《Menetelmät CNC-työstökoneiden värähtelyn poistamiseksi》
CNC-työstökoneilla on tärkeä rooli nykyaikaisessa teollisessa tuotannossa. Värähtelyongelma vaivaa kuitenkin usein sekä käyttäjiä että valmistajia. CNC-työstökoneiden värähtelyn syyt ovat suhteellisen monimutkaisia. Monien mekaanisten tekijöiden, kuten pysyvien siirtorakojen, elastisen muodonmuutoksen ja kitkavastuksen, lisäksi tärkeä näkökohta on myös servojärjestelmän asiaankuuluvien parametrien vaikutus. Nyt CNC-työstökoneiden valmistaja esittelee yksityiskohtaisesti menetelmät CNC-työstökoneiden värähtelyn poistamiseksi.
I. Paikkasilmukan vahvistuksen pienentäminen
Proportional-integral-derivator-ohjain on monitoiminen ohjain, jolla on ratkaiseva rooli CNC-työstökoneissa. Se voi paitsi tehokkaasti suorittaa suhteellisen vahvistuksen virta- ja jännitesignaaleille, myös korjata lähtösignaalin viivettä tai etenemistä. Värähtelyvirheitä esiintyy joskus lähtövirran ja -jännitteen viiveen tai etenemisen vuoksi. Tällöin PID-säädintä voidaan käyttää lähtövirran ja -jännitteen vaiheen säätämiseen.
Paikkasilmukan vahvistus on keskeinen parametri CNC-työstökoneiden ohjausjärjestelmässä. Kun paikkasilmukan vahvistus on liian suuri, järjestelmä on yliherkkä paikkavirheille ja altis värähtelylle. Paikkasilmukan vahvistuksen pienentäminen voi hidastaa järjestelmän vasteaikaa ja siten vähentää värähtelyn mahdollisuutta.
Paikkasilmukan vahvistusta säädettäessä se on asetettava kohtuullisesti työstökoneen mallin ja käsittelyvaatimusten mukaan. Yleisesti ottaen paikkasilmukan vahvistusta voidaan ensin vähentää suhteellisen alhaiselle tasolle ja sitten vähitellen lisätä työstökoneen toimintaa tarkkaillen, kunnes löytyy optimaalinen arvo, joka täyttää käsittelyn tarkkuusvaatimukset ja välttää värähtelyn.
Proportional-integral-derivator-ohjain on monitoiminen ohjain, jolla on ratkaiseva rooli CNC-työstökoneissa. Se voi paitsi tehokkaasti suorittaa suhteellisen vahvistuksen virta- ja jännitesignaaleille, myös korjata lähtösignaalin viivettä tai etenemistä. Värähtelyvirheitä esiintyy joskus lähtövirran ja -jännitteen viiveen tai etenemisen vuoksi. Tällöin PID-säädintä voidaan käyttää lähtövirran ja -jännitteen vaiheen säätämiseen.
Paikkasilmukan vahvistus on keskeinen parametri CNC-työstökoneiden ohjausjärjestelmässä. Kun paikkasilmukan vahvistus on liian suuri, järjestelmä on yliherkkä paikkavirheille ja altis värähtelylle. Paikkasilmukan vahvistuksen pienentäminen voi hidastaa järjestelmän vasteaikaa ja siten vähentää värähtelyn mahdollisuutta.
Paikkasilmukan vahvistusta säädettäessä se on asetettava kohtuullisesti työstökoneen mallin ja käsittelyvaatimusten mukaan. Yleisesti ottaen paikkasilmukan vahvistusta voidaan ensin vähentää suhteellisen alhaiselle tasolle ja sitten vähitellen lisätä työstökoneen toimintaa tarkkaillen, kunnes löytyy optimaalinen arvo, joka täyttää käsittelyn tarkkuusvaatimukset ja välttää värähtelyn.
II. Suljetun silmukan servojärjestelmän parametrien säätö
Puoli suljetun silmukan servojärjestelmä
Joissakin CNC-servojärjestelmissä käytetään puolisuljetun silmukan laitteita. Puolisuljetun silmukan servojärjestelmää säädettäessä on varmistettava, että paikallinen puolisuljetun silmukan järjestelmä ei värähtele. Koska täysin suljetun silmukan servojärjestelmä suorittaa parametrien säädön olettaen, että sen paikallinen puolisuljetun silmukan järjestelmä on vakaa, ne ovat samankaltaisia säätömenetelmiltään.
