XH718 機(jī)床超長刀桿鏜孔振顫問題的解決方案
2020-6-11 來源：四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 作者：尹存濤
摘要: 對(duì)于一般的刀桿，在長徑比超過 4 倍的深孔鏜削過程中刀具通常會(huì)產(chǎn)生振顫，使得加工質(zhì)量無法保證。一般情況下，影響金屬加工表面的質(zhì)量因素有機(jī)床本身、系統(tǒng)伺服調(diào)整、刀具、被加工工件以及其他的外界干擾等。通過調(diào)整與主軸速度控制相關(guān) PMC 信號(hào)相適應(yīng)的頻率響應(yīng)，充分應(yīng)用 CNC 有關(guān)數(shù)字式伺服主軸振動(dòng)抑制功能，解決了生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中的振顫問題。
關(guān)鍵詞: 深孔; 振顫; 抑制
對(duì)于一般的刀桿，在長徑比超過 4 倍的深孔鏜削過程中刀具通常會(huì)產(chǎn)生振顫，使得加工質(zhì)量無法保證。一般情況下，影響金屬加工表面的質(zhì)量因素有機(jī)床本身、系統(tǒng)伺服調(diào)整、刀具、被加工工件以及其他的外界干擾等。刀具方面的因素主要是刀具的動(dòng)剛度和幾何參數(shù)。減小刀桿懸伸長度和增加刀桿的直徑對(duì)于減小刀桿的變形量是有利的。但是受加工工件尺寸的限制，改變這兩個(gè)參數(shù)是不現(xiàn)實(shí)的。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，但這樣勢必導(dǎo)致生產(chǎn)效率的下降，而且在某些情況下，即使減小切削力也不能達(dá)到加工要求。通過調(diào)整與主軸速度控制相關(guān) PMC 信號(hào)相適應(yīng)的頻率響應(yīng)，充分應(yīng)用 CNC 有關(guān)數(shù)字式伺服主軸振動(dòng)抑制功能，成為問題解決的基本思路。
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 61 ∶ 375、63 ∶ 375、65 ∶ 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(shí)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。
圖 1 幅度較大且不規(guī)則的震紋
2 、問題分析
分析圖 1 所示不規(guī)則的震紋產(chǎn)生原因，先排除機(jī)械結(jié)構(gòu)與加工工藝方面的問題。 ( 1) 檢測 XH718 機(jī)床主軸箱本體 ( 上、下箱體) 孔系加工、裝配均符合圖紙及工藝要求，傳動(dòng)齒輪齒系符合圖紙及動(dòng)平衡要求，所選傳動(dòng)軸承及裝配符合工藝要求; ( 2) 檢測與鏜孔直接相關(guān)的 Z 向傳動(dòng)副、移動(dòng)副裝配合格;( 3) 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”僅僅 0. 5～1 mm。此時(shí)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 XH718 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(hào)) 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) PMC 信號(hào)相適應(yīng)的頻率響應(yīng)，充分應(yīng)用 CNC有關(guān)數(shù)字式伺服主軸振動(dòng)抑制功能，成為問題解決的基本思路。
2. 1 主軸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能測量的實(shí)際意義
( 1) 對(duì)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部軟件、伺服系統(tǒng)軟件的運(yùn)行狀態(tài)有更為深刻的了解，在脫開 CNC 軟件控制下的主軸系統(tǒng)監(jiān)視、測量、外力擾動(dòng)扭矩的實(shí)際構(gòu)成，對(duì)外部機(jī)械結(jié)構(gòu)及外置編碼器系統(tǒng)的優(yōu)化提供了參考。
( 2) 在測試過程中對(duì)剛性攻絲同步偏差、定向時(shí)位置偏差、定向時(shí)序數(shù)據(jù)、電機(jī)速度－位置反饋積累等系列數(shù)據(jù)的測定，為系統(tǒng)應(yīng)用拓寬了思路。
( 3) 對(duì) CNC 內(nèi)部的軟件運(yùn)行狀態(tài)做深入的實(shí)踐，便于改善機(jī)床的機(jī)械裝置，甚至為機(jī)械設(shè)計(jì)提供優(yōu)化建議。
2. 2 數(shù)字式 主軸伺服系統(tǒng)與速度控制相關(guān) ( 信號(hào)) 的測量
