超长刀杆镗孔振颤在Fanuc系统中的解决方案

尹存涛

(四川信息职业技术学院，四川 广元 628040)

0 引言

在长径比超过4倍的深孔镗削过程中刀具通常会产生振颤，使得加工质量无法保证。减小刀杆悬伸长度和增加刀杆的直径对于减小刀杆的变形量有利。但是受加工工件尺寸等条件限制，某些加工环境下不能改变这两个参数。另外通过减小切削量来降低切削力也可以达到减小刀杆变形量的目的，但这样势必会导致生产效率的下降。而且在某些特定情况下，即使减小切削力也不能达到加工要求。只有通过调整与主轴速度控制相关信号的频率响应，应用CNC有关数字式伺服主轴振动抑制功能，来解决超长刀杆镗孔加工中的振颤。

1 问题产生

某机床用户设备为XH718机床，加工现场需要使用的镗刀刀杆直径与刀杆长度比分别为φ61∶375、φ63∶375、φ65∶375。此长径比已经超过5，甚至有的特殊零件还需要超出该值达到6以上。其粗镗、精镗时镗刀杆振颤，导致孔壁出现幅度较大且不规则的震纹，如图1所示。

2 问题分析

图1 幅度较大且不规则的振纹

分析图1所示的振纹产生原因，先排除机械结构与加工工艺方面的问题。一是检测XH718机床主轴箱本体(上、下箱体)孔系加工、装配均符合图样及工艺要求，传动齿轮齿系符合图样及动平衡要求，所选传动轴承及装配符合工艺要求；二是检测与镗孔直接相关的z向传动副、移动副装配合格；三是从用户现场精镗孔实际分析，主轴转速、切削进给速度在合理范围，切削三要素中的“切削深度”仅0.5～1 mm左右。此时镗刀刀杆承受的轴向力和径向力均不大，主轴本体承受的切削扭矩不大。

该机床主轴电机使用“速度控制方式”。依据XH718机床主轴箱三档变速、主轴机械结构特点，分析数字式主轴伺服系统与速度控制相关(信号)软件的图形测量结果，通过调整与主轴速度控制相关信号的频率响应，应用CNC有关数字式伺服主轴振动抑制功能，成为问题解决的基本思路。

3 相关参数调整与分析

通过对XH718机床数字式主轴伺服系统与速度控制相关(信号)的实际测量可知：主轴速度控制方式下，主轴伺服环路的DC电压、主轴系旋转峰值电流、电机反馈累积、电机速度偏差、电机检测器相位数据等因素对主轴电机速度响应影响不大；主轴电机速度与CNC速度指令重合。

3.1 主轴系旋转惯量的匹配

主轴电机的旋转惯量为一定值，但主轴传动链的齿轮系旋转惯量较为复杂，并且有随机不同的特点。由于伺服主轴CNC转矩指令存在高频成分(图2)，主轴电机旋转起动后经过主轴传动链齿隙被放大，导致长刀杆远端刀尖与孔壁的接触振颤。

图2 CNC速度指令—CNC转矩指令(VCMD—TCMD)

通过排除或改善CNC转矩指令的高频成分(图2)，利用CNC内嵌的转矩指令过滤器功能，HRV过滤器功能、外力干扰输入功能可以有效地抑制主轴随动系统的高频振动。

3.2 主轴速度环路增益设定与调整

依据XH718机床主轴结构特征，充分发挥FANUC系统功能，主轴伺服系统应用的核心在于设定调整主轴速度环增益。调整主轴系速度环增益，直接与位置环路的高增益化相关。合理的设置主轴速度环路增益有利于提高外力干扰控制性能，以便在没有增益数据超程、主轴系旋转没有震荡前提下稳定的运行。机床主轴速度控制及主轴定向动作中齿轮啮合信号至关重要，也是其主轴系频率响应测定的最重要环节。

1) 齿轮啮合信号

齿轮啮合信号(CTH1A、CTH2A)的状态监测是规则约定的主要项目，用一个程序(图3)将系统需要的CTH1A、CTH2A信号状态在机床各档位均设置为约定要求，再满足其他测量条件即可准确获取XH718主轴系的频率响应曲线，进而找到主轴系工作状态下的谐波频域。

