《Methoden zur Beseitigung von Schwingungen bei CNC-Werkzeugmaschinen》
CNC-Werkzeugmaschinen spielen in der modernen Industrieproduktion eine wichtige Rolle. Bediener und Hersteller sind jedoch häufig mit Schwingungsproblemen konfrontiert. Die Ursachen für Schwingungen bei CNC-Werkzeugmaschinen sind relativ komplex. Neben vielen Faktoren wie unlösbaren Getriebespalten, elastischer Verformung und Reibungswiderstand im mechanischen Bereich spielt auch der Einfluss relevanter Parameter des Servosystems eine wichtige Rolle. Der CNC-Werkzeugmaschinenhersteller stellt nun detailliert Methoden zur Schwingungsbeseitigung bei CNC-Werkzeugmaschinen vor.
I. Reduzierung der Positionsschleifenverstärkung
Der Proportional-Integral-Differential-Regler ist ein multifunktionaler Regler, der in CNC-Werkzeugmaschinen eine entscheidende Rolle spielt. Er kann nicht nur Strom- und Spannungssignale effektiv proportional verstärken, sondern auch das Nacheilen oder Voreilen des Ausgangssignals korrigieren. Schwingungsfehler treten manchmal aufgrund des Nacheilens oder Voreilens von Ausgangsstrom und -spannung auf. In diesem Fall kann der PID verwendet werden, um die Phase von Ausgangsstrom und -spannung anzupassen.
Die Positionsschleifenverstärkung ist ein wichtiger Parameter im Steuerungssystem von CNC-Werkzeugmaschinen. Bei zu hoher Positionsschleifenverstärkung reagiert das System übermäßig empfindlich auf Positionsfehler und neigt zu Schwingungen. Eine Reduzierung der Positionsschleifenverstärkung kann die Reaktionsgeschwindigkeit des Systems verringern und somit die Möglichkeit von Schwingungen verringern.
Beim Anpassen der Positionsschleifenverstärkung muss diese entsprechend dem spezifischen Werkzeugmaschinenmodell und den Verarbeitungsanforderungen angemessen eingestellt werden. Im Allgemeinen kann die Positionsschleifenverstärkung zunächst auf ein relativ niedriges Niveau reduziert und dann unter Beobachtung des Betriebs der Werkzeugmaschine schrittweise erhöht werden, bis ein optimaler Wert gefunden ist, der die Anforderungen an die Verarbeitungsgenauigkeit erfüllt und Schwingungen vermeidet.
Der Proportional-Integral-Differential-Regler ist ein multifunktionaler Regler, der in CNC-Werkzeugmaschinen eine entscheidende Rolle spielt. Er kann nicht nur Strom- und Spannungssignale effektiv proportional verstärken, sondern auch das Nacheilen oder Voreilen des Ausgangssignals korrigieren. Schwingungsfehler treten manchmal aufgrund des Nacheilens oder Voreilens von Ausgangsstrom und -spannung auf. In diesem Fall kann der PID verwendet werden, um die Phase von Ausgangsstrom und -spannung anzupassen.
Die Positionsschleifenverstärkung ist ein wichtiger Parameter im Steuerungssystem von CNC-Werkzeugmaschinen. Bei zu hoher Positionsschleifenverstärkung reagiert das System übermäßig empfindlich auf Positionsfehler und neigt zu Schwingungen. Eine Reduzierung der Positionsschleifenverstärkung kann die Reaktionsgeschwindigkeit des Systems verringern und somit die Möglichkeit von Schwingungen verringern.
Beim Anpassen der Positionsschleifenverstärkung muss diese entsprechend dem spezifischen Werkzeugmaschinenmodell und den Verarbeitungsanforderungen angemessen eingestellt werden. Im Allgemeinen kann die Positionsschleifenverstärkung zunächst auf ein relativ niedriges Niveau reduziert und dann unter Beobachtung des Betriebs der Werkzeugmaschine schrittweise erhöht werden, bis ein optimaler Wert gefunden ist, der die Anforderungen an die Verarbeitungsgenauigkeit erfüllt und Schwingungen vermeidet.
