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XH718 機床超長刀杆鏜孔振顫（chàn）問題的解決方案

2019-11-13 來源：四川信息職業技術學院機電工程係作者：尹存濤

對（duì）於（yú）一般的刀杆，在長徑比超過（guò） 4 倍的（de）深孔鏜削過程中刀具（jù）通常會（huì）產生振顫，使得加工質量無法保證。一般情（qíng）況下，影響金屬加工（gōng）表麵的質量因（yīn）素有機床本身、係統伺服調整、刀具、被加工工件以及其（qí）他（tā）的外界幹（gàn）擾等（děng）。刀具方（fāng）麵的（de）因素主要是刀（dāo）具的（de）動（dòng）剛度和幾何參數。減小刀杆（gǎn）懸伸長度和增加刀杆的直徑對於減（jiǎn）小刀杆的變形量是有利的。但是受加（jiā）工工件尺寸的限製，改變這兩個參數是不現實（shí）的。另外，通過（guò）減（jiǎn）小切削量來（lái）降低切削力也可以達到減小刀杆變形量的目（mù）的，但這樣勢必導致生產效率的下降，而且在某（mǒu）些情況下，即使減小切削（xuē）力也（yě）不能達到加工要求。通過調整與主軸速度控製（zhì）相關 PMC 信號相（xiàng）適應的頻率響應，充分（fèn）應用（yòng） CNC 有（yǒu）關數字式伺服主軸振動抑（yì）製功能，成為問題解（jiě）決的基本思路。

1、問題（tí）產生

某機床用戶設備為 XH718 機床，加工現場需要使用的鏜刀刀（dāo）杆直（zhí）徑與刀杆（gǎn）長度比分別為 61 ∶ 375、63 ∶ 375、65 ∶ 375。此長徑比已經超過 5，甚至有的特殊零件還需（xū）要超（chāo）出該值（zhí）達到 6 以上。其粗鏜、精鏜時鏜刀杆振顫（chàn），導致（zhì）孔壁出現幅度較大且不規則的（de）震紋，如圖 1 所示。

圖 1 幅度較大（dà）且不規（guī）則的震紋

2、問題分析

分析圖 1 所示不規則的震紋產生原因，先排除機械結（jié）構與加工（gōng）工藝方麵的問題。 (1) 檢測 XH718 機床主軸箱本體 (上、下（xià）箱體) 孔係加工、裝配均符合圖紙及工藝要（yào）求，傳動齒輪齒係符（fú）合圖紙及動平衡（héng）要求，所（suǒ）選傳動軸承及（jí）裝配符合工藝要求; (2) 檢測與鏜孔直接相關的 Z 向傳動副、移動副裝配合格;(3) 從用戶現場精鏜孔實際分析，主軸轉速、切（qiē）削進給速度在合理範圍，切削三要（yào）素中的 “切削深（shēn）度”僅僅 0. 5～1 mm。此時鏜刀（dāo）刀杆（gǎn）承受的軸向力和徑向（xiàng）力均不大，主軸本體（tǐ）承受的切削扭矩不大（dà）。

該 XH718 機床主軸電機使用 “速度（dù）控製（zhì）方式”。依據 XH718 機床主（zhǔ）軸箱三檔變速、主軸機械結構特點，分析數字式主軸伺服係（xì）統與速度控製相關（guān） (信號) 軟件的圖形測量結果，通過調整與主軸（zhóu）速度控製相關 PMC 信號（hào）相適應的頻率響應，充分應用 CNC有關數字式伺服主軸振動（dòng）抑製功能，成為問（wèn）題解決的基本思路。

2. 1 主軸係（xì）統動態（tài）性能測量的實際意義

(1) 對數控係統內部軟件（jiàn）、伺服係（xì）統軟件的運行狀態有更為深刻的了解（jiě），在脫開 CNC 軟件控製下的主軸係統（tǒng）監視、測量（liàng）、外力擾動扭矩的實際構成，對外部機械結構及外置編碼器係統的優化提供了參（cān）考

。

(2) 在測試（shì）過程中（zhōng）對剛性攻絲同步偏差、定向時位置偏差、定向時序數據、電機速度－位置反（fǎn）饋積累等係列數據的（de）測定，為係統應用拓寬了思路。

(3) 對 CNC 內部的軟（ruǎn）件運行狀態做深入的實踐，便於改善機床的機械裝置，甚至為機（jī）械設計提供優（yōu）化建議。

2. 2 數字式主軸伺服係統與速（sù）度控製相關 (信號) 的測量

(1) 主軸速度檢測（cè）

主（zhǔ）軸在各檔位狀態下旋轉速度數值準確、穩定( 無階躍、無突變) 是機床的基（jī）本要求，必須與XH718 主軸轉速－功率－扭矩曲線相吻合。通過（guò）對機床主軸（zhóu）分別（bié）在各檔位 (500、800、1 200、2 000r / min) 的速度監測，顯（xiǎn）示 CNC 控製的主軸各檔位（wèi）實際輸出轉速與設計要求相符。

