Diese Arbeit stellt das Regelungsprinzip von Servosystemen für CNC-Werkzeugmaschinen vor und analysiert die Ursachen von Schwingungen. Sie präsentiert die theoretischen Grundlagen und Methoden zur Schwingungsbeseitigung in vollständig geschlossenen CNC-Regelkreisen. Einleitung: Schwingungen in CNC-Systemen sind zu einem häufigen Problem in vollständig geschlossenen CNC-Regelkreisen geworden. Insbesondere bei horizontalen CNC-Maschinen mit Ständern auf der Z-Achse und drehbaren CNC-Arbeitstischen auf der B-Achse ist die Schwingungsfrequenz relativ hoch. Dieses Problem beeinträchtigt den ordnungsgemäßen Betrieb und die Effizienz von CNC-Anlagen erheblich. 1. Analyse der Schwingungsursachen: Schwingungen haben viele Ursachen. Neben dem unvermeidbaren Getriebespiel, der elastischen Verformung und dem Reibungswiderstand spielen auch die relevanten Parameter des Servosystems eine wichtige Rolle. Servosysteme werden in Wechselstrom- und Gleichstrom-Servosysteme unterteilt; diese Arbeit befasst sich hauptsächlich mit den durch Parametereinflüsse verursachten Schwingungen in Gleichstrom-Servosystemen. Die meisten CNC-Werkzeugmaschinen arbeiten mit einem vollständig geschlossenen Regelkreis. Das zugehörige Regelungsprinzip ist in Abbildung 1 dargestellt. Wie Abbildung 1 zeigt, gibt es im Servosystem im Wesentlichen vier Ursachen für Vibrationen: a. Ein fehlerhafter Positionsregelkreis führt zu einer instabilen Ausgangsspannung; b. Vibrationen werden durch einen fehlerhaften Drehzahlregelkreis verursacht; c. Spannungsverzerrungen entstehen durch einen zu großen Verstellbereich des Positionierers im Servosystem; d. Zu großes Spiel im Getriebe (z. B. einer Gewindespindel). Verzerrungen der Ausgangsparameter in diesen Regelkreisen oder zu großes Spiel im mechanischen Getriebe sind die Hauptursachen für Vibrationen. Diese Probleme lassen sich durch Parameteroptimierung im Servosystem beheben. 2. Grundlegende Methoden zur Vibrationsreduzierung . Einige CNC-Servosysteme verwenden halbgeschlossene Regelkreise, während vollständig geschlossene Servosysteme nur dann Parameteranpassungen benötigen, wenn das halbgeschlossene System keine Vibrationen aufweist. Daher sind sich die beiden Systeme weitgehend ähnlich. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden in diesem Beitrag nur die Methoden zur Parameteroptimierung im vollständig geschlossenen Regelkreis behandelt. 2.1 Reduzierung der Positionsreglerverstärkung: Für die Positionsreglerverstärkung in Servosystemen existieren Referenzwerte, z. B. 3000 für die FANUCO-C-Serie und 1666 für das Siemens-3-System. Bei Schwingungen kann die Verstärkung entsprechend reduziert werden, jedoch nicht zu stark, da der stationäre Fehler des Systems erhalten bleiben muss. 2.2 Reduzierung des Lastträgheitsverhältnisses: Das Lastträgheitsverhältnis wird üblicherweise auf ca. 70 % des angezeigten Parameters eingestellt, wenn Schwingungen auftreten. Lässt sich der Fehler nicht beheben, ist eine weitere Reduzierung dieses Parameters nicht ratsam. 2.3 Einsatz eines PID-Reglers: Ein PID-Regler ist ein multifunktionaler Regler, der Strom- und Spannungssignale nicht nur proportional verstärkt, sondern auch Phasenverschiebungen des Ausgangssignals ausgleicht. Schwingungsfehler können durch Phasenverschiebungen im Ausgangsstrom und der Ausgangsspannung verursacht werden. In diesem Fall kann die Phase des Ausgangsstroms und der Ausgangsspannung mithilfe eines PID-Reglers angepasst werden. 