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XH718 機（jī）床超長刀杆鏜孔（kǒng）振顫問（wèn）題的解（jiě）決方案

2020-6-11 來（lái）源（yuán）：四川信息（xī）職業技術（shù）學院機電工程係作者：尹存濤

摘要: 對於一般的刀杆，在長徑比超過 4 倍的深孔鏜削過程中刀具通常會產生振顫，使得（dé）加工質量無法保證。一般情況下，影響金屬（shǔ）加工表麵的質量因素有機床本身、係統伺服調整、刀具、被加工工件以及其他的外界（jiè）幹擾等。通過調整與主軸速度控製相關 PMC 信號相（xiàng）適應的頻率響應，充分應用 CNC 有（yǒu）關數字式伺服主軸振動抑製功（gōng）能，解決了生產實際應用中的（de）振顫問題。

關鍵詞: 深孔; 振顫; 抑製

對於一般的刀杆，在長徑比超過（guò） 4 倍的深孔鏜削過程中刀具通常會產生振顫（chàn），使得加工質（zhì）量無法保證。一般情況（kuàng）下，影（yǐng）響金屬加工表麵的質量因素有機床本（běn）身、係統伺服調整、刀具、被加工工件以及其他的外界幹擾等。刀具方麵的因素主要是刀具的動剛度和幾何參數。減小（xiǎo）刀（dāo）杆懸伸長度（dù）和增（zēng）加刀杆的直徑對於減小（xiǎo）刀杆的變形量是（shì）有利（lì）的。但是受加工工件尺寸的限製，改變這兩（liǎng）個參數是不現實（shí）的（de）。另外，通過減小（xiǎo）切削量來降低切削力也可以達到減小刀杆（gǎn）變形量的目的，但這樣勢必導致生產效率的下降，而且在某些情況下，即使減小（xiǎo）切削力也（yě）不（bú）能達到加（jiā）工（gōng）要求。通過調整與主軸速度控製相關 PMC 信號相適應的頻率響應，充分應用 CNC 有關（guān）數字式伺服主軸振動（dòng）抑製功能，成為問題（tí）解決的基本思路。

1 、問題（tí）產生

某機床（chuáng）用戶設備為 XH718 機床，加工現場需要使用的鏜刀刀杆直徑與刀杆長（zhǎng）度（dù）比分別為 61 ∶ 375、63 ∶ 375、65 ∶ 375。此長徑比已經超過 5，甚至（zhì）有的特殊零件還需要超（chāo）出該值達到 6 以上。其（qí）粗鏜、精鏜時鏜（táng）刀杆振顫，導致孔壁出現幅度較大（dà）且不規則的震

紋，如圖（tú） 1 所示（shì）。

圖 1 幅（fú）度較大且不規則的震紋

2 、問題分析（xī）

分析圖 1 所示不規則的震紋（wén）產生原因，先排除機械結（jié）構與加工工藝方麵的問題。 ( 1) 檢測 XH718 機床主軸（zhóu）箱本體 ( 上、下箱體) 孔係加工、裝配均符合圖紙（zhǐ）及工藝要（yào）求，傳動齒（chǐ）輪齒係符合圖紙及動平衡要求，所選（xuǎn）傳動軸承及裝配符合工藝要求; ( 2) 檢測與鏜孔直接相關的 Z 向傳動副、移（yí）動副（fù）裝配合格;( 3) 從用戶（hù）現場精鏜孔實際分析，主軸轉速、切削進給速度在合理範圍，切削三要素中的 “切削深度”僅僅 0. 5～1 mm。此時鏜刀（dāo）刀杆承受（shòu）的軸向力和徑向力（lì）均不大，主軸本體承受的切削扭矩不大（dà）。

該 XH718 機床主軸電機使用 “速度控製方式”。依據 XH718 機（jī）床主軸箱（xiāng）三（sān）檔（dàng）變速、主軸（zhóu）機械結構特（tè）點，分析數字式主軸伺服係統與速度控製相關 ( 信號) 軟件的圖形測（cè）量結果，通過調整與主軸速度控製相關 PMC 信號相適應的頻率響應，充分應用 CNC有關數字式伺服主軸振動抑製功（gōng）能，成為問題解（jiě）決的基本思路。

