數控落地銑鏜床五軸頭分度精度的調整
2018-8-21 來源： 齊齊哈爾二機床（集團）有限責任公司 作者：盧佳
摘 要：文中介紹了數控落地銑鏜床兩種不同結構五軸頭對數控精度的影響和調整方法。
關鍵詞：傳動間隙；低速振蕩；剛性；滯后誤差
0 引 言
數控落地銑鏜床是一種重要的金屬加工設備，而隨著用戶對加工的要求提升，為機床配置各種具有不同功能的附件也就成為了機床發展的必然趨勢。
五軸頭是一種多用途的機床附件，可以將原本只能進行銑面、鏜孔、鉆孔等功能的機床，擴展成為具有斜面加工、曲面加工等功能的高端設備。
我廠研發的機械主軸五軸頭與電主軸主軸頭，控制方式均為全閉環控制。
為了達到預期控制精度，機械剛性與傳動精度都要符合設計要求，否則會直接影響到最終調試后的銑頭精度。
因為機械主軸五軸頭與電主軸主軸頭結構不同，傳動方式不同，在調試時的現象與問題也不同。
下面將針對兩種五軸頭分別進行介紹。
1 、五軸頭傳動結構構成
1.1 機械主軸五軸頭
進給伺服電機安裝在五軸頭底座上，不隨五軸頭進行運動。A軸進給傳動由伺服電機驅動，經過兩對齒輪副、兩對蝸輪蝸桿副實現A軸回轉運動；A軸位置檢測元件為角度編碼器。C軸進給傳動由伺服電機驅動，經過行星齒輪減速機降速、一對圓柱齒輪副、一對蝸輪蝸桿副實現C軸回轉運動；C軸位置檢測元件為角度編碼器。
主軸傳動由主機主軸驅動，經過三對高精度弧齒圓錐齒輪副實現主軸旋轉。由于齒輪間隙、蝸輪蝸桿間隙對定位精度的影響比較大，因此調整減小傳動間隙是關鍵問題。當間隙過大時，由于慣性，在轉動時容易造成位置環滯后與超前疊加產生的誤差。在低轉速時振蕩不明顯，但在高轉速時振蕩嚴重，導致軸定位精度超差，工作不穩定。
1.2 電主軸五軸頭
C軸力矩電機定子固定在五軸頭底座上，不隨五軸頭運動；轉子與萬向架固定，驅動萬向架旋轉，實現C軸回轉運動；C軸檢測元件為與軸承組合的編碼器。A軸力矩電機定子固定在萬向架上，不隨A軸運動；轉子與電主軸支架固定，驅動電主軸支架旋轉，實現A軸回轉運動；A軸檢測單元為旋轉編碼器。
主軸采用電主軸直接驅動，電主軸固定在電主軸支架上。由于采用力矩電機直驅結構，不存在傳動間隙；但由于是重載工作，軸承受力比較大，因此剛性是關鍵問題。 當剛性過低時，在低轉速時容易造成速度環滯后并出現爬行現象；在高轉速時爬行不明顯。
1.3 提高五軸頭分度精度的前提條件
傳動間隙過大、剛性不足以及編碼器安裝產生精度誤差會使得軸位置環增益難以提高，嚴重影響分度定位精度。當傳動間隙過大時，應檢查傳動鏈并進行調整，降低傳動間隙；剛性不足一般都是結構原因造成，現場難以調整；編碼器安裝產生的精度誤差屬于可調整誤差，現場進行靜調后可以降低，這里不再贅述。
2 、分度精度調整過程
下面以西門子840D數控系統為例，說明調整過程。840D系統屬于數字式控制系統。對于常規伺服電機，在輸入電機型號與驅動型號后，系統將會自動計算并保存與之匹配的數據，一般不需要進行改動，否則會影響電機控制性能，降低系統動態響應；對于力矩電機，需要在調試時更改電流環、速度環等相關參數，使得電機性能與負載符合，才能提高控制精度。
2.1 機械主軸五軸頭調整
在調整之前，首先要對位置環、輪廓監控、速度與加速度等參數進行設置，使之與機械特性匹配，達到高低速運行均平穩后可進行精度調整。主要調整的參數為粗準停精度（MD36000）、精準停精度 （MD36010）、定位時間 （MD36200）、位置環增益（MD32200）等幾項。
首先，檢查軸的反向間隙。方法為：將軸設定為半閉環控制方式。伺服軸用低速（如0.05 r/min）單方向步進，同時用百分表在適當位置進行檢測；當百分表表針隨伺服電機移動后，此方向上的傳動間隙已消除。
記錄當前伺服軸位置坐標值，之后將伺服軸反方向低速步進，此時會出現伺服電機旋轉但百分表表針不運動的現象；繼續步進軸直至百分表表針再次隨動，此時立即停止伺服軸的運動并記錄當前伺服軸位置坐標軸，則兩個位置坐標值的差值就是該軸的反向間隙。
如果軸反向間隙過大時，需要機械檢查并消除間隙。只有反向間隙達到一個閾值以下時才可繼續進行精度調整。閾值由設計人員給出，文章中五軸頭為0.2°。然后，進行分度調整，方法為：將軸設定為全閉環控制方式。
根據設計參數，設定軸粗準停精度、精準停精度、定位時間等參數。在軸運行無振蕩時，逐步提高位置環增益參數的數值，直至出現振蕩現象。將此時的位置環增益參數降低約5%，并運行軸確保振蕩消失。此時軸已經優化完畢。位置環增益越高，軸分度精度越好，但是對機械精度要求越高。
2.2 電主軸五軸頭調整
在調整之前，首先要確保力矩電機可以運行。一般來說，力矩電機在未調整之前運行時會存在振蕩現象，調整后即可消失。主要調整步驟為電流環優化、速度環優化、抑制高頻脈沖等幾項。電流環優化：用增幅0.5%、波段寬度8000 Hz、平均值10、設定時間500 ms的參數對電流環進行測試，并根據測試結果修改機床相關參數。一般來說，電流環不需要更改。
速度環優化：用增幅0.3 r/min、波段寬度8000 Hz、平均值10、設定時間500 ms、偏置0.1 r/min的參數對速度環進行測試，并逐步增大速度控制器的P增益（MD1407，下文簡稱速度環增益）數值。優化的目的是使得速度環曲線前段的直線部分盡量延長，也就是速度控制盡量平穩。抑制高頻脈沖：在速度環曲線后端的振蕩部分，會有部分振蕩數值大于0，此時需要通過抑制高頻脈沖將其數值抑制到0以下。
此項與速度環優化同時進行，可提高速度環優化效果。將電流過濾器的尖峰頻率（MD1213/1216/1219/……，分別對應過濾器1/2/3/……）設定為振蕩部分尖峰的頻率；將電流過濾器的帶寬（MD1214/1217/1220/……，分別對應過濾器1/2/3/……）設定為尖峰頻率的一半。
之后再進行測試，可發現大于0的振蕩全部被消除。在調整完成后，力矩電機振蕩、爬行等現象消失，運行平穩。
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