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數控（kòng）落地銑鏜床五軸頭分度精度的調整

2018-8-21 來源：齊齊哈爾（ěr）二（èr）機床（集團）有限責任公（gōng）司作（zuò）者：盧佳

摘要：文中介紹了數控落地銑鏜床兩種不同結構五軸頭對數控精度的影響和調整（zhěng）方法。

關鍵詞：傳動間隙；低速振蕩；剛性；滯後誤差

0 引言

數控（kòng）落地銑（xǐ）鏜床是一種重要的金屬加工設備，而隨著用戶對加工的要求提升，為機床配（pèi）置各種具有不同功能的（de）附件也就（jiù）成為了機床發展的必然趨勢。

五軸頭是（shì）一種多用途（tú）的機床附件，可以將原本隻（zhī）能進行銑麵、鏜孔、鑽（zuàn）孔等功能的機床，擴展成為具（jù）有斜麵加工、曲麵加工等功能的（de）高端設備。

我廠研發的機械主軸五（wǔ）軸頭（tóu）與電主（zhǔ）軸（zhóu）主軸頭，控製方式均為全閉環控製。

為了達（dá）到預期控製精度，機械剛性與傳動精度都要符合設（shè）計要求，否則會直接影響到最終調試後的銑頭精度。

因為機械主軸五軸頭與電主軸主（zhǔ）軸（zhóu）頭結構不同，傳動方式不同（tóng），在（zài）調試時的現象與（yǔ）問題也不同。

下（xià）麵將針對兩種（zhǒng）五（wǔ）軸頭分別進行介紹。

1 、五軸頭傳動結構構成

1.1 機械主軸五軸頭

進給伺服電（diàn）機安裝在五軸頭底座上，不隨五軸頭進行運動。A軸進給傳（chuán）動由伺（sì）服（fú）電機驅動，經過兩對齒輪副、兩對蝸輪蝸杆副實現A軸回轉運動；A軸位（wèi）置檢測元件（jiàn）為角度編碼器。C軸進給傳動由（yóu）伺服電機（jī）驅動（dòng），經（jīng）過行星齒輪減（jiǎn）速機降速、一對（duì）圓柱齒輪副、一對蝸輪蝸杆副實現C軸回轉運動；C軸位置檢測元件為角度編碼器。

主軸傳動由主機主軸驅動，經過三對高精度弧（hú）齒圓錐齒輪副實現主軸旋轉。由於齒輪間隙（xì）、蝸輪蝸（wō）杆間隙對定位精度（dù）的影響比較（jiào）大，因此調整減小傳動（dòng）間隙是關鍵問題。當（dāng）間隙過大時，由於慣性，在轉（zhuǎn）動時容易造成位置（zhì）環滯後與超前疊加產生的誤差（chà）。在低轉（zhuǎn）速時振蕩不（bú）明顯（xiǎn），但在（zài）高轉（zhuǎn）速時振蕩嚴重，導致軸定位精度超差，工作不穩定。

1.2 電主軸五軸頭（tóu）

C軸力矩電機定子固定在五軸頭底座上，不隨五軸頭（tóu）運動；轉子與萬向架固定，驅動（dòng）萬向架旋轉，實現C軸回轉運動（dòng）；C軸檢測元件為與軸承（chéng）組（zǔ）合的編碼（mǎ）器。A軸力矩電機定子固定（dìng）在萬向架上，不隨A軸（zhóu）運動；轉子與電主軸支架固定，驅動電主軸支架旋轉，實現A軸回轉運動；A軸檢測單元為旋轉編碼器。

主軸采用電主軸直接驅動，電主軸固定在電主軸支架上。由於采用力（lì）矩電機直驅（qū）結構，不存在傳動間隙；但由於是重載工作，軸承受力比較大，因此（cǐ）剛性是關鍵問題（tí）。當（dāng）剛性過低時，在低轉（zhuǎn）速時容易造成速度環滯後並出現爬（pá）行現象；在高轉速（sù）時爬行不明顯。

1.3 提高五軸頭分度精度的前提條件

傳動間隙過（guò）大、剛性不足以及編碼器安裝產生精度誤差會使（shǐ）得軸位置環增益難以提高，嚴重影響分度（dù）定位精度。當傳動間隙過大時，應檢查傳動鏈並進行調整，降低傳動間隙；剛性不（bú）足一（yī）般都是結構（gòu）原因（yīn）造成，現場難以調整；編碼器安裝產生的精度誤差屬於可調整誤差，現場進行靜調後可（kě）以降（jiàng）低，這（zhè）裏不再贅述。