II. Parametereinstellung des geschlossenen Servosystems
Halbgeschlossenes Servosystem
Einige CNC-Servosysteme verwenden halbgeschlossene Regelkreise. Beim Einstellen des halbgeschlossenen Servosystems muss sichergestellt werden, dass das lokale halbgeschlossene System nicht schwingt. Da das vollständig geschlossene Servosystem die Parameteranpassung unter der Voraussetzung vornimmt, dass sein lokales halbgeschlossenes System stabil ist, ähneln sich die Einstellmethoden beider Systeme.
Das halbgeschlossene Servosystem gibt die Positionsinformationen der Werkzeugmaschine indirekt zurück, indem es den Drehwinkel oder die Drehzahl des Motors erfasst. Beim Anpassen der Parameter müssen folgende Aspekte beachtet werden:
(1) Geschwindigkeitsregelkreisparameter: Die Einstellungen der Geschwindigkeitsregelkreisverstärkung und der Integralzeitkonstante haben großen Einfluss auf die Stabilität und Reaktionsgeschwindigkeit des Systems. Eine zu hohe Geschwindigkeitsregelkreisverstärkung führt zu einer zu schnellen Systemreaktion und neigt zur Entstehung von Schwingungen; eine zu lange Integralzeitkonstante hingegen verlangsamt die Systemreaktion und beeinträchtigt die Verarbeitungseffizienz.
(2) Positionsschleifenparameter: Durch die Anpassung der Positionsschleifenverstärkung und der Filterparameter können die Positionsgenauigkeit und -stabilität des Systems verbessert werden. Eine zu hohe Positionsschleifenverstärkung führt zu Schwingungen, und der Filter kann hochfrequentes Rauschen im Rückkopplungssignal herausfiltern und so die Stabilität des Systems verbessern.
Vollständig geschlossenes Servosystem
Das vollständig geschlossene Servosystem ermöglicht eine genaue Positionsregelung durch direkte Erfassung der tatsächlichen Position der Werkzeugmaschine. Bei der Einstellung des vollständig geschlossenen Servosystems müssen die Parameter sorgfältiger ausgewählt werden, um die Stabilität und Genauigkeit des Systems zu gewährleisten.
Die Parametereinstellung des vollständig geschlossenen Servosystems umfasst hauptsächlich die folgenden Aspekte:
(1) Positionsschleifenverstärkung: Ähnlich wie beim halbgeschlossenen System führt eine zu hohe Positionsschleifenverstärkung zu Schwingungen. Da das vollständig geschlossene System Positionsfehler jedoch genauer erkennt, kann die Positionsschleifenverstärkung relativ hoch eingestellt werden, um die Positionsgenauigkeit des Systems zu verbessern.
(2) Drehzahlregelkreisparameter: Die Einstellungen für die Drehzahlregelkreisverstärkung und die Integralzeitkonstante müssen an die dynamischen Eigenschaften und Verarbeitungsanforderungen der Werkzeugmaschine angepasst werden. Im Allgemeinen kann die Drehzahlregelkreisverstärkung etwas höher eingestellt werden als die des halbgeschlossenen Regelkreises, um die Reaktionsgeschwindigkeit des Systems zu verbessern.
(3) Filterparameter: Das geschlossene System reagiert empfindlicher auf Rauschen im Rückkopplungssignal. Daher müssen geeignete Filterparameter eingestellt werden, um Rauschen herauszufiltern. Typ und Parameterauswahl des Filters sollten an das jeweilige Anwendungsszenario angepasst werden.