2. 1 主軸係統動態性能測量的實際意義

( 1) 對數控係統（tǒng）內部（bù）軟（ruǎn）件（jiàn）、伺服係統軟件的運行（háng）狀態有更為深刻的了解，在脫開 CNC 軟件控製下的主軸係統監視、測量、外力擾動扭矩的實際構成，對外部機械（xiè）結構及外置編碼器係統的優化（huà）提供了參考。

( 2) 在測試過程中對剛性攻絲同步（bù）偏差、定向時位（wèi）置偏差、定向時序數據、電機速度－位置反饋積累等係列數據的測定，為係統應用拓寬了（le）思路（lù）。

( 3) 對 CNC 內部的（de）軟件運行（háng）狀態做深入的實踐，便於改善（shàn）機床的機械（xiè）裝置，甚至為機械設計提供優化建議。

2. 2 數字式主軸伺服係統與速（sù）度控製（zhì）相關 ( 信號（hào）) 的測量

( 1) 主軸速度檢測

主軸在各檔位狀態下旋轉速度數值準確、穩定( 無階躍、無突變) 是（shì）機床的基本要求，必須與XH718 主軸轉速－功率（lǜ）－扭矩曲線相吻合。通過對機床主軸分別在各檔位 ( 500、800、1 200、2 000r / min) 的速度監測，顯示 CNC 控製的主軸各檔位實際輸出轉速與設（shè）計要求（qiú）相符。

( 2) CNC 速度指（zhǐ）令與電機速度反饋（kuì）等信號檢測

CNC 速度指令、CNC 轉矩指令、電機速度是主軸速（sù）度控製方式的權重指（zhǐ）標。根據對單一指令 ( 信號) 的測量和（hé）相關指令 ( 信號) 的綜合（hé）測量，包括（kuò）對 CNC 速度指令 ( VCMD) ，CNC 轉矩指令 ( TCMD) ，電機速（sù）度 ( SPEED) ，CNC 速（sù）度指令－CNC 轉矩指令，電機速度－電機電流幅值 ( SPEED－INOＲM) ，電機速度－CNC 轉（zhuǎn）矩指令 ( SPEED－TCMD) ，電機速度－速（sù）度偏（piān）差 ( SPEED－VEＲＲ) ，電機速度－位置反饋累積( SPSPEED－PCPOS) ，CNC 位置偏差（chà）－CNC 速度指令數據 ( EＲＲC－SPCMD) ，電機檢測器 A/D 數據（jù） A、B( PA1 － PB1) ，電機速度－ CNC 速度指令 ( SPEED －SPCMD) ，DC 電壓環 ( VDC) 等信號的實際測量可知: 主軸速度控（kòng）製方式下，主軸伺服（fú）環路的 DC 電壓、主軸係旋轉峰值（zhí）電流、電機反饋累積、電機速度偏差、電機檢測器相位數據等對主軸電機速度響應影響不大，主（zhǔ）軸電機速度與 CNC 速度指令重（chóng）合。

( 3) 主軸係旋轉慣量的匹（pǐ）配

主軸（zhóu）電機的旋轉慣量為一定值，但主軸傳動鏈的齒輪係旋轉慣量較為複雜，並且有隨（suí）機不同的特點。由於伺服主軸 CNC 扭矩指令存在高頻成分 ( 圖 2) ，主軸電機旋轉起動後經過主軸傳動鏈齒係而（ér）被放大，導致長刀（dāo）杆遠端（duān）刀尖與孔壁的接觸（chù）振顫。

圖 2 CNC 速（sù）度指令－CNC 轉矩指令 ( VCMD－TCMD)

