XH718 機床超長刀桿鏜孔振顫問題的解決方案
2020-6-11 來源：四川信息職業技術學院機電工程系 作者：尹存濤
摘要: 對于一般的刀桿，在長徑比超過 4 倍的深孔鏜削過程中刀具通常會產生振顫，使得加工質量無法保證。一般情況下，影響金屬加工表面的質量因素有機床本身、系統伺服調整、刀具、被加工工件以及其他的外界干擾等。通過調整與主軸速度控制相關 PMC 信號相適應的頻率響應，充分應用 CNC 有關數字式伺服主軸振動抑制功能，解決了生產實際應用中的振顫問題。
關鍵詞: 深孔; 振顫; 抑制
對于一般的刀桿，在長徑比超過 4 倍的深孔鏜削過程中刀具通常會產生振顫，使得加工質量無法保證。一般情況下，影響金屬加工表面的質量因素有機床本身、系統伺服調整、刀具、被加工工件以及其他的外界干擾等。刀具方面的因素主要是刀具的動剛度和幾何參數。減小刀桿懸伸長度和增加刀桿的直徑對于減小刀桿的變形量是有利的。但是受加工工件尺寸的限制，改變這兩個參數是不現實的。另外，通過減小切削量來降低切削力也可以達到減小刀桿變形量的目的，但這樣勢必導致生產效率的下降，而且在某些情況下，即使減小切削力也不能達到加工要求。通過調整與主軸速度控制相關 PMC 信號相適應的頻率響應，充分應用 CNC 有關數字式伺服主軸振動抑制功能，成為問題解決的基本思路。
1 、問題產生
某機床用戶設備為 XH718 機床，加工現場需要使用的鏜刀刀桿直徑與刀桿長度比分別為 61 ∶ 375、63 ∶ 375、65 ∶ 375。此長徑比已經超過 5，甚至有的特殊零件還需要超出該值達到 6 以上。其粗鏜、精鏜時鏜刀桿振顫，導致孔壁出現幅度較大且不規則的震
紋，如圖 1 所示。
圖 1 幅度較大且不規則的震紋
2 、問題分析
分析圖 1 所示不規則的震紋產生原因，先排除機械結構與加工工藝方面的問題。 ( 1) 檢測 XH718 機床主軸箱本體 ( 上、下箱體) 孔系加工、裝配均符合圖紙及工藝要求，傳動齒輪齒系符合圖紙及動平衡要求，所選傳動軸承及裝配符合工藝要求; ( 2) 檢測與鏜孔直接相關的 Z 向傳動副、移動副裝配合格;( 3) 從用戶現場精鏜孔實際分析，主軸轉速、切削進給速度在合理范圍，切削三要素中的 “切削深度”僅僅 0. 5～1 mm。此時鏜刀刀桿承受的軸向力和徑向力均不大，主軸本體承受的切削扭矩不大。
該 XH718 機床主軸電機使用 “速度控制方式”。依據 XH718 機床主軸箱三檔變速、主軸機械結構特點，分析數字式主軸伺服系統與速度控制相關 ( 信號) 軟件的圖形測量結果，通過調整與主軸速度控制相關 PMC 信號相適應的頻率響應，充分應用 CNC有關數字式伺服主軸振動抑制功能，成為問題解決的基本思路。
2. 1 主軸系統動態性能測量的實際意義
( 1) 對數控系統內部軟件、伺服系統軟件的運行狀態有更為深刻的了解，在脫開 CNC 軟件控制下的主軸系統監視、測量、外力擾動扭矩的實際構成，對外部機械結構及外置編碼器系統的優化提供了參考。
( 2) 在測試過程中對剛性攻絲同步偏差、定向時位置偏差、定向時序數據、電機速度－位置反饋積累等系列數據的測定，為系統應用拓寬了思路。
( 3) 對 CNC 內部的軟件運行狀態做深入的實踐，便于改善機床的機械裝置，甚至為機械設計提供優化建議。
2. 2 數字式 主軸伺服系統與速度控制相關 ( 信號) 的測量
( 1) 主軸速度檢測
主軸在各檔位狀態下旋轉速度數值準確、穩定( 無 階 躍、無 突 變) 是 機 床 的 基 本 要 求，必 須 與XH718 主軸轉速 －功率 －扭矩曲線相吻合。通過對機床主 軸 分 別 在 各 檔 位 ( 500、800、1 200、2 000r / min) 的速度監測，顯示 CNC 控制的主軸各檔位實際輸出轉速與設計要求相符。
