宋艷麗

（武漢交通職業(yè)學院，湖北 武漢 430065）

隨著裝備制造業(yè)的發(fā)展，機床作為工業(yè)母機越來越成為不可或缺的一部分，大部分金屬產(chǎn)品的生產(chǎn)都需要用到機床，而機床的加工穩(wěn)定性又是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。提高機床穩(wěn)定性是一種重要手段，進行整圓加工調(diào)試及伺服調(diào)整是控制機床精度的重要保障，也是必要措施，是機床交付測試及維護保養(yǎng)中的重要一環(huán)，是產(chǎn)品合格率的保證。本文通過對華中數(shù)控伺服驅(qū)動器的加工調(diào)試分析[1]，進行伺服調(diào)整來解決整圓加工中遇到的問題，以此提出借鑒思路及方法。

1 伺服調(diào)整策略

從以往的調(diào)試經(jīng)驗中可以總結出機床在加工圓弧及小角度直線輪廓時，效果不好的原因主要在于參數(shù)設置和機械安裝不良。若機床是三軸硬軌，摩擦力會比較大。驅(qū)動器的特性往往很難調(diào)優(yōu)，導致加工零件表面有條狀震紋[2]。移動軸換向加工出來表面還會有接痕，用肉眼可明顯觀測到，一般都呈現(xiàn)出一條線。如果補償過量，又會產(chǎn)生象限點處下凹。所以，首先要做的就是提高伺服剛性，減少進給軸在低速及高速進給時產(chǎn)生的加工震紋[3]。

機床提高HSV-160U 驅(qū)動（速度比例增益）前后的圓柱加工效果，如圖1所示。

圖1 圓柱加工效果

參數(shù)設置原則：保證該軸在常規(guī)速度范圍內(nèi)（20 mm/min～6 000 mm/min）移動時不產(chǎn)生爬行、囂叫、振動等異常情況，盡量提高該軸的特性。

參數(shù)設置順序：首先提高速度比例增益，當該軸移動時出現(xiàn)囂叫聲，將此項參數(shù)值略微減小，直到移動該軸時聲音消失；再增加位置比例增益，當該軸移動時出現(xiàn)振動聲，將此項參數(shù)值略微減小，直至移動該軸時聲音消失[4]；重復以上步驟一至兩次，直至獲得一個較高的比例增益。一般情況下，提高“PA0 位置比例增益”及“PA2速度比例增益”驅(qū)動參數(shù)即可。

檢查標準：使用1000 mm/min的速度移動該軸，系統(tǒng)顯示的跟蹤誤差在0.2 mm以下為宜，0.1 mm為佳。

如果在進給軸的增益沒有進行合理調(diào)整之前，進行進給軸反向間隙和過象限突跳補償?shù)恼{(diào)整，過象限突跳補償?shù)募訙p速功能并不能很容易地補償反轉(zhuǎn)滯后[5]。提高伺服軸的位置環(huán)和速度環(huán)增益，本身就是在提高伺服的響應和剛性，進而補償反轉(zhuǎn)滯后的延時影響[6]。因此，在進行過象限突跳補償功能之前，務必將位置環(huán)和速度環(huán)調(diào)整至較高的穩(wěn)定值，在此基礎上再進行其他功能的補償，將會很容易進行補償。

2 調(diào)整伺服匹配狀態(tài)

用伺服調(diào)整工具或球桿儀，測量出整圓時兩軸的伺服不匹配度。圖形呈橢圓或花生形，沿45°或135°對角方向拉伸變形。

在分別進行順時針或逆時針測試時，拉伸變形軸向發(fā)生改變，將兩個方向的圖顯示在一起。通常，隨著進給率的增加，拉伸變形量也會增加。調(diào)整伺服匹配狀態(tài)加工效果，如圖2 所示。若順時針繪制出一個長軸朝向一、三象限的橢圓，如圖2（a）所示，即為X軸（橫軸）超前于Y軸（縱軸），應適當增大Y軸或減小X軸位置比例增益。將伺服不匹配值控制在“±0.1 ms”以內(nèi)，如圖2（b）所示。球桿儀不匹配的單位：ms，毫秒。

圖2 調(diào)整伺服匹配狀態(tài)加工效果

在無反向間隙補償時，使用華中8 型數(shù)控系統(tǒng)自帶的伺服調(diào)試工具可測量出突跳的三個時間，以備后續(xù)調(diào)試參考[7]。圓度測試圖，如圖3所示。