图3 XH718主轴系频率响应测试的相关内、外信号

2)主轴系频率响应曲线及速度环路增益

图4和图5表明在同一台机床主轴系上，不同的速度环路增益(积分)数据值在主轴频率响应曲线上有明显差异。找到适合的增益数据值并符合理想的主轴频率响应曲线，为转矩指令过滤器、HRV过滤器、外力干扰扭矩输入功能的应用提供条件，从而抑制XH718主轴系(刀杆长径比超过5∶1)镗削加工过程中的振颤。

图4 速度环增益=10，积分增益=10测量的XH718主轴系频率响应

图5 速度环增益=30，积分增益=30测量的XH718主轴系频率响应

3.3 扭矩指令过滤器

对CNC扭矩指令应用1次低通滤波，以避免高主轴系旋转时在高频(数百赫兹以上)的共振。

对于XH718机床使用的aiI15/7000型低速特性用主轴电机具体的参数体现为转矩指令过滤器时间常数。

3.4 HRV过滤器

CNC的HRV过滤器功能具有衰减导致振荡的某一频率带宽信号的作用。对于主轴惯量较大的主轴系统更要重视HRV过滤器的使用。HRV过滤器是在主轴速度环路基础上使用扭矩指令过滤器(图6)，通过使用所设定的频率带宽的信号衰减来避免主轴系共振。FANUC提供了4级过滤器，根据各级的中心频率、带宽、衰减3组参数，设定过滤器特性。

图6 使用扭矩指令过滤器后速度环路的软件配置

由图6可知，扭矩指令过滤器数据值的设定与速度环增益数据值成反比。频率>200Hz区域中(图4、图5)具有较强的共振点，难以提高主轴(齿轮)系速度增益，使用HRV过滤器可以达到提高主轴系速度环路增益的目的，从而获得更加平滑、理想的主轴系频率响应曲线。

图7是XH718机床主轴速度控制方式存在的共性振荡频域，使用3级过滤器参数设定后(图7(a))测量得到的频率响应曲线(图7(b))。

图7 过滤器设定后的频率响应曲线

在实际测量调试过程中，需要多次改变(调整)主轴速度环路增益和转矩指令过滤器数据值，直到获得低频区域满意的频率响应曲线。

3.5 外力干扰扭矩输入功能

图8表示在主轴系速度环路使用了扭矩指令过滤器基础上(图6)将其作为速度环路控制器。把速度环路控制器的输出做为扭矩指令，在此基础上施加正弦波外力干扰扭矩指令。

图8 外力干扰输入功能的软件配置

向CNC扭矩指令施加正弦波形状的外力扰动扭矩指令，测量对于外力干扰扭矩指令的扭矩频率响应的增益。

1) 方法：提高外力干扰扭矩指令(正弦波)频率，从而改变扭矩指令和外力干扰转矩指令的振幅以达到提高主轴系增益频率的目的。

2) 参数：外力干扰扭矩指令的频率、施加正弦波数量、外力干扰扭矩指令振幅等关键数据用参数设置实现，曲线测量所需的开始(结束)频率、测量频率间隔及次数，测量时电机速度指令等均用参数设置实现。

4 问题解决

经过数次摸索测量，在解决用户现场的实际问题中得到XH718主轴系下列实测频谱，图9所示。

图9 XH718主轴系实测频谱

在处理深镗孔振颤问题时，与镗刀进给直接相关的z轴伺服系统的随动性、频率响应、转动惯量也进行了优化调整。保证z向伺服(镗刀轴)的低速进给达到满足稳定、无阶跃要求。图10是为配合深镗孔需要单独进行z向伺服调整的频谱图。

图10 XH718机床z向伺服调整频谱图

图11 车桥深孔镗削效果

5 结语

主轴系统频率响应最终测定时，速度环路控制器(扭矩指令过滤器+HRV过滤器)输出的转矩指令和外力干扰转矩共同叠加在主轴随动系统中。ServoGuide软件将施加干扰后输出的杂乱信号考虑成由一定振幅、相位、频率的基本正弦信号组合，先找出中振幅较大(能量较高)信号对应的频率，通过调整与主轴速度控制相关信号的频率响应，应用CNC有关数字式伺服主轴振动抑制功能，从而解决生产实际应用中的振颤问题。