( 2) CNC 速度指令與電機速度反饋等信號檢測
CNC 速度指令、CNC 轉矩指令、電機速度是主軸速度控制方式的權重指標。根據對單一指令 ( 信號) 的測量和相關指令 ( 信號) 的綜合測量，包括對 CNC 速度指令 ( VCMD) ，CNC 轉矩指令 ( TCMD) ，電機速度 ( SPEED) ，CNC 速度指令－CNC 轉矩指令，電機速度－電機電流幅值 ( SPEED－INOＲM) ，電機速度－CNC 轉矩指令 ( SPEED－TCMD) ，電機速度－速度偏差 ( SPEED－VEＲＲ) ，電機速度－位置反饋累積( SPSPEED－PCPOS) ，CNC 位置偏差－CNC 速度指令數據 ( EＲＲC－SPCMD) ，電機檢測器 A/D 數據 A、B( PA1 － PB1) ，電機速度 － CNC 速度指令 ( SPEED －SPCMD) ，DC 電壓環 ( VDC) 等信號的實際測量可知: 主軸速度控制方式下，主軸伺服環路的 DC 電壓、主軸系旋轉峰值電流、電機反饋累積、電機速度偏差、電機檢測器相位數據等對主軸電機速度響應影響不大，主軸電機速度與 CNC 速度指令重合。
( 3) 主軸系旋轉慣量的匹配
主軸電機的旋轉慣量為一定值，但主軸傳動鏈的齒輪系旋轉慣量較為復雜，并且有隨機不同的特點。由于伺服主軸 CNC 扭矩指令存在高頻成分 ( 圖 2) ，主軸電機旋轉起動后經過主軸傳動鏈齒系而被放大，導致長刀桿遠端刀尖與孔壁的接觸振顫。
圖 2 CNC 速度指令－CNC 轉矩指令 ( VCMD－TCMD)
通過排除 ( 改善) CNC 扭矩指令的高頻成分，利用 CNC 內嵌的扭矩指令過濾器功能、HＲV 過濾器功能、外力干擾輸入功能有效地抑制主軸隨動系統的高頻振動。
依據 XH718 機床主軸結構特征，使用并充分發揮上述 CNC 系統功能，主軸速度環增益的設定調整成為主軸伺服系統應用的基本。
2. 3 主軸速度環路頻率響應測量，增益設定與調整
調整主軸系速度環增益，直接與位置環路的高增益化相關。合理地設置主軸速度環路增益有利于提高外力干擾控制性能，以便在沒有增益數據超程、主軸系旋轉沒有振蕩前提下穩定運行。在 XH718 主軸速度控制及主軸定向動作中齒輪嚙合信號 ( CTH1A、CTH2A) 至關重要，也是 XH718 機床主軸系頻率響應測定的最重要環節。
( 1) 測定齒輪嚙合信號 ( CTH1A、CTH2A)齒輪嚙合信號 ( CTH1A、CTH2A) 的狀態要求是測定規則約定的主要項目，如圖 3 所示。
圖 3 XH718 主軸系頻率響應測試的相關內、外信號
用一個小程序將CNC系統需要的CTH1A、CTH2A 信號狀態在 XH718 各檔位均設置為約定要求，再滿足其他測量條件即可準確獲取 XH718 主軸系的頻率響應曲線，進而找到主軸系工作狀態下的諧波頻域。
( 2) XH718 主軸系頻率響應曲線及速度環路增益圖 4 和圖 5 表明在同一臺機床主軸系上，不同的速度環路增益 ( 積分) 數據值導致主軸頻率響應曲線有明顯差異，得到的二維傅里葉頻譜圖也就各不相同。
圖4 速度環增益為 10、積分增益為 10測量的 XH718 主軸系頻率響應
圖 5 速度環增益為 30、積分增益為 30測量的 XH718 主軸系頻率響應
找到適合的增益數據值并符合理想的主軸頻率響應曲線，為扭矩指令過濾器、HＲV 過濾器、外力干擾扭矩輸入功 能的應用 提供條件，從而達 到抑制XH718 主軸系在長徑比刀桿 ( 超過 1 ∶ 5) 鏜削加工過程中振顫目的。