圖3 圓度測試圖

3 圓柱輪廓加工及圓度誤差測量

3.1 圓柱輪廓加工

首先準備刀具，刀具為直徑8 mm～20 mm 立銑刀，為4 刃合金，螺旋角30°。夾持后伸出長度在40 mm 以下，在保證正常切削和夾持的情況下，夾持后刀具伸出長度越短越好。工件材料：45#鋼、合金鋁、黃銅。尺寸：長90 mm、寬90 mm、高30 mm。精加工切削參數(shù)：吃刀深度5 mm～20 mm、吃刀量0.1 mm 左右，每齒進給量0.04 mm 左右。每齒進給量＝進給速度÷主軸轉(zhuǎn)速÷刀具刃數(shù)。

切削程序如表1 所示，刀具軌跡路線如圖4所示。

表1 切削程序

圖4 刀具軌跡路線

3.2 圓度誤差測量

3.2.1 安裝杠桿千分表

使主軸回到被加工圓的圓心上方，將磁力表座吸到主軸轉(zhuǎn)子上，取消主軸使能，使其可自由旋轉(zhuǎn)，再安裝杠桿千分表，如圖5所示。

圖5 杠桿千分表安裝

使表桿和被測面的夾角盡量地小，以保證測量精度[8]；若條件不允許，可換算度數(shù)值，如圖6所示。

圖6 換算度數(shù)值

使表針的測量方向與被加工圓的直徑重合（朝向圓心），調(diào)整磁力表座上的微調(diào)桿，使杠桿表針接觸已加工面，適當壓表并校零。

3.2.2 測量前的調(diào)表

用手正反兩個方向旋轉(zhuǎn)主軸轉(zhuǎn)子（禁止觸碰磁力表座），觀察杠桿表的變化是否在量程范圍內(nèi)。若不在：1）適當調(diào)整壓表距離；2）更換大量程杠桿表；3）檢查程序及系統(tǒng)參數(shù)。

若表針兩個方向都有明顯抖動，無法讀數(shù)：1）調(diào)整杠桿表安裝角度，使表桿的偏擺面垂直于水平面，如圖7 所示；2）改善切削工藝，減小加工振動；3）更換較大測量精度的杠桿表（如0.01 mm）。

圖7 工件與杠桿表位置設定

3.2.3 圓度測量

用手緩慢勻速地朝一個方向旋轉(zhuǎn)主軸頭，記錄杠桿表讀數(shù)，其中最大的讀數(shù)差值即為杠桿表測量的圓度誤差。圓度測量數(shù)值如表2所示。

表2 圓度測量數(shù)值

4 反向間隙及過象限突跳補償設置

4.1 反向間隙

機器的驅(qū)動系統(tǒng)中可能存在間隙。在直連機構中這通常是由滾珠螺桿端部浮動或驅(qū)動螺母磨損造成的，導致機器在被驅(qū)動換向時出現(xiàn)運動的停頓[9]。

在接近Y 軸前后機器從開始以近乎理想圓運行，然后機器停頓并偏離理想圓。圖形刻度調(diào)整將實際切削零件上的平臺轉(zhuǎn)換成在診斷圖形中的反向間隙。

測量及設置反向間隙補償值：沿著加工方向旋轉(zhuǎn)主軸，記錄過象限點前后的讀數(shù)差，若千分表壓表6格，即表針順時針旋轉(zhuǎn)12 μm，一般千分表的最小測量單位為0.002 mm。若為測量外圓，即該軸反向間隙補償值不夠，還需要增加12 μm。若為測量內(nèi)圓，即該軸反向間隙補償值過多，需要減小12 μm。反向間隙設置如圖8所示。

圖8 反向間隙設置

兩個軸都調(diào)整完后，減小刀具半徑補償值，再次精加工整圓輪廓，千分表測量，直到整圓在軸線上的錯位減至最小。

4.2 過象限突跳

當某一機器軸向某一方向驅(qū)動，然后必須向相反方向反向移動，在換向處機器不是平穩(wěn)反向運動，而可能短時的黏性停頓[10]。

在接近Y 軸前后機器如何從開始以近乎理想圓運行，然后由于機器停頓而偏離理想圓，如圖9 所示。由于機器表現(xiàn)出向理想圓外運動，圖形刻度調(diào)整將實際切削零件上的平臺轉(zhuǎn)換成在診斷圖形中的尖峰。

圖9 過象限突跳調(diào)整

4.2.1 過象限突跳補償方法

過象限突跳補償參數(shù)主要用于彌補機床在換向時的短暫黏性停頓，該現(xiàn)象可導致被加工零件在圓弧象限點處產(chǎn)生臺階痕跡[11]，如圖10所示。

圖10 臺階痕跡

華中8 型數(shù)控系統(tǒng)提供兩種補償方法，由參數(shù)“30*125：過象限突跳補償類型”（“*”號為對應軸號，為“0”表示X 軸，為“1”表示Y 軸，以此類推）設定，具體參數(shù)如表3所示。

