CNC 系統加減速控制對機床結構的影響研究
2018-2-9 來源：重慶工程職業技術學院 沈陽高精 作者：胡韶華 趙超純
摘 要: 機床振動是影響機床壽命和性能的重要因素之一，加減速運動是在運行過程中激發數控機床振動的重要來源，因此研究數控系統( CNC) 加減速控制對機床結構的影響是很重要的。首先建立了切削力和運動之間關系、機床振動與加減速控制的關系，然后通過對加速度信號的譜分析，發現直線型加減速控制中方波型加速度信號的帶寬較寬，而 S 型加減速控制中梯形波加速度信號是一個帶通濾波器激發機床，闡明了方波型加速度信號是激發機床模態振動的根本原因。最后在數控銑床V600 上的試驗結果表明，直線型加減速控制引起的機床振動在模態 17． 5、29、38． 2、43． 3 Hz 是 S型加減速控制的 220%、300%、250%、333%．
關鍵詞: 數控機床; 可靠性; 振動; 加減速控制
張根保教授根據產品可靠性的定義給出了機 床可靠性的定義: 數控機床在規定條件下，在規定的時間里完成規定的功能。在衡量數控機床的可靠性時，“規定的條件”就是機床在設計時確定的產品使用環境和工作條件，一般包括加工尺寸、切削用量、切削功率、使用環境條件、加工材料等; “規定的時間”指的是設計確定的運行壽命，也可以是機床大修前的年限，還可以是可靠性考核時確定的任何年限; “規定的功能”是指機床設計時確定的功能。
其中，機床振動是影響機床壽命( 包含精度壽命) 和功能的重要因素之一。在使用過程中，引起機床振動的原因很多，一般認為數控機床振動的內部振源主要來自不平衡運動的旋轉件、附件的振動和自激振動，其中影響最大的是主軸部件和被加工工件的不平衡運動，但是這些振動大都源于機床自身結構或者周期性外力所致，可以通過優化設計機床，正確選擇工藝參數和增加隔離裝置等措施來消除或減小。
但是，加減速控制，尤其在軌跡曲率變化頻繁的加工時，引起的機床振動具有隨機性、沖擊性等特點，難以通過改變機床結構、優化工藝等方法來減小或者消除。加減速控制是為了保證機床在啟動或停止時不產生沖擊、失步、超程或振蕩，必須設計專門的加減速控制規律，使加給電動機的輸入( 脈沖頻率或電壓) 按照這個規律變化，從而使機床在各種加工作業的情況下都能快速準確地停留在給定的位置上，這種控制稱為加減速控制。
加減速控制是數控系統的核心技術，主要有直線型加減速控制、S 型加減速控制、指數型加減速控制等方法，采用不同的加減速控制方法引起機床的振動不同。目前研究大都集中在加減速控制方法與實現等方面。不同加減速控制對機床振動及機床結構的影響機理和程度尚未得到深入研究。
圖1 立銑的切削運動示意圖
本文首先通過對加減速控制引起機床振動的機理分析，得到不同加減速控制的加速度信號具有不同頻譜，說明了直線型加減速控制更有可能激發機床的固有頻率; 然后通過在相同加工條件下，采用不同加減速控制方法的切削實驗檢測機床的振動，實驗結果表明，直線型加減速控制較 S 型加減控制更易激發機床的多階模態。
1 、加減速控制引起機床振動的機理分析
1． 1 切削力與進給速度的關系
不失一般性，以立銑為例分析力和運動之間的關系，由文獻可知：
式中: b0、h0是理想切削寬度和切削厚度; Δvx、Δvy是插補周期的速度變化量; T 是數控系統的插補周期。由式( 1) 、( 2) 可得：
1． 2 加減速控制( 加速度) 與機床振動
加減速的控制是數控系統的核心，也是保證加工質量和減小機床振動的核心技術。加減速控制主要有: 直線型加減速控制、S 型加減速控制，三次樣條加減速控制等等，其本質都是對速度變化的控制及加速度的控制。
現以直線型加減速控制和 S 型加減速為例分析加減速控制對機床振動的影響。直線型加減速控制和 S 型加減速控制的速度變化和減速度變化分別如圖 2 ～ 3 所示。可以看出，直線型加減速控制、S 型加減速控制方法分別產生出現方波型加速度、梯形波形減速度，也意味著在任意加減速瞬間將有一個方波形和梯形作用力作用于刀具及機床上。
由信號處理相關知識可得方波和梯形波的頻譜分別為
式中: ta為直線型加速度時間; Tacc、Tsacc分別為 S 型加速時間和加加速時間。由信號處理知識可知，矩形波( 圖 4) 為無窮多個奇數次諧波組成，周期越短，帶寬越寬; 梯形波( 圖 5) 的頻譜隨著頻率的平方迅速衰減，為一個帶寬略大于上升頻率的帶通濾波器。