( 1) 主軸速度檢測
主軸在各檔位狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)速度數(shù)值準(zhǔn)確、穩(wěn)定( 無 階 躍、無 突 變) 是 機(jī) 床 的 基 本 要 求，必 須 與XH718 主軸轉(zhuǎn)速 －功率 －扭矩曲線相吻合。通過對(duì)機(jī)床主 軸 分 別 在 各 檔 位 ( 500、800、1 200、2 000r / min) 的速度監(jiān)測，顯示 CNC 控制的主軸各檔位實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速與設(shè)計(jì)要求相符。
( 2) CNC 速度指令與電機(jī)速度反饋等信號(hào)檢測
CNC 速度指令、CNC 轉(zhuǎn)矩指令、電機(jī)速度是主軸速度控制方式的權(quán)重指標(biāo)。根據(jù)對(duì)單一指令 ( 信號(hào)) 的測量和相關(guān)指令 ( 信號(hào)) 的綜合測量，包括對(duì) CNC 速度指令 ( VCMD) ，CNC 轉(zhuǎn)矩指令 ( TCMD) ，電機(jī)速度 ( SPEED) ，CNC 速度指令－CNC 轉(zhuǎn)矩指令，電機(jī)速度－電機(jī)電流幅值 ( SPEED－INOＲM) ，電機(jī)速度－CNC 轉(zhuǎn)矩指令 ( SPEED－TCMD) ，電機(jī)速度－速度偏差 ( SPEED－VEＲＲ) ，電機(jī)速度－位置反饋累積( SPSPEED－PCPOS) ，CNC 位置偏差－CNC 速度指令數(shù)據(jù) ( EＲＲC－SPCMD) ，電機(jī)檢測器 A/D 數(shù)據(jù) A、B( PA1 － PB1) ，電機(jī)速度 － CNC 速度指令 ( SPEED －SPCMD) ，DC 電壓環(huán) ( VDC) 等信號(hào)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)等對(duì)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) 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(dòng)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 扭矩指令存在高頻成分 ( 圖 2) ，主軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)起動(dòng)后經(jīng)過主軸傳動(dòng)鏈齒系而被放大，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 ( 改善) CNC 扭矩指令的高頻成分，利用 CNC 內(nèi)嵌的扭矩指令過濾器功能、HＲV 過濾器功能、外力干擾輸入功能有效地抑制主軸隨動(dòng)系統(tǒng)的高頻振動(dòng)。
依據(jù) XH718 機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)特征，使用并充分發(fā)揮上述 CNC 系統(tǒng)功能，主軸速度環(huán)增益的設(shè)定調(diào)整成為主軸伺服系統(tǒng)應(yīng)用的基本。
2. 3 主軸速度環(huán)路頻率響應(yīng)測量，增益設(shè)定與調(diào)整
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)。合理地設(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)沒有振蕩前提下穩(wěn)定運(yùn)行。在 XH718 主軸速度控制及主軸定向動(dòng)作中齒輪嚙合信號(hào) ( CTH1A、CTH2A) 至關(guān)重要，也是 XH718 機(jī)床主軸系頻率響應(yīng)測定的最重要環(huán)節(jié)。
( 1) 測定齒輪嚙合信號(hào) ( CTH1A、CTH2A)齒輪嚙合信號(hào) ( CTH1A、CTH2A) 的狀態(tài)要求是測定規(guī)則約定的主要項(xiàng)目，如圖 3 所示。
圖 3 XH718 主軸系頻率響應(yīng)測試的相關(guān)內(nèi)、外信號(hào)
用一個(gè)小程序?qū)NC系統(tǒng)需要的CTH1A、CTH2A 信號(hào)狀態(tài)在 XH718 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。
( 2) XH718 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(tái)機(jī)床主軸系上，不同的速度環(huán)路增益 ( 積分) 數(shù)據(jù)值導(dǎo)致主軸頻率響應(yīng)曲線有明顯差異，得到的二維傅里葉頻譜圖也就各不相同。
圖4 速度環(huán)增益為 10、積分增益為 10測量的 XH718 主軸系頻率響應(yīng)
