數(shù)控落地銑鏜床五軸頭分度精度的調(diào)整
2018-8-21 來源： 齊齊哈爾二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 作者：盧佳
摘 要：文中介紹了數(shù)控落地銑鏜床兩種不同結(jié)構(gòu)五軸頭對(duì)數(shù)控精度的影響和調(diào)整方法。
關(guān)鍵詞：傳動(dòng)間隙；低速振蕩；剛性；滯后誤差
0 引 言
數(shù)控落地銑鏜床是一種重要的金屬加工設(shè)備，而隨著用戶對(duì)加工的要求提升，為機(jī)床配置各種具有不同功能的附件也就成為了機(jī)床發(fā)展的必然趨勢(shì)。
五軸頭是一種多用途的機(jī)床附件，可以將原本只能進(jìn)行銑面、鏜孔、鉆孔等功能的機(jī)床，擴(kuò)展成為具有斜面加工、曲面加工等功能的高端設(shè)備。
我廠研發(fā)的機(jī)械主軸五軸頭與電主軸主軸頭，控制方式均為全閉環(huán)控制。
為了達(dá)到預(yù)期控制精度，機(jī)械剛性與傳動(dòng)精度都要符合設(shè)計(jì)要求，否則會(huì)直接影響到最終調(diào)試后的銑頭精度。
因?yàn)闄C(jī)械主軸五軸頭與電主軸主軸頭結(jié)構(gòu)不同，傳動(dòng)方式不同，在調(diào)試時(shí)的現(xiàn)象與問題也不同。
下面將針對(duì)兩種五軸頭分別進(jìn)行介紹。
1 、五軸頭傳動(dòng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成
1.1 機(jī)械主軸五軸頭
進(jìn)給伺服電機(jī)安裝在五軸頭底座上，不隨五軸頭進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。A軸進(jìn)給傳動(dòng)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過兩對(duì)齒輪副、兩對(duì)蝸輪蝸桿副實(shí)現(xiàn)A軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；A軸位置檢測(cè)元件為角度編碼器。C軸進(jìn)給傳動(dòng)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過行星齒輪減速機(jī)降速、一對(duì)圓柱齒輪副、一對(duì)蝸輪蝸桿副實(shí)現(xiàn)C軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；C軸位置檢測(cè)元件為角度編碼器。
主軸傳動(dòng)由主機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過三對(duì)高精度弧齒圓錐齒輪副實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)。由于齒輪間隙、蝸輪蝸桿間隙對(duì)定位精度的影響比較大，因此調(diào)整減小傳動(dòng)間隙是關(guān)鍵問題。當(dāng)間隙過大時(shí)，由于慣性，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)容易造成位置環(huán)滯后與超前疊加產(chǎn)生的誤差。在低轉(zhuǎn)速時(shí)振蕩不明顯，但在高轉(zhuǎn)速時(shí)振蕩嚴(yán)重，導(dǎo)致軸定位精度超差，工作不穩(wěn)定。
1.2 電主軸五軸頭
C軸力矩電機(jī)定子固定在五軸頭底座上，不隨五軸頭運(yùn)動(dòng)；轉(zhuǎn)子與萬向架固定，驅(qū)動(dòng)萬向架旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)C軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；C軸檢測(cè)元件為與軸承組合的編碼器。A軸力矩電機(jī)定子固定在萬向架上，不隨A軸運(yùn)動(dòng)；轉(zhuǎn)子與電主軸支架固定，驅(qū)動(dòng)電主軸支架旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)A軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；A軸檢測(cè)單元為旋轉(zhuǎn)編碼器。
主軸采用電主軸直接驅(qū)動(dòng)，電主軸固定在電主軸支架上。由于采用力矩電機(jī)直驅(qū)結(jié)構(gòu)，不存在傳動(dòng)間隙；但由于是重載工作，軸承受力比較大，因此剛性是關(guān)鍵問題。 當(dāng)剛性過低時(shí)，在低轉(zhuǎn)速時(shí)容易造成速度環(huán)滯后并出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；在高轉(zhuǎn)速時(shí)爬行不明顯。
1.3 提高五軸頭分度精度的前提條件
傳動(dòng)間隙過大、剛性不足以及編碼器安裝產(chǎn)生精度誤差會(huì)使得軸位置環(huán)增益難以提高，嚴(yán)重影響分度定位精度。當(dāng)傳動(dòng)間隙過大時(shí)，應(yīng)檢查傳動(dòng)鏈并進(jìn)行調(diào)整，降低傳動(dòng)間隙；剛性不足一般都是結(jié)構(gòu)原因造成，現(xiàn)場(chǎng)難以調(diào)整；編碼器安裝產(chǎn)生的精度誤差屬于可調(diào)整誤差，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行靜調(diào)后可以降低，這里不再贅述。
2 、分度精度調(diào)整過程
