超精密立式磨床（chuáng）Z軸振動案例分析
2019-4-11 來（lái）源（yuán）： 中國工程物理研究院（yuàn）機械製造工藝研究所（suǒ） 作者：楊逢（féng）春 張 軍 葉 超
摘 要：針對超精密立式磨床在調試階段出現的Z軸振動問題，提出故障現象要從原理上作充分分析，通過分析相（xiàng）關模塊的工（gōng）作原理，利用先進的檢測（cè）方法，找到排除故障的方法。實踐結果表明，綜合（hé）分析伺（sì）服進給係統，結合機（jī）械結構對其優化，能夠有效地解決故障，為後續相關設備調試積累了豐富的經驗。
關（guān）鍵（jiàn）詞：超精密；磨床（chuáng）；振動；PMAC
0 引言
立式磨（mó）床主要用於磨削長軸類（lèi）、筒類等零件內、外圓，我單位近期成功研製了一台超精密（mì）立式（shì）磨床。該機床采用基於PMAC控製器的開發式數控係統（tǒng），X軸、Z軸、C軸（zhóu）均采用直驅電機，其（qí）導軌采用靜壓支承（chéng），直線電機帶（dài）動大型重（chóng）載負載（zǎi）運動，並由平衡（héng）杠協調動態平衡。
該結構（gòu）特點機床在國內為（wéi）首次研發，在裝調、優化（huà）等方麵尚無相關（guān）經（jīng）驗可以借（jiè）鑒，在研製優化過程中（zhōng）遇到了（le）很多技（jì）術難題。本文以工作中實際遇到的典型問題為對象，詳細介紹了超精密立式磨床Z軸導軌振動故障的解決思（sī）路，以期為類似專用機床的（de）研製調試提供參（cān）考。
1、 故障現象及係統控製原理
機床進給軸振動，對加工的精度、工件的表麵質量有（yǒu）著（zhe）不容忽視（shì）的影響。Z軸在移動過程中出現（xiàn）振動，嚴重影響機床精度。Z軸采用科爾摩根驅動器，並由西門子直線電機（jī）帶（dài）動大型重載部件運動，海德漢光柵（shān）尺作全閉環反饋，並由平衡杠協調動態平衡。
該係統采用PC機+PMAC+科爾摩根驅動器（qì）+西門子直線電機的控製（zhì）方案，海德漢光柵（shān）作為反（fǎn）饋，如圖1所示。此方案在驅動器側實現速（sù）度環、電流環控製，PMAC控製卡側實現位置環控製，運動精度高。
圖1 方案原理圖
工控機作為上位（wèi）機向PMAC控製器發出指令，PMAC經過分析（xī）處理，向科爾摩根發出模擬量信號，驅動器接收到信號後經過一係列的算法（fǎ），輸出控（kòng）製信號驅動西門子直線電機移動。海德漢光柵（shān）尺（chǐ）實時（shí）將移動位移轉化成數字信號反饋給PMAC，組成（chéng）全閉環係統。
2 、機械結構
Z軸由科爾摩根724型驅動器驅（qū）動西門子直線電機1FN3，其導軌采（cǎi）用雙C型結構靜壓支承，如圖2所示，導軌行程接近1.5 m，導（dǎo）軌由床身、側導軌、上（shàng）導軌以及滑台組成。製（zhì）造時保證導軌零件形位精度控製在1 μm，由於（yú）靜、動部件不接觸，真（zhēn）正實現了無（wú）摩擦，減小了熱變形對精度的影響.
圖2 Z軸結構圖
3 、故障分析與（yǔ）處（chù）理
Z軸在移動過程出現（xiàn）振動，與機械傳動方麵（miàn）、電氣伺服（fú）方麵都可（kě）能有關。機械方麵（miàn）可能（néng）與機械油膜（mó）間隙、機械（xiè）安裝、平衡係（xì）統有關，電氣方麵與伺（sì）服剛性、反饋係統等都有關。靜壓導軌移動部件受到摩擦力，主要需檢查靜壓（yā）是否建立，油膜（mó）沒建立好，是引起振動和爬行的主要原因之一。缺少潤滑油會導致活塞受損（sǔn），從而（ér）引起振動。重新加注潤滑油後，係統振動有一定改善，但是依舊（jiù）存在（可以通（tōng）過監測（cè）係（xì）統速度得知），如圖3所示。
圖3 Z軸（zhóu）速度監測分析圖
機床（chuáng）進給軸振動與伺服各個環節也密切（qiē）相關，指令速度與實際速度波動很大，加上機床Z軸屬重載，平衡杠非線性等因素影響，也會（huì）引起係統振動，適（shì）當提高速（sù）度環，降低電流環，係統跟隨特性有明顯改善。
為了保（bǎo）證係統慣量匹配，綜合調整電流環和速度環，對係統進行伺服優化，先將電流環由原來的25.5降低為20，速度環增益由2.5增加至5，在積分時間上，電流（liú）環時間設置（zhì）為0.7 ms，速度環時間（jiān）設置為10 ms。
再配合示波（bō）器和信號發生器對電機進行調試，調節電流環、速（sù）度環，最終使電機達到（dào）滿意的控製特性，如圖4所示。
4 、建議及總結
隨著我國機械製造水平的提高，超精密機床（chuáng）正（zhèng）逐漸邁入國際先（xiān）進水平。目前，超精密機床雖然精度高、結構複雜，但隻要在其裝配、調試過程中掌握機床相關模塊的工作原理和機械結構（gòu），了解其操作方法、動作順序，利（lì）用高精度的檢測方法，對故障（zhàng）現象從原理上作充分分析，就一定能找到排除故障的方法，從而達到預期效果。通過超精密立式磨床機電控製係統調試，我們對基於PMAC的開放式數控（kòng）係統以及直線電機驅動係統有了深入了解，為後續相關設備調試積累了豐富的經驗。
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