(2) CNC 速度指令與電機（jī）速（sù）度反饋等信號檢測

CNC 速度指令、CNC 轉矩（jǔ）指令、電機速度是主軸速度控製方式的權重（chóng）指標。根據對單一指令 (信號（hào）) 的（de）測（cè）量和相關指令（lìng） ( 信號) 的綜合測量，包括對 CNC 速度指令 (VCMD) ，CNC 轉矩（jǔ）指令 (TCMD) ，電機速度 (SPEED) ，CNC 速度指令－CNC 轉矩指令，電機速度－電機電流幅值 (SPEED－INOＲM) ，電機速度－CNC 轉矩指令 (SPEED－TCMD) ，電（diàn）機速度－速度偏差 (SPEED－VERR) ，電機速度－位置反饋累積(SPSPEED－PCPOS) ，CNC 位置偏差－CNC 速度指（zhǐ）令數據 (ERRC－SPCMD) ，電機檢測器 A/D 數據 A、B(PA1 － PB1) ，電機速（sù）度－ CNC 速度指令 (SPEED －SPCMD) ，DC 電壓環 (VDC) 等信號的實際測量可知: 主軸速度控製方（fāng）式下，主軸伺服環路的 DC 電壓、主軸係旋轉峰值電流、電機反饋累（lèi）積、電機速度偏差、電機（jī）檢測器相位數據等對主軸電機速度響應影響不大，主軸電機速度與 CNC 速度指令（lìng）重合。

(3) 主軸係旋轉慣量的匹配

主軸電機的旋轉慣（guàn）量為一（yī）定值，但主軸傳動鏈的齒輪係旋轉（zhuǎn）慣量較為複雜，並且有隨機不同的特點。由（yóu）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（zhǔ）軸傳動鏈齒係而（ér）被（bèi）放大，導致長（zhǎng）刀杆遠端刀尖與孔壁的接觸振顫。

圖 2 CNC 速度指令－CNC 轉矩指令 (VCMD－TCMD)

通過排除 (改善) CNC 扭矩指令的高頻成分，利用 CNC 內嵌的扭矩指令過濾（lǜ）器功能、HRV 過濾器功能、外力幹擾輸（shū）入（rù）功能有效地抑製主軸隨動係統（tǒng）的高頻振動。

依（yī）據 XH718 機（jī）床主軸結（jié）構特征，使用並充分發揮上述 CNC 係統功能，主軸（zhóu）速度環增益的（de）設定調整成為主軸伺服係統應用的基本。

2. 3 主軸（zhóu）速度環路頻率響應測量，增益設定與調整

調整主軸係速度環（huán）增益，直接與位置環（huán）路的高增益化相關。合理地設置主軸速度環路增益（yì）有利於提高外（wài）力幹擾控製性能，以便在沒有增益數據超程、主軸（zhóu）係旋轉沒有振（zhèn）蕩前提下穩（wěn）定運行。在 XH718 主軸速度控製及主軸定向動（dòng）作中齒輪齧合信號 ( CTH1A、CTH2A) 至關重要，也是 XH718 機床主軸係頻率響應測（cè）定的最（zuì）重要環節。

(1) 測定齒輪齧合信號

(齒輪齧（niè）合信號 (CTH1A、CTH2A) 的狀態要求是測定規則（zé）約（yuē）定的主要項目，如（rú）圖 3 所示。CTH1A、CTH2A)

圖 3 XH718 主軸係頻率響應測試的相關內、外信號

用一個小（xiǎo）程序將 CNC 係（xì）統需要的 CTH1A、CTH2A 信號（hào）狀（zhuàng）態在 XH718 各檔（dàng）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（xì）的頻率響應曲線，進而找到主（zhǔ）軸係工作狀態下（xià）的（de）諧波（bō）頻域。

(2) XH718 主軸係頻率響應曲線及速度環路增益（yì）

圖（tú） 4 和圖 5 表明在同一（yī）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（yǒu）明（míng）顯（xiǎn）差異，得到的二（èr）維傅（fù）裏葉頻譜圖也就各不相（xiàng）同。

圖 4 速度環增益為 10、積分增益（yì）為 10測量（liàng）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（zhǔ）軸係頻率響應

找到適合的增（zēng）益數據值並符合理想的主軸頻（pín）率響應曲線，為扭矩指令過濾器、HRV 過（guò）濾（lǜ）器、外力幹擾扭矩輸入功能的應用（yòng）提供條件，從而達到抑製XH718 主軸係在長徑比刀杆（gǎn） ( 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（lìng）應用 1 次低通濾波，以避免高主軸係旋轉時在高頻 ( 數百赫茲以上) 的共（gòng）振。

