weixin 发表于 2018-6-11 09:37

数控机床振动产生的原因及抑制方法

  自1999年到现在,我国数控机床制造业飞速发展,同时对数控机床的各项性能提出了越来越高的要求,主要表现在机械精度和刚性,数控系统的高速高精度等。为了适应这种需求,数控系统的制造商也开发了很多新的高速高精度的功能。大家都知道,在控制方面,速度和精度的提高,也就产生了更多的不稳定因素,即振动加大了。下面以FANUC数控系统为例,分析振动产生的原因和如何减小振动所采取的措施。

  一、振动原因分析  1. 由于电机本身的磁极是永磁体,所以在运动时会由于磁滞现象而产生小的波动,或者由于机械静摩擦,或者由于机械刚性不好产生的低频振动。这些都不能通过参数来调整,只能从机械上去解决。对于线性电机,可以用参数来补偿由于磁滞产生的振动。
  图1 机床固有振动  图2 振动频谱
  2. 位置环和速度环增益不匹配,会产生低频率振动。一般解决的办法是先尽量提高速度环增益,然后降低位置环增益。

  PG=100/S->16HZ (位置增益设定为1000时,会产生16赫兹左右的振动)。
  图3 增益匹配  图4 增益频谱
  3. 机械共振,一般在200HZ以上,可以使用HRV过滤器来消除。注意,伺服软件要90B0版本以后的才有此功能,在90B0版本之前的伺服软件,只能通过TCMD过滤器(参数2067)来消除。
  图5 机械共振消除
  4. 来自指令的振动,由于指令的插补周期为8ms,在提高速度增益和位置增益的时候,使信号产生振动(大约125HZ),或者由于VFF的作用产生的高于400HZ的振动。
  图6 来自指令的振动
  上述a中可以通过调整FAD时间常数来消除,而b中可通过调整插补后加减速时间常数来消除。或者由于VFF(2069)的设定值太大,可适当减小设定值。

  5. 全闭环时,由于机械连接的刚性不好,在移动时,特别是加减速的时候,会产生振动,主要是机械测的位置反馈和电机侧的速度反馈之间不一致,类似上面图4的情况。由第一节中的机械固有频率可知道,必须减小位置增益,但位置增益减小了,就会增大形状误差。可以有几种方法解决:

  · 第一,加机械速度反馈功能(基本功能),一般对50HZ左右的振动有效。

  · 第二,增加振动抑制控制功能(基本功能)。


  · 第三,双位置反馈(选择功能),一般不要使用,效果不好,如果实在要用(前两种方法没有效果),最好设定为10ms。

  6. 其他特殊情况

  · 例1:对于重力轴,在下降时,由于能量反馈到电机,再到放大器,所以也会产生振动。


  · 例2:对于Tandem轴,由于连接的两个电机的速度和负载特性的不同,而产生不同的外乱振动。由于此现象不多见,且调整步骤比较多,在这里不做讨论。

  二、停止时振动抑制  调整步骤:
  1、首先设定HRV2控制有效(伺服软件90B0以后版本),再使用测量各轴的频率响应曲线,由频率响应曲线设定最佳的速度环增益。如果有高频率的机械共振,增加HRV滤波器功能,将机械共振点消除。这时设定的伺服增益数只是在静态的某一点的最佳值,最好要选择几个点来测,还要在移动过程中测量TCMD的波形(125us,800个采样点),用观察振动频率(实际的振动频率要在显示的数值上乘以10,因为是0.1s刻度)。对于速度增益的调整,要注意,尽量提高,但高了以后就会发生振动,分析振动的原因,如果是高频的共振(大于200HZ),可使用HRV滤波器消除。如果低频振动,可能是由于机械原因,只能降低设定值。

  2、其次要分析发生振动的原因,看是由于什么原因引起,可根据具体的原因来采取适当的解决方法。在上面的原因分析里面有介绍。

  3、一般在通过观察频率响应波形之后,如果波形符合下面的要求,在停止时就不会产生振动。
  图7 理想振动频谱
  三、移动时振动抑制  在通过频率响应波形设定了伺服的速度增益后,还要在移动(快速,进给两种方式) 时测量是否有振动, 包括快速进给和切削进给。一般由于机械刚性和静态摩擦等原因,静态调整好后,移动时可能还会发生振动。这时候还要在移动时重新调整,主要是伺服增益的降低。

