探讨电气系统调试提升数控机床精度的方法

崔承洋 郭凯

摘 要：通过对数控系统参数、伺服的优化来提升数控机床精度调试实例的分析，总结数控机床电气控制系统精度的调试方法。

关键词：数控机床;电气系统;精度

在数控机床加工过程中，除了要控制机床本身出现的机械误差外，还要控制电气系统的控制误差，控制电气系统误差主要是对系统的参数进行优化与调试。控制系统参数有伺服进给系统、检测系统、数控系统参数等。数控系统参数又包括数控机床的基本参数、进给参数及梯形图参数等，通过修改控制系统参数可以提高数控机床精度，对机床的调试、升级改造及维护保养有很大帮助。以FANUC0iMD系统的机床机电联调为例，通过运用数控系统参数调试、机械误差补偿、伺服驱动参数优化等方法来提高数控机床整机精度，从而弥补机床机械零部件尺寸公差、形位公差以及装配精度误差之间的不足，使机床精度能够达到更高的标准，这对于电气系统数控机床的精度调整具有重要使用。

一、机械误差的测量与补偿

1.加工中心的刀库可以有效提升加工生产率，刀库在换刀时所出现的误差一般来源于刀柄、主轴锥孔、刀具磨损等，它们会使定位精度出现下降，进而影响到加工质量。为了保证加工工件的尺寸精度，需要在参数5001和5002设定刀具长度补偿或半径补偿。

2.螺距误差补偿。数控机床滚珠丝杠和螺母因有装配误差、螺距累积误差等，其中丝杠的螺距累积误差会造成机床定位精度下降。一般使用激光干涉仪测量出螺距累积误差值，螺距误差补偿在数控系统的参数3620～3624中输入激光干涉仪测量的数值，补偿数值后在数控系统自动增加或减少控制的脉冲数来提高机床的定位精度。

3.反向间隙补偿。滚珠丝杆与螺母之间、滚珠丝杆与支撑它的轴承之间的轴向间隙、数控机床滚珠丝杆轴承预紧力不够、磨损产生间隙造成的轴向窜动等原因都会使数控机床工作台移动产生反向间隙。反向间隙使数控机床工作台反向移动的初始阶段产生空行程不能立即执行动作造成的反向误差，直到间隙消除为止工作台才移动。检查方法是沿一个方向手动移动坐标轴一段距离后用千分表打托盘，然后用手轮反向移动托盘直到表针摆动为止，手轮移动的尺寸即为反向间隙，把此数值输入数控系统参数1851中进行间隙补偿。

二、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。

三、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～-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機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。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。

四、结语

综上所述，数控机床技术能够将高精密机械与智能化电气系统有机融合，提高机械零部件加工精度和几何精度，对提升机床加工精度有着重要作用。

参考文献：

[1]刘贤文.数控机床故障诊断与排除[M].北京：机械工业出版社，2018.