數(shù)控系統(tǒng)振蕩的排除方法

1、數(shù)控系統(tǒng)振蕩的排除方法0、引言數(shù)控系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象已成為數(shù)控全閉環(huán)系統(tǒng)的共同性問題。尤其在臥式帶立柱的Z軸和旋轉(zhuǎn)數(shù)控工作臺(tái) B軸，其系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩的頻率較高。該問題已成為影響數(shù)控設(shè)備正常使 用和高度的重要因素之一。l、產(chǎn)生振蕩的原因分析產(chǎn)生振蕩的原因有很多，陳了機(jī)械方面存在不可消除的傳動(dòng)間隙、彈性變形、摩擦阻力等諸多因素外，伺服系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)的影響也是重要的一方面。伺服系統(tǒng)有交流和直流之分，本文主要討論直流伺服系統(tǒng)因參數(shù)影響引起的振蕩。大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床采用的是全閉環(huán)方式，其控制原理圖如圖1所示。圖I伺服全閉環(huán)系統(tǒng)由圖1可看出，引起伺報(bào)系統(tǒng)振動(dòng)的原因大致有四種情況：a.位置環(huán)不良又引起輸出電壓不穩(wěn)；b

2、速度環(huán)不良引起的振動(dòng)；c. 伺服系統(tǒng)可調(diào)定位器太人引起電壓輸出失真；d. 傳動(dòng)機(jī)械裝置（如絲桿）間隙太大。這些控制環(huán)的輸出參數(shù)量失真或機(jī)械傳動(dòng)裝置間隙太大都是引起振動(dòng)的主要因素。它們都可以通過伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。2、消除振動(dòng)的基本方法有些數(shù)控伺服系統(tǒng)采用的是半閉環(huán)裝置，而全閉環(huán)伺服系統(tǒng)必須是在期局部半閉環(huán)系統(tǒng)不發(fā)生振動(dòng)的前提下進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，所以兩者大同小異，本文為避免重復(fù)，暫只討論全閉環(huán)情況下的參數(shù)優(yōu)化方法。2.1降低位置環(huán)增益在伺服系統(tǒng)中有參考的標(biāo)準(zhǔn)值，例如FANUC 0-C系列為3000,西門子3系統(tǒng)為1666,出現(xiàn)振蕩可適當(dāng)降低增益，但不能降太多，因?yàn)橐ＷC系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。2.2降

3、低負(fù)載慣量比負(fù)載慣量比一般設(shè)置在發(fā)生振動(dòng)時(shí)所示參數(shù)的70%左右，如不能消除故障，不宜繼續(xù)降低該參數(shù)值。2.3加入比例微積分器（PID）比例微積分器是一個(gè)多功能控制器，它個(gè)僅能有效地對電流電壓信號進(jìn)行比例增益，時(shí)可調(diào)節(jié)輸出信號滯后或超的問題，振蕩故障有時(shí)因輸出電流電壓發(fā)生滯后或超前情況而產(chǎn)生，這時(shí)可通過 PID來調(diào)節(jié)輸出電流電壓相位。2.4采用高頻抑制功能以上討論的是有關(guān)低頻振蕩時(shí)參數(shù)優(yōu)化方法，而有時(shí)數(shù)控系統(tǒng)會(huì)因機(jī)械上某些振蕩原因產(chǎn)生反饋信號中含有高頻諧波，這使輸出轉(zhuǎn)矩量不恒定，從而產(chǎn)生振動(dòng)。對于這種高頻振蕩情況，可在速度環(huán)上加入一階低通濾波環(huán)節(jié)，即為轉(zhuǎn)矩濾波器。其控制原理如圖2所小。轉(zhuǎn)矩濾波轉(zhuǎn)

4、矩濾波功能圖*1遠(yuǎn)度控制器H一階濾波辭電機(jī)速度反憒圖2表明，速度指令與速度反饋信號經(jīng)速度控制器轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩信號，轉(zhuǎn)矩信號通過一階濾波環(huán)節(jié)將高頻成分截止，從而得到有效的轉(zhuǎn)矩控制信號。通過調(diào)節(jié)參數(shù)可將機(jī)械產(chǎn)生的 100Hz以上的頻率截止，從而達(dá)到消除高頻振蕩的效果。2.5采用雙位置反饋功能雙反饋是一種改變控制方式的方法，可在同一個(gè)系統(tǒng)選擇半閉環(huán)或全閉環(huán)方式，其原理圖如圖3所示。由圖3可看出，誤差控制器 ER1和ER2分別被用于全閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)中。一階延時(shí) 環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為（1 + t S） -1 ,可見實(shí)際誤差 ER主要取決于一階延時(shí)環(huán)節(jié)中時(shí)間常數(shù)t ,的取值：若工=0，則(1+T s) -1 =