下面以西門子840D數(shù)控系統(tǒng)為例，說明調(diào)整過程。840D系統(tǒng)屬于數(shù)字式控制系統(tǒng)。對(duì)于常規(guī)伺服電機(jī)，在輸入電機(jī)型號(hào)與驅(qū)動(dòng)型號(hào)后，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)計(jì)算并保存與之匹配的數(shù)據(jù)，一般不需要進(jìn)行改動(dòng)，否則會(huì)影響電機(jī)控制性能，降低系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)；對(duì)于力矩電機(jī)，需要在調(diào)試時(shí)更改電流環(huán)、速度環(huán)等相關(guān)參數(shù)，使得電機(jī)性能與負(fù)載符合，才能提高控制精度。
2.1 機(jī)械主軸五軸頭調(diào)整
在調(diào)整之前，首先要對(duì)位置環(huán)、輪廓監(jiān)控、速度與加速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，使之與機(jī)械特性匹配，達(dá)到高低速運(yùn)行均平穩(wěn)后可進(jìn)行精度調(diào)整。主要調(diào)整的參數(shù)為粗準(zhǔn)停精度（MD36000）、精準(zhǔn)停精度 （MD36010）、定位時(shí)間 （MD36200）、位置環(huán)增益（MD32200）等幾項(xiàng)。
首先，檢查軸的反向間隙。方法為：將軸設(shè)定為半閉環(huán)控制方式。伺服軸用低速（如0.05 r/min）單方向步進(jìn)，同時(shí)用百分表在適當(dāng)位置進(jìn)行檢測(cè)；當(dāng)百分表表針隨伺服電機(jī)移動(dòng)后，此方向上的傳動(dòng)間隙已消除。
記錄當(dāng)前伺服軸位置坐標(biāo)值，之后將伺服軸反方向低速步進(jìn)，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)但百分表表針不運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象；繼續(xù)步進(jìn)軸直至百分表表針再次隨動(dòng)，此時(shí)立即停止伺服軸的運(yùn)動(dòng)并記錄當(dāng)前伺服軸位置坐標(biāo)軸，則兩個(gè)位置坐標(biāo)值的差值就是該軸的反向間隙。
如果軸反向間隙過大時(shí)，需要機(jī)械檢查并消除間隙。只有反向間隙達(dá)到一個(gè)閾值以下時(shí)才可繼續(xù)進(jìn)行精度調(diào)整。閾值由設(shè)計(jì)人員給出，文章中五軸頭為0.2°。然后，進(jìn)行分度調(diào)整，方法為：將軸設(shè)定為全閉環(huán)控制方式。
根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)定軸粗準(zhǔn)停精度、精準(zhǔn)停精度、定位時(shí)間等參數(shù)。在軸運(yùn)行無振蕩時(shí)，逐步提高位置環(huán)增益參數(shù)的數(shù)值，直至出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。將此時(shí)的位置環(huán)增益參數(shù)降低約5%，并運(yùn)行軸確保振蕩消失。此時(shí)軸已經(jīng)優(yōu)化完畢。位置環(huán)增益越高，軸分度精度越好，但是對(duì)機(jī)械精度要求越高。
2.2 電主軸五軸頭調(diào)整
在調(diào)整之前，首先要確保力矩電機(jī)可以運(yùn)行。一般來說，力矩電機(jī)在未調(diào)整之前運(yùn)行時(shí)會(huì)存在振蕩現(xiàn)象，調(diào)整后即可消失。主要調(diào)整步驟為電流環(huán)優(yōu)化、速度環(huán)優(yōu)化、抑制高頻脈沖等幾項(xiàng)。電流環(huán)優(yōu)化：用增幅0.5%、波段寬度8000 Hz、平均值10、設(shè)定時(shí)間500 ms的參數(shù)對(duì)電流環(huán)進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果修改機(jī)床相關(guān)參數(shù)。一般來說，電流環(huán)不需要更改。
速度環(huán)優(yōu)化：用增幅0.3 r/min、波段寬度8000 Hz、平均值10、設(shè)定時(shí)間500 ms、偏置0.1 r/min的參數(shù)對(duì)速度環(huán)進(jìn)行測(cè)試，并逐步增大速度控制器的P增益（MD1407，下文簡(jiǎn)稱速度環(huán)增益）數(shù)值。優(yōu)化的目的是使得速度環(huán)曲線前段的直線部分盡量延長(zhǎng)，也就是速度控制盡量平穩(wěn)。抑制高頻脈沖：在速度環(huán)曲線后端的振蕩部分，會(huì)有部分振蕩數(shù)值大于0，此時(shí)需要通過抑制高頻脈沖將其數(shù)值抑制到0以下。
此項(xiàng)與速度環(huán)優(yōu)化同時(shí)進(jìn)行，可提高速度環(huán)優(yōu)化效果。將電流過濾器的尖峰頻率（MD1213/1216/1219/……，分別對(duì)應(yīng)過濾器1/2/3/……）設(shè)定為振蕩部分尖峰的頻率；將電流過濾器的帶寬（MD1214/1217/1220/……，分別對(duì)應(yīng)過濾器1/2/3/……）設(shè)定為尖峰頻率的一半。
之后再進(jìn)行測(cè)試，可發(fā)現(xiàn)大于0的振蕩全部被消除。在調(diào)整完成后，力矩電機(jī)振蕩、爬行等現(xiàn)象消失，運(yùn)行平穩(wěn)。
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