磨床的伺服調(diào)試

王 鵬，馬吉民

（中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161002）

0 引言

數(shù)控外圓磨床是比較精密的數(shù)控加工設(shè)備，磨床與其他數(shù)控加工設(shè)備比較而言，應(yīng)具有穩(wěn)定的砂輪平衡系統(tǒng)、良好的伺服響應(yīng)特性與低速特性?，F(xiàn)以意大利莫羅拉外圓數(shù)控磨床為例就這3個方面簡略分析一下在磨床維修與調(diào)試過程中應(yīng)注意的各個方面的問題，以及數(shù)控參數(shù)調(diào)整等問題。

1 進給伺服系統(tǒng)伺服響應(yīng)

進給伺服系統(tǒng)是由電氣、機械等環(huán)節(jié)組成的一個整體，其組成環(huán)節(jié)的特性參數(shù)對整體系統(tǒng)的特性的影響。從理論上講，可以根據(jù)要求與系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型確定其參數(shù)。但是機械系統(tǒng)的阻尼、剛度、慣量等參數(shù)干擾因素過多，只能依靠現(xiàn)有參數(shù)及經(jīng)驗進行調(diào)整，修正。

1.1 進給伺服系統(tǒng)的一般模型

由系統(tǒng)模型可以看出整個伺服系統(tǒng)由伺服指令，位置控制單元、速度控制單元、位置檢測單元、執(zhí)行機構(gòu)等部分組成。驅(qū)動軸是由電流環(huán)，速度環(huán)和位置環(huán)組成，一般來說位置環(huán)是一個簡單的比例調(diào)節(jié)器，速度環(huán)和電流環(huán)是由比例積分調(diào)節(jié)器組成，是驅(qū)動的核心部分。在系統(tǒng)中不考慮電流環(huán)，因為系統(tǒng)已完成電流環(huán)自動匹配。

1.2 控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)

公式（1）中Kp為位置環(huán)比例系數(shù)（西門子參數(shù)：MD32200，位置環(huán)增益；MD32300，軸的加速度）；Kv為速度環(huán)比例系數(shù)（西門子參數(shù)：MD1407速度環(huán)增益）；Tv為速度環(huán)時間常數(shù)（西門子參數(shù)：MD1409）；Kf為反饋環(huán)比例系數(shù)。由傳遞函數(shù)可以看出，調(diào)節(jié)位置環(huán)增益、速度環(huán)增益、速度環(huán)時間常數(shù)可以改善控制器的輸出特性。

1.3 機械特性與傳遞函數(shù)

把伺服執(zhí)行系統(tǒng)等效為彈簧系統(tǒng)可以得出機械系統(tǒng)傳遞函數(shù)見式（2）。

式中s——拉普拉斯

k——傳動剛度

m——執(zhí)行部件質(zhì)量

Cr——導(dǎo)軌副上的黏性阻尼系數(shù)

由機械系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以看出輸出特性與傳動剛度、執(zhí)行部件質(zhì)量、導(dǎo)軌副上的黏性阻尼系數(shù)、切削力、摩擦力等參數(shù)有關(guān)。由控制系統(tǒng)及機械系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以得出以下結(jié)論。

（1）在機械系統(tǒng)中由于傳動剛度、執(zhí)行部件質(zhì)量、導(dǎo)軌副上的黏性阻尼系數(shù)等機械參數(shù)機床制造、安裝后已基本固定，以通過調(diào)整傳動間隙、調(diào)整預(yù)緊力等手段恢復(fù)原設(shè)計機械參數(shù)。

（2）由于摩擦力受潤滑等因素影響，應(yīng)保證系統(tǒng)各傳動部件具有良好的潤滑。

（3）嚴(yán)格按照機床原設(shè)計加工能力進行加工。

（4）在保證機械傳動穩(wěn)定的情況下進行伺服參數(shù)調(diào)整。

（5）速度控制環(huán)的調(diào)整在保證伺服軸不發(fā)生振動的情況下，盡量增大速度增益，通過調(diào)整時間常數(shù)改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（6）通過調(diào)整位置環(huán)增益，適應(yīng)其他傳遞環(huán)節(jié)，保證系統(tǒng)的跟隨性。

（7）伺服傳動系統(tǒng)是電氣控制、機械傳動等綜合系統(tǒng)調(diào)整時應(yīng)綜合考慮各參數(shù)。

2 低速進給運動平穩(wěn)性

由于磨床系統(tǒng)磨削時進給速度在（0.03～0.1）mm/min屬于低速進給運動，機床的低速特性決定產(chǎn)品表面光潔度和精度。以下就低速特性進行分析。

2.1 爬行的概念

進給系統(tǒng)在低速進給時，在驅(qū)動速度是均勻的情況下，當(dāng)系統(tǒng)的剛度不足、摩擦力偏大等系統(tǒng)參數(shù)不恰當(dāng)時，就會出現(xiàn)執(zhí)行部件運動時快時慢、甚至停頓的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為爬行現(xiàn)象。它是低速運動不平穩(wěn)的體現(xiàn)。

2.2 爬行的臨界速度式

式中m——質(zhì)量

θ——阻尼比

k——剛度

Δf=fs-fd

2.3 爬行的抑制措施

由公式得出在維修調(diào)試中，可通過提高傳動剛度、減小摩擦因數(shù)等手段降低爬行臨界速度，保證系統(tǒng)加工精度。

3 砂輪的平衡

3.1 砂輪平衡問題的提出

幾乎所有的旋轉(zhuǎn)體都存在不平衡問題。由于磨床主軸屬于高速旋轉(zhuǎn)運動，不平衡現(xiàn)象影響主軸的旋轉(zhuǎn)精度，導(dǎo)致產(chǎn)品表面光潔度變差。為了解決上述問題，通常要對砂輪進行平衡。

3.2 砂輪平衡問題的解決

由于磨床砂輪是旋轉(zhuǎn)體，如果質(zhì)量分布不均勻，其重心就可能會偏離旋轉(zhuǎn)中心即產(chǎn)生不平衡量。當(dāng)砂輪旋轉(zhuǎn)時，不平衡量將引起呈現(xiàn)正弦規(guī)律的振動，轉(zhuǎn)速一定時，振動的位移量與不平衡量成正比。通過測量不平衡量引起振動位移的大小，平衡儀自動校正質(zhì)量的位置，使振動幅值盡可能降到最低，以使砂輪達到平衡。

4 結(jié)論

數(shù)控冷切設(shè)備尤其是數(shù)控磨床等精密冷切設(shè)備，伺服傳動系統(tǒng)、主軸驅(qū)動系統(tǒng)是決定機床特性的關(guān)鍵因素。伺服傳動系統(tǒng)是數(shù)控設(shè)備的關(guān)鍵，在伺服調(diào)試中應(yīng)綜合考慮數(shù)控系統(tǒng)中的位置增益、速度增益、時間常數(shù)等相關(guān)參數(shù)，機械系統(tǒng)調(diào)試中應(yīng)注意系統(tǒng)剛度、各部位間隙、摩擦阻力、阻尼等相關(guān)參數(shù)。伺服調(diào)整應(yīng)以系統(tǒng)穩(wěn)定性為首要考慮條件，其次在保證穩(wěn)定的前提下，盡量提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)獲得盡量高的高速特性。