CNC 係（xì）統（tǒng）加減速控製對機床結構的影響研究
2018-2-9 來源：重慶工程職業技術（shù）學（xué）院 沈陽高精 作者：胡韶華 趙超純（chún）
摘 要（yào）: 機床振動是影響機床壽命和性能的重要因素之一，加減（jiǎn）速運動是在運行過程中激發數控機床振（zhèn）動的重要來源，因此研（yán）究數（shù）控係統( CNC) 加減速控（kòng）製對機床結構的影響是很重要（yào）的。首先（xiān）建立了切削力和運動（dòng）之間（jiān）關係、機床振動與加減速控製的關係，然後通過對加速度信號的譜分析，發現直線型加減速控製中方波型加速度信（xìn）號的帶寬較寬，而 S 型加減速控製中梯形波加速度信號是一（yī）個帶通濾波器激發機床（chuáng），闡明了（le）方（fāng）波型加速度信號是激發機床模態振動的根本原（yuán）因。最後在數控銑床V600 上（shàng）的試（shì）驗結果表明，直線型加減速控製引（yǐn）起的機床振動在模態 17． 5、29、38． 2、43． 3 Hz 是 S型加減速（sù）控製的 220%、300%、250%、333%．
關（guān）鍵詞: 數控機床; 可靠性; 振動; 加減速控製
張根保（bǎo）教授根據（jù）產品可靠性的定義給（gěi）出了機 床可靠性的定義（yì）: 數控機床在規定條件（jiàn）下，在規定的時間裏完（wán）成規（guī）定的功（gōng）能。在衡量數控機（jī）床的可靠性時，“規定的條（tiáo）件”就是機床在設計（jì）時確定的產品使用（yòng）環（huán）境和工作條件，一般包括加工尺（chǐ）寸、切削（xuē）用量、切削功率、使用環境條件、加工材料（liào）等（děng）; “規定的時間”指的是設計（jì）確定的運行壽（shòu）命，也可以是機床大修（xiū）前的年限（xiàn），還可（kě）以是可靠性考核時確定的任何年限; “規定（dìng）的功能”是指機床設計時（shí）確定的功能。
其中，機床振動是（shì）影響機床壽命( 包含（hán）精度壽命) 和功能的重要因素之一。在使用過程中，引起機床振動（dòng）的原因（yīn）很多，一般認為數控機床振動的內部振源主要來（lái）自不平衡運動的旋轉（zhuǎn）件、附件的振（zhèn）動和自激振（zhèn）動，其中影響最大的是主軸（zhóu）部件和被加工工件的（de）不平衡運（yùn）動，但是這些振動大（dà）都源（yuán）於機床自身結構或者周期性外力（lì）所致，可以通過優化設計機床，正確選擇工藝參數和（hé）增加隔離裝置等（děng）措施來消除（chú）或減小。
但是，加減速（sù）控製，尤其在軌跡曲率變化（huà）頻繁的（de）加工時（shí），引起的機床振動具有隨機性、衝擊性等特點，難以通過改變機床結構、優化工藝等（děng）方法來減（jiǎn）小或者消除。加減（jiǎn）速控製是為了保證機床在啟動或停止時（shí）不產（chǎn）生衝擊、失步、超程或振蕩，必須設計（jì）專門的（de）加減（jiǎn）速控製規律，使加給電動機的輸入（rù）( 脈衝（chōng）頻（pín）率或電（diàn）壓) 按照這個規律變化，從而使機床在各種加工作業的情況下都能快速準確地停留在給定的位置上，這種控製稱為加減速控製。
加減速控（kòng）製是數（shù）控係統的核心技術，主要有直（zhí）線型加減速控製、S 型加減速控製、指數型加減速控製等方法，采用不同的加減速控製方法引起機床的振動不同。目前（qián）研（yán）究大都集中在加減速控製方（fāng）法與實現等方麵。不同加減速控製對機床振動及機床結構的影響機理和程度尚未得到深入研究。
圖（tú）1 立銑的切削運動示意圖