2. 4 扭矩指令過濾器
對 CNC 扭矩指令應用 1 次低通濾波，以避免高主軸系旋轉時在高頻 ( 數百赫茲以上) 的共振。對于 XH718 機床使用的 aiI15/7000 型低速特性用主軸電機具體的參數體現為: 扭矩指令過濾器時間常數。
2. 5 HＲV 過濾器
CNC 具備的 HＲV 過濾器具有衰減導致振蕩的某一頻率帶寬信號的作用。對于主軸慣量較大的主軸系統更要重視 HＲV 過濾器的使用。
當頻率大于 200 Hz 區域中具有較強的共振點而難以提高主軸 ( 齒輪) 系速度增益時，使用 HＲV 過濾器達到提高主軸系速度環路增益的目的，從而獲得更加平滑、理想的主軸系頻率響應曲線。
HＲV 過濾器是在主軸速度環路基礎上使用扭矩指令過濾器 ( 圖 6) ，通過使用所設定的頻率帶寬的信號衰減來避免主軸系共振。FANVC 提供了 4 級過濾器，根據各級的中心頻率、帶寬、衰減 3 組參數，設定過濾器特性。
圖 6 使用扭矩指令過濾器后速度環路的軟件配置
由圖 6 可知，扭矩指令過濾器數據值的設定與速度環增益數據值呈反比。圖 7 是 XH718 實物機床主軸速度控制方式存在的共性振蕩頻域，使用如圖 7 ( a) 所示的 3 級過濾器參數設定后測量得到的頻率響應曲線如圖 7 ( b)所示。
圖 7 過濾器設定后的頻率響應曲線
在實際測量、調試實戰中，多次改變主軸速度環路增益數據值、扭矩指令過濾器數據值，直到獲得低頻區域滿意的頻率響應曲線。
2. 6 外力干擾扭矩輸入功能
向 CNC 施加正弦波形狀的外力擾動扭矩指令，測量對于外力干擾扭矩指令的扭矩頻率響應的增益。
圖 8 表示在 XH718 機床的主軸系速度環路中使用了以扭矩指令過濾器為核心基礎的速度環路控制器。把速度環路控制器的輸出作為扭矩指令，然后施加正弦波外力干擾扭矩指令。
圖 8 外力干擾輸入功能的軟件配置
( 1) 方法。提高外力干擾扭矩指令 ( 正弦波)頻率，從而改變扭矩指令和外力干擾扭矩指令的振幅以達到提高主軸系增益頻率的目的。
( 2) 參數。外力干擾扭矩指令的頻率、施加正弦波數量、外力干擾扭矩指令振幅等關鍵數據用參數設置實現，曲線測量所需的開始 ( 結束) 頻率、測量頻率間隔及次數、測量時電機速度指令等均用參數設置實現。
3 、問題解決
經過數次摸索測量，在解決用戶現場的實際問題中得到 XH718 主軸系實測頻譜，如圖 9 所示。
圖 9 XH718 主軸系實測頻譜
在處理深鏜孔振顫問題時，對與鏜刀進給直接相關的 Z 軸伺服系統的隨動性、頻率響應、轉動慣量也進行了優化調整。保證 Z 向伺服 ( 鏜刀軸) 的低速進給滿足穩定、無階躍要求。圖 10 是為配合深鏜孔需要單獨進行 Z 向伺服調整的頻譜圖。用戶現場實際鏜孔效果如圖 11 和圖 12 所示，滿足用戶加工質量要求。
圖 10 XH718 機床 Z 向伺服調整頻譜圖
圖 11 車橋深孔鏜削效果
圖 12 專用車壓箱殼體大直徑孔鏜削
4、 結束語
充分利用 XH718 機床 FANUC 數控系統 ServoGu-ide 軟件功能，將加工過程中干擾后輸出的雜亂信號看成有一定振幅、相位、頻率的基本正弦信號組合，先找出其中振幅較大 ( 能量較高) 信號對應的頻率，然后調整與主軸速度控制相關信號的頻率響應，應用CNC 有關數字式伺服主軸振動抑制功能，解決了生產實際應用中的振顫問題。
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