振動，未設(shè)置扭矩濾器時加工誤差為2.5μm，而設(shè)置扭矩濾器并進行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置調(diào)整后的加工誤差為0.5μm （見圖6），這表明設(shè)置扭矩濾波器能有效抑制伺服系統(tǒng)中頻振動，從而提高機械加工產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖4 金屬零件XY平面圓弧切削加工半徑誤差結(jié)果圖

圖5 設(shè)置扭矩濾波器抑制中頻振動圖

圖6 金屬零件XY平面圓弧切削加工結(jié)果圖

3 高頻振動抑制方法

金屬零件切削加工中若出現(xiàn)伺服系統(tǒng)高頻振動時，可以通過設(shè)置4級減震濾波器來解決上述問題。設(shè)置4級減振濾波器抑制高頻振動圖如圖7所示。減振濾波器1用來及時跟蹤共振頻率，減振過濾器2用來設(shè)定衰減率，減振過濾器3用來設(shè)定頻率帶寬，減振過濾器4用來設(shè)定共振頻率，由此消除伺服系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻振動。在FANUC－0i數(shù)控機床進行金屬零件切削加工時，設(shè)置4級減振濾波器并進行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置調(diào)整，不僅能夠有效抑制伺服系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻振動，而且可以提高數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的響應(yīng)性［4］。減振濾波器幅頻和相頻曲線圖如圖8所示。從圖8可以看出，在400～500Hz范圍內(nèi)，伺服系統(tǒng)高頻振動得到了較好的抑制。

圖7 設(shè)置四級減振濾波器抑制高頻振動圖

圖8 減振濾波器幅頻和相頻曲線圖

4 結(jié) 語

針對FANUC－0i數(shù)控機床伺服系統(tǒng)在工作過程中產(chǎn)生振動的問題，探討了相關(guān)振動抑制方法，即對低頻、中頻和高頻振動分別通過設(shè)置干擾濾波器和PI控制器、扭矩濾波器以及四級減振濾波器來進行抑制。采取上述方法能夠使FANUC－0i數(shù)控機床伺服系統(tǒng)產(chǎn)生的振動得到較好的抑制，對提高機械加工產(chǎn)品的質(zhì)量具有良好作用。

［1］劉永久 .數(shù)控機床故障與維修技術(shù) （FANUC系統(tǒng)）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［2］黃敏高 .基于FANUC系統(tǒng)的全閉環(huán)數(shù)控機床減振控制應(yīng)用 ［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2008，49（10）：58－59，63.

［3］謝克明 .自動控制原理 ［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［4］陳芳，朱仕學(xué) .數(shù)控機床伺服參數(shù)設(shè)定與調(diào)整 ［J］.機床與液壓，2009，37（7）：76－77.