  四、全闭环振动调整  当系统采用全闭环控制时候,如果机械刚性不好,一般都会发生振动,而且不容易消除,以下简单介绍一下调整时的注意点:

  1. 基本连接
  图8 全闭环控制的基本连接
  2. 基本参数设定

  见下面的流程图,请在伺服设定画面、伺服调整画面上进行下列设定。
  图9 全闭环基本参数设定流程
  以上流程图的左边为全闭环的设定步骤,要注意的是CMR、N/M位置脉冲数,如果设定错误,有时候轴可以走,并且移动的距离也正确,但会加大振动。

  例如:丝杠12mm,光栅尺为串行 LC491F,实际分辨率为0.01um,则设定如下:
  CMR=2  AMR=0000000  N/M=指令单位/输出脉冲=1um/(1/0.01um)=1:100
  注意:当设定了以上的N/M,系统可能会出现417报警,这时,可以查找诊断352内容,为10016(参数的内部数值失控检测溢出),可通过设定参数2200#0=1来屏蔽此报警。

  位置脉冲Ns=丝杠螺距/光栅分辨率=12000/0.01=30000*40
  参数2024=30000,参数2185=40(位置反馈脉冲数如果大于32767时,则设定值=A*B,A:参数2024 , B:参数2185)。

  3. 有关增益参数设定

  伺服增先设定为100(参数2021=0),位置增益设定为3000(参数1825=3000)等其他参数设定完成后,再适当增加速度增益的设定。

  注意:

  · 全闭环控制时,不要使用中的导航器进行调整,最好也不要进行频率响应测量,以免由于振动太大而损坏机床。


  · 不要设定增益快速/切削切换功能,即参数2202#1和2107不要设定。


  · 不要设定停止时增益可变功能,即参数2016#3和2119不要设定。


  · 可以使用HRV2功能。

  4. 机械速度反馈参数设定
  图10 机械速度反馈原理
  参数:

  · 2012#1=1(机械速度反馈有效)


  · 2088(机械速度反馈增益)按如下设定:


  表1 机械速度反馈增益设定方法  注意:对于串行光栅,设定参数2088如果超过100会出现417报警,诊断352内容为883,这时参数2088设定0-100之间,一般设定为50。

  5. 振动抑制参数的设定
  图11 振动抑制功能原理
  参数2033(变换因子) 的设定:

  · A/B相光栅尺:设定值=电机每转反馈回来的脉冲数(FFG之前)/8。
  · 例:5mm丝杠,0.5um/P光栅。FFG=1/2 N2033=10000/8=1250


  · 串行光栅尺:设定值=电机每转反馈回来的脉冲数(FFG之后)/8。
  · 例:5mm丝杠,0.5um/P光栅。FFG=1/2 N2033=5000/8=625


  参数2034 (振动抑制控制的增益)的设定:先设定500,再通过移动该轴观察振动,每次增加100。如果设定后,振动反而加大,可设定为负数(-500)。

  6. 双位置反馈参数的设定

  该功能在18I/16I系统上是选择功能,一般不要设定,如果机械实在太差,通过以上两个功能都不能消除振动,可以使用该功能。但调试出来的结果不是很理想。可以看到,在速度比较高的情况下,轴定位后会回退一段距离,或者左右晃动几下。

  原理如下:
  图12 双位置反馈原理  · ER1:半闭环的误差计数器
  · ER2:全闭环的误差计数器
  一阶延时时间常数=1/1+rS时的实际误差  · r=0时(停止时)
  ER=ER1+(ER2-ER1)=ER2 (全闭环的误差)  · r=无穷大时 (加减速中)
  ER=ER1(半闭环的误差)  这样,移动中就可用半闭环控制,停止时就可用全闭环控制。

  使用此功能,在移动中就可获得如同半闭环一样的高控制性能,而在停止时可使用反馈检测元件的高精度定位。

  · 参数2078/2079的设定:等于当半闭环控制时的柔性齿轮比N/M 。


  · 参数2080的设定:10-300 设定值越大,越接近半闭环控制。当在轴移动时,由于电机侧的位置反馈和机械测的位置反馈不一致,等到达指令位置后,再精确检测机械测的位置,所以就会出现来回晃动的情况。


  来源:整理自百度文库《振动抑制(NEW)》

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