圆形工件形位误差产生的原因和

           数控伺服参数的调试

 

                       作者：　hhhfffqqq

     摘要:本文论叙了数控加工中心加工圆形工件时容易出现的形位误差及其与数控系统伺服参数的关系,介绍了在现场实际调试伺服参数的方法及排除数控系统故障的实例;

    关键词: 圆形工件形位误差 伺服参数  增益  负载惯量比 故障排除

 

 

某客户加工中心数控系统为三菱E60,伺服驱动器为MDS-R,伺服电机为HF3.5KW. 该加工中心在加工工件时出现下列现象：

1.     铣内园出现凸痕.

 

 

 

　　　

现象: 如图１　　在A.B,C,D四点出现明显接痕,仔细观察其台阶接痕向内凸起. 另外园表面也不光滑.肉眼可以明显观察到表面粗糙.　

判断：内园表面粗糙度过大，从伺服系统参数来看如果＂速度环增益VGN＂过低，会导致加工表面变差. 而在＂A.B,C,D四点出现明显接痕＂则是出现＂丢步＂或＂过冲＂所致.

 

处理：检查＂速度环增益VGN＂，其参数:#2205(X=40,Y=40,Z=40) ,　显然VGN值过低.其参考值应该在300左右.

　　　于是将VGN参数:#2205的数值逐渐调高，但调高参数:#2205的数值会使机床产生共振,鸣叫，所以必须在遇到机床共振时通过设置参数#2238消除共振，再一步步提高VGN参数:#2205的数值.

　在实际调试中，将参数　#2205的数值调整到X=200,Y=200,Z=100.,加工效果已经有了很大的改善.将参数　#2205的数值调到200，X轴产生共振，经调整参数#2238后消除共振，这时表面粗糙度已经符合要求．而在＂A.B,C,D四点＂出现的台阶接痕也已经明显减小．肉眼看不见但用手触摸仍然可以感觉到.

　　　继续将参数　#2205的数值调高到300, 表面粗糙度已经符合要求.在A,B两点仍然有台阶，但C,D两点处的台阶已经消失.

　　此后继续提高参数　#2205的数值，仍然无法消除台阶接痕,这说明光调整＂速度环增益VGN＂无法彻底消除＂A.B,C,D四点＂出现的台阶.

    经过调整以后的情况是:A点有接痕, C点没有接痕.A点是X轴从正向变为负向. C点是X轴从负向变为正向.

B点有接痕,  D点没有接痕.B点是Y轴从负向变为正向. C点是Y轴从正向变为负向.

这表明接痕的出现与方向有关.而且这”接痕”不是通常的”丢步”延迟型,而是一种”过冲”型.即铣内园时,A,B点的接痕向内突起.

这种现象可能与下列因素有关：

1.与反向间隙有关.(但改变反向间隙补偿值后,无明显改善现象)

2.与联轴器的弹簧方向弹性有关.即正向扭转时刚性大一些,反向旋转时刚性小一些.这样当伺服轴从正向旋转变为负向旋转时,就会出现”过冲”现象.

3. 与机床安装精度有关.

 

在＂A.B,C,D四点出现台阶接痕＂是由于＂丢步＂或＂过冲＂所致, 所以必须从调整＂丢步＂或＂过冲＂着手解决问题.

在三菱伺服系统的相关参数中，

设置参数#2227=4200 用于 启动丢步补偿（功能）;

参数#2216是丢步补偿的数值；

    实际调试时，调整#2216=200后,台阶接痕明显加大.可见该参数有效果,只是方向不对.

　　　将调整方式改为＂过冲补偿＂;

设置参数#2227=4C00  启动＂过冲补偿＂（功能）;

将参数:#2237(过冲补偿量)的数值从１――５逐渐调高,

经过以上调整后, 内园台阶接痕仍然存在，可见＂过冲补偿＂的效果不明显.

经过以上对系统参数的调整，解决了大部分问题，但不能彻底解决问题，这说明光调整伺服系统参数不能解决机床的所有问题. 后来要求厂家对机械部分精度做进一步的调整后，解决了铣园出现台阶的问题.

对铣园时在A,B,C,D点出现台阶的进一步讨论：

在A点,Y轴插补量最大, Y轴运动速度也达到最大，X 轴插补量最小=0,  X轴运动速度也达到最小=0, X轴由于负载(至少是工作台)运动惯性,向正向运动.造成向外凸起台阶.所以数控机床要求负载惯量比不大于3,就是考虑了伺服电机带动负载的能力.

即当伺服电机停止时.其静态转矩能够使负载也立即停止.而不受负载惯性的影响.

  这又牵涉到:”速度环增益VGN”.即增益越高,响应越快. 增益越低,响应越慢， 这就是为什么要首先提高速度环增益的原因.

