探討電氣系統調試提升數控機床精度的方法
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摘 要：通過對數控系統參數、伺服的優化來提升數控機床精度調試實例的分析，總結數控機床電氣控制系統精度的調試方法。
關鍵詞：數控機床;電氣系統;精度
在數控機床加工過程中，除了要控制機床本身出現的機械誤差外，還要控制電氣系統的控制誤差，控制電氣系統誤差主要是對系統的參數進行優化與調試。控制系統參數有伺服進給系統、檢測系統、數控系統參數等。數控系統參數又包括數控機床的基本參數、進給參數及梯形圖參數等，通過修改控制系統參數可以提高數控機床精度，對機床的調試、升級改造及維護保養有很大幫助。以FANUC0iMD系統的機床機電聯調為例，通過運用數控系統參數調試、機械誤差補償、伺服驅動參數優化等方法來提高數控機床整機精度，從而彌補機床機械零部件尺寸公差、形位公差以及裝配精度誤差之間的不足，使機床精度能夠達到更高的標準，這對于電氣系統數控機床的精度調整具有重要使用。
一、機械誤差的測量與補償
1.加工中心的刀庫可以有效提升加工生產率，刀庫在換刀時所出現的誤差一般來源于刀柄、主軸錐孔、刀具磨損等，它們會使定位精度出現下降，進而影響到加工質量。為了保證加工工件的尺寸精度，需要在參數5001和5002設定刀具長度補償或半徑補償。
2.螺距誤差補償。數控機床滾珠絲杠和螺母因有裝配誤差、螺距累積誤差等，其中絲杠的螺距累積誤差會造成機床定位精度下降。一般使用激光干涉儀測量出螺距累積誤差值，螺距誤差補償在數控系統的參數3620～3624中輸入激光干涉儀測量的數值，補償數值后在數控系統自動增加或減少控制的脈沖數來提高機床的定位精度。
3.反向間隙補償。滾珠絲桿與螺母之間、滾珠絲桿與支撐它的軸承之間的軸向間隙、數控機床滾珠絲桿軸承預緊力不夠、磨損產生間隙造成的軸向竄動等原因都會使數控機床工作臺移動產生反向間隙。反向間隙使數控機床工作臺反向移動的初始階段產生空行程不能立即執行動作造成的反向誤差，直到間隙消除為止工作臺才移動。檢查方法是沿一個方向手動移動坐標軸一段距離后用千分表打托盤，然后用手輪反向移動托盤直到表針擺動為止，手輪移動的尺寸即為反向間隙，把此數值輸入數控系統參數1851中進行間隙補償。
二、進給系統慣量與系統控制參數的優化
1.數控機床柔性齒輪比的設定。柔性齒輪比的參數指的是匹配伺服電機脈沖數與絲桿的最小移動量，由于伺服電機連接的滾珠絲杠和同步帶輪不同，數控系統移動最小單位量也是不同的，因此，使柔性齒輪比參數設置有所不同，修改電子齒輪比的分倍頻可實現不同的脈沖當量。例如在半閉環的FANUC0iMD系統中設定柔性齒輪比參數，當運動軸直接連接滾珠絲桿螺距為10mm，系統的檢測單位為1μm時，電機每旋轉1周（10mm）所需的脈沖數為10/0.001=10000脈沖。
2.位置反饋脈沖數的設定。全閉環控制的數控機床裝有光柵尺檢測工作臺的移動距離，當電機旋轉1周光柵尺反饋的脈沖數為位置脈沖數。設定時參數計算如下，在使用螺距10mm的滾珠絲桿（直接連接）、具有1脈沖0.5μm分辨率的光柵尺的情形下，電機每旋轉1周的反饋脈沖數=滾珠絲桿的螺距10mm/光柵尺的分辨率0.0005mm。
3.機械速度反饋參數設定。帶光柵檢測裝置數控系統在調試時會因速度與反饋檢測信號不一致而產生振蕩，一般都是機械系統剛性不足造成，首先考慮調整機械速度反饋的參數，數控機床光柵檢測反饋原理。床身機械結構電機側速度反饋參數2012#1設定為1時表示有效，α反饋增益參數2088設定為50，如果是串行光柵，設定數值>100會出現417報警，設定值在0～100，一般設定值為50。
三、數控系統參數調整及伺服的優化
1.加速反饋。當伺服電機與機床連接時負載慣量大于電機的慣量，機床軸及工作臺移動的慣性和摩擦阻尼滯后，伺服控制系統如果沒有接收伺服位置偏差反饋進行PID調節控制就沒有位置控制插補輸出脈沖，數控機床會產生振動和軌跡誤差。加速反饋與負載慣量關系，調整負載慣量比值>512時會產生（50～150）Hz的振動，特別是機床振動或高速運動產生的動態軌跡誤差較大，而機床負載慣性的軌跡誤差與加速度成正比。加速度前饋能減小伺服系統的軌跡誤差，在FANUC0iMD數控系統用加速度前饋及轉矩前饋軌跡誤差補償。加速度反饋增益參數2066設定值為（-10～-20），一般設為-10。對于低頻率振動扭矩指令濾波器參數2067設定值是約2000。對于高頻率的機械共振≥200Hz使用HRV（HighResponseVec-tor，高分辨率）濾波器來抑制。
2.增益優化與補償。高增益值會導致數控系統輸出速度變化劇烈，速度突然變化致使數控機床機械裝置受到較大的沖擊影響系統的穩定性，所以增益對伺服系統的穩態精度和動態性能都有很大的影響。伺服單元位置環增益控制，系統要求將位置環增益設定為較大值來提高機器剛性并增大機器的固有振動數。
設定時，首先將功能位參數2003位3（PIEN）設定為1，回路增益參數1825設定為3000，在機床不產生振動的情況下盡量增大設定值，可以設定為5000。對于速度增益值的設定，速度增益值=（1+負載慣量比（參數2021）/256）×100。式中的負載慣量比是電機的慣量和負載的慣量比，直接和機床的機械特性相關。調整原則是盡量提高設定值來保證在手動快速和手動慢速進給等各種情況下機床都不能有振動。一般通過設定參數2066值為-10增加伺服電流環來改變，如果還有振動則要修改畫面中的濾波器值參數2067，設定為約2000。
四、結語
綜上所述，數控機床技術能夠將高精密機械與智能化電氣系統有機融合，提高機械零部件加工精度和幾何精度，對提升機床加工精度有著重要作用。
參考文獻：
[1]劉賢文.數控機床故障診斷與排除[M].北京：機械工業出版社，2018.
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