数控落地铣镗床五轴头分度精度的调整
2018-8-21 来源： 齐齐哈尔二机床（集团）有限责任公司 作者：卢佳
摘 要：文中介绍了数控落地铣镗床两种不同结构五轴头对数控精度的影响和调整方法。
关键词：传动间隙；低速振荡；刚性；滞后误差
0 引 言
数控落地铣镗床是一种重要的金属加工设备，而随着用户对加工的要求提升，为机床配置各种具有不同功能的附件也就成为了机床发展的必然趋势。
五轴头是一种多用途的机床附件，可以将原本只能进行铣面、镗孔、钻孔等功能的机床，扩展成为具有斜面加工、曲面加工等功能的高端设备。
我厂研发的机械主轴五轴头与电主轴主轴头，控制方式均为全闭环控制。
为了达到预期控制精度，机械刚性与传动精度都要符合设计要求，否则会直接影响到最终调试后的铣头精度。
因为机械主轴五轴头与电主轴主轴头结构不同，传动方式不同，在调试时的现象与问题也不同。
下面将针对两种五轴头分别进行介绍。
1 、五轴头传动结构构成
1.1 机械主轴五轴头
进给伺服电机安装在五轴头底座上，不随五轴头进行运动。A轴进给传动由伺服电机驱动，经过两对齿轮副、两对蜗轮蜗杆副实现A轴回转运动；A轴位置检测元件为角度编码器。C轴进给传动由伺服电机驱动，经过行星齿轮减速机降速、一对圆柱齿轮副、一对蜗轮蜗杆副实现C轴回转运动；C轴位置检测元件为角度编码器。
主轴传动由主机主轴驱动，经过三对高精度弧齿圆锥齿轮副实现主轴旋转。由于齿轮间隙、蜗轮蜗杆间隙对定位精度的影响比较大，因此调整减小传动间隙是关键问题。当间隙过大时，由于惯性，在转动时容易造成位置环滞后与超前叠加产生的误差。在低转速时振荡不明显，但在高转速时振荡严重，导致轴定位精度超差，工作不稳定。
1.2 电主轴五轴头
C轴力矩电机定子固定在五轴头底座上，不随五轴头运动；转子与万向架固定，驱动万向架旋转，实现C轴回转运动；C轴检测元件为与轴承组合的编码器。A轴力矩电机定子固定在万向架上，不随A轴运动；转子与电主轴支架固定，驱动电主轴支架旋转，实现A轴回转运动；A轴检测单元为旋转编码器。
主轴采用电主轴直接驱动，电主轴固定在电主轴支架上。由于采用力矩电机直驱结构，不存在传动间隙；但由于是重载工作，轴承受力比较大，因此刚性是关键问题。 当刚性过低时，在低转速时容易造成速度环滞后并出现爬行现象；在高转速时爬行不明显。
1.3 提高五轴头分度精度的前提条件
传动间隙过大、刚性不足以及编码器安装产生精度误差会使得轴位置环增益难以提高，严重影响分度定位精度。当传动间隙过大时，应检查传动链并进行调整，降低传动间隙；刚性不足一般都是结构原因造成，现场难以调整；编码器安装产生的精度误差属于可调整误差，现场进行静调后可以降低，这里不再赘述。
2 、分度精度调整过程
下面以西门子840D数控系统为例，说明调整过程。840D系统属于数字式控制系统。对于常规伺服电机，在输入电机型号与驱动型号后，系统将会自动计算并保存与之匹配的数据，一般不需要进行改动，否则会影响电机控制性能，降低系统动态响应；对于力矩电机，需要在调试时更改电流环、速度环等相关参数，使得电机性能与负载符合，才能提高控制精度。
2.1 机械主轴五轴头调整
在调整之前，首先要对位置环、轮廓监控、速度与加速度等参数进行设置，使之与机械特性匹配，达到高低速运行均平稳后可进行精度调整。主要调整的参数为粗准停精度（MD36000）、精准停精度 （MD36010）、定位时间 （MD36200）、位置环增益（MD32200）等几项。
首先，检查轴的反向间隙。方法为：将轴设定为半闭环控制方式。伺服轴用低速（如0.05 r/min）单方向步进，同时用百分表在适当位置进行检测；当百分表表针随伺服电机移动后，此方向上的传动间隙已消除。
记录当前伺服轴位置坐标值，之后将伺服轴反方向低速步进，此时会出现伺服电机旋转但百分表表针不运动的现象；继续步进轴直至百分表表针再次随动，此时立即停止伺服轴的运动并记录当前伺服轴位置坐标轴，则两个位置坐标值的差值就是该轴的反向间隙。
如果轴反向间隙过大时，需要机械检查并消除间隙。只有反向间隙达到一个阈值以下时才可继续进行精度调整。阈值由设计人员给出，文章中五轴头为0.2°。然后，进行分度调整，方法为：将轴设定为全闭环控制方式。
根据设计参数，设定轴粗准停精度、精准停精度、定位时间等参数。在轴运行无振荡时，逐步提高位置环增益参数的数值，直至出现振荡现象。将此时的位置环增益参数降低约5%，并运行轴确保振荡消失。此时轴已经优化完毕。位置环增益越高，轴分度精度越好，但是对机械精度要求越高。
2.2 电主轴五轴头调整
在调整之前，首先要确保力矩电机可以运行。一般来说，力矩电机在未调整之前运行时会存在振荡现象，调整后即可消失。主要调整步骤为电流环优化、速度环优化、抑制高频脉冲等几项。电流环优化：用增幅0.5%、波段宽度8000 Hz、平均值10、设定时间500 ms的参数对电流环进行测试，并根据测试结果修改机床相关参数。一般来说，电流环不需要更改。
速度环优化：用增幅0.3 r/min、波段宽度8000 Hz、平均值10、设定时间500 ms、偏置0.1 r/min的参数对速度环进行测试，并逐步增大速度控制器的P增益（MD1407，下文简称速度环增益）数值。优化的目的是使得速度环曲线前段的直线部分尽量延长，也就是速度控制尽量平稳。抑制高频脉冲：在速度环曲线后端的振荡部分，会有部分振荡数值大于0，此时需要通过抑制高频脉冲将其数值抑制到0以下。
此项与速度环优化同时进行，可提高速度环优化效果。将电流过滤器的尖峰频率（MD1213/1216/1219/……，分别对应过滤器1/2/3/……）设定为振荡部分尖峰的频率；将电流过滤器的带宽（MD1214/1217/1220/……，分别对应过滤器1/2/3/……）设定为尖峰频率的一半。
之后再进行测试，可发现大于0的振荡全部被消除。在调整完成后，力矩电机振荡、爬行等现象消失，运行平稳。
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