表3 過象限突跳補償參數(shù)

上表中30*126、30*127、30*130、30*131 為位置環(huán)補償?shù)膮?shù)，30*127、30*130、30*132、30*133、30*134 為速度環(huán)補償?shù)膮?shù)。通常情況下使用位置環(huán)補償方式，該方法補償量比較直觀，操作簡便。

4.2.2 突跳測量及設置過象限突跳補償

1）在象限點附近緩慢旋轉(zhuǎn)主軸，記錄過象限點時的讀數(shù)變化，若壓表2 格后還原，即表針順時針偏轉(zhuǎn)4 μm 又回到原位，即為該軸的象限點處有4 μm 的凸起，若為測量外圓，需要增加4 μm 的過象限突跳值。過象限突跳測量，如圖11 所示。

圖11 過象限突跳測量

2）延遲時間、加速時間、減速時間，可參照無反向間隙補償時的伺服調(diào)試工具所測量出的時間設置。一般情況下減速時間可設為0，方便后續(xù)的調(diào)試。

3）兩個軸都調(diào)整完后，減小刀具半徑補償值，再次精加工整圓輪廓，打表測量，直到整圓在象限點的凸起減至最小。

4）補償后，若沿著加工方向打表，突跳點先凹再凸，說明補償時間太短，需要適當增加。

5）若突跳點先凸再凹，說明補償時間太長了，需要適當減少。

6）重復步驟4、5 的操作直至“凸臺平整”或“只有凹坑”（過補償）、“只有凸起”（欠補償）。

一般情況下，按照以上步驟即可將機床調(diào)整到比較好的特性狀態(tài)。

4.3 突跳補償使用系統(tǒng)中的調(diào)試工具測量

在系統(tǒng)的“診斷”界面有一個“伺服調(diào)試”按鍵，按下該鍵后便進入到系統(tǒng)集成的調(diào)試工具界面，可通過鍵盤上的“↑”“↓”方向鍵選擇“圓度測試”項目，在“自動”狀態(tài)下“配置”完測試圓的直徑和速度等參數(shù)后，按下“返回”鍵，系統(tǒng)會自動生成測試程序，再按下“循環(huán)啟動”鍵即可自動運行程序并采集整圓軌跡[12]，如圖12所示。

圖12 整圓軌跡采集

采集完成后屏幕右上方會給出突跳補償?shù)南嚓P數(shù)據(jù)，此時可以按下屏幕下方的“應用”鍵，直接將系統(tǒng)計算出的突跳補償參數(shù)錄入到系統(tǒng)中，按下“保存”再“復位”參數(shù)即可生效。

注意事項：1）在使用該功能時要關閉反向間隙補償及突跳補償，避免測量數(shù)據(jù)疊加導致誤差放大；2）因為大多數(shù)機床的位置反饋都來自于電機編碼器，而電機到機床之間的傳動機構會導致一定的延遲，所以實際需要設定的突跳補償時間比系統(tǒng)自動運算出來的要短，還需要適當微調(diào)[13]。若使用全閉環(huán)的直線光柵尺，就可以避免該問題的發(fā)生[14]。

4.4 人工測量計算法

反向躍沖的影響將使圓弧插補刀徑出現(xiàn)一個小平臺后再向原軌跡復位的臺階，在象限點一個軸沿著原來的方向繼續(xù)移動，另外一個軸在圓弧象限點運動方向產(chǎn)生改變。如果此時存在反向間隙，那么此時X軸仍繼續(xù)移動，而Y 軸電機產(chǎn)生運動，但由于絲杠有反向間隙，因此沒有產(chǎn)生工件運動。

根據(jù)圖13 中的公式可反算突跳的尖峰高度，若平臺的寬度是0.5 mm，工件直徑是30 mm，則突跳的尖峰高度：0.5×0.5÷30＝0.008 3 mm。即過象限突跳補償值設置為0.008 mm。

圖13 人工測量計算法

若加工速度為1 000 mm/min，則象限點到突跳尖峰的時間：0.5÷（1 000/60 000）＝30 ms。即延時時間和加速時間的和為30 ms，減速時間小于30 ms。

5 結語

整圓加工可以直接觀察加工效果，檢查零件表面質(zhì)量，通過采集數(shù)據(jù)進行伺服調(diào)整，實現(xiàn)反向間隙調(diào)整及過象限突跳調(diào)整，解決產(chǎn)品缺陷問題，完善加工效果，優(yōu)化零件表面加工質(zhì)量[15-18]。通過機床實際加工測試，發(fā)現(xiàn)問題，提出解決方案，并進行實驗，給出加工調(diào)整指導意見，為機床伺服參數(shù)調(diào)整人員提供借鑒。