圖 5 速度環(huán)增益為 30、積分增益為 30測量的 XH718 主軸系頻率響應(yīng)
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，為扭矩指令過濾器、HＲV 過濾器、外力干擾扭矩輸入功 能的應(yīng)用 提供條件，從而達(dá) 到抑制XH718 主軸系在長徑比刀桿 ( 超過 1 ∶ 5) 鏜削加工過程中振顫目的。
2. 4 扭矩指令過濾器
對(duì) 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(shí)在高頻 ( 數(shù)百赫茲以上) 的共振。對(duì)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: 扭矩指令過濾器時(shí)間常數(shù)。
2. 5 HＲV 過濾器
CNC 具備的 HＲV 過濾器具有衰減導(dǎo)致振蕩的某一頻率帶寬信號(hào)的作用。對(duì)于主軸慣量較大的主軸系統(tǒng)更要重視 HＲV 過濾器的使用。
當(dāng)頻率大于 200 Hz 區(qū)域中具有較強(qiáng)的共振點(diǎn)而難以提高主軸 ( 齒輪) 系速度增益時(shí)，使用 HＲV 過濾器達(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。
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(hào)衰減來避免主軸系共振。FANVC 提供了 4 級(jí)過濾器，根據(jù)各級(jí)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)值呈反比。圖 7 是 XH718 實(shí)物機(jī)床主軸速度控制方式存在的共性振蕩頻域，使用如圖 7 ( a) 所示的 3 級(jí)過濾器參數(shù)設(shè)定后測量得到的頻率響應(yīng)曲線如圖 7 ( b)所示。
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)試實(shí)戰(zhàn)中，多次改變主軸速度環(huán)路增益數(shù)據(jù)值、扭矩指令過濾器數(shù)據(jù)值，直到獲得低頻區(qū)域滿意的頻率響應(yīng)曲線。
2. 6 外力干擾扭矩輸入功能
向 CNC 施加正弦波形狀的外力擾動(dòng)扭矩指令，測量對(duì)于外力干擾扭矩指令的扭矩頻率響應(yīng)的增益。
圖 8 表示在 XH718 機(jī)床的主軸系速度環(huán)路中使用了以扭矩指令過濾器為核心基礎(chǔ)的速度環(huán)路控制器。把速度環(huán)路控制器的輸出作為扭矩指令，然后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
( 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扭矩指令的振幅以達(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(shí)電機(jī)速度指令等均用參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)。
3 、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 主軸系實(shí)測頻譜，如圖 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(shí)，對(duì)與鏜刀進(jìn)給直接相關(guān)的 Z 軸伺服系統(tǒng)的隨動(dòng)性、頻率響應(yīng)、轉(zhuǎn)動(dòng)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。用戶現(xiàn)場實(shí)際鏜孔效果如圖 11 和圖 12 所示，滿足用戶加工質(zhì)量要求。
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
圖 12 專用車壓箱殼體大直徑孔鏜削
4、 結(jié)束語
充分利用 XH718 機(jī)床 FANUC 數(shù)控系統(tǒng) ServoGu-ide 軟件功能，將加工過程中干擾后輸出的雜亂信號(hào)看成有一定振幅、相位、頻率的基本正弦信號(hào)組合，先找出其中振幅較大 ( 能量較高) 信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率，然后調(diào)整與主軸速度控制相關(guān)信號(hào)的頻率響應(yīng)，應(yīng)用CNC 有關(guān)數(shù)字式伺服主軸振動(dòng)抑制功能，解決了生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中的振顫問題。
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