直線型加速時間越短，越頻繁，引起機床振動的頻率范圍越寬，當加減速時間接近于 0 時，可以看成脈沖信號，所有頻率都將被覆蓋，即可能激發所有機床部件的振動模態，這對于機床而言都是不利的，后文通過實驗來說明兩種不同加減速控制引起機床振動模態的不同。
2 、實驗研究
由上節分析可知，直線型加減速會激發機床更寬固有頻率范圍內的機床部件的振動，而 S 型加減速只可能激發部分范圍內固有頻率的機床部件的振動。實驗設備及相關參數說明如下:
( 1) 實驗設備參數。實驗在一臺數控銑床 V600( 由南通機床制造) 進行試驗，數控系統配置為沈陽高精數控智能技術股份有限公司開發的 GJ400 系統。
該系統內置有直線型加減速、S 型加減速等多種速度控制算法，加減速參數可以設置為表 1。( 2) 實驗材料及工藝參數。加工的試驗工件如圖6 所示，其槽寬 10 mm，槽深度為 0． 2 mm，實驗材料和工藝參數見表 2。( 3) 振動測試設備說明。振動信號采集系統用 NI數據采集機箱 c DAQ － 9174，高性能振動信號采集卡NI 9234，振動傳感器 780985，軟件用 LABVIEW 自行開發。
實驗分為兩大部分進行，一部分對機床進行振動模態實驗，了解機床的主要結構的振動特性; 第二部分是通過采用不同加減速控制算法對機床結構的影響。( 1) 機床模態實驗。需要對機床的振動模態進行分析，由于對銑床性能和壽命影響較大主要是主軸和工作臺的振動，所以對 V600 的主軸部件和工作臺進行模態測試。
通過沖擊錘實驗測試和軟件分析，實驗結果如表 3 所示。該機床主軸和工作臺的主要模態分別在 17． 5、29、38． 2、43． 3 Hz。如果有外界力激發這些模態發生，就會對主軸和工作臺的結構有破壞作用，其中 38． 2 Hz 是主軸和工作臺反相位振動，還對加工質量有不利影響。
( 2) 加減速對機床結構的影響實驗。在實驗過程中( 實驗工藝參數見表 2) ，主要采集 3 個軌跡轉彎中的振動信號( 振動信號采集頻率 1 024 Hz) ，減速控制對機床結構的影響會明顯體現出來，因為在直線加工段的加工速度不變; 同時需要注意的是，在銑刀進入和退出切削瞬間的數據要去除，這是因為在進入和退出切削時間，切削力呈現脈沖或者短時方波狀態，和加減速控制產生的方波混合，無法區別減速控制帶來的影響。
圖 7 是在相同切削參數下( 表 2) 的機床振動頻譜。可以看出，在 17． 5、29、33． 3、38． 2、43． 3、100 Hz時直線型加減速和 S 型加減速的振動幅值分別為( 0． 025g，0． 010g ) 、( 0． 03g，0． 01g ) 、( 0． 059g，0． 048g) 、( 0 ． 012 g，0 ． 006 g ) 、( 0 ． 01 g，0 ． 003 g ) 、( 0． 03g，0． 025g) 。其 中，在 模 態 17． 5、29、38． 2、43． 3 Hz 直 線 加 減 速 的 振 動 分 別 為 S 型 加 減 速 的220 % 、300 % 、250 % 、333 % ; 在 主 軸 轉 速 33 ． 3 Hz( 2 000 /60 = 33． 3 ) 時 機 床 的 振 動 幅 值 分 別 為0． 059g、0 ． 048 g，直線型是 S 型的 122 % ; 銑刀切削齒頻 100 Hz( 2 000 /60 × 3 = 100) 時，機床的振動幅值分別為0． 03g、0． 025g，直線型是 S 型的為 120% 。
可以看出，直線加減速控制更能激發機床的振動模態。需要指出的是，機床的振動是切削力和進給速度變化共同作用的結果，切削力可以看成是 100 Hz 脈沖信號，但是距離機床主要模態較遠，激發機床模態振動的作用較小。
3 、結語
本文以立銑為例建立切削力與加減速變化關系，在此基礎上得出不同加減速控制中加速度信號的不同頻譜是激發機床模態振動的主要原因之一; 通過在相同條件( 相同機床，相同切削條件) 不同加減速控制下的切削試驗，對比分析得到直線型加減速控制誘發銑床 V600前 3 階固有頻率的振動幅值分別為 S 型加減速控制的220% 、300% 、250% 、333% 。
可以預測，不同的加減速控制對機床結構的影響不同，進而會影響機床的壽命和性能。不同加減速控制方式對機床結構壽命和性能的影響的定量關系是下一步需要深入研究的內容。
投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關信息