本文首先通（tōng）過對加減速控製引起機床振動的（de）機理（lǐ）分析，得到不同加減速控製的加速度信號具有（yǒu）不同頻譜，說明了直線型加減速控製（zhì）更（gèng）有可能激發機床的固有頻率; 然後通過（guò）在相同加工條件（jiàn）下，采用不同（tóng）加（jiā）減速控製方法的切削實驗檢測機床的振動，實驗（yàn）結果表明，直（zhí）線型加減速控製較 S 型加減控製更（gèng）易激發機（jī）床（chuáng）的多階模態。
1 、加減速控製引起機床振動的機理分析
1． 1 切削力與進（jìn）給速度的關係
不失一般性，以立銑為例分析力和運動之間的關係（xì），由文獻可知：
式中: b0、h0是理想切削寬度和切削厚度（dù）; Δvx、Δvy是插補周期的（de）速度變（biàn）化量; T 是數控係統的插補周期。由式( 1) 、( 2) 可得：
1． 2 加減速控製( 加速度) 與機床振動
加（jiā）減速的控製是數控係統的核心，也是保證加（jiā）工質量和減小機床振動的（de）核心技術。加減速控製主要有: 直線型加減速控製、S 型加減速控製，三次樣條加減速控（kòng）製等等，其本質都是對速（sù）度變化的控製及加速度的控製（zhì）。
現以直線型加減速控製和 S 型加減速為例分析加減速控製對機床振動的影響。直線型加減速控製和 S 型加減速控製的（de）速度變（biàn）化和減速度變化分別如圖（tú） 2 ～ 3 所示。可以看出，直線型加減速控製、S 型（xíng）加減速控製方法分別產生（shēng）出現方波型（xíng）加（jiā）速度（dù）、梯形波形減速度，也意味著在任意加減速瞬間將（jiāng）有一個方波形和梯形作用力作用於刀具及機（jī）床上。
由信號處理相關（guān）知識可得方波和梯形波（bō）的頻譜分別為（wéi）
式（shì）中: ta為直（zhí）線型（xíng）加（jiā）速度時間（jiān）; Tacc、Tsacc分別為 S 型（xíng）加速時（shí）間和加加速時間。由信號（hào）處理知識可知（zhī），矩（jǔ）形波( 圖 4) 為無窮多個奇數次諧波組成（chéng），周期越短，帶（dài）寬越寬; 梯形波（bō）( 圖 5) 的頻譜隨（suí）著頻率（lǜ）的平方迅速衰減，為一個帶寬略（luè）大於上升頻率的帶通濾波器。
直線型加速時間（jiān）越短，越頻繁（fán），引（yǐn）起機床（chuáng）振動的頻率範圍越寬（kuān），當加減速時間接近於 0 時，可以看成脈衝信號，所（suǒ）有頻率都將被覆蓋，即可能激發所有機床部件的振動模態，這對於機床而言都是不利的，後文通過實驗來說（shuō）明兩種不同加減速控製引起機床（chuáng）振動（dòng）模態的不同。
2 、實驗研究
由上節分析可知，直線型加減速會激（jī）發機床（chuáng）更寬（kuān）固有頻率範圍內的機床部件的振動，而 S 型加減速隻（zhī）可能激發部分範圍內（nèi）固有頻率的機床部件的（de）振動。實驗設備及相關參數說明如下:
( 1) 實驗設備參數。實驗在（zài）一（yī）台數控銑床 V600( 由（yóu）南通機床製造) 進行試驗，數控係統配置為沈陽高精數控智能技術股份有限公司開發的 GJ400 係統。
該係統內置有直線型加減速、S 型加減速等多種速度控製（zhì）算法，加減速參（cān）數可以設置為表 1。( 2) 實驗材料及工藝參數。加工（gōng）的試驗工件如圖6 所（suǒ）示，其槽寬 10 mm，槽深（shēn）度（dù）為 0． 2 mm，實驗（yàn）材料和工藝參數見表 2。( 3) 振動（dòng）測試設備說明。振動信號采集係（xì）統用 NI數據采集機箱 c DAQ － 9174，高性能振動信號采（cǎi）集卡NI 9234，振動傳感器 780985，軟件用 LABVIEW 自行開發。