Puoli suljetun silmukan servojärjestelmä syöttää epäsuorasti työstökoneen paikkatiedon takaisin havaitsemalla moottorin pyörimiskulman tai nopeuden. Parametreja säädettäessä on kiinnitettävä huomiota seuraaviin seikkoihin:
(1) Nopeussilmukan parametrit: Nopeussilmukan vahvistuksen ja integrointiaikavakion asetuksilla on suuri vaikutus järjestelmän vakauteen ja vastenopeuteen. Liian suuri nopeussilmukan vahvistus johtaa liian nopeaan järjestelmän vasteeseen ja on altis värähtelyn syntymiselle, kun taas liian pitkä integrointiaikavakio hidastaa järjestelmän vastetta ja vaikuttaa prosessoinnin tehokkuuteen.
(2) Paikkasilmukan parametrit: Paikkasilmukan vahvistuksen ja suodatinparametrien säätö voi parantaa järjestelmän paikkatarkkuutta ja vakautta. Liian suuri paikkasilmukan vahvistus aiheuttaa värähtelyä, ja suodatin voi suodattaa pois korkeataajuisen kohinan takaisinkytkentäsignaalista ja parantaa järjestelmän vakautta.
Täysin suljetun silmukan servojärjestelmä
Täysin suljetun silmukan servojärjestelmä toteuttaa tarkan paikansäädön tunnistamalla suoraan työstökoneen todellisen sijainnin. Täysin suljetun silmukan servojärjestelmää säädettäessä parametrit on valittava tarkemmin järjestelmän vakauden ja tarkkuuden varmistamiseksi.
Täysin suljetun silmukan servojärjestelmän parametrien säätö sisältää pääasiassa seuraavat näkökohdat:
(1) Paikkasilmukan vahvistus: Samoin kuin puoliksi suljetun silmukan järjestelmässä, liian suuri paikkasilmukan vahvistus johtaa värähtelyyn. Koska täysin suljetun silmukan järjestelmä havaitsee paikkavirheet tarkemmin, paikkasilmukan vahvistus voidaan asettaa suhteellisen suureksi järjestelmän paikkatarkkuuden parantamiseksi.
(2) Nopeussilmukan parametrit: Nopeussilmukan vahvistuksen ja integrointiaikavakion asetuksia on säädettävä työstökoneen dynaamisten ominaisuuksien ja käsittelyvaatimusten mukaisesti. Yleisesti ottaen nopeussilmukan vahvistusta voidaan asettaa hieman suuremmaksi kuin puolisuljetun silmukan järjestelmässä järjestelmän vasteajan parantamiseksi.
(3) Suodatinparametrit: Täysin suljetun silmukan järjestelmä on herkempi takaisinkytkentäsignaalin kohinalle, joten kohinan suodattamiseksi on asetettava sopivat suodatinparametrit. Suodattimen tyyppi ja parametrivalinta tulee säätää tietyn sovellustilanteen mukaan.
Puoli suljetun silmukan servojärjestelmä
Joissakin CNC-servojärjestelmissä käytetään puolisuljetun silmukan laitteita. Puolisuljetun silmukan servojärjestelmää säädettäessä on varmistettava, että paikallinen puolisuljetun silmukan järjestelmä ei värähtele. Koska täysin suljetun silmukan servojärjestelmä suorittaa parametrien säädön olettaen, että sen paikallinen puolisuljetun silmukan järjestelmä on vakaa, ne ovat samankaltaisia säätömenetelmiltään.
Puoli suljetun silmukan servojärjestelmä syöttää epäsuorasti työstökoneen paikkatiedon takaisin havaitsemalla moottorin pyörimiskulman tai nopeuden. Parametreja säädettäessä on kiinnitettävä huomiota seuraaviin seikkoihin:
(1) Nopeussilmukan parametrit: Nopeussilmukan vahvistuksen ja integrointiaikavakion asetuksilla on suuri vaikutus järjestelmän vakauteen ja vastenopeuteen. Liian suuri nopeussilmukan vahvistus johtaa liian nopeaan järjestelmän vasteeseen ja on altis värähtelyn syntymiselle, kun taas liian pitkä integrointiaikavakio hidastaa järjestelmän vastetta ja vaikuttaa prosessoinnin tehokkuuteen.
(2) Paikkasilmukan parametrit: Paikkasilmukan vahvistuksen ja suodatinparametrien säätö voi parantaa järjestelmän paikkatarkkuutta ja vakautta. Liian suuri paikkasilmukan vahvistus aiheuttaa värähtelyä, ja suodatin voi suodattaa pois korkeataajuisen kohinan takaisinkytkentäsignaalista ja parantaa järjestelmän vakautta.
Täysin suljetun silmukan servojärjestelmä
Täysin suljetun silmukan servojärjestelmä toteuttaa tarkan paikansäädön tunnistamalla suoraan työstökoneen todellisen sijainnin. Täysin suljetun silmukan servojärjestelmää säädettäessä parametrit on valittava tarkemmin järjestelmän vakauden ja tarkkuuden varmistamiseksi.
