摘要：數(shù)控系統(tǒng)振蕩問題是數(shù)控機(jī)床調(diào)試或運(yùn)行中常見的故障，本文介紹了數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的控制原理及產(chǎn)生振蕩的原因分析并提出了全閉環(huán)控制系統(tǒng)消除振蕩的理論依據(jù)和方法。
一、引言
數(shù)控系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象已成為數(shù)控全閉環(huán)系統(tǒng)的共同性問題。系統(tǒng)振蕩時(shí)會(huì)造成機(jī)床產(chǎn)生爬行與振動(dòng)故障，尤其在臥式帶立柱的軸和旋轉(zhuǎn)數(shù)控工作臺(tái)軸其系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩的頻率較高。該問題已成為影響數(shù)控設(shè)備正常使用的重要因素之一。
二、產(chǎn)生振蕩的原因分析
機(jī)床的振蕩故障通常發(fā)生在機(jī)械部分和進(jìn)給伺服系統(tǒng)。產(chǎn)生振蕩的原因有很多，陳了機(jī)械方面存在不可消除的傳動(dòng)間隙、彈性變形、摩擦阻力等諸多因素外，伺服系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)的影響也是重要的一方面。伺服系統(tǒng)有交流和直流之分，本文主要討論直流伺服系統(tǒng)因參數(shù)影響引起的振蕩。大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床采用的是全閉環(huán)方式，其控制原理圖如圖所示。
由圖可分析，引起伺服系統(tǒng)振動(dòng)的原因大致有四種情況：a位置環(huán)不良又引起輸出電壓不穩(wěn)；b速度環(huán)不良引起的振動(dòng)；c伺服系統(tǒng)可調(diào)定位器太大引起電壓輸出失真；d傳動(dòng)機(jī)械裝如絲杠間隙太大。這些控制環(huán)的輸出參數(shù)失真或機(jī)械傳動(dòng)裝置間隙太大都是引起振動(dòng)的主要因素。它們都可以通過伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。
三、消除振蕩的基本措施
(一)閉環(huán)伺服系統(tǒng)造成的振蕩
有些數(shù)控伺服系統(tǒng)采用的是半閉環(huán)裝置，而全閉環(huán)伺服系統(tǒng)必須是在其局部半閉環(huán)系統(tǒng)不發(fā)生振蕩的前提下進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，所以兩者大同小異，本文只討論全閉環(huán)情況下的參數(shù)優(yōu)化方法。
(二)降低位置環(huán)增益
在伺服系統(tǒng)中有參考的標(biāo)準(zhǔn)值，例如fanuc0-c系列為3000，西門子3系統(tǒng)為1666，出現(xiàn)振蕩可適當(dāng)降低增益，但不能降太多，因?yàn)橐ＷC系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。
(三)降低負(fù)載慣量比
負(fù)載慣量比一般設(shè)置在發(fā)生振動(dòng)時(shí)所示參數(shù)的70%左右，如不能消除故障，不宜繼續(xù)降低該參數(shù)值。
(四)加入比例微積分器(pid)
比例微積分器是一個(gè)多功能控制器，它不僅能有效地對(duì)電流電壓信號(hào)進(jìn)行比例增益，同時(shí)可調(diào)節(jié)輸出信號(hào)滯后成超前的問題，振蕩故障有時(shí)因輸出電流電壓發(fā)生滯后成超前情況而產(chǎn)生，這時(shí)可通過pid來調(diào)節(jié)輸出電流電壓相位。
(五)采用高頻抑制功能
以上討論的是有關(guān)低頻振蕩時(shí)參數(shù)優(yōu)化方法，而有時(shí)數(shù)控系統(tǒng)會(huì)因機(jī)械上某些振蕩原因產(chǎn)生反饋信號(hào)中含有高頻諧波，這使輸出轉(zhuǎn)矩里不恒定，從而產(chǎn)生振動(dòng)。對(duì)于這種高頻振蕩情況，可在速度環(huán)上加入一階低通濾波環(huán)節(jié)，即為轉(zhuǎn)矩濾波器。其控制原理如圖所示。
圖2表明，速度指令與速度反饋信號(hào)經(jīng)速度控制器轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩信號(hào)，轉(zhuǎn)矩信號(hào)通過一階濾波環(huán)節(jié)將高頻成分截止，從而得到有效的轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)。通過調(diào)節(jié)參數(shù)可將機(jī)械產(chǎn)生的100hz以上的頻率截止，從而達(dá)到消除高頻振蕩的效果。
綜上所述，利用雙位反饋可使系統(tǒng)在全閉環(huán)和半閉環(huán)兩種方式下進(jìn)行，從而大大提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍，也增加了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)。從時(shí)間常數(shù)上可知，該系統(tǒng)可在停止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行全閉環(huán)誤差調(diào)整，在過渡狀態(tài)下可進(jìn)行半閉環(huán)調(diào)整?，F(xiàn)以fanuc0-c為例，將具體參數(shù)調(diào)整過程進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。首先設(shè)參數(shù)p8411#(dpfb)為1，即為選擇雙位置反饋功能；p8499為位置反饋的zui大振幅，一般設(shè)置為0；p8478(分子)和p8479(分母)為上圖中位轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的常數(shù)設(shè)置，可根據(jù)要求設(shè)置；p8480為一階延時(shí)環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置代號(hào)，其設(shè)置范圍為：10~300ms，一般設(shè)定為100ms左右；p8481為零點(diǎn)幅度，一般情況下為0，但因振蕩可適當(dāng)調(diào)高一點(diǎn)。
雙位反饋功能是一種比較靈活的誤差修正方式，在系統(tǒng)調(diào)試過程中有很好的參數(shù)優(yōu)化和保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的功能。