FANUC數(shù)控機(jī)床頻率響應(yīng)檢測(cè)與故障分析*

韓京海, 徐 鵬

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 南京 211188)

FANUC數(shù)控機(jī)床頻率響應(yīng)檢測(cè)與故障分析*

韓京海, 徐 鵬

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 南京 211188)

利用伺服調(diào)試軟件Servo Guide來檢測(cè)數(shù)控機(jī)床的頻率響應(yīng)，通過手動(dòng)設(shè)置濾波器和調(diào)節(jié)伺服參數(shù)，有效抑制振動(dòng)現(xiàn)象。詳細(xì)分析了頻率響應(yīng)曲線特性，檢驗(yàn)了伺服軸的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)測(cè)量的頻率響應(yīng)曲線分析了數(shù)控機(jī)床振動(dòng)故障原因，通過調(diào)試參數(shù)和機(jī)械維修的方法排除了故障。

數(shù)控機(jī)床；頻率響應(yīng)；振動(dòng)；故障

1 前 言

FANUC數(shù)控系統(tǒng)利用伺服調(diào)試軟件Servo Guide 對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到優(yōu)化機(jī)床性能的目的。數(shù)控機(jī)床可通過頻率響應(yīng)來測(cè)量機(jī)床各個(gè)軸的共振點(diǎn)，設(shè)定濾波器參數(shù)抑制共振，然后再提高速度增益，重新測(cè)量頻率響應(yīng)，檢查波形是否滿足要求。

伺服調(diào)試軟件Servo Guide產(chǎn)生正弦波擾動(dòng)，將頻率變化的正弦擾動(dòng)輸入至扭矩指令，使得機(jī)床產(chǎn)生振動(dòng)。通過正弦波擾動(dòng)輸入和速度控制器輸出，即可獲取速度環(huán)的頻率響應(yīng)。其原理如圖1所示[1]。

圖1 伺服控制原理圖

2 數(shù)控機(jī)床頻率響應(yīng)的檢測(cè)

FANUC SEVRO GUIDE具有測(cè)量機(jī)床的頻率響應(yīng)的功能。它可通過SEVRO GUIDE軟件自動(dòng)生成以下程序：

G91G94

N1G01X100.000F120.000

G04X1.000

N999G01X-100.000F200.000

M99

程序中機(jī)床移動(dòng)指令由不同的頻率組成，機(jī)床移動(dòng)頻率通過編碼器反饋，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)得出幅頻響應(yīng)特性曲線。

在設(shè)定伺服軸的基本參數(shù)基礎(chǔ)上，首先需要在JOG方式，檢驗(yàn)伺服電機(jī)是否能夠在低剛性下穩(wěn)定工作，一般小型機(jī)床速度環(huán)初始增益都可以設(shè)定至150%，位置環(huán)增益設(shè)定至3 000；大型機(jī)床速度環(huán)增益設(shè)定至100%，位置環(huán)增益設(shè)定至1 500～3 000。如果在低剛性下，機(jī)床不能穩(wěn)定，請(qǐng)檢驗(yàn)機(jī)械安裝是否完善，或重新加載伺服電機(jī)參數(shù)，排除誤設(shè)伺服參數(shù)引起的一些問題；再有可能需要事先人為加入濾波器，先濾波再測(cè)試頻率響應(yīng)。

(1) 手動(dòng)加入濾波器的方法為：①在一組中心頻率中加入如下參數(shù)：PRM 2360：300(中心頻率)；PRM 2361：80(帶寬)；PRM 2362：10(阻尼)；②利用JOG和自動(dòng)G01進(jìn)給，測(cè)試該軸運(yùn)行是否穩(wěn)定。

如果機(jī)床振動(dòng)無改善，可將PRM 2360參數(shù)以每次50進(jìn)行增加，并再次利用JOG和G01進(jìn)行，直至機(jī)床運(yùn)行穩(wěn)定。

(2) 在實(shí)際加工時(shí)，伺服軸的頻率響應(yīng)測(cè)量需要使用速度增益切換(PRM 2202#1=1)功能，調(diào)整時(shí)將切削時(shí)速度增益倍率(PRM 2107) 設(shè)定為100，將快速/切削速度環(huán)增益設(shè)定相同值，速度環(huán)調(diào)試完成后，結(jié)合切削時(shí)速度增益倍率，將快速/切削速度環(huán)增益分開設(shè)定。