“负载惯量比”和”速度环增益”的关系曲线也表明: “负载惯量比”越大, ”速度环增益”也越大.这表明了对于大的负载,应该提高速度环增益”.

就铣园的台阶问题,而言:如果”速度环增益”很小.当到达A点时.X轴插补量为零,速度也为零(F值是切点的速度,X轴此时速度为零).但由于”速度环增益”很小,实际速度有所靠后.所以还有运动.就造成了向外台阶.

所以只要机床不振动,尽量提高”速度环增益”是首选的手段.

只是在实际调试时多是估算 “负载惯量比”.　但即使估算也必须设置“负载惯量比”参数#2237，.对于中型机床必须设置为3,      以便尽量提高”速度环增益VGN”.

    http://s3/middle/5e1c82fcx8273a54ef192&690

 

 

２．另一客户加工中心在铣外圆时，在45°方向出现椭圆度误差达0.13ｍｍ.

　经过调整参数＃2205 后，其误差减小到0.06ｍｍ; 在对反向间隙做进一步的测定和补偿后，其误差减小到0.0４ｍｍ;  进一步调整干扰补偿滤波器参数#2243,#2244后, 误差减小到0.0３ｍｍ.

　此后调整各参数均无效.

讨论：　 不圆度为什么在45度方向达到最大

在45度方向, X轴,Y轴的插补量相等.X轴,Y轴的运动速度相等.这一点最具有代表性.如果两轴的摩擦干扰不同.或两轴的垂直度不标准,机械移动量的综合误差必然在这点反映最大.所以数控系统的调整必须首先要求机床的两轴垂直度达到标准..

从以上分析来看:反向间隙不是影响不圆度因素.因为在45°位置，运动速度和运动方向并未出现反向，但反向间隙是可能影响A.B.C.D点向外或向内凸起台阶的因素之一.

 

2.1   产生不圆度的原因:　其一是机械的垂直度;其二是外部对伺服电机运动的阻碍 (例如摩擦,联轴器的弹簧扭矩); 其三是伺服系统的参数;

对于调试工程师来说,首先必须要求机械精度在标准范围,各连接部分牢固,刀具夹持牢固,无振动影响.在以上精度假定完好的情况下,再开始伺服系统参数的调试.

  #2205(VGN)当然是最重要,最有效的参数.但必须注意,在铣床上X轴与Y轴的负载是不一样的.X轴直接带动工作台,

Y轴带动本身的工作台和X轴的工作台.所以从理论上说:Y轴

的#2205(VGN)要大于X轴的#2205(VGN).这在设定时必须注意.(从共振频率点#2238的设定上也可以证明,Y轴负载质量大,其共振频率就小,当#2238设定与X轴一样时,Y轴就会有共振,

当#2238设定比X轴小时,Y轴共振就消失了.)

2.2  其次应该调整的参数是 “干扰补偿滤波器”参数：#2243  #2244

   #2243 -----干扰补偿滤波器频率；

#2244------干扰补偿滤波器增益；

干扰补偿滤波器其作用是对外部干扰信号的干扰动作进行补偿，即外部非正常信号如果对控制器指令形成干扰时，能滤波掉干扰信号，同时予以补偿.

补偿的响应强度就是－－增益.

因此用两个参数来确定＂干扰补偿滤波器＂的工作特征;

#2243 ------干扰补偿滤波器频率;表示滤波器需要滤波掉的干扰频率;即干扰信号的工作频率;

#2244------干扰补偿滤波器增益;――即对干扰进行补偿的强度.该参数设置越大,系统反应越强烈，设置过大就容易引起共振.现场设置时，即使机床还未开始运行也多次出现共振,鸣叫.

对三菱数控系统而言：当铣园时出现不圆度超标时，调整参数#2243, #2244　解决不圆度问题是有一定效果的.

在为上述客户进行调试时，调整该参数，不圆度（两45°偏差）从0.04ｍｍ减少到0.03ｍｍ.有一点作用,继续再调试　　　　　　　　　　　　该参数就不起作用了.

 

2.3 采取下列措施，也可对解决不圆度问题有所帮助：

2.3.1刀具问题;  

如果材料硬度大，夹具不良，会出现让刀现象.

如果在工艺上和切削要素上选择不当，容易出现不圆度超标.

为此可在工艺上将园分2次銑削,或用搪刀搪.

最好采用短柄刀具和用强力夹头。

3.调试中出现的故障及排除：

某客户的大型工作机械，采用三菱C64系统，其伺服电机与伺服驱动器之间距离超过20米, 系统不时出现内部报警, 不能正常工作.而同一台设备另外几套伺服系统却不发生报警,其差别在于伺服电机与伺服驱动器之间距离小于10米.

