数控机床系统产生振动爬行的原因及消除措施

　　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。

　　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，陈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。

　　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　　

　　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。

　　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。　

　　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。

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