数控机床振动产生的原因及抑制方法

自1999年到现在，我国数控机床制造业飞速发展，同时对数控机床的各项性能提出了越来越高的要求，主要表现在机械精度和刚性，数控系统的高速高精度等。为了适应这种需求，数控系统的制造商也开发了很多新的高速高精度的功能。大家都知道，在控制方面，速度和精度的提高，也就产生了更多的不稳定因素，即振动加大了。下面以FANUC数控系统为例，分析振动产生的原因和如何减小振动所采取的措施。

一、振动原因分析

1. 由于电机本身的磁极是永磁体，所以在运动时会由于磁滞现象而产生小的波动，或者由于机械静摩擦，或者由于机械刚性不好产生的低频振动。这些都不能通过参数来调整，只能从机械上去解决。对于线性电机，可以用参数来补偿由于磁滞产生的振动。

图1 机床固有振动

图2 振动频谱

2. 位置环和速度环增益不匹配，会产生低频率振动。一般解决的办法是先尽量提高速度环增益，然后降低位置环增益。

PG=100/S->16HZ （位置增益设定为1000时，会产生16赫兹左右的振动）。

图3 增益匹配

图4 增益频谱

3. 机械共振，一般在200HZ以上，可以使用HRV过滤器来消除。注意，伺服软件要90B0版本以后的才有此功能，在90B0版本之前的伺服软件，只能通过TCMD过滤器（参数2067）来消除。

图5 机械共振消除

4. 来自指令的振动，由于指令的插补周期为8ms，在提高速度增益和位置增益的时候，使信号产生振动(大约125HZ)，或者由于VFF的作用产生的高于400HZ的振动。

图6 来自指令的振动

上述a中可以通过调整FAD时间常数来消除，而b中可通过调整插补后加减速时间常数来消除。或者由于VFF(2069)的设定值太大，可适当减小设定值。

5. 全闭环时，由于机械连接的刚性不好，在移动时，特别是加减速的时候，会产生振动，主要是机械测的位置反馈和电机侧的速度反馈之间不一致，类似上面图４的情况。由第一节中的机械固有频率可知道，必须减小位置增益，但位置增益减小了，就会增大形状误差。可以有几种方法解决：

• 第一，加机械速度反馈功能（基本功能），一般对50HZ左右的振动有效。

  
  

• 第二，增加振动抑制控制功能（基本功能）。

  
  

• 第三，双位置反馈（选择功能），一般不要使用，效果不好，如果实在要用（前两种方法没有效果），最好设定为10ms。

6. 其他特殊情况

• 例1：对于重力轴，在下降时，由于能量反馈到电机，再到放大器，所以也会产生振动。

  
  

• 例2：对于Tandem轴，由于连接的两个电机的速度和负载特性的不同，而产生不同的外乱振动。由于此现象不多见，且调整步骤比较多，在这里不做讨论。

二、停止时振动抑制

1. 首先设定HRV2控制有效（伺服软件90B0以后版本），再使用[Servo guide]测量各轴的频率响应曲线，由频率响应曲线设定最佳的速度环增益。如果有高频率的机械共振，增加HRV滤波器功能，将机械共振点消除。这时设定的伺服增益数只是在静态的某一点的最佳值，最好要选择几个点来测，还要在移动过程中测量TCMD的波形（125us，800个采样点），用[CTRL+F]观察振动频率（实际的振动频率要在显示的数值上乘以10，因为是0.1s刻度）。对于速度增益的调整，要注意，尽量提高，但高了以后就会发生振动，分析振动的原因，如果是高频的共振（大于200HZ），可使用HRV滤波器消除。如果低频振动，可能是由于机械原因，只能降低设定值。

   
   

2. 其次要分析发生振动的原因，看是由于什么原因引起，可根据具体的原因来采取适当的解决方法。在上面的原因分析里面有介绍。

   
   

3.  一般在通过观察频率响应波形之后，如果波形符合下面的要求，在停止时就不会产生振动。

图7 理想振动频谱

三、移动时振动抑制

在通过频率响应波形设定了伺服的速度增益后，还要在移动（快速，进给两种方式） 时测量是否有振动, 包括快速进给和切削进给。一般由于机械刚性和静态摩擦等原因，静态调整好后，移动时可能还会发生振动。这时候还要在移动时重新调整，主要是伺服增益的降低。