通過排除（chú） ( 改善) CNC 扭矩指令（lìng）的（de）高頻成分（fèn），利（lì）用 CNC 內嵌的扭矩指令（lìng）過濾器功能、HＲV 過濾器（qì）功能、外（wài）力幹擾輸入功能有效（xiào）地抑製（zhì）主軸隨動係統（tǒng）的高（gāo）頻振動。

依據 XH718 機床主軸結構特征，使用（yòng）並充（chōng）分發揮上（shàng）述 CNC 係統功能，主軸速度環增益（yì）的設定調整成為主軸伺服（fú）係統應用的基本。

2. 3 主軸（zhóu）速度環路頻率響應測（cè）量，增益設（shè）定與調整

調整主軸係速（sù）度環增益，直接與位置環路的高增益（yì）化相關。合理地設置（zhì）主軸速度環路（lù）增益有（yǒu）利於提高外（wài）力幹擾控製性能，以便（biàn）在沒有增益數據超（chāo）程、主軸（zhóu）係（xì）旋轉沒有振（zhèn）蕩前提下穩（wěn）定運行（háng）。在 XH718 主軸（zhóu）速度控製及主（zhǔ）軸定向動作中（zhōng）齒輪齧合信號 ( CTH1A、CTH2A) 至關重要，也（yě）是 XH718 機床主軸係頻（pín）率（lǜ）響應測定的最（zuì）重要環節。

( 1) 測定齒輪齧合信號 ( CTH1A、CTH2A)齒輪齧合信號 ( CTH1A、CTH2A) 的狀態要求是（shì）測定規則約定的主要項目，如圖 3 所示。

圖 3 XH718 主軸係頻率響應測試的相關（guān）內、外信號

用一個（gè）小程序將CNC係統需要的CTH1A、CTH2A 信號狀態（tài）在 XH718 各檔位均設置為約定要求，再滿足其他測量條件即可準確獲取 XH718 主軸係的頻率響應曲線，進而找到（dào）主軸係工（gōng）作狀態下的諧波頻域。

( 2) XH718 主軸係頻率響應曲線及速度環路增益圖 4 和圖 5 表明在（zài）同一台機床主軸係上，不同的速度環路增益 ( 積分) 數據值導致主軸頻率響應曲線有明顯（xiǎn）差異，得到的二維傅裏葉頻譜圖也就各（gè）不相同（tóng）。

圖4 速度環增益為 10、積分增益為 10測量的 XH718 主軸係頻率響應

圖 5 速度環增益為 30、積分增（zēng）益為 30測量的 XH718 主軸係頻率響應（yīng）

找到適合的增益數據值並符合理想的主軸頻（pín）率響應曲線，為扭矩指令過（guò）濾器、HＲV 過濾器、外力幹擾扭（niǔ）矩輸入功能的應用提供條件，從而達到抑製XH718 主（zhǔ）軸係在長徑比刀杆 ( 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 CNC 扭矩指令應用 1 次低通濾波（bō），以避免高主軸係旋轉時在高頻 ( 數（shù）百赫茲以上) 的共（gòng）振。對於 XH718 機床使用（yòng）的 aiI15/7000 型低速特性用主（zhǔ）軸電（diàn）機具體（tǐ）的參數體現為: 扭矩指令過濾器時間常數。

2. 5 HＲV 過濾器

CNC 具備的 HＲV 過濾器具有衰（shuāi）減導致振蕩的某一頻率帶（dài）寬信號的作用。對於主軸慣量較（jiào）大的主軸係統更要重視 HＲV 過濾器的使用。

當頻（pín）率大於 200 Hz 區域中具有較強的共振點而難（nán）以提高主軸 ( 齒輪) 係速（sù）度增益（yì）時，使用 HＲV 過濾器達到提（tí）高主軸係速度環路增益的目的，從而獲得更加（jiā）平滑、理想的（de）主軸係頻率響應曲線。

HＲV 過濾器是在主軸速（sù）度環路（lù）基礎上使用（yòng）扭（niǔ）矩指（zhǐ）令過濾器 ( 圖 6) ，通（tōng）過使用所設定的頻率帶寬的（de）信號（hào）衰減來避免主軸係共振。FANVC 提供了 4 級過濾器（qì），根據各級的中心頻率、帶寬、衰減 3 組參數，設定過濾器特性。