對於 XH718 機床使用的 ai I15/7000 型低（dī）速特性（xìng）用主軸電機具體的參數體現為: 扭矩指令過（guò）濾器（qì）時間常數。

2. 5 HRV 過濾（lǜ）器

CNC 具備的 HRV 過（guò）濾器具有衰減導致振蕩的某一頻率帶寬信號（hào）的作用。對於主（zhǔ）軸慣量較大的主軸係統更要重視 HRV 過（guò）濾器（qì）的（de）使用（yòng）。R當頻（pín）率大於 200 Hz 區域中（zhōng）具有（yǒu）較強的共振點（diǎn）而（ér）難（nán）以提高主軸 (齒輪) 係速度增益時，使用 HRV 過濾器達到提高主軸係速度環路增（zēng）益（yì）的目的，從而獲得更加平滑、理想的主軸係頻（pín）率響應曲線。

HRV 過濾（lǜ）器是在主（zhǔ）軸速度環路基礎上使用扭矩指令過濾器 (圖 6) ，通過使用所（suǒ）設定的頻率帶寬的信號（hào）衰減來避免主軸（zhóu）係共振。FANVC 提供了 4 級過濾器，根據各（gè）級的中心頻率、帶寬、衰減 3 組參數，設定過濾器特性。

圖 6 使（shǐ）用扭矩指令過濾器後速度環路的軟件配置

圖（tú） 7 是 XH718 實物機床主軸速度控（kòng）製方式存在的共性振蕩頻域，使用如圖 7 (a) 所示的 3 級過濾器參數設定後（hòu）測量得到的（de）頻（pín）率響應曲線如圖 7 (b)所示。

圖 7 過濾器設定後的頻率響應曲（qǔ）線（xiàn）

在實際測量（liàng）、調試實戰中，多次改變主軸速度環路增益數據值（zhí）、扭矩指令過（guò）濾器數據值，直到獲（huò）得低頻區域滿意的頻率響應曲線。

2. 6 外力幹擾（rǎo）扭矩輸（shū）入功能

向 CNC 施加正（zhèng）弦波形狀的外力擾動扭矩指令，測量對（duì）於外力幹（gàn）擾扭矩指令的扭矩頻率響應的增益。

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

圖 8 外力幹（gàn）擾輸入功能的軟（ruǎn）件配置

(1) 方法。提高外力幹擾扭矩指令 ( 正（zhèng）弦波)頻率，從而改變扭矩指令和外力幹擾扭矩（jǔ）指令的振幅（fú）以達到提高主軸係增益頻率的（de）目的。

(2) 參數。外力幹擾扭矩指令的頻率、施加正弦波數量、外力（lì）幹擾扭矩指令振幅等關鍵數據用參數設置實（shí）現，曲線測量所需的開（kāi）始（shǐ） ( 結束) 頻率、測量頻率間隔及次（cì）數、測量時電機速度指令等（děng）均用參數設置實（shí）現。

3、問題解決

經過數次摸索（suǒ）測量，在解（jiě）決用戶現場的實際問題中得到 XH718 主軸係實測頻譜，如（rú）圖 9 所（suǒ）示。

圖 9 XH718 主軸係實測頻譜

在處理深鏜孔振顫問題時，對（duì）與鏜刀進給直（zhí）接相關的 Z 軸伺服係統的隨動性（xìng）、頻率（lǜ）響應、轉動慣量也進行了優化調整。保證 Z 向伺服 ( 鏜（táng）刀軸) 的低速進給滿（mǎn）足穩定、無階（jiē）躍要求（qiú）。圖 10 是為配合深鏜孔（kǒng）需要單獨進行 Z 向伺服調整的頻譜圖。

用戶現場實際鏜孔效（xiào）果如圖 11 和圖 12 所示，滿足用戶（hù）加（jiā）工質量要求。

圖 10 XH718 機床 Z 向伺服調整頻譜圖

圖（tú） 11 車橋深孔圖 12 專用車壓箱殼體鏜削效果大直徑孔鏜削

4、結束語

充分利（lì）用 XH718 機床 FANUC 數控係統 Servo Gu-ide 軟件功能，將加工過程中幹擾後輸出的雜亂信號看成有一定振（zhèn）幅、相位、頻（pín）率的基本正弦信號組合（hé），先（xiān）找出其中振幅較（jiào）大 ( 能量較（jiào）高) 信號對應的頻率（lǜ），然後（hòu）調整與主軸（zhóu）速度控製相關信號的頻率響應，應用CNC 有關數字式伺服主軸振動抑製功能，解（jiě）決了（le）生產實（shí）際應用中的振顫問題。

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