超精密立式磨床Z軸振動案例分析

楊逢春 張 軍 葉 超

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽621900）

0 引言

立式磨床主要用于磨削長軸類、筒類等零件內、外圓，我單位近期成功研制了一臺超精密立式磨床。該機床采用基于PMAC控制器的開發式數控系統，X軸、Z軸、C軸均采用直驅電機，其導軌采用靜壓支承，直線電機帶動大型重載負載運動，并由平衡杠協調動態平衡。

該結構特點機床在國內為首次研發，在裝調、優化等方面尚無相關經驗可以借鑒，在研制優化過程中遇到了很多技術難題。本文以工作中實際遇到的典型問題為對象，詳細介紹了超精密立式磨床Z軸導軌振動故障的解決思路，以期為類似專用機床的研制調試提供參考。

1 故障現象及系統控制原理

機床進給軸振動，對加工的精度、工件的表面質量有著不容忽視的影響。Z軸在移動過程中出現振動，嚴重影響機床精度。

Z軸采用科爾摩根驅動器，并由西門子直線電機帶動大型重載部件運動，海德漢光柵尺作全閉環反饋，并由平衡杠協調動態平衡。

該系統采用PC機+PMAC+科爾摩根驅動器+西門子直線電機的控制方案，海德漢光柵作為反饋，如圖1所示。此方案在驅動器側實現速度環、電流環控制，PMAC控制卡側實現位置環控制，運動精度高。

圖1 方案原理圖

工控機作為上位機向PMAC控制器發出指令，PMAC經過分析處理，向科爾摩根發出模擬量信號，驅動器接收到信號后經過一系列的算法，輸出控制信號驅動西門子直線電機移動。海德漢光柵尺實時將移動位移轉化成數字信號反饋給PMAC，組成全閉環系統。

2 機械結構

Z軸由科爾摩根724型驅動器驅動西門子直線電機1FN3，其導軌采用雙C型結構靜壓支承，如圖2所示，導軌行程接近1.5 m，導軌由床身、側導軌、上導軌以及滑臺組成。制造時保證導軌零件形位精度控制在1 μm，由于靜、動部件不接觸，真正實現了無摩擦，減小了熱變形對精度的影響。

圖2 Z軸結構圖

3 故障分析與處理

Z軸在移動過程出現振動，與機械傳動方面、電氣伺服方面都可能有關。機械方面可能與機械油膜間隙、機械安裝、平衡系統有關，電氣方面與伺服剛性、反饋系統等都有關。

靜壓導軌移動部件受到摩擦力，主要需檢查靜壓是否建立，油膜沒建立好，是引起振動和爬行的主要原因之一。缺少潤滑油會導致活塞受損，從而引起振動。重新加注潤滑油后，系統振動有一定改善，但是依舊存在（可以通過監測系統速度得知），如圖3所示。

圖3 Z軸速度監測分析圖

機床進給軸振動與伺服各個環節也密切相關，指令速度與實際速度波動很大，加上機床Z軸屬重載，平衡杠非線性等因素影響，也會引起系統振動，適當提高速度環，降低電流環，系統跟隨特性有明顯改善。

為了保證系統慣量匹配，綜合調整電流環和速度環，對系統進行伺服優化，先將電流環由原來的25.5降低為20，速度環增益由2.5增加至5，在積分時間上，電流環時間設置為0.7 ms，速度環時間設置為10 ms。

再配合示波器和信號發生器對電機進行調試，調節電流環、速度環，最終使電機達到滿意的控制特性，如圖4所示。

圖4 優化后電流、速度跟隨分析圖

4 建議及總結

隨著我國機械制造水平的提高，超精密機床正逐漸邁入國際先進水平。目前，超精密機床雖然精度高、結構復雜，但只要在其裝配、調試過程中掌握機床相關模塊的工作原理和機械結構，了解其操作方法、動作順序，利用高精度的檢測方法，對故障現象從原理上作充分分析，就一定能找到排除故障的方法，從而達到預期效果。通過超精密立式磨床機電控制系統調試，我們對基于PMAC的開放式數控系統以及直線電機驅動系統有了深入了解，為后續相關設備調試積累了豐富的經驗。