實驗分為兩（liǎng）大部分進行，一部分對機床進行振動模態實驗，了（le）解機床的主要結構的振動特性; 第二部（bù）分是通過采用不同加減速控製算（suàn）法對機床結構的影響。( 1) 機床模態實驗。需要對機床的振動模態進行分析，由於對銑床性（xìng）能和壽命影響較大主要是主（zhǔ）軸（zhóu）和工作台的振動，所以對（duì） V600 的主軸部件和工作台進行模態（tài）測試（shì）。
通過衝擊錘實（shí）驗測試和軟件分析，實驗結果如表 3 所示。該機（jī）床主軸和工作（zuò）台的主（zhǔ）要模態分（fèn）別在 17． 5、29、38． 2、43． 3 Hz。如果有外界力激發（fā）這些模（mó）態發生，就會對主軸和工作台的結構有破壞作用，其中 38． 2 Hz 是主軸和工作（zuò）台反相位振（zhèn）動，還對加工質量有不利影響。
( 2) 加減速對機床結構的影響實驗。在實驗過程中( 實驗工藝參數見表 2) ，主要采集（jí） 3 個軌跡轉彎（wān）中的振動信號( 振動（dòng）信號（hào）采集頻率（lǜ） 1 024 Hz) ，減速控製對機床（chuáng）結構的影響會明顯體現出來，因為在（zài）直線加工段的加工速度不（bú）變; 同時需要注意的是，在銑刀進入和退出切削瞬間的數（shù）據要去（qù）除，這是因為在進入和退出切（qiē）削時間，切削力呈現脈衝或者短時方波狀（zhuàng）態，和加減速控製產生的方波混合，無法區別（bié）減速控（kòng）製帶來的影響。
圖 7 是在相同切削參（cān）數下( 表 2) 的機床振動（dòng）頻譜。可以看出，在（zài） 17． 5、29、33． 3、38． 2、43． 3、100 Hz時直線型加減速和 S 型加減速的（de）振動幅值分（fèn）別為( 0． 025g，0． 010g ) 、( 0． 03g，0． 01g ) 、( 0． 059g，0． 048g) 、( 0 ． 012 g，0 ． 006 g ) 、( 0 ． 01 g，0 ． 003 g ) 、( 0． 03g，0． 025g) 。其 中，在 模（mó） 態（tài） 17． 5、29、38． 2、43． 3 Hz 直 線 加 減 速（sù） 的 振 動 分 別 為（wéi） S 型 加 減 速 的220 % 、300 % 、250 % 、333 % ; 在 主（zhǔ） 軸 轉 速 33 ． 3 Hz( 2 000 /60 = 33． 3 ) 時 機 床 的 振 動 幅 值 分 別 為0． 059g、0 ． 048 g，直線型是 S 型的 122 % ; 銑刀切削齒（chǐ）頻 100 Hz( 2 000 /60 × 3 = 100) 時，機（jī）床的振動幅值分別為0． 03g、0． 025g，直線型是 S 型的為 120% 。
可以看出，直線（xiàn）加減速控製更能激發機床的（de）振（zhèn）動模態。需要指出的是，機（jī）床的振動是切削力和進給速度變化（huà）共同（tóng）作用的結果，切削力可以看成是 100 Hz 脈衝信號，但是距離機床主（zhǔ）要模態較遠，激發機床模態振動的作用較小（xiǎo）。
3 、結語
本文以立銑為例建立切削力與加減速變化關係，在此基礎（chǔ）上得出不同加減（jiǎn）速控（kòng）製中加速度信號（hào）的不同頻（pín）譜是激發機床模態振動的主要原因之一（yī）; 通過在（zài）相同（tóng）條件（jiàn）( 相同機（jī）床，相同切（qiē）削條件) 不同加減速控製下（xià）的切削試驗，對比分析得（dé）到直線型（xíng）加減速控（kòng）製誘發銑床 V600前 3 階固（gù）有頻率的振動幅值分別為 S 型加減速控製的220% 、300% 、250% 、333% 。
可以預測，不同的加減速控製對機床結構的影響不同（tóng），進而（ér）會影響機床的壽命和性（xìng）能。不同加減速（sù）控製方式對機床結構壽命和性能的影響的定量關係是下一步需要深入研究的內容。
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