(3) 使用系統(tǒng)速度環(huán)比例相高速處理功能(PRM 2017#7=1)和加速反饋功能(PRM 2066)，可進(jìn)一步提高速度環(huán)響應(yīng)的功能，此時(shí)，速度環(huán)增益可以設(shè)定更大值。一般情況下，小型車床、立式加工中心建議選用速度環(huán)比例相高速處理功能；龍門落地鏜銑床等負(fù)載慣量大的機(jī)床，建議選用加速反饋功能。

(4) 頻率響應(yīng)主要是針對(duì)速度環(huán)進(jìn)行測(cè)定，在測(cè)定頻率響應(yīng)環(huán)之前，需要注意電流環(huán)HRV控制的設(shè)定，對(duì)于0i-C系列，HRV1/HRV2/HRV3都可以使用，但在0i-D系列中，最少使用HRV2，使用HRV1將出現(xiàn)ALM456報(bào)警(非法電流環(huán)控制)?？s短了伺服電流采用周期，機(jī)床可能出現(xiàn)高頻振動(dòng)[2]。

3 頻率響應(yīng)曲線特性分析

通過SERVO GUIDE軟件，利用圖形窗口中的【工具】―【頻率響應(yīng)】―【測(cè)量】可以測(cè)定機(jī)床頻率響應(yīng)如圖2所示。頻率響應(yīng)圖反映了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)的狀態(tài)。機(jī)床剛性好，靜動(dòng)摩擦力小，電動(dòng)機(jī)軸與滾珠絲杠軸連接的同軸度高，電動(dòng)機(jī)就能很輕松地驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，其頻率響應(yīng)圖就很好；反之，則很差。

圖2 數(shù)控機(jī)床頻率響應(yīng)圖

所測(cè)試頻率響應(yīng)曲線分為上下兩組曲線，曲線1為幅頻特性，曲線2為相頻特性，調(diào)試中主要以曲線1作為考察伺服特性的主要依據(jù)。

(1) 10～200 Hz為低頻特性響應(yīng)區(qū)，該區(qū)域內(nèi)，接近0dB的曲線代表系統(tǒng)的響應(yīng)帶寬，接近0dB 的曲線越寬，系統(tǒng)的響應(yīng)特性越好。響應(yīng)帶寬主要通過調(diào)整伺服環(huán)的位置增益參數(shù)(PRM1825)、速度環(huán)增益參數(shù)(PRM2021)來實(shí)現(xiàn)，使響應(yīng)帶寬越寬越好。

(2) 200～1 000 Hz為高頻特性衰減區(qū)，利用該區(qū)域的曲線，可以測(cè)試出機(jī)床高頻振蕩點(diǎn)，利用系統(tǒng)HRV濾波器可以過濾振蕩點(diǎn)，使機(jī)床高頻共振被抑制，此時(shí)高頻共振頻率處的幅值應(yīng)低于-10dB。在SEVRO GUIDE參數(shù)窗口，點(diǎn)擊【濾波器】―【消除共振】，進(jìn)行設(shè)置。

(3) 截止頻率(幅頻曲線開始下降的地方對(duì)應(yīng)的頻率)處的幅值應(yīng)低于10dB,若高于10 dB，應(yīng)降低速度環(huán)增益(PRM2021)。

(4) 在1 000 Hz附近的幅值應(yīng)該低于-20 dB。

從頻率響應(yīng)曲線1分析可知機(jī)床的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，通過調(diào)整伺服位置環(huán)增益、速度環(huán)增益和使用HRV濾波器就可以使頻率響應(yīng)圖達(dá)到要求，從而達(dá)到優(yōu)化電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，抑制共振的目的。但將速度環(huán)增益提高到合理值后，只能驗(yàn)證伺服軸在全行程范圍內(nèi)某一點(diǎn)的靜態(tài)特性，為了合理反映伺服軸在全行程范圍內(nèi)的動(dòng)、靜態(tài)特性，需要注意以下兩項(xiàng)。

(1) 測(cè)試伺服軸的頻率響應(yīng)，適當(dāng)選取3個(gè)位置：如在行程正向最遠(yuǎn)、負(fù)向最遠(yuǎn)以及中間位置，分別驗(yàn)證所測(cè)試的最終速度環(huán)增益對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)曲線，觀察高頻衰減區(qū)有無劇烈變化，如果振動(dòng)點(diǎn)發(fā)生變化，需要再次進(jìn)行濾波或機(jī)械需要進(jìn)一步檢查。