Halbgeschlossenes Servosystem
Einige CNC-Servosysteme verwenden halbgeschlossene Regelkreise. Beim Einstellen des halbgeschlossenen Servosystems muss sichergestellt werden, dass das lokale halbgeschlossene System nicht schwingt. Da das vollständig geschlossene Servosystem die Parameteranpassung unter der Voraussetzung vornimmt, dass sein lokales halbgeschlossenes System stabil ist, ähneln sich die Einstellmethoden beider Systeme.
Das halbgeschlossene Servosystem gibt die Positionsinformationen der Werkzeugmaschine indirekt zurück, indem es den Drehwinkel oder die Drehzahl des Motors erfasst. Beim Anpassen der Parameter müssen folgende Aspekte beachtet werden:
(1) Geschwindigkeitsregelkreisparameter: Die Einstellungen der Geschwindigkeitsregelkreisverstärkung und der Integralzeitkonstante haben großen Einfluss auf die Stabilität und Reaktionsgeschwindigkeit des Systems. Eine zu hohe Geschwindigkeitsregelkreisverstärkung führt zu einer zu schnellen Systemreaktion und neigt zur Entstehung von Schwingungen; eine zu lange Integralzeitkonstante hingegen verlangsamt die Systemreaktion und beeinträchtigt die Verarbeitungseffizienz.
(2) Positionsschleifenparameter: Durch die Anpassung der Positionsschleifenverstärkung und der Filterparameter können die Positionsgenauigkeit und -stabilität des Systems verbessert werden. Eine zu hohe Positionsschleifenverstärkung führt zu Schwingungen, und der Filter kann hochfrequentes Rauschen im Rückkopplungssignal herausfiltern und so die Stabilität des Systems verbessern.
Vollständig geschlossenes Servosystem
Das vollständig geschlossene Servosystem ermöglicht eine genaue Positionsregelung durch direkte Erfassung der tatsächlichen Position der Werkzeugmaschine. Bei der Einstellung des vollständig geschlossenen Servosystems müssen die Parameter sorgfältiger ausgewählt werden, um die Stabilität und Genauigkeit des Systems zu gewährleisten.
Die Parametereinstellung des vollständig geschlossenen Servosystems umfasst hauptsächlich die folgenden Aspekte:
(1) Positionsschleifenverstärkung: Ähnlich wie beim halbgeschlossenen System führt eine zu hohe Positionsschleifenverstärkung zu Schwingungen. Da das vollständig geschlossene System Positionsfehler jedoch genauer erkennt, kann die Positionsschleifenverstärkung relativ hoch eingestellt werden, um die Positionsgenauigkeit des Systems zu verbessern.
(2) Drehzahlregelkreisparameter: Die Einstellungen für die Drehzahlregelkreisverstärkung und die Integralzeitkonstante müssen an die dynamischen Eigenschaften und Verarbeitungsanforderungen der Werkzeugmaschine angepasst werden. Im Allgemeinen kann die Drehzahlregelkreisverstärkung etwas höher eingestellt werden als die des halbgeschlossenen Regelkreises, um die Reaktionsgeschwindigkeit des Systems zu verbessern.
(3) Filterparameter: Das geschlossene System reagiert empfindlicher auf Rauschen im Rückkopplungssignal. Daher müssen geeignete Filterparameter eingestellt werden, um Rauschen herauszufiltern. Typ und Parameterauswahl des Filters sollten an das jeweilige Anwendungsszenario angepasst werden.
III. Übernahme der Hochfrequenzunterdrückungsfunktion
Die obige Diskussion befasst sich mit der Parameteroptimierungsmethode für niederfrequente Schwingungen. Manchmal erzeugt das CNC-System von CNC-Werkzeugmaschinen aufgrund bestimmter Schwingungsursachen im mechanischen Teil Rückkopplungssignale mit hochfrequenten Harmonischen, wodurch das Ausgangsdrehmoment ungleichmäßig ist und Vibrationen entstehen. Für diese hochfrequenten Schwingungssituationen kann der Drehzahlschleife ein Tiefpassfilter erster Ordnung hinzugefügt werden, der als Drehmomentfilter fungiert.