Täysin suljetun silmukan servojärjestelmän parametrien säätö sisältää pääasiassa seuraavat näkökohdat:
(1) Paikkasilmukan vahvistus: Samoin kuin puoliksi suljetun silmukan järjestelmässä, liian suuri paikkasilmukan vahvistus johtaa värähtelyyn. Koska täysin suljetun silmukan järjestelmä havaitsee paikkavirheet tarkemmin, paikkasilmukan vahvistus voidaan asettaa suhteellisen suureksi järjestelmän paikkatarkkuuden parantamiseksi.
(2) Nopeussilmukan parametrit: Nopeussilmukan vahvistuksen ja integrointiaikavakion asetuksia on säädettävä työstökoneen dynaamisten ominaisuuksien ja käsittelyvaatimusten mukaisesti. Yleisesti ottaen nopeussilmukan vahvistusta voidaan asettaa hieman suuremmaksi kuin puolisuljetun silmukan järjestelmässä järjestelmän vasteajan parantamiseksi.
(3) Suodatinparametrit: Täysin suljetun silmukan järjestelmä on herkempi takaisinkytkentäsignaalin kohinalle, joten kohinan suodattamiseksi on asetettava sopivat suodatinparametrit. Suodattimen tyyppi ja parametrivalinta tulee säätää tietyn sovellustilanteen mukaan.
III. Korkeataajuisten häiriöiden vaimennustoiminnon käyttöönotto
Yllä oleva keskustelu koskee matalataajuisen värähtelyn parametrien optimointimenetelmää. Joskus CNC-työstökoneiden CNC-järjestelmä tuottaa takaisinkytkentäsignaaleja, jotka sisältävät korkeataajuisia harmonisia yliaaltoja mekaanisen osan tiettyjen värähtelysyiden vuoksi, mikä tekee lähtömomentista epävakaan ja aiheuttaa siten tärinää. Tässä korkeataajuisessa värähtelytilanteessa nopeussilmukkaan voidaan lisätä ensimmäisen asteen alipäästösuodatuslinkki, joka on vääntömomenttisuodatin.
Vääntömomenttisuodatin voi tehokkaasti suodattaa takaisinkytkentäsignaalin korkeataajuiset harmoniset yliaallot, mikä tekee lähtömomentista vakaamman ja vähentää siten tärinää. Vääntömomenttisuodattimen parametreja valittaessa on otettava huomioon seuraavat tekijät:
(1) Rajataajuus: Rajataajuus määrittää suodattimen vaimennusasteen korkeataajuisten signaalien suhteen. Liian matala rajataajuus vaikuttaa järjestelmän vastenopeuteen, kun taas liian korkea rajataajuus ei pysty tehokkaasti suodattamaan pois korkeataajuisia harmonisia yliaaltoja.
(2) Suodatintyyppi: Yleisiä suodatintyyppejä ovat Butterworth-suodatin, Chebyshev-suodatin jne. Erilaisilla suodattimilla on erilaiset taajuusvasteominaisuudet, ja ne on valittava tietyn sovellustilanteen mukaan.
(3) Suodattimen kertaluku: Mitä korkeampi suodattimen kertaluku, sitä parempi on vaimennusvaikutus korkeataajuisiin signaaleihin, mutta samalla se lisää järjestelmän laskennallista kuormitusta. Suodattimen kertalukua valittaessa on otettava kokonaisvaltaisesti huomioon järjestelmän suorituskyky ja laskentaresurssit.
Yllä oleva keskustelu koskee matalataajuisen värähtelyn parametrien optimointimenetelmää. Joskus CNC-työstökoneiden CNC-järjestelmä tuottaa takaisinkytkentäsignaaleja, jotka sisältävät korkeataajuisia harmonisia yliaaltoja mekaanisen osan tiettyjen värähtelysyiden vuoksi, mikä tekee lähtömomentista epävakaan ja aiheuttaa siten tärinää. Tässä korkeataajuisessa värähtelytilanteessa nopeussilmukkaan voidaan lisätä ensimmäisen asteen alipäästösuodatuslinkki, joka on vääntömomenttisuodatin.
Vääntömomenttisuodatin voi tehokkaasti suodattaa takaisinkytkentäsignaalin korkeataajuiset harmoniset yliaallot, mikä tekee lähtömomentista vakaamman ja vähentää siten tärinää. Vääntömomenttisuodattimen parametreja valittaessa on otettava huomioon seuraavat tekijät:
(1) Rajataajuus: Rajataajuus määrittää suodattimen vaimennusasteen korkeataajuisten signaalien suhteen. Liian matala rajataajuus vaikuttaa järjestelmän vastenopeuteen, kun taas liian korkea rajataajuus ei pysty tehokkaasti suodattamaan pois korkeataajuisia harmonisia yliaaltoja.
