尹存濤

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628040)

0 引言

在長徑比超過4倍的深孔鏜削過程中刀具通常會產(chǎn)生振顫，使得加工質(zhì)量無法保證。減小刀桿懸伸長度和增加刀桿的直徑對于減小刀桿的變形量有利。但是受加工工件尺寸等條件限制，某些加工環(huán)境下不能改變這兩個參數(shù)。另外通過減小切削量來降低切削力也可以達(dá)到減小刀桿變形量的目的，但這樣勢必會導(dǎo)致生產(chǎn)效率的下降。而且在某些特定情況下，即使減小切削力也不能達(dá)到加工要求。只有通過調(diào)整與主軸速度控制相關(guān)信號的頻率響應(yīng)，應(yīng)用CNC有關(guān)數(shù)字式伺服主軸振動抑制功能，來解決超長刀桿鏜孔加工中的振顫。

1 問題產(chǎn)生

某機(jī)床用戶設(shè)備為XH718機(jī)床，加工現(xiàn)場需要使用的鏜刀刀桿直徑與刀桿長度比分別為φ61∶375、φ63∶375、φ65∶375。此長徑比已經(jīng)超過5，甚至有的特殊零件還需要超出該值達(dá)到6以上。其粗鏜、精鏜時鏜刀桿振顫，導(dǎo)致孔壁出現(xiàn)幅度較大且不規(guī)則的震紋，如圖1所示。

2 問題分析

圖1 幅度較大且不規(guī)則的振紋

分析圖1所示的振紋產(chǎn)生原因，先排除機(jī)械結(jié)構(gòu)與加工工藝方面的問題。一是檢測XH718機(jī)床主軸箱本體(上、下箱體)孔系加工、裝配均符合圖樣及工藝要求，傳動齒輪齒系符合圖樣及動平衡要求，所選傳動軸承及裝配符合工藝要求；二是檢測與鏜孔直接相關(guān)的z向傳動副、移動副裝配合格；三是從用戶現(xiàn)場精鏜孔實(shí)際分析，主軸轉(zhuǎn)速、切削進(jìn)給速度在合理范圍，切削三要素中的“切削深度”僅0.5～1 mm左右。此時鏜刀刀桿承受的軸向力和徑向力均不大，主軸本體承受的切削扭矩不大。

該機(jī)床主軸電機(jī)使用“速度控制方式”。依據(jù)XH718機(jī)床主軸箱三檔變速、主軸機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析數(shù)字式主軸伺服系統(tǒng)與速度控制相關(guān)(信號)軟件的圖形測量結(jié)果，通過調(diào)整與主軸速度控制相關(guān)信號的頻率響應(yīng)，應(yīng)用CNC有關(guān)數(shù)字式伺服主軸振動抑制功能，成為問題解決的基本思路。

3 相關(guān)參數(shù)調(diào)整與分析

通過對XH718機(jī)床數(shù)字式主軸伺服系統(tǒng)與速度控制相關(guān)(信號)的實(shí)際測量可知：主軸速度控制方式下，主軸伺服環(huán)路的DC電壓、主軸系旋轉(zhuǎn)峰值電流、電機(jī)反饋累積、電機(jī)速度偏差、電機(jī)檢測器相位數(shù)據(jù)等因素對主軸電機(jī)速度響應(yīng)影響不大；主軸電機(jī)速度與CNC速度指令重合。

3.1 主軸系旋轉(zhuǎn)慣量的匹配

主軸電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣量為一定值，但主軸傳動鏈的齒輪系旋轉(zhuǎn)慣量較為復(fù)雜，并且有隨機(jī)不同的特點(diǎn)。由于伺服主軸CNC轉(zhuǎn)矩指令存在高頻成分(圖2)，主軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)起動后經(jīng)過主軸傳動鏈齒隙被放大，導(dǎo)致長刀桿遠(yuǎn)端刀尖與孔壁的接觸振顫。

圖2 CNC速度指令—CNC轉(zhuǎn)矩指令(VCMD—TCMD)

通過排除或改善CNC轉(zhuǎn)矩指令的高頻成分(圖2)，利用CNC內(nèi)嵌的轉(zhuǎn)矩指令過濾器功能，HRV過濾器功能、外力干擾輸入功能可以有效地抑制主軸隨動系統(tǒng)的高頻振動。

3.2 主軸速度環(huán)路增益設(shè)定與調(diào)整

依據(jù)XH718機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)特征，充分發(fā)揮FANUC系統(tǒng)功能，主軸伺服系統(tǒng)應(yīng)用的核心在于設(shè)定調(diào)整主軸速度環(huán)增益。調(diào)整主軸系速度環(huán)增益，直接與位置環(huán)路的高增益化相關(guān)。合理的設(shè)置主軸速度環(huán)路增益有利于提高外力干擾控制性能，以便在沒有增益數(shù)據(jù)超程、主軸系旋轉(zhuǎn)沒有震蕩前提下穩(wěn)定的運(yùn)行。機(jī)床主軸速度控制及主軸定向動作中齒輪嚙合信號至關(guān)重要，也是其主軸系頻率響應(yīng)測定的最重要環(huán)節(jié)。

1) 齒輪嚙合信號

齒輪嚙合信號(CTH1A、CTH2A)的狀態(tài)監(jiān)測是規(guī)則約定的主要項(xiàng)目，用一個程序(圖3)將系統(tǒng)需要的CTH1A、CTH2A信號狀態(tài)在機(jī)床各檔位均設(shè)置為約定要求，再滿足其他測量條件即可準(zhǔn)確獲取XH718主軸系的頻率響應(yīng)曲線，進(jìn)而找到主軸系工作狀態(tài)下的諧波頻域。