5、 1 , ER = ER1 +( ER2 ER1 )= ER2，可見在此情況下該 系統(tǒng)處于全閉環(huán)控制誤差，從而可以利用全閉環(huán)的誤差控制方法來消除振動(dòng)故障；若t =8,則(1+ t S) -1 = 0, ER= ER1，可見在此情況下該系統(tǒng)處于半閉環(huán)控制誤差， 從而可以利用半閉環(huán)的誤差控制方法來消除振動(dòng)故障。綜上所述，利用雙位置反饋可使系統(tǒng)在全閉環(huán)和半閉環(huán)兩種方式下進(jìn)行，從而大大提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍，也增加了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)。從時(shí)間常數(shù)上可知，該系統(tǒng)可在停止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行全閉環(huán)誤差調(diào)整，在過渡狀態(tài)下可進(jìn)行半閉環(huán)調(diào)整。現(xiàn)以FANUC 0 C為例，將具體參數(shù)調(diào)整過程進(jìn)行簡單介紹。首先設(shè)置參數(shù) P84II

6、#( DPFB )為1,即為選擇雙位置反饋功能；P8449為位置反饋的最大振幅，一般設(shè)置為 0； P8478 (分子)和P8479 (分母)為上圖中位置轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的常數(shù) 設(shè)置，可根據(jù)要求設(shè)置；P8480為一階延時(shí)環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置代號，其設(shè)置范圍為10 ms300ms, 般設(shè)定為 100ms左右；P8481為零點(diǎn)幅度，一般情況下為0，但因振蕩可適當(dāng)調(diào)高一點(diǎn)。雙位置反饋功能是一種比較靈活的誤差修正方式，在系統(tǒng)調(diào)試過程中有很好的參數(shù)優(yōu)化和保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的功能。2.6采用機(jī)械反饋功能在保證半閉環(huán)穩(wěn)定性后，使用全閉環(huán)系統(tǒng)來調(diào)整系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)。 若其機(jī)械環(huán)節(jié)引起的彈 性振蕩故障，需采用機(jī)械反饋環(huán)節(jié)來調(diào)整參數(shù)，可

7、達(dá)到很好的效果。其原理控制圖如圖4所示。其中：K1V為速度積分增益；K2V為速度比例增益；a為機(jī)械速度反饋增益。機(jī)械速粧T電機(jī)機(jī)械速粧機(jī)械裝1K 住遅編碼器速麼反曲圖4機(jī)械速度反饋控制原理圖而位置檢測主要來自因機(jī)械彈性裝置的形由圖4可看出，電機(jī)與工作臺(tái)之間的彈性機(jī)械裝置可能產(chǎn)生變形， 位置編碼器，速度反饋直接來自電機(jī)編碼器。從整個(gè)全閉環(huán)過程來看,變產(chǎn)生全閉環(huán)中位置反饋滯后于其它速度環(huán)節(jié)，從而引起系統(tǒng)振蕩。從而達(dá)到消除振蕩的 后就可啟用機(jī)械速度反如果依圖4中加入機(jī)械速度反饋環(huán)節(jié)，使機(jī)械速度滯后得到補(bǔ)償， 效果。例如對于 FANUC 0 C系統(tǒng)來說，將參數(shù) P8421 # l設(shè)置為1 饋裝置。然后

8、根據(jù)要求設(shè)置其它有關(guān)參數(shù)，可參照其系統(tǒng)參數(shù)說明書來調(diào)節(jié)。以上主要討論了幾種消除數(shù)控系統(tǒng)振蕩故障的基本方法， 根據(jù)不同系統(tǒng)可選擇不同的方 式進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。 主要是要了解振蕩的原因才能采取相應(yīng)的消除方式進(jìn)行調(diào)整， 不可盲目進(jìn) 行參數(shù)修改，以免影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。3、結(jié)論本文討論了幾種消除數(shù)控振蕩故障的常見方法， 各種控制環(huán)節(jié)都有詳細(xì)的控制理論做依 據(jù)，在保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性的同時(shí)， 有效的消除振蕩問題， 提高生產(chǎn)效率。 當(dāng)然， 在有些控制環(huán)節(jié)還存在一些問題，需要以后繼續(xù)加深了解和解決。數(shù)控系統(tǒng)振蕩問題是數(shù)控機(jī)床調(diào)試或運(yùn)行中常見的故障， 對于生產(chǎn)加工過程， 及時(shí)處理 好故障問題，以保證生產(chǎn)正常運(yùn)行。同時(shí)對于進(jìn)口加工中心需要重點(diǎn)維護(hù)，對 于出現(xiàn)常見 的振蕩問題， 需要長