Der Drehmomentfilter filtert hochfrequente Oberwellen im Rückkopplungssignal effektiv heraus, wodurch das Ausgangsdrehmoment stabiler wird und Vibrationen reduziert werden. Bei der Auswahl der Parameter des Drehmomentfilters sind folgende Faktoren zu berücksichtigen:
(1) Grenzfrequenz: Die Grenzfrequenz bestimmt den Dämpfungsgrad des Filters für hochfrequente Signale. Eine zu niedrige Grenzfrequenz beeinträchtigt die Reaktionsgeschwindigkeit des Systems, während eine zu hohe Grenzfrequenz hochfrequente Harmonische nicht effektiv herausfiltern kann.
(2) Filtertyp: Zu den gängigen Filtertypen gehören Butterworth-Filter, Tschebyscheff-Filter usw. Verschiedene Filtertypen haben unterschiedliche Frequenzgangeigenschaften und müssen entsprechend dem spezifischen Anwendungsszenario ausgewählt werden.
(3) Filterordnung: Je höher die Filterordnung, desto besser ist die Dämpfung hochfrequenter Signale, gleichzeitig erhöht sich aber auch der Rechenaufwand des Systems. Bei der Wahl der Filterordnung müssen Leistung und Rechenressourcen des Systems umfassend berücksichtigt werden.
Die obige Diskussion befasst sich mit der Parameteroptimierungsmethode für niederfrequente Schwingungen. Manchmal erzeugt das CNC-System von CNC-Werkzeugmaschinen aufgrund bestimmter Schwingungsursachen im mechanischen Teil Rückkopplungssignale mit hochfrequenten Harmonischen, wodurch das Ausgangsdrehmoment ungleichmäßig ist und Vibrationen entstehen. Für diese hochfrequenten Schwingungssituationen kann der Drehzahlschleife ein Tiefpassfilter erster Ordnung hinzugefügt werden, der als Drehmomentfilter fungiert.
Der Drehmomentfilter filtert hochfrequente Oberwellen im Rückkopplungssignal effektiv heraus, wodurch das Ausgangsdrehmoment stabiler wird und Vibrationen reduziert werden. Bei der Auswahl der Parameter des Drehmomentfilters sind folgende Faktoren zu berücksichtigen:
(1) Grenzfrequenz: Die Grenzfrequenz bestimmt den Dämpfungsgrad des Filters für hochfrequente Signale. Eine zu niedrige Grenzfrequenz beeinträchtigt die Reaktionsgeschwindigkeit des Systems, während eine zu hohe Grenzfrequenz hochfrequente Harmonische nicht effektiv herausfiltern kann.
(2) Filtertyp: Zu den gängigen Filtertypen gehören Butterworth-Filter, Tschebyscheff-Filter usw. Verschiedene Filtertypen haben unterschiedliche Frequenzgangeigenschaften und müssen entsprechend dem spezifischen Anwendungsszenario ausgewählt werden.
(3) Filterordnung: Je höher die Filterordnung, desto besser ist die Dämpfung hochfrequenter Signale, gleichzeitig erhöht sich aber auch der Rechenaufwand des Systems. Bei der Wahl der Filterordnung müssen Leistung und Rechenressourcen des Systems umfassend berücksichtigt werden.
Um die Schwingungen von CNC-Werkzeugmaschinen weiter zu eliminieren, können außerdem folgende Maßnahmen ergriffen werden:
Optimieren Sie die mechanische Struktur
Überprüfen Sie die mechanischen Teile der Werkzeugmaschine, wie Führungsschienen, Leitspindeln, Lager usw., um sicherzustellen, dass ihre Einbaugenauigkeit und Passungsspiel den Anforderungen entsprechen. Stark abgenutzte Teile sollten rechtzeitig ausgetauscht oder repariert werden. Passen Sie gleichzeitig das Gegengewicht und die Balance der Werkzeugmaschine angemessen an, um die Entstehung mechanischer Vibrationen zu reduzieren.