圖 6 使用（yòng）扭（niǔ）矩指令過濾器後速度（dù）環路的軟件配置

由圖 6 可知，扭矩指令過濾器數據值的設定與（yǔ）速度環（huán）增益數據值呈反比。圖 7 是 XH718 實物機床主軸速度控製方式存在的共性振蕩（dàng）頻域（yù），使用如圖 7 ( a) 所示的 3 級過濾（lǜ）器參數設定後測量得到的頻率響應曲線如圖 7 ( b)所示。

圖（tú） 7 過濾器設定（dìng）後的（de）頻率響應曲線

在實際測量、調試實戰中，多次改變主軸速度環路增益數據值、扭矩指令過濾（lǜ）器數據值，直到獲得低頻（pín）區域滿（mǎn）意的頻（pín）率響應（yīng）曲線。

2. 6 外力幹擾扭矩（jǔ）輸入功能

向 CNC 施加正弦波形狀的外力擾動扭矩（jǔ）指令，測量對於外力幹擾扭矩指令的扭矩頻率（lǜ）響應的（de）增益。

圖 8 表示在（zài） XH718 機床的主軸係速度（dù）環（huán）路中使用了以扭矩指令過濾器（qì）為核心基礎的速度環路控製器。把速度環路控製器的輸出作為扭矩（jǔ）指令，然後施加正弦波外力（lì）幹擾扭矩指（zhǐ）令。

圖 8 外力幹擾輸入功能的軟件配置

( 1) 方法。提高外力幹擾扭矩指令 ( 正弦波)頻率（lǜ），從而改變扭矩指令（lìng）和外力幹擾扭矩指令的振幅以達到提高主軸係增益頻率的目的。

( 2) 參數。外（wài）力（lì）幹擾扭矩指令的（de）頻率、施加正（zhèng）弦波數量、外（wài）力幹擾扭矩指令振幅等關鍵數據用參數設置實現，曲線測（cè）量所需的開始（shǐ） ( 結束) 頻（pín）率（lǜ）、測量（liàng）頻率間隔及次數、測量時電機速度指令等均用參數設置實現。

3 、問題解決

經過數次摸索測量，在解決用戶現場的實際問題中得到（dào） XH718 主軸係實測頻譜，如圖 9 所示。

圖 9 XH718 主軸係實測頻譜

在處（chù）理深鏜孔（kǒng）振顫問題時（shí），對與（yǔ）鏜刀（dāo）進給直（zhí）接相關的 Z 軸伺（sì）服係統（tǒng）的隨動性、頻率響應、轉動慣量也進行了優化調整。保證 Z 向伺服 ( 鏜刀軸) 的（de）低速進給滿足穩（wěn）定、無（wú）階躍（yuè）要求。圖 10 是為配（pèi）合深鏜（táng）孔需要單獨進行（háng） Z 向伺服調整的頻譜圖（tú）。用戶現場實際鏜孔效（xiào）果如圖 11 和圖 12 所示，滿足用戶加工質量要求。

圖 10 XH718 機床 Z 向伺服調整頻譜圖

圖 11 車橋（qiáo）深孔鏜（táng）削效果

圖 12 專用車壓箱殼體大直徑孔（kǒng）鏜削

4、結束語

充分利（lì）用 XH718 機床 FANUC 數控係統 ServoGu-ide 軟件功能，將加工過程中幹擾（rǎo）後輸出的雜亂信號看成有一定振幅、相（xiàng）位、頻率的基本正弦（xián）信號（hào）組合，先找出其中振幅較大 ( 能（néng）量較（jiào）高) 信號對應的頻率，然（rán）後調整與主軸速度控製相關信號的（de）頻率響應，應用CNC 有關數字式伺服主軸振動（dòng）抑製功能，解決了生產實際應用中（zhōng）的振（zhèn）顫問題（tí）。

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