數(shù)控落地銑鏜床五軸頭分度精度的調(diào)整
2018-8-21 來源： 齊齊哈爾二機床（集團）有限責任公司 作者：盧佳
摘 要：文中介紹了數(shù)控落地銑鏜床兩種不同結(jié)構(gòu)五軸頭對數(shù)控精度的影響和調(diào)整方法。
關(guān)鍵詞：傳動間隙；低速振蕩；剛性；滯后誤差
0 引 言
數(shù)控落地銑鏜床是一種重要的金屬加工設備，而隨著用戶對加工的要求提升，為機床配置各種具有不同功能的附件也就成為了機床發(fā)展的必然趨勢。
五軸頭是一種多用途的機床附件，可以將原本只能進行銑面、鏜孔、鉆孔等功能的機床，擴展成為具有斜面加工、曲面加工等功能的高端設備。
我廠研發(fā)的機械主軸五軸頭與電主軸主軸頭，控制方式均為全閉環(huán)控制。
為了達到預期控制精度，機械剛性與傳動精度都要符合設計要求，否則會直接影響到最終調(diào)試后的銑頭精度。
因為機械主軸五軸頭與電主軸主軸頭結(jié)構(gòu)不同，傳動方式不同，在調(diào)試時的現(xiàn)象與問題也不同。
下面將針對兩種五軸頭分別進行介紹。
1 、五軸頭傳動結(jié)構(gòu)構(gòu)成
1.1 機械主軸五軸頭
進給伺服電機安裝在五軸頭底座上，不隨五軸頭進行運動。A軸進給傳動由伺服電機驅(qū)動，經(jīng)過兩對齒輪副、兩對蝸輪蝸桿副實現(xiàn)A軸回轉(zhuǎn)運動；A軸位置檢測元件為角度編碼器。C軸進給傳動由伺服電機驅(qū)動，經(jīng)過行星齒輪減速機降速、一對圓柱齒輪副、一對蝸輪蝸桿副實現(xiàn)C軸回轉(zhuǎn)運動；C軸位置檢測元件為角度編碼器。
主軸傳動由主機主軸驅(qū)動，經(jīng)過三對高精度弧齒圓錐齒輪副實現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)。由于齒輪間隙、蝸輪蝸桿間隙對定位精度的影響比較大，因此調(diào)整減小傳動間隙是關(guān)鍵問題。當間隙過大時，由于慣性，在轉(zhuǎn)動時容易造成位置環(huán)滯后與超前疊加產(chǎn)生的誤差。在低轉(zhuǎn)速時振蕩不明顯，但在高轉(zhuǎn)速時振蕩嚴重，導致軸定位精度超差，工作不穩(wěn)定。
1.2 電主軸五軸頭
C軸力矩電機定子固定在五軸頭底座上，不隨五軸頭運動；轉(zhuǎn)子與萬向架固定，驅(qū)動萬向架旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)C軸回轉(zhuǎn)運動；C軸檢測元件為與軸承組合的編碼器。A軸力矩電機定子固定在萬向架上，不隨A軸運動；轉(zhuǎn)子與電主軸支架固定，驅(qū)動電主軸支架旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)A軸回轉(zhuǎn)運動；A軸檢測單元為旋轉(zhuǎn)編碼器。
主軸采用電主軸直接驅(qū)動，電主軸固定在電主軸支架上。由于采用力矩電機直驅(qū)結(jié)構(gòu)，不存在傳動間隙；但由于是重載工作，軸承受力比較大，因此剛性是關(guān)鍵問題。 當剛性過低時，在低轉(zhuǎn)速時容易造成速度環(huán)滯后并出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；在高轉(zhuǎn)速時爬行不明顯。
1.3 提高五軸頭分度精度的前提條件
傳動間隙過大、剛性不足以及編碼器安裝產(chǎn)生精度誤差會使得軸位置環(huán)增益難以提高，嚴重影響分度定位精度。當傳動間隙過大時，應檢查傳動鏈并進行調(diào)整，降低傳動間隙；剛性不足一般都是結(jié)構(gòu)原因造成，現(xiàn)場難以調(diào)整；編碼器安裝產(chǎn)生的精度誤差屬于可調(diào)整誤差，現(xiàn)場進行靜調(diào)后可以降低，這里不再贅述。
2 、分度精度調(diào)整過程