Verbessern Sie die Entstörungsfähigkeit des Steuerungssystems
Das Steuerungssystem von CNC-Werkzeugmaschinen wird leicht durch externe Störungen wie elektromagnetische Störungen, Stromschwankungen usw. beeinträchtigt. Um die Entstörungsfähigkeit des Steuerungssystems zu verbessern, können folgende Maßnahmen ergriffen werden:
(1) Verwenden Sie abgeschirmte Kabel und Erdungsmaßnahmen, um den Einfluss elektromagnetischer Störungen zu verringern.
(2) Installieren Sie Netzfilter, um die Versorgungsspannung zu stabilisieren.
(3) Optimieren Sie den Softwarealgorithmus des Steuerungssystems, um die Entstörungsleistung des Systems zu verbessern.
Regelmäßige Wartung und Instandhaltung
Führen Sie regelmäßig Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten an CNC-Werkzeugmaschinen durch, reinigen Sie verschiedene Teile der Werkzeugmaschine, überprüfen Sie den Betriebsbedingungen des Schmier- und Kühlsystems und ersetzen Sie verschlissene Teile und Schmieröl rechtzeitig. Dies kann die stabile Leistung der Werkzeugmaschine gewährleisten und das Auftreten von Schwingungen reduzieren.
Optimieren Sie die mechanische Struktur
Überprüfen Sie die mechanischen Teile der Werkzeugmaschine, wie Führungsschienen, Leitspindeln, Lager usw., um sicherzustellen, dass ihre Einbaugenauigkeit und Passungsspiel den Anforderungen entsprechen. Stark abgenutzte Teile sollten rechtzeitig ausgetauscht oder repariert werden. Passen Sie gleichzeitig das Gegengewicht und die Balance der Werkzeugmaschine angemessen an, um die Entstehung mechanischer Vibrationen zu reduzieren.
Verbessern Sie die Entstörungsfähigkeit des Steuerungssystems
Das Steuerungssystem von CNC-Werkzeugmaschinen wird leicht durch externe Störungen wie elektromagnetische Störungen, Stromschwankungen usw. beeinträchtigt. Um die Entstörungsfähigkeit des Steuerungssystems zu verbessern, können folgende Maßnahmen ergriffen werden:
(1) Verwenden Sie abgeschirmte Kabel und Erdungsmaßnahmen, um den Einfluss elektromagnetischer Störungen zu verringern.
(2) Installieren Sie Netzfilter, um die Versorgungsspannung zu stabilisieren.
(3) Optimieren Sie den Softwarealgorithmus des Steuerungssystems, um die Entstörungsleistung des Systems zu verbessern.
Regelmäßige Wartung und Instandhaltung
Führen Sie regelmäßig Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten an CNC-Werkzeugmaschinen durch, reinigen Sie verschiedene Teile der Werkzeugmaschine, überprüfen Sie den Betriebsbedingungen des Schmier- und Kühlsystems und ersetzen Sie verschlissene Teile und Schmieröl rechtzeitig. Dies kann die stabile Leistung der Werkzeugmaschine gewährleisten und das Auftreten von Schwingungen reduzieren.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Beseitigung von Schwingungen bei CNC-Werkzeugmaschinen eine umfassende Berücksichtigung mechanischer und elektrischer Faktoren erfordert. Durch eine sinnvolle Anpassung der Parameter des Servosystems, die Einführung einer Hochfrequenzunterdrückungsfunktion, die Optimierung der mechanischen Struktur, die Verbesserung der Entstörungsfähigkeit des Steuerungssystems und regelmäßige Wartung und Instandhaltung können Schwingungen effektiv reduziert und die Bearbeitungsgenauigkeit und Stabilität der Werkzeugmaschine verbessert werden.