2 、分（fèn）度精度調整（zhěng）過程

下麵以西門子840D數控係（xì）統為例，說明調整過程。840D係統屬於數字式控製係（xì）統。對於常規伺服電機，在輸入電機型號與驅動型（xíng）號後，係統將會自（zì）動計算並保存與之匹配的數據，一般不需要進行改動（dòng），否則會（huì）影響電機控製（zhì）性能，降低係統動態響應；對於力矩電機，需要在調試時（shí）更改電流環、速度環等相關參數，使得電機性能與負載符合，才能提高控製精度。

2.1 機械主軸五軸（zhóu）頭調整

在調（diào）整之前，首先要對位置環、輪廓監控、速度與（yǔ）加速度等參數進（jìn）行設置，使之（zhī）與機（jī）械（xiè）特性（xìng）匹配，達到高低速運行均平穩後可進行精度調整。主要調整的參數（shù）為（wéi）粗準（zhǔn）停精度（MD36000）、精（jīng）準停精度（MD36010）、定位時間（MD36200）、位置環增益（MD32200）等（děng）幾項。

首先，檢（jiǎn）查軸的反向間隙。方法為：將軸設定為半閉環控製方式。伺服軸用低速（如0.05 r/min）單方向步進（jìn），同時用百分表在適當位置進行檢測；當百分（fèn）表表（biǎo）針隨伺服電機移動後，此方向上的傳動間隙已（yǐ）消除。

記錄（lù）當前伺服軸位置坐標值，之後將伺服軸反方向低速步進，此時會出現伺服電機旋轉但百分（fèn）表表針不（bú）運動的現象；繼續（xù）步進軸直至百分表表針再（zài）次隨動，此時立即停止伺服（fú）軸的運動並記錄當前伺服軸位置（zhì）坐標軸，則兩個位置坐標值的差值就是該軸的反向間隙。

如果軸反向間（jiān）隙（xì）過大時，需要（yào）機械檢查並消除（chú）間隙。隻有反向（xiàng）間隙達到一（yī）個閾（yù）值（zhí）以下時才可（kě）繼續進行精度調整。閾值由設計人（rén）員給出，文章中五軸（zhóu）頭為0.2°。然後，進行（háng）分度調整，方法為：將軸設（shè）定為全閉環（huán）控製方式。

根據設計參數，設定軸粗準停（tíng）精度、精準停（tíng）精度、定位時間等參數。在軸運行無振蕩時，逐步提高位置環增益參數的數值，直至出現振蕩現（xiàn）象。將此時的位置環增益參數降低約5%，並運行軸確保振蕩消失。此時（shí）軸（zhóu）已經優化完畢。位置環增益越高，軸分度精度越好，但是（shì）對機械精度要求越高。

2.2 電（diàn）主軸五軸頭（tóu）調整

在調整之前，首先要確保力矩電機可以運行。一（yī）般來（lái）說，力矩電機在（zài）未調（diào）整之前運行時會存在振蕩現（xiàn）象，調整後即可消失。主要調（diào）整步驟為電流環優化、速（sù）度環優化、抑製高頻脈衝等幾項。電流環優化：用增幅0.5%、波段寬度8000 Hz、平均值10、設定時間500 ms的參數對電流環進（jìn）行測試，並根（gēn）據測試結果修（xiū）改（gǎi）機床相關參數（shù）。一般來說，電流環不需要更改。

速度環優化：用增幅0.3 r/min、波段寬（kuān）度8000 Hz、平均（jun1）值10、設定時間500 ms、偏置0.1 r/min的參數對速（sù）度環進行（háng）測試，並逐步增大速度控製器的P增（zēng）益（MD1407，下文簡稱速度（dù）環增益）數（shù）值。優化的目的是（shì）使得速度環曲線前段的直（zhí）線部分盡量延長，也就是速（sù）度控製盡量平（píng）穩。抑（yì）製高頻（pín）脈衝：在速度環曲線後端的振蕩部分，會有部分振蕩數值大於0，此（cǐ）時需要（yào）通過抑製高頻脈衝將其數（shù）值抑製（zhì）到0以下。

此項與速度環優化同時進行（háng），可提高速度（dù）環優化效果。將電流過濾器的尖峰頻率（MD1213/1216/1219/……，分別對應過濾器1/2/3/……）設定為振（zhèn）蕩部（bù）分尖峰（fēng）的頻率（lǜ）；將電流過（guò）濾器的帶寬（MD1214/1217/1220/……，分別（bié）對應過濾器1/2/3/……）設定為尖峰頻率的一半。

之後再進（jìn）行測試，可發現大（dà）於0的振蕩全部被消除。在調整完成後，力矩電機振蕩、爬行等現象消失，運行平穩。

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