判断是编码器电缆制作有问题，仔细检查编码器电缆制作图，

当电缆长度大于15米时，其制作方法于小于15米时有所不同，在电缆长度大于15米时，要求对电源线实行３根线并联绞合,

而且要求每条电线粗0.5平方毫米.

 

检查实际制作的电缆，电源线只用了1根0.12平方毫米的电线，这当然不符合编码器电缆制作要求，由于电缆线太细，电缆过长，造成电源电压压降过大，以致编码器工作电压不足，所以编码器不能正常工作，造成系统报警.

处理：按编码器电缆制作要求：将３根0.5平方毫米线绞合并联制作电源线，故障消除并且没有再发生.

这种现象在使用三菱通用伺服系统MR-J2S , MR-J3S 也曾经遇到,按同样方式也可以解决.

 

 

 

 

4.　　　三菱数控C64系统 NC轴： 5轴  使用绝对值检测系统；

　　　其故障现象是： 5个轴的绝对值原点全部能正常设置，无报警；但点动试运行时，第１――第４轴能正常运行，第5轴不能正常运行,一运动就出现”过极限报警”.　

检查　第５轴软极限参数#2013，#2014 设置正常．该参数没有问题.

将第５轴改为＂相对值检测系统＂ ，可点动运行.　不出现”过极限报警”. 客户称该系统参数是直接从另一多轴（8轴）系统复制过来.

分析：　如果该现象与＂绝对值检测系统＂有关，为何其他４轴能在＂绝对值检测系统＂下正常工作？如果与轴数有关，同样系统已使用多次. 如果与参数有关，为何在＂相对值检测系统＂下能够点动？这使人感到迷惑.

判断：既然第5轴在＂绝对值检测系统＂下点动出现＂过极限报警＂报警,  而在＂相对值检测系统＂又可正常工作，该系统可控制NC轴为８轴，所以可判定系统硬件无问题，问题仍然是参数问题，

要么有某一参数在起作用，要么有参数互相冲突.

处理： 继续检查参数，特别是检查＂绝对值检测系统＂与和软极限有关的参数, 当检查到参数#8024时，发现第５轴参数与其他轴不同, 将其修改后，第5轴能够正常运行；

参数#8024(过行程负值)的含义：参数#8202,#8203,#8204,#8205都与行程范围有关；参数#8204,#8205规定了第２类行程限制范围.

而参数#8202,#8203规定了对第２类行程限制范围的检查是有效还是无效，一般默认值是有效; 所以一旦对第２类行程限制范围设定了数值（设定了参数#8204,#8205的数值），上电后就进行检查.

对于上述的故障现象而言：　在使用＂绝对值检测系统＂时，系统在上电后就实施了原点设置，系统已经建立了坐标系. 如果对第２类行程极限也进行了设置，系统一直在进行检测，当行程极限很小时，一点动就会出现报警.

而使用＂相对值检测系统＂时，上电后并未进行回原点操作，系统尚未建立坐标系，所以系统未进行＂过行程检测＂.但可进行点动操作，所以不报警.

这就是造成令人迷惑的原因.

 

5.     客户报告

数控系统出现:   正 ,负极限同时报警；

检查:  检查正,负极限开关有效性.

      发现全部失效.  检查输入其他输入信号也全部失效.

判断 : 输入信号公共端掉线 .经检查确实输入信号公共端继电器故障. 

处理：更换继电器后故障排除

 

6.      故障现象：三菱M64系统，开机后显示器闪烁 ，显示帧翻滚;最后呈黑点逐渐浸入状.

判断: 显示器故障或从控制器到显示器的连接电缆F098故障.

检查：　F098电缆的外观无异常.(以前曾经有多例F098电缆被烧坏融化现象).虽然无异常现象，但系统接地不良会导致F098电缆烧毁或损坏.

处理：　更换F098电缆后故障消除.要求客户进一步检查数控系统接地问题.

 

7.         客户报告 数控系统不受控制：

检查:   所有输入信号无效,但外部输入线路正常;

 判断: 可能基本I/O 板 失效.

      进一步检查 : 意外发现站号开关被拨动.基本I/O板站号应该为0,1　 但被拨动为2,3 .所以输入信号无法接收.

 处理  ：准确设置.基本I/O板站号为0,1. 故障消除.

 

8.     　　在天气潮湿，连续下雨的季节  同时有三例客户报告主轴编码器信号紊乱；一例报告显示器黑屏. 天气好转后.以上故障全部消失；

　　　有一例客户报告三菱C64系统停机一个月后开机，系统出现＂位置误差过大＂报警. 但机床尚未开始运动, 要求客户检查编码器连接电缆是否松动,并要求其连续开机10小时热机．后客户报告系统正常运行.

完