圖3 XH718主軸系頻率響應(yīng)測試的相關(guān)內(nèi)、外信號

2)主軸系頻率響應(yīng)曲線及速度環(huán)路增益

圖4和圖5表明在同一臺機(jī)床主軸系上，不同的速度環(huán)路增益(積分)數(shù)據(jù)值在主軸頻率響應(yīng)曲線上有明顯差異。找到適合的增益數(shù)據(jù)值并符合理想的主軸頻率響應(yīng)曲線，為轉(zhuǎn)矩指令過濾器、HRV過濾器、外力干擾扭矩輸入功能的應(yīng)用提供條件，從而抑制XH718主軸系(刀桿長徑比超過5∶1)鏜削加工過程中的振顫。

圖4 速度環(huán)增益=10，積分增益=10測量的XH718主軸系頻率響應(yīng)

圖5 速度環(huán)增益=30，積分增益=30測量的XH718主軸系頻率響應(yīng)

3.3 扭矩指令過濾器

對CNC扭矩指令應(yīng)用1次低通濾波，以避免高主軸系旋轉(zhuǎn)時在高頻(數(shù)百赫茲以上)的共振。

對于XH718機(jī)床使用的aiI15/7000型低速特性用主軸電機(jī)具體的參數(shù)體現(xiàn)為轉(zhuǎn)矩指令過濾器時間常數(shù)。

3.4 HRV過濾器

CNC的HRV過濾器功能具有衰減導(dǎo)致振蕩的某一頻率帶寬信號的作用。對于主軸慣量較大的主軸系統(tǒng)更要重視HRV過濾器的使用。HRV過濾器是在主軸速度環(huán)路基礎(chǔ)上使用扭矩指令過濾器(圖6)，通過使用所設(shè)定的頻率帶寬的信號衰減來避免主軸系共振。FANUC提供了4級過濾器，根據(jù)各級的中心頻率、帶寬、衰減3組參數(shù)，設(shè)定過濾器特性。

圖6 使用扭矩指令過濾器后速度環(huán)路的軟件配置

由圖6可知，扭矩指令過濾器數(shù)據(jù)值的設(shè)定與速度環(huán)增益數(shù)據(jù)值成反比。頻率>200Hz區(qū)域中(圖4、圖5)具有較強(qiáng)的共振點(diǎn)，難以提高主軸(齒輪)系速度增益，使用HRV過濾器可以達(dá)到提高主軸系速度環(huán)路增益的目的，從而獲得更加平滑、理想的主軸系頻率響應(yīng)曲線。

圖7是XH718機(jī)床主軸速度控制方式存在的共性振蕩頻域，使用3級過濾器參數(shù)設(shè)定后(圖7(a))測量得到的頻率響應(yīng)曲線(圖7(b))。

圖7 過濾器設(shè)定后的頻率響應(yīng)曲線

在實(shí)際測量調(diào)試過程中，需要多次改變(調(diào)整)主軸速度環(huán)路增益和轉(zhuǎn)矩指令過濾器數(shù)據(jù)值，直到獲得低頻區(qū)域滿意的頻率響應(yīng)曲線。

3.5 外力干擾扭矩輸入功能

圖8表示在主軸系速度環(huán)路使用了扭矩指令過濾器基礎(chǔ)上(圖6)將其作為速度環(huán)路控制器。把速度環(huán)路控制器的輸出做為扭矩指令，在此基礎(chǔ)上施加正弦波外力干擾扭矩指令。

圖8 外力干擾輸入功能的軟件配置

向CNC扭矩指令施加正弦波形狀的外力擾動扭矩指令，測量對于外力干擾扭矩指令的扭矩頻率響應(yīng)的增益。

1) 方法：提高外力干擾扭矩指令(正弦波)頻率，從而改變扭矩指令和外力干擾轉(zhuǎn)矩指令的振幅以達(dá)到提高主軸系增益頻率的目的。

2) 參數(shù)：外力干擾扭矩指令的頻率、施加正弦波數(shù)量、外力干擾扭矩指令振幅等關(guān)鍵數(shù)據(jù)用參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)，曲線測量所需的開始(結(jié)束)頻率、測量頻率間隔及次數(shù)，測量時電機(jī)速度指令等均用參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)。

4 問題解決

經(jīng)過數(shù)次摸索測量，在解決用戶現(xiàn)場的實(shí)際問題中得到XH718主軸系下列實(shí)測頻譜，圖9所示。

圖9 XH718主軸系實(shí)測頻譜

在處理深鏜孔振顫問題時，與鏜刀進(jìn)給直接相關(guān)的z軸伺服系統(tǒng)的隨動性、頻率響應(yīng)、轉(zhuǎn)動慣量也進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。保證z向伺服(鏜刀軸)的低速進(jìn)給達(dá)到滿足穩(wěn)定、無階躍要求。圖10是為配合深鏜孔需要單獨(dú)進(jìn)行z向伺服調(diào)整的頻譜圖。

圖10 XH718機(jī)床z向伺服調(diào)整頻譜圖

圖11 車橋深孔鏜削效果

5 結(jié)語

主軸系統(tǒng)頻率響應(yīng)最終測定時，速度環(huán)路控制器(扭矩指令過濾器+HRV過濾器)輸出的轉(zhuǎn)矩指令和外力干擾轉(zhuǎn)矩共同疊加在主軸隨動系統(tǒng)中。ServoGuide軟件將施加干擾后輸出的雜亂信號考慮成由一定振幅、相位、頻率的基本正弦信號組合，先找出中振幅較大(能量較高)信號對應(yīng)的頻率，通過調(diào)整與主軸速度控制相關(guān)信號的頻率響應(yīng)，應(yīng)用CNC有關(guān)數(shù)字式伺服主軸振動抑制功能，從而解決生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中的振顫問題。