2.4 Hochfrequenzunterdrückung. Die obige Diskussion betrifft Parameteroptimierungsmethoden für niederfrequente Schwingungen. CNC-Systeme können jedoch aufgrund mechanischer Schwingungen Rückkopplungssignale mit hochfrequenten Oberschwingungen erzeugen, was zu einem inkonsistenten Ausgangsdrehmoment und somit zu Vibrationen führt. Für diese hochfrequenten Schwingungen kann dem Drehzahlregelkreis ein Tiefpassfilter erster Ordnung, d. h. ein Drehmomentfilter, hinzugefügt werden. Dessen Regelungsprinzip ist in Abbildung 2 dargestellt. Abbildung 2 zeigt, dass der Drehzahlregler das Drehzahl-Sollsignal und das Drehzahl-Rückkopplungssignal in ein Drehmomentsignal umwandelt. Dieses Drehmomentsignal wird anschließend durch einen Filter erster Ordnung gefiltert, um die hochfrequenten Komponenten zu unterdrücken und so ein effektives Drehmoment-Regelsignal zu erhalten. Durch Anpassen der Parameter können Frequenzen über 100 Hz, die von der Maschine erzeugt werden, unterdrückt und somit hochfrequente Schwingungen eliminiert werden. 2.5 Duale Positionsrückkopplung. Die duale Rückkopplung ist eine Methode zur Änderung des Regelmodus und ermöglicht die Auswahl zwischen halbgeschlossenem und vollständig geschlossenem Regelkreis innerhalb desselben Systems. Das Schaltbild ist in Abbildung 3 dargestellt. Wie aus Abbildung 3 ersichtlich, werden die Fehlerregler ER1 und ER2 im vollständig geschlossenen bzw. im halbgeschlossenen Regelkreis verwendet. Die Übertragungsfunktion des Verzögerungselements erster Ordnung lautet (1 + τS) - 1. Der tatsächliche Fehler ER hängt hauptsächlich vom Wert der Zeitkonstante τ im Verzögerungselement erster Ordnung ab: Ist τ = 0, so gilt (1 + τS) - 1 = 1, ER = ER1 + (ER2 - ER1) = ER2. In diesem Fall befindet sich das System im vollständig geschlossenen Regelkreis, und der Schwingungsfehler kann mithilfe der Fehlerregelung im vollständig geschlossenen Regelkreis behoben werden. Ist τ = ∞, so gilt (1 + τS) - 1 = 0, und ER = ER1. Es zeigt sich, dass sich das System in diesem Fall in einem halbgeschlossenen Regelkreis befindet und der Schwingungsfehler daher mithilfe der halbgeschlossenen Fehlerkorrekturmethode behoben werden kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Dual-Position-Rückkopplung den Betrieb des Systems sowohl im vollständig geschlossenen als auch im halbgeschlossenen Regelkreis ermöglicht, wodurch der Einstellbereich des Systems deutlich erweitert und die Anzahl der Einstellparameter erhöht wird. Die Zeitkonstante zeigt an, dass das System im Stillstand eine vollständig geschlossene Fehlerkorrektur und im Übergangszustand eine halbgeschlossene Korrektur durchführen kann. Am Beispiel von FANUCO-C wird der spezifische Parametereinstellungsprozess kurz beschrieben. Zunächst wird der Parameter P84ll# (DPFB) auf 1 gesetzt, wodurch die Dual-Position-Rückkopplungsfunktion aktiviert wird. P8449 ist die maximale Amplitude der Positionsrückkopplung und wird üblicherweise auf 0 gesetzt. P8478 (Zähler) und P8479 (Nenner) sind die Konstanten für die Positionsumrechnungsstufe im obigen Diagramm und können je nach Bedarf angepasst werden. P8480 ist der Parameter-Einstellcode für die Verzögerungsstufe erster Ordnung mit einem Einstellbereich von 10 ms bis 300 ms, üblicherweise auf ca. 100 ms eingestellt. P8481 ist die Nullpunktamplitude, üblicherweise 0, kann aber aufgrund von Schwingungen gegebenenfalls erhöht werden. Die duale Positionsrückführung ist eine relativ flexible Fehlerkorrekturmethode, die eine hervorragende Parameteroptimierung und Systemstabilitätssicherung während der Systeminbetriebnahme ermöglicht. 