尹勇

（江苏省徐州技师学院）

摘　要：数控系统振荡问题是数控机床调试或运行中常见的故障，本文介绍了数控机床伺服系统的控制原理及产生振荡的原因分析并提出了全闭环控制系统消除振荡的理论依据和方法。

关键词：数控机床；伺服系统；振荡；消除

一、引言

数控系统的振荡现象已成为数控全闭环系统的共同性问题。系统振荡时会造成机床产生爬行与振动故障，尤其在卧式带立柱的轴和旋转数控工作台轴其系统出现振荡的频率较高。该问题已成为影响数控设备正常使用的重要因素之一。

二、产生振荡的原因分析

机床的振荡故障通常发生在机械部分和进给伺服系统。产生振荡的原因有很多，除了机械方面存在不可消除的传动间隙、弹性变形、摩擦阻力等诸多因素外，伺服系统的有关参数的影响也是重要的一方面。伺服系统有交流和直流之分，本文主要讨论直流伺服系统因参数影响引起的振荡。大部分数控机床采用的是全闭环方式，其控制原理图如图所示。

由图可分析，引起伺服系统振动的原因大致有四种情况：a位置环不良又引起输出电压不稳；b速度环不良引起的振动；c伺服系统可调定位器太大引起电压输出失真；d传动机械装如丝杠间隙太大。

这些控制环的输出参数失真或机械传动装置间隙太大都是引起振动的主要因素。它们都可以通过伺服控制系统进行参数优化。

三、消除振荡的基本措施

（一）闭环伺服系统造成的振荡

有些数控伺服系统采用的是半闭环装置，而全闭环伺服系统必须是在其局部半闭环系统不发生振荡的前提下进行参数调整，所以两者大同小异，本文只讨论全闭环情况下的参数优化方法。

（二）降低位置环增益

在伺服系统中有参考的标准值，例如FANUC-OC系列为3000，西门子3系统为1666，出现振荡可适当降低增益，但不能降太多，因为要保证系统的稳态误差。

（三）降低负载惯量比

负载惯量比一般设置在发生振动时所示参数的70%左右，如不能消除故障，不宜继续降低该参数值。

（四）加入比例微积分器（PID）

比例微积分器是一个多功能控制器，它不仅能有效地对电流电压信号进行比例增益，同时可调节输出信号滞后成超前的问题，振荡故障有时因输出电流电压发生滞后成超前情况而产生，这时可通过PID来调节输出电流电压相位。

（五）采用高频抑制功能

以上讨论的是有关低频振荡时参数优化方法，而有时数控系统会因机械上某些振荡原因产生反馈信号中含有高频谐波，这使输出转矩里不恒定，从而产生振动。对于这种高频振荡情况，可在速度环上加入一阶低通滤波环节，即为转矩滤波器。其控制原理如图所示。

图2表明，速度指令与速度反馈信号经速度控制器转化为转矩信号，转矩信号通过一阶滤波环节将高频成分截止，从而得到有效的转矩控制信号。通过调节参数可将机械产生的100Hz以上的频率截止，从而达到消除高频振荡的效果。

综上所述，利用双位反馈可使系统在全闭环和半闭环两种方式下进行，从而大大提高了系统的调节范围，也增加了系统的调节参数。从时间常数上可知，该系统可在停止状态下进行全闭环误差调整，在过渡状态下可进行半闭环调整。现以FANUC0-C为例，将具体参数调整过程进行简单介绍。首先设参数P8411#（DPFB）为1，即为选择双位置反馈功能；P8499为位置反馈的最大振幅，一般设置为0；P8478（分子）和P8479（分母）为上图中位转换环节的常数设置，可根据要求设置；P8480为一阶延时环节的参数设置代号，其设置范围为：10~300mS，一般设定为100mS左右；P8481为零点幅度，一般情况下为0，但因振荡可适当调高一点。

双位反馈功能是一种比较灵活的误差修正方式，在系统调试过程中有很好的参数优化和保证系统稳定性的功能。

（六）采用机械反馈功能

在保证半闭环稳定性后，使用全闭环系统来调整系统有关参数。若其机械环节引起的弹性振荡故障，需采用机械反馈环节来调整参数，可达到很好的效果。

由机械原因引起的振荡若造成爬行与振动的原因在机械部分，应首先检查导轨副。因移动部件所受的摩擦阻力主要是来自导轨副，导轨副的动、静摩擦因数大，且其差值也大，容易造成爬行。目前数控机床的导轨副广泛采用了滚动导轨、静压导轨、塑料导轨，如果导轨副的间隙调整不好，仍会造成爬行成振动。对于静压导轨应着重检查静压是否建立，对于塑料导轨可检查导轨面上是否有杂质或异物，对于滚动导轨则应检查导轨副的预紧情况等。

其次，要检查进给传动链。有效地提高传动链的传动刚度，对于提高运动精度，消除爬行非常有益。引起爬行的原因常常是英亚体育(中国)有限公司、丝杠螺母副和丝杠本身的预紧不理想，传动链中存在间隙或传动链长，传动轴直径偏小，支承和支承座的刚度不够等。

另外，克服爬行除了在系统中引入阻尼、变更系统的动力特性外，从摩擦学的角度最有效的方法就是通过改善润滑或变更材料以改变摩擦因数。有时爬行就是因导轨副润滑状态不好造成的。采用具有防爬作用的导轨润滑油是一种非常有效的措施，这种导轨润滑油中有极性防爬添加剂，能在导轨表面形成一层不易破裂的油膜，从而改善导轨的摩擦特性。

四、结束语

数控系统振荡问题是数控机床调试或运行中常见的故障，以上主要讨论了几种消除数控系统振荡故障的基本方法，根据不同系统可选择不同的方式进行参数优化。主要是要了解振荡的原因才能采取相应的消除方式进行调整，不可盲目进行参数修改，以免影响到整个系统的稳定性与可靠性。对于各种不同的数控系统需要采用不同的诊断方法，根据数控系统的特点制定有效的故障排除措施，提高生产运行能力，保证加工效率。

参考文献： 

[1]任建平.现代数控机床故障诊断及维修[M].国防工业出版社，2002. 

[2]夏庆观.数控机床故障诊断与维修[M].高等教育出版社，2002. 

[3]王侃夫.数控机床故障诊断及维护[M].机械工业出版社，2003.

来源：《教育教学论坛》