(2) Suodatintyyppi: Yleisiä suodatintyyppejä ovat Butterworth-suodatin, Chebyshev-suodatin jne. Erilaisilla suodattimilla on erilaiset taajuusvasteominaisuudet, ja ne on valittava tietyn sovellustilanteen mukaan.
(3) Suodattimen kertaluku: Mitä korkeampi suodattimen kertaluku, sitä parempi on vaimennusvaikutus korkeataajuisiin signaaleihin, mutta samalla se lisää järjestelmän laskennallista kuormitusta. Suodattimen kertalukua valittaessa on otettava kokonaisvaltaisesti huomioon järjestelmän suorituskyky ja laskentaresurssit.
Lisäksi CNC-työstökoneiden värähtelyn poistamiseksi voidaan ryhtyä myös seuraaviin toimenpiteisiin:
Optimoi mekaaninen rakenne
Tarkista työstökoneen mekaaniset osat, kuten ohjauskiskot, johtoruuvit, laakerit jne. varmistaaksesi, että niiden asennustarkkuus ja sovitusvälys täyttävät vaatimukset. Vaihda tai korjaa voimakkaasti kuluneet osat ajoissa. Samalla säädä työstökoneen vastapainoa ja tasapainoa kohtuullisesti mekaanisen tärinän syntymisen vähentämiseksi.
Parantaa ohjausjärjestelmän häiriöidenestokykyä
CNC-työstökoneiden ohjausjärjestelmään vaikuttavat helposti ulkoiset häiriöt, kuten sähkömagneettiset häiriöt, tehonvaihtelut jne. Ohjausjärjestelmän häiriöidensietokyvyn parantamiseksi voidaan ryhtyä seuraaviin toimenpiteisiin:
(1) Käytä suojattuja kaapeleita ja maadoitustoimenpiteitä sähkömagneettisten häiriöiden vaikutuksen vähentämiseksi.
(2) Asenna tehosuodattimet virtalähteen jännitteen vakauttamiseksi.
(3) Optimoi ohjausjärjestelmän ohjelmistoalgoritmia järjestelmän häiriöidenestokyvyn parantamiseksi.
Säännöllinen huolto ja ylläpito
Huolla ja ylläpidä CNC-työstökoneita säännöllisesti, puhdista työstökoneen eri osat, tarkista voitelujärjestelmän ja jäähdytysjärjestelmän toimintaolosuhteet ja vaihda kuluneet osat ja voiteluöljy ajoissa. Tämä voi varmistaa työstökoneen vakaan suorituskyvyn ja vähentää värähtelyn esiintymistä.
Optimoi mekaaninen rakenne
Tarkista työstökoneen mekaaniset osat, kuten ohjauskiskot, johtoruuvit, laakerit jne. varmistaaksesi, että niiden asennustarkkuus ja sovitusvälys täyttävät vaatimukset. Vaihda tai korjaa voimakkaasti kuluneet osat ajoissa. Samalla säädä työstökoneen vastapainoa ja tasapainoa kohtuullisesti mekaanisen tärinän syntymisen vähentämiseksi.
Parantaa ohjausjärjestelmän häiriöidenestokykyä
CNC-työstökoneiden ohjausjärjestelmään vaikuttavat helposti ulkoiset häiriöt, kuten sähkömagneettiset häiriöt, tehonvaihtelut jne. Ohjausjärjestelmän häiriöidensietokyvyn parantamiseksi voidaan ryhtyä seuraaviin toimenpiteisiin:
(1) Käytä suojattuja kaapeleita ja maadoitustoimenpiteitä sähkömagneettisten häiriöiden vaikutuksen vähentämiseksi.
(2) Asenna tehosuodattimet virtalähteen jännitteen vakauttamiseksi.
(3) Optimoi ohjausjärjestelmän ohjelmistoalgoritmia järjestelmän häiriöidenestokyvyn parantamiseksi.
Säännöllinen huolto ja ylläpito
Huolla ja ylläpidä CNC-työstökoneita säännöllisesti, puhdista työstökoneen eri osat, tarkista voitelujärjestelmän ja jäähdytysjärjestelmän toimintaolosuhteet ja vaihda kuluneet osat ja voiteluöljy ajoissa. Tämä voi varmistaa työstökoneen vakaan suorituskyvyn ja vähentää värähtelyn esiintymistä.
Yhteenvetona voidaan todeta, että CNC-työstökoneiden värähtelyn poistaminen edellyttää mekaanisten ja sähköisten tekijöiden kokonaisvaltaista huomioon ottamista. Servojärjestelmän parametrien kohtuullinen säätäminen, korkeataajuisen vaimennustoiminnon käyttöönotto, mekaanisen rakenteen optimointi, ohjausjärjestelmän häiriönsietokyvyn parantaminen sekä säännöllinen huolto ja kunnossapito voivat tehokkaasti vähentää värähtelyn esiintymistä ja parantaa työstökoneen työstötarkkuutta ja vakautta.