2.6 Nach Sicherstellung der Stabilität im halbgeschlossenen Regelkreis wird mithilfe der mechanischen Rückführung ein vollständig geschlossenes System zur Anpassung der relevanten Systemparameter verwendet. Werden elastische Schwingungsfehler durch mechanische Komponenten verursacht, kann die mechanische Rückführung zur Parameteranpassung genutzt werden, was zu hervorragenden Ergebnissen führt. Das zugehörige Regelschema ist in Abbildung 4 dargestellt. Dabei ist K1V die Drehzahl-Integralverstärkung, K2V die Drehzahl-Proportionalverstärkung und α die mechanische Drehzahl-Rückführungsverstärkung. Wie in Abbildung 4 dargestellt, kann sich die elastische mechanische Vorrichtung zwischen Motor und Arbeitstisch verformen, während die Positionserfassung hauptsächlich vom Positionsgeber und die Drehzahlrückführung direkt vom Motorgeber erfolgt. Aus Sicht des gesamten Regelkreises führt die Verformung der mechanischen Vorrichtung dazu, dass die Positionsrückmeldung gegenüber den anderen Geschwindigkeitskomponenten im Regelkreis verzögert reagiert, was Systemschwingungen zur Folge hat. Durch Hinzufügen einer mechanischen Geschwindigkeitsrückmeldung (siehe Abbildung 4) wird diese Verzögerung kompensiert und die Schwingungen beseitigt. Beispielsweise aktiviert beim FANUCO-C-System die mechanische Geschwindigkeitsrückmeldung durch Setzen des Parameters P8421#1 auf 1. Anschließend werden die weiteren relevanten Parameter gemäß den Anforderungen eingestellt. Informationen zur Justierung finden Sie im Systemhandbuch. Im Folgenden werden einige grundlegende Methoden zur Beseitigung von CNC-Systemschwingungen erläutert. Je nach System können unterschiedliche Methoden zur Parameteroptimierung gewählt werden. Es ist entscheidend, die Ursache der Schwingungen zu verstehen, bevor geeignete Maßnahmen ergriffen werden. Blindes Ändern von Parametern sollte vermieden werden, um die Stabilität und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems nicht zu beeinträchtigen. 3. Fazit: In diesem Beitrag werden verschiedene gängige Methoden zur Beseitigung von CNC-Schwingungen vorgestellt. Jede Regelkette basiert auf einer detaillierten Regelungstheorie, wodurch Schwingungsprobleme effektiv beseitigt und die Produktionseffizienz gesteigert werden, während gleichzeitig die Stabilität und Zuverlässigkeit des Regelsystems gewährleistet wird. Natürlich bestehen in einigen Steuerungsgliedern weiterhin Probleme, die ein tieferes Verständnis und eine Lösung erfordern. Schwingungsprobleme in CNC-Systemen sind häufige Fehler bei der Inbetriebnahme oder im Betrieb von CNC-Werkzeugmaschinen. Für den Produktionsprozess ist die rechtzeitige Behebung von Störungen unerlässlich, um einen reibungslosen Produktionsablauf zu gewährleisten. Importierte Bearbeitungszentren erfordern eine spezielle Wartung. Bei häufigen Schwingungsproblemen sind eine langfristige Datenerfassung und eine rationale Fehleranalyse für eine effektive Wartung und Instandhaltung notwendig. Daher sind für verschiedene CNC-Systeme unterschiedliche Diagnosemethoden erforderlich. Basierend auf den Eigenschaften des jeweiligen CNC-Systems sollten effektive Maßnahmen zur Fehlerbehebung entwickelt werden, um die Produktionskapazität zu steigern und die Bearbeitungseffizienz zu sichern.