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超精密立式（shì）磨床Z軸振動案例分析

2019-4-11 來源：中國工程物理研究院機械製造工藝研究（jiū）所作者：楊逢春張軍葉（yè）超

摘要：針對超（chāo）精密（mì）立式（shì）磨床在調試階段出現的Z軸振動問題，提出故障現象要從（cóng）原（yuán）理上作充分分析，通過分析相關模塊的工作原理，利用先進的檢測方法，找（zhǎo）到排除故障的方法。實踐結果表明，綜合分析伺服進給係統，結合機械結構對其優化，能夠有效（xiào）地解決故障，為後續相關設備調試積累了豐富的經驗。

關鍵詞：超精密；磨床；振動；PMAC

0 引言

立式磨床主要用於磨削長軸類、筒（tǒng）類等零件內、外圓，我（wǒ）單位（wèi）近期成功（gōng）研製了一台超精密立式磨床。該機床采用基於PMAC控製器的開發式數控係統，X軸、Z軸、C軸均采用直驅（qū）電（diàn）機，其導軌（guǐ）采用靜壓支承（chéng），直線電機帶動大型重載（zǎi）負載運動，並由平衡杠協（xié）調動態平衡。

該結構特（tè）點機床在國內為首次研發，在（zài）裝調、優化等（děng）方（fāng）麵（miàn）尚（shàng）無相關（guān）經驗可以借鑒，在研製優化過（guò）程中遇到（dào）了很多技術難題。本文（wén）以工作中實際遇到的典型問題（tí）為對象，詳細介紹了（le）超精密立（lì）式磨（mó）床Z軸導軌（guǐ）振動故障的解決思路，以（yǐ）期為類似專用機床的研製調試提（tí）供參考。

1、故（gù）障現（xiàn）象及係統控製原理

機床進給軸振動，對加工的精度、工件的表麵質量有著不容忽視的影響。Z軸在移動過程中出現振（zhèn）動（dòng），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（xiàn）電機帶動大型重載部（bù）件（jiàn）運動，海德漢光柵尺作全閉環反饋，並由平衡杠協調動態平衡。

該係統（tǒng）采用（yòng）PC機+PMAC+科爾摩根驅動器+西門子（zǐ）直（zhí）線電機的控製方案，海德漢光柵（shān）作為反饋，如圖1所示。此方案在驅動器側實現速度環、電（diàn）流環控製，PMAC控製卡側實現位（wèi）置環控製，運（yùn）動精度高。

圖1 方案原理（lǐ）圖

工控（kòng）機作為上位機向PMAC控製器發出指令，PMAC經過分析處理，向科爾摩根（gēn）發出模擬量信號，驅動器接收到信（xìn）號（hào）後經過一係列（liè）的（de）算（suàn）法，輸出控製信號驅動西門子直線（xiàn）電機移動。海德漢光柵尺實時將移動位移轉化成數字（zì）信號反饋給PMAC，組（zǔ）成全閉環係統。

2 、機（jī）械結構

Z軸由科爾摩根（gēn）724型驅動器驅動西門子直線（xiàn）電機1FN3，其導軌采用雙C型結（jié）構靜壓支承，如圖（tú）2所示，導軌行程接近（jìn）1.5 m，導軌由床身、側導軌、上導軌（guǐ）以（yǐ）及（jí）滑台組成。製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（chù），真（zhēn）正實現了（le）無摩擦，減小了熱（rè）變形對精（jīng）度的影響.

圖2 Z軸結構圖

3 、故障分析與處理

Z軸在移動過程出現振動，與機械（xiè）傳動方麵、電氣伺服方麵都可能有（yǒu）關。機械方（fāng）麵可能與機械油膜間隙、機械安裝、平衡係統有關，電氣方（fāng）麵與伺服剛性、反饋係統等都有關（guān）。靜（jìng）壓導軌移動部件受到摩擦力，主要需（xū）檢查靜壓是否建立（lì），油膜沒建立好，是引（yǐn）起振動和爬行的主要原因之一。缺少潤滑油會導致（zhì）活塞受損，從而引起振（zhèn）動。重新加注潤滑油後，係統振動有一（yī）定改善，但是依（yī）舊存在（可以通過監測係統速（sù）度得知），如圖3所示（shì）。

圖3 Z軸速度監測分（fèn）析圖

機床進給軸振動（dòng）與伺服各（gè）個環節也密切相關，指令速度與實際速度（dù）波動很大，加（jiā）上機床（chuáng）Z軸屬（shǔ）重載，平衡杠非線性等因素影（yǐng）響（xiǎng），也（yě）會引起（qǐ）係統（tǒng）振動，適當提高速度（dù）環，降低電（diàn）流（liú）環，係統跟隨特性有明顯改善。

為了保證係統慣量匹配，綜合調整電流環和速度環，對係（xì）統進行伺服（fú）優化，先將電（diàn）流環由原來的25.5降低為（wéi）20，速度環增益由2.5增加至5，在積分時間上，電流（liú）環時間設置為0.7 ms，速度環時間設置為10 ms。

再配（pèi）合示波（bō）器和信號發生器對電機進行調試（shì），調節電（diàn）流環、速度環，最終（zhōng）使電（diàn）機達到滿意的控製特性，如圖4所示。

4 、建（jiàn）議及總結

隨著我國機械製造水平的提高，超精密機床正逐漸邁入（rù）國（guó）際先進水平。目前，超精密機床雖然精度高、結構複雜，但隻要在其裝配（pèi）、調試過程中掌握機床相關模塊的工作原理和機械結構，了解其（qí）操作方法、動（dòng）作順序，利用高精度的檢測方法，對故障現象從原理上作充分分析，就（jiù）一定能（néng）找到排除故障的方法，從而達到（dào）預期效果。通過（guò）超精密立式磨床機電控製係統調試，我們對基（jī）於PMAC的（de）開放式數控係統（tǒng）以及直線電機驅動係統有了深入了解，為後續相關（guān）設備（bèi）調試積累了豐富的（de）經（jīng）驗。

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