超精密立式磨床Z轴振动案例分析
2019-4-11 来源： 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所 作者：杨逢春 张 军 叶 超
摘 要：针对超精密立式磨床在调试阶段出现的Z轴振动问题，提出故障现象要从原理上作充分分析，通过分析相关模块的工作原理，利用先进的检测方法，找到排除故障的方法。实践结果表明，综合分析伺服进给系统，结合机械结构对其优化，能够有效地解决故障，为后续相关设备调试积累了丰富的经验。
关键词：超精密；磨床；振动；PMAC
0 引言
立式磨床主要用于磨削长轴类、筒类等零件内、外圆，我单位近期成功研制了一台超精密立式磨床。该机床采用基于PMAC控制器的开发式数控系统，X轴、Z轴、C轴均采用直驱电机，其导轨采用静压支承，直线电机带动大型重载负载运动，并由平衡杠协调动态平衡。
该结构特点机床在国内为首次研发，在装调、优化等方面尚无相关经验可以借鉴，在研制优化过程中遇到了很多技术难题。本文以工作中实际遇到的典型问题为对象，详细介绍了超精密立式磨床Z轴导轨振动故障的解决思路，以期为类似专用机床的研制调试提供参考。
1、 故障现象及系统控制原理
机床进给轴振动，对加工的精度、工件的表面质量有着不容忽视的影响。Z轴在移动过程中出现振动，严重影响机床精度。Z轴采用科尔摩根驱动器，并由西门子直线电机带动大型重载部件运动，海德汉光栅尺作全闭环反馈，并由平衡杠协调动态平衡。
该系统采用PC机+PMAC+科尔摩根驱动器+西门子直线电机的控制方案，海德汉光栅作为反馈，如图1所示。此方案在驱动器侧实现速度环、电流环控制，PMAC控制卡侧实现位置环控制，运动精度高。
图1 方案原理图
工控机作为上位机向PMAC控制器发出指令，PMAC经过分析处理，向科尔摩根发出模拟量信号，驱动器接收到信号后经过一系列的算法，输出控制信号驱动西门子直线电机移动。海德汉光栅尺实时将移动位移转化成数字信号反馈给PMAC，组成全闭环系统。
2 、机械结构
Z轴由科尔摩根724型驱动器驱动西门子直线电机1FN3，其导轨采用双C型结构静压支承，如图2所示，导轨行程接近1.5 m，导轨由床身、侧导轨、上导轨以及滑台组成。制造时保证导轨零件形位精度控制在1 μm，由于静、动部件不接触，真正实现了无摩擦，减小了热变形对精度的影响.
图2 Z轴结构图
3 、故障分析与处理
Z轴在移动过程出现振动，与机械传动方面、电气伺服方面都可能有关。机械方面可能与机械油膜间隙、机械安装、平衡系统有关，电气方面与伺服刚性、反馈系统等都有关。静压导轨移动部件受到摩擦力，主要需检查静压是否建立，油膜没建立好，是引起振动和爬行的主要原因之一。缺少润滑油会导致活塞受损，从而引起振动。重新加注润滑油后，系统振动有一定改善，但是依旧存在（可以通过监测系统速度得知），如图3所示。
图3 Z轴速度监测分析图
机床进给轴振动与伺服各个环节也密切相关，指令速度与实际速度波动很大，加上机床Z轴属重载，平衡杠非线性等因素影响，也会引起系统振动，适当提高速度环，降低电流环，系统跟随特性有明显改善。
为了保证系统惯量匹配，综合调整电流环和速度环，对系统进行伺服优化，先将电流环由原来的25.5降低为20，速度环增益由2.5增加至5，在积分时间上，电流环时间设置为0.7 ms，速度环时间设置为10 ms。
再配合示波器和信号发生器对电机进行调试，调节电流环、速度环，最终使电机达到满意的控制特性，如图4所示。
4 、建议及总结
随着我国机械制造水平的提高，超精密机床正逐渐迈入国际先进水平。目前，超精密机床虽然精度高、结构复杂，但只要在其装配、调试过程中掌握机床相关模块的工作原理和机械结构，了解其操作方法、动作顺序，利用高精度的检测方法，对故障现象从原理上作充分分析，就一定能找到排除故障的方法，从而达到预期效果。通过超精密立式磨床机电控制系统调试，我们对基于PMAC的开放式数控系统以及直线电机驱动系统有了深入了解，为后续相关设备调试积累了丰富的经验。
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