四、全闭环振动调整

1. 基本连接

图8 全闭环控制的基本连接

2. 基本参数设定

见下面的流程图，请在伺服设定画面、伺服调整画面上进行下列设定。

图9 全闭环基本参数设定流程

以上流程图的左边为全闭环的设定步骤，要注意的是CMR、N/M位置脉冲数，如果设定错误，有时候轴可以走，并且移动的距离也正确，但会加大振动。

例如：丝杠12mm，光栅尺为串行 LC491F，实际分辨率为0.01um，则设定如下：

CMR=2

AMR=0000000

N/M=指令单位/输出脉冲=1um/（1/0.01um）=1：100

注意：当设定了以上的N/M，系统可能会出现417报警，这时，可以查找诊断352内容，为10016（参数的内部数值失控检测溢出），可通过设定参数2200#0=1来屏蔽此报警。

位置脉冲Ns=丝杠螺距/光栅分辨率=12000/0.01=30000*40

参数2024=30000，参数2185=40（位置反馈脉冲数如果大于32767时，则设定值＝A*B，A：参数2024 , B：参数2185）。

3. 有关增益参数设定

伺服增先设定为100（参数2021=0），位置增益设定为3000（参数1825=3000）等其他参数设定完成后，再适当增加速度增益的设定。

注意：

• 全闭环控制时，不要使用[SERVO GUIDE]中的导航器进行调整，最好也不要进行频率响应测量，以免由于振动太大而损坏机床。

  
  

• 不要设定增益快速/切削切换功能，即参数2202#1和2107不要设定。

  
  

• 不要设定停止时增益可变功能，即参数2016#3和2119不要设定。

  
  

• 可以使用HRV2功能。

4. 机械速度反馈参数设定

参数：

• 2012#1=1（机械速度反馈有效）

  
  

• 2088（机械速度反馈增益）按如下设定：

表1 机械速度反馈增益设定方法

注意：对于串行光栅，设定参数2088如果超过100会出现417报警，诊断352内容为883，这时参数2088设定０-100之间，一般设定为50。

5. 振动抑制参数的设定

图11 振动抑制功能原理

参数2033（变换因子） 的设定：

• A/B相光栅尺：设定值＝电机每转反馈回来的脉冲数（FFG之前）/８。

• 例：５mm丝杠，0.5um/P光栅。FFG=1/2    N2033=10000/8=1250
  

• 串行光栅尺：设定值＝电机每转反馈回来的脉冲数（FFG之后）/８。

• 例：５mm丝杠，0.5um/P光栅。FFG=1/2    N2033=5000/8=625

参数2034 （振动抑制控制的增益）的设定：先设定500，再通过移动该轴观察振动，每次增加100。如果设定后，振动反而加大，可设定为负数（-500）。

6. 双位置反馈参数的设定

该功能在18I/16I系统上是选择功能，一般不要设定，如果机械实在太差，通过以上两个功能都不能消除振动，可以使用该功能。但调试出来的结果不是很理想。可以看到，在速度比较高的情况下，轴定位后会回退一段距离，或者左右晃动几下。

原理如下：

12 双位置反馈原理

• ER1：半闭环的误差计数器

• ER2：全闭环的误差计数器

一阶延时时间常数=1/1+rS时的实际误差

• r=0时（停止时）

ER=ER1+(ER2-ER1)=ER2 (全闭环的误差)

• r=无穷大时 （加减速中）

ER=ER1（半闭环的误差）

这样，移动中就可用半闭环控制，停止时就可用全闭环控制。

使用此功能，在移动中就可获得如同半闭环一样的高控制性能，而在停止时可使用反馈检测元件的高精度定位。

• 参数2078/2079的设定：等于当半闭环控制时的柔性齿轮比N/M 。

  
  

• 参数2080的设定：10-300 设定值越大，越接近半闭环控制。当在轴移动时，由于电机侧的位置反馈和机械测的位置反馈不一致，等到达指令位置后，再精确检测机械测的位置，所以就会出现来回晃动的情况。