(2) 為了驗(yàn)證伺服軸在速度環(huán)增益調(diào)整完成后的動(dòng)態(tài)特性，首先，利用手輪按照倍率×1、×10、×100、×1 000的檔位，測(cè)試伺服軸是否運(yùn)行有明顯振動(dòng)；其次，手動(dòng)JOG/快速測(cè)試伺服軸是否運(yùn)行平穩(wěn)有振動(dòng)；最后，利用伺服軟件測(cè)試伺服軸的扭矩波形(Tcmd)、速度波形(Vcmd)運(yùn)行是否平穩(wěn)。

通過消伺服軸的高頻振蕩點(diǎn)，可以保證在提高速度環(huán)增益后，系統(tǒng)的響應(yīng)帶寬變寬。通過測(cè)試伺服軸的頻率響應(yīng)，結(jié)合濾波器消除高頻振蕩點(diǎn)，可以充分發(fā)揮出伺服電機(jī)的剛性余量，又可以保證伺服軸穩(wěn)定運(yùn)行。

4 故障實(shí)例分析

(1) 故障現(xiàn)象：某FANUC數(shù)控機(jī)床各進(jìn)給軸單獨(dú)移動(dòng)時(shí)，各軸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，但在X、Y聯(lián)動(dòng)進(jìn)給時(shí)出現(xiàn)：X軸在移動(dòng)時(shí)，Y軸產(chǎn)生振動(dòng)。

故障分析：頻率響應(yīng)的測(cè)量往往是單軸測(cè)試，單軸分析。在單軸測(cè)試穩(wěn)定的情況下，而在聯(lián)動(dòng)進(jìn)給時(shí)出現(xiàn)故障：X軸在移動(dòng)時(shí)，對(duì)Y軸動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生影響，從而產(chǎn)生振動(dòng)。

故障處理：利用TCMD濾波器功能，在參數(shù)PRM 2 067=2 000(約110 Hz)進(jìn)行濾波，振動(dòng)現(xiàn)象消失。

(2)故障現(xiàn)象：某FANUC數(shù)控機(jī)床運(yùn)行時(shí)Y軸有低沉共振聲，加工表面紋路粗糙，效果不好。

故障處理：①測(cè)試Y軸的靜態(tài)頻率響應(yīng)曲線如圖3所示，從圖中可以看出，是機(jī)械特性不好或者裝配不良常出現(xiàn)的波形。使用濾波器參數(shù)無法解決，需要進(jìn)行機(jī)械修調(diào)；②進(jìn)行機(jī)械的調(diào)整。機(jī)械調(diào)整后再次進(jìn)行頻率響應(yīng)測(cè)定，使用濾波器來抑制共振，低沉共振聲消除。加工效果改善，表面效果好，問題解決。機(jī)械修正后再進(jìn)行調(diào)整的波形如圖4所示。

圖3 Y軸的靜態(tài)頻率響應(yīng)曲線

圖4 Y軸機(jī)修后的頻率響應(yīng)曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)數(shù)控機(jī)床的機(jī)械特性不良或者裝配不好時(shí)，可能有低沉的共振聲；導(dǎo)致加工中出現(xiàn)震動(dòng)，引起表面光潔度不好，紋路粗糙等問題。當(dāng)機(jī)床高頻出現(xiàn)共振，無法使用濾波器消除。會(huì)引起加工表面不好。數(shù)控機(jī)床振動(dòng)的抑制是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，可以通過靜態(tài)頻率響應(yīng)測(cè)試的波形來協(xié)助判斷，同時(shí)需要通過修調(diào)機(jī)械來解決。

[1] 孫漢卿.數(shù)控機(jī)床維修技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2] 劉樹青.數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修[M].北京：人民郵電出版社，2009.

The Frequency Response Detection and Fault Analysis for CNC Machine Tools Based on FANUC

HAN Jing-hai, Xu Peng

(DepartmentofMecha-electronics,NanjingCommunicationsInstituteofTechnology,NanjingJiangsu211188,China)

The frequency response detection method of CNC machine tools through Servo Guide soft ware is introduced, the vibration phenomenon of NC machine tool can be improved by the servo parameters adjustment and the filter setting. The characteristics of frequency response curve are analyzed in detail, the static and dynamic characteristics of the servo axis are tested. The vibration reasons according to the measured frequency response curve are analyzed. Some fault diagnosis methods are put forward through the parameters adjustment and mechanical maintenance.

CNC machine tools; frequency response; vibration; fault

2013-11-27

2011年南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目“基于三菱系統(tǒng)PLC實(shí)訓(xùn)臺(tái)的改造”(編號(hào): CX1115)

韓京海 (1978-)，男，江西新余人,碩士，主要從事數(shù)控技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)等方面的研究工作。

TG502

A

1007-4414(2014)01-0188-03