FANUC－0i數控機床伺服系統振動抑制方法探討

張紹新 （安徽工貿職業技術學院機械系，安徽 淮南232001）

數控機床由計算機數控裝置、伺服單元和驅動裝置及測量裝置 （即伺服系統）、控制面板、控制介質與程序輸入輸出設備、PLC及機床I／O電路和裝置、機床本體6大部分組成［1］。數控機床伺服系統在工作過程中會產生振動，主要包括低頻振動 （振動頻率小于100Hz）、中頻振動 （振動頻率在100～400Hz之間）和高頻振動 （振動頻率大于400Hz）等。數控機床伺服系統產生振動的原因包括2個方面，一方面是由于伺服系統的指令信號受外力干擾信號作用和其自身在線路中的非線型失真產生諧波，另一方面是由于機床部件之間存在間隙［1］。下面，筆者對FANUC－0i數控機床伺服系統振動抑制方法進行了探討。

1 低頻振動抑制方法

1.1 設置干擾濾波器

FANUC－0i數控機床伺服系統在受到外力干擾信號作用下會產生低頻振動，從而影響金屬零件的加工精度，為此設置干擾濾波器來抑制低頻振動。設置干擾濾波器抑制低頻振動圖如圖1所示。當外力干擾信號作用于伺服系統時，電機的轉速將發生變化，其非輸出軸上的光電編碼器將變化的轉速信號轉換為變化的轉速電信號，該信號經微分處理器、限幅器和濾波器處理和反饋環增益，再反饋至前端與扭矩指令信號進行比較后進入伺服系統，從而有效地抑制外力干擾信號產生的低頻振動。在FANUC－0i數控機床上進行金屬零件XY平面圓弧切削加工時，其伺服系統因受到外力干擾信號而產生低頻振動，通過設置干擾濾波器并進行相應參數設置與調整［2］，使伺服系統低頻振動得到較好的抑制。由金屬零件XY平面圓弧切削加工結果圖（見圖2）可知，在伺服系統中設置干擾濾波器前后，金屬零件圓弧切削加工誤差減少了0.9μm，提高了該圓弧切削加工金屬零件的精度和表明光潔度。

圖1 設置干擾濾波器抑制低頻振動圖

圖2 金屬零件XY平面圓弧切削加工結果圖

1.2 設置PI控制器

由于FANUC－0i數控機床機械剛性低，響應性能差，導致其伺服系統容易產生低頻振動，為此設置PI控制器來消除或減少系統的穩態誤差。當伺服系統接收到脈沖編碼器速度指令后，伺服電機在較短時間內加大轉矩以提高系統響應性，最終使伺服系統的低頻振動得到抑制（見圖3）。在FANUC－0i數控機床上進行XY平面圓弧切削加工時，伺服系統產生低頻振動后，通過設置PI控制器并進行相應參數設置調整，金屬零件加工半徑誤差接近于0μm（見圖4），從而使金屬零件圓弧切削加工精度大大提高。

圖3 設置PI控制器抑制低頻振動圖

2 中頻振動抑制方法

FANUC－0i數控機床伺服系統在產生中頻振動時會對傳動速度造成很大影響，從而嚴重影響機床的加工質量，為此通過設置扭矩濾波器來抑制數控機床伺服系統產生的中頻振動（見圖5）［3］。當伺服系統振動產生較大扭矩時，電機速度會發生變化，其變化值通過光電編碼器反饋，經比例積分處理器處理后再經過扭矩濾波器進行二次抑制，由此有效抑制伺服系統的中頻振動。例如進行金屬零件XY平面圓弧切削加工時伺服系統產生中頻振動，未設置扭矩濾器時加工誤差為2.5μm，而設置扭矩濾器并進行相應參數設置調整后的加工誤差為0.5μm （見圖6），這表明設置扭矩濾波器能有效抑制伺服系統中頻振動，從而提高機械加工產品的質量。

圖4 金屬零件XY平面圓弧切削加工半徑誤差結果圖

圖5 設置扭矩濾波器抑制中頻振動圖

圖6 金屬零件XY平面圓弧切削加工結果圖

3 高頻振動抑制方法

金屬零件切削加工中若出現伺服系統高頻振動時，可以通過設置4級減震濾波器來解決上述問題。設置4級減振濾波器抑制高頻振動圖如圖7所示。減振濾波器1用來及時跟蹤共振頻率，減振過濾器2用來設定衰減率，減振過濾器3用來設定頻率帶寬，減振過濾器4用來設定共振頻率，由此消除伺服系統產生的高頻振動。在FANUC－0i數控機床進行金屬零件切削加工時，設置4級減振濾波器并進行相應參數設置調整，不僅能夠有效抑制伺服系統產生的高頻振動，而且可以提高數控機床伺服系統的響應性［4］。減振濾波器幅頻和相頻曲線圖如圖8所示。從圖8可以看出，在400～500Hz范圍內，伺服系統高頻振動得到了較好的抑制。

圖7 設置四級減振濾波器抑制高頻振動圖

圖8 減振濾波器幅頻和相頻曲線圖

4 結 語

針對FANUC－0i數控機床伺服系統在工作過程中產生振動的問題，探討了相關振動抑制方法，即對低頻、中頻和高頻振動分別通過設置干擾濾波器和PI控制器、扭矩濾波器以及四級減振濾波器來進行抑制。采取上述方法能夠使FANUC－0i數控機床伺服系統產生的振動得到較好的抑制，對提高機械加工產品的質量具有良好作用。

［1］劉永久 .數控機床故障與維修技術 （FANUC系統）［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［2］黃敏高 .基于FANUC系統的全閉環數控機床減振控制應用 ［J］.組合機床與自動化加工技術，2008，49（10）：58－59，63.

［3］謝克明 .自動控制原理 ［M］.北京：電子工業出版社，2004.

［4］陳芳，朱仕學 .數控機床伺服參數設定與調整 ［J］.機床與液壓，2009，37（7）：76－77.