电气系统调试提升数控机床精度的方法

贺伟洪 段宇

上汽通用(沈阳)北盛汽车有限公司 辽宁沈阳 110000

数控机床技术是高精密机械和智能化电气深度的融合，在提高机械装部件加工精度和整机几何精度同时，机床控制系统精度对提高机床加工精度有着非常重要的作用。数控系统参数包括数控机床基本参数、进给参数及梯形图参数等，通过修改控制系统参数提高数控机床精度，对机床的调试、升级改造及维护保养提供很大帮助。

1 数控机床的概念与特点

为了满足复杂的市场需求，现阶段使用的数控机床的种类也非常多，根据功能、控制原理等的不同，可以将其简单分为点位控制数控机床、普通数控机床以及其他种类。随着数控加工技术的不断发展以及电子信息技术应用程度的加深，一些具有特殊功能的数控机床被研发与应用，满足了机械制造行业多样的发展需求。虽然数控机床的种类多种多样，但是其主要结构都是基本相同的，主要由两部分组成，其中硬件系统包括机床本体、伺服系统、数控装置、可编程控制器、驱动装置、电气控制装置以及一些辅助设备（装置）所组成；软件系统则包括输入、传输、输出以及分析处理系统等[1]。

与传统的机床相比，数控机床最显著的特点就是能够根据数控指令来进行工件的快速、准确加工，而且能够在加工过程中排除人为因素的影响，因此数控机床具有加工效率高、精度高，并且加工过程稳定可靠等优点。与之相对应的就是，数控机床的投资高、应用成本高，而且由于其对操作人员、维护人员的综合素质提出了较高要求，需要增加大量的配套投资，因此数控机床很难在一些小规模企业中推广应用。

2 影响数控机床加工精度的主要因素

2.1 刀具因素

数控机床虽然在一定程度上摆脱了人为操作的影响，可以根据用户预先定义的程序来自动完成机械产品的切削加工，但其加工过程还是需要依靠刀具切削来实现减材操作，如果刀具本身存在几何误差，那么必然会影响到最终零件的加工精度。

2.2 伺服系统驱动因素

现代数控机床中广泛应用了伺服电机和伺服驱动系统，需要借助伺服系统的驱动来实现切削加工，但伺服驱动过程中可能就存在误差（比如车床中的滚珠丝杠传动误差），进而会使运动部件的定位和运行精度受到影响。此外，机械加工过程中可能会受到外力因素的影响，而这可能会使数控机床的传动和运动构件出现变形，从而也会降低加工精度。

2.3 切削用量的选择

现实中，当采用数控机床加工机械产品时，需要依据加工方法合理选择切削用量。只有科学确定切削用量并编写入加工程序中，加工过程才符合实际要求，进而生产出质量合格的产品。然而现实却是，很多制造企业出于提升加工效率的目的，没有根据工艺需求科学选择加工用量，而这就可能导致切削力增加，进而就可能导致工件出现受力变形的问题，降低了加工精度。

3 电气系统调试提升数控机床精度的方法

3.1 进给系统惯量与系统控制参数的优化

（1）数控机床柔性齿轮比的设定。柔性齿轮比的参数指的是匹配伺服电机脉冲数与丝杆的最小移动量，由于伺服电机连接的滚珠丝杠和同步带轮不同，数控系统移动最小单位量也是不同的，因此，使柔性齿轮比参数设置有所不同，修改电子齿轮比的分倍频可实现不同的脉冲当量。例如在半闭环的FANUC0iMD系统中设定柔性齿轮比参数，当运动轴直接连接滚珠丝杆螺距为10mm，系统的检测单位为1μm时，电机每旋转1周（10mm）所需的脉冲数为 10/0．001=10000 脉冲。

（2）位置反馈脉冲数的设定。全闭环控制的数控机床装有光栅尺检测工作台的移动距离，当电机旋转1周光栅尺反馈的脉冲数为位置脉冲数。设定时参数计算如下，在使用螺距10mm的滚珠丝杆（直接连接）、具有1脉冲0．5μm分辨率的光栅尺的情形下，电机每旋转1周的反馈脉冲数=滚珠丝杆的螺距10mm/光栅尺的分辨率 0．0005mm。

（3）机械速度反馈参数设定。带光栅检测装置数控系统在调试时会因速度与反馈检测信号不一致而产生振荡，一般都是机械系统刚性不足造成，首先考虑调整机械速度反馈的参数，数控机床光栅检测反馈原理。床身机械结构电机侧速度反馈参数2012#1设定为1时表示有效，α反馈增益参数2088设定为50，如果是串行光栅，设定数值＞100会出现417报警，设定值在0-100，一般设定值为50[2]。

3.2 数控系统参数调整及伺服的优化

（1）加速反馈。当伺服电机与机床连接时负载惯量大于电机的惯量，机床轴及工作台移动的惯性和摩擦阻尼滞后，伺服控制系统如果没有接收伺服位置偏差反馈进行PID调节控制就没有位置控制插补输出脉冲，数控机床会产生振动和轨迹误差。加速反馈与负载惯量关系，调整负载惯量比值＞512时会产生（50-150）Hz的振动，特别是机床振动或高速运动产生的动态轨迹误差较大，而机床负载惯性的轨迹误差与加速度成正比。加速度前馈能减小伺服系统的轨迹误差，在FANUC0iMD数控系统用加速度前馈及转矩前馈轨迹误差补偿。加速度反馈增益参数2066设定值为（-10至-20），一般设为-10。对于低频率振动扭矩指令滤波器参数2067设定值是约2000。对于高频率的机械共振≥200Hz使用HRV（HighResponseVec-tor，高分辨率）滤波器来抑制。

（2）增益优化与补偿。高增益值会导致数控系统输出速度变化剧烈，速度突然变化致使数控机床机械装置受到较大的冲击影响系统的稳定性，所以增益对伺服系统的稳态精度和动态性能都有很大的影响。伺服单元位置环增益控制，系统要求将位置环增益设定为较大值来提高机器刚性并增大机器的固有振动数。

设定时，首先将功能位参数2003位3（PIEN）设定为1，回路增益参数1825设定为3000，在机床不产生振动的情况下尽量增大设定值，可以设定为5000。对于速度增益值的设定，速度增益值=（1+负载惯量比（参数2021）/256）×100。式中的负载惯量比是电机的惯量和负载的惯量比，直接和机床的机械特性相关[3]。调整原则是尽量提高设定值来保证在手动快速和手动慢速进给等各种情况下机床都不能有振动。一般通过设定参数2066值为-10增加伺服电流环来改变，如果还有振动则要修改画面中的滤波器值参数2067，设定为约2000。

4 结语

数控机床已经成为了我国机械加工行业中的主力，因此必须将提高数控机床加工精度作为工作中的重点和难点。通过归纳、总结日常工作中影响加工精度的问题，针对性地提出了解决对策，能够有效提升工件加工精度。