下面以西門子840D數(shù)控系統(tǒng)為例，說明調(diào)整過程。840D系統(tǒng)屬于數(shù)字式控制系統(tǒng)。對于常規(guī)伺服電機，在輸入電機型號與驅(qū)動型號后，系統(tǒng)將會自動計算并保存與之匹配的數(shù)據(jù)，一般不需要進行改動，否則會影響電機控制性能，降低系統(tǒng)動態(tài)響應；對于力矩電機，需要在調(diào)試時更改電流環(huán)、速度環(huán)等相關(guān)參數(shù)，使得電機性能與負載符合，才能提高控制精度。
2.1 機械主軸五軸頭調(diào)整
在調(diào)整之前，首先要對位置環(huán)、輪廓監(jiān)控、速度與加速度等參數(shù)進行設置，使之與機械特性匹配，達到高低速運行均平穩(wěn)后可進行精度調(diào)整。主要調(diào)整的參數(shù)為粗準停精度（MD36000）、精準停精度 （MD36010）、定位時間 （MD36200）、位置環(huán)增益（MD32200）等幾項。
首先，檢查軸的反向間隙。方法為：將軸設定為半閉環(huán)控制方式。伺服軸用低速（如0.05 r/min）單方向步進，同時用百分表在適當位置進行檢測；當百分表表針隨伺服電機移動后，此方向上的傳動間隙已消除。
記錄當前伺服軸位置坐標值，之后將伺服軸反方向低速步進，此時會出現(xiàn)伺服電機旋轉(zhuǎn)但百分表表針不運動的現(xiàn)象；繼續(xù)步進軸直至百分表表針再次隨動，此時立即停止伺服軸的運動并記錄當前伺服軸位置坐標軸，則兩個位置坐標值的差值就是該軸的反向間隙。
如果軸反向間隙過大時，需要機械檢查并消除間隙。只有反向間隙達到一個閾值以下時才可繼續(xù)進行精度調(diào)整。閾值由設計人員給出，文章中五軸頭為0.2°。然后，進行分度調(diào)整，方法為：將軸設定為全閉環(huán)控制方式。
根據(jù)設計參數(shù)，設定軸粗準停精度、精準停精度、定位時間等參數(shù)。在軸運行無振蕩時，逐步提高位置環(huán)增益參數(shù)的數(shù)值，直至出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。將此時的位置環(huán)增益參數(shù)降低約5%，并運行軸確保振蕩消失。此時軸已經(jīng)優(yōu)化完畢。位置環(huán)增益越高，軸分度精度越好，但是對機械精度要求越高。
2.2 電主軸五軸頭調(diào)整
在調(diào)整之前，首先要確保力矩電機可以運行。一般來說，力矩電機在未調(diào)整之前運行時會存在振蕩現(xiàn)象，調(diào)整后即可消失。主要調(diào)整步驟為電流環(huán)優(yōu)化、速度環(huán)優(yōu)化、抑制高頻脈沖等幾項。電流環(huán)優(yōu)化：用增幅0.5%、波段寬度8000 Hz、平均值10、設定時間500 ms的參數(shù)對電流環(huán)進行測試，并根據(jù)測試結(jié)果修改機床相關(guān)參數(shù)。一般來說，電流環(huán)不需要更改。
速度環(huán)優(yōu)化：用增幅0.3 r/min、波段寬度8000 Hz、平均值10、設定時間500 ms、偏置0.1 r/min的參數(shù)對速度環(huán)進行測試，并逐步增大速度控制器的P增益（MD1407，下文簡稱速度環(huán)增益）數(shù)值。優(yōu)化的目的是使得速度環(huán)曲線前段的直線部分盡量延長，也就是速度控制盡量平穩(wěn)。抑制高頻脈沖：在速度環(huán)曲線后端的振蕩部分，會有部分振蕩數(shù)值大于0，此時需要通過抑制高頻脈沖將其數(shù)值抑制到0以下。
此項與速度環(huán)優(yōu)化同時進行，可提高速度環(huán)優(yōu)化效果。將電流過濾器的尖峰頻率（MD1213/1216/1219/……，分別對應過濾器1/2/3/……）設定為振蕩部分尖峰的頻率；將電流過濾器的帶寬（MD1214/1217/1220/……，分別對應過濾器1/2/3/……）設定為尖峰頻率的一半。
之后再進行測試，可發(fā)現(xiàn)大于0的振蕩全部被消除。在調(diào)整完成后，力矩電機振蕩、爬行等現(xiàn)象消失，運行平穩(wěn)。
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