畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)故障診斷與分析論文

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畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 15 頁(yè) 第 1 頁(yè)摘 要簡(jiǎn)要介紹了當(dāng)今世界數(shù)控伺服系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床中伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀及數(shù)控機(jī)床的伺服性能。在此基礎(chǔ)上討論了 FANUC-15MB 數(shù)控龍門式鏜銑床伺服系統(tǒng)的故障診斷。世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還將數(shù)控維修列為國(guó)家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來(lái)發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)應(yīng)用與維護(hù)，而且在“高精尖 ”數(shù)控技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用與維護(hù)方面對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖和限制政策。通過(guò)在設(shè)備維修、技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)等多部門多方面的接觸和工作，并在幾個(gè)月的設(shè)備維修和設(shè)備管理工作中不斷地學(xué)習(xí)與積累大量的工作經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)就普遍存在數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)備維修的方法與實(shí)踐上做一剖析闡述。關(guān)鍵詞：數(shù)控設(shè)備，維護(hù)保養(yǎng)，故障分析，故障維修裝 訂 線畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 15 頁(yè) 第 2 頁(yè)目 錄第一章 數(shù)控伺服系統(tǒng)………………………………31.1 伺服系統(tǒng)的發(fā)展……………………………………………31.2 數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)成與特點(diǎn)……………………………………3第二章 數(shù)控機(jī)床中伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀………………………52.1 概述…………………………………………………………52.2 伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及分類……………………………………52.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望………………………………6第三章 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)性能………………………83.1 加工精度……………………………………………………83.2 開環(huán)放大倍數(shù)………………………………………………83.3 寬范圍調(diào)速……………………………………………………9第四章 FANUC-15MB 數(shù)控伺服系統(tǒng)的故障診斷……………104.1 FANUC-15MB 數(shù)控進(jìn)給軸的伺服控制原理及故障…104.2 FANUC-15MB 數(shù)控同步軸組的控制原理及故障………124.3 FANUC-15MB 數(shù)控的自診斷……………………………13第五章 結(jié)論與建議 …………………………………………14參考文獻(xiàn) ……………………………………………………15附錄：伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 15 頁(yè) 第 3 頁(yè)第一章 數(shù)控伺服系統(tǒng)1.1 伺服系統(tǒng)的發(fā)展（1） 直流伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過(guò)程。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)類型分為直流（DC）伺服系統(tǒng)和交流（AC）伺服系統(tǒng)。50 年代，無(wú)刷電機(jī)和直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，并在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和機(jī)械設(shè)備上獲得了廣泛的應(yīng)用。70 年代則是直流伺服電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛的時(shí)代。（2）交流伺服系統(tǒng)從 70 年代后期到 80 年代初期，隨著微處理器技術(shù)、大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)和電機(jī)永磁材料制造工藝的發(fā)展及其性能價(jià)格比的日益提高，交流伺服技術(shù)—交流伺服電機(jī)和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并將逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。（3）交直流伺服系統(tǒng)的比較直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)受電機(jī)本身缺陷的影響，其發(fā)展受到了限制。直流伺服電機(jī)存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)，在運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱，影響了與其連接的其他機(jī)械設(shè)備的精度，難以應(yīng)用到高速及大容量的場(chǎng)合，機(jī)械換向器則成為直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。交流伺服電機(jī)克服了直流伺服電機(jī)存在的電刷、換向器等機(jī)械部件所帶來(lái)的各種缺點(diǎn)，特別是交流伺服電機(jī)的過(guò)負(fù)荷特性和低慣性更體現(xiàn)出交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性。所以交流伺服系統(tǒng)在工廠自動(dòng)化（FA）等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 綜上所述，伺服系統(tǒng)將向兩個(gè)方向發(fā)展。一個(gè)是滿足一般工業(yè)應(yīng)用要求，對(duì)性能指標(biāo)要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合，追求低成本、少維護(hù)、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，如變頻電機(jī)、變頻器等。另一個(gè)就是代表著伺服系統(tǒng)發(fā)展水平的主導(dǎo)產(chǎn)品—伺服電機(jī)、伺服控制器，追求高性能、高速度、數(shù)字化、智能型、網(wǎng)絡(luò)化的驅(qū)動(dòng)控制，以滿足用戶較高的應(yīng)用要求。1.2 數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)成與特點(diǎn)目前世界上的數(shù)控系統(tǒng)種類繁多，形式各異，組成結(jié)構(gòu)上都有各自的特點(diǎn)。這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)源于系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)的基本要求和工程設(shè)計(jì)的思路。例如對(duì)點(diǎn)位控制系統(tǒng)和連續(xù)軌跡控制系統(tǒng)就有截然不同的要求。對(duì)于 T 系統(tǒng)和 M 系統(tǒng)，同樣也有很大畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 15 頁(yè) 第 4 頁(yè)的區(qū)別，前者適用于回轉(zhuǎn)體零件加工，后者適合于異形非回轉(zhuǎn)體的零件加工。對(duì)于不同的生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，基于歷史發(fā)展因素以及各自因地而異的復(fù)雜因素的影響，在設(shè)計(jì)思想上也可能各有千秋。例如，美國(guó) Dynapath 系統(tǒng)采用小板結(jié)構(gòu)，便于板子更換和靈活結(jié)合，而日本 FANUC 系統(tǒng)則趨向大板結(jié)構(gòu)，使之有利于系統(tǒng)工作的可靠性，促使系統(tǒng)的平均無(wú)故障率不斷提高。然而無(wú)論哪種系統(tǒng)，它們的基本原理和構(gòu)成是十分相似的。一般整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)由三大部分組成，即控制系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)和位置測(cè)量系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)按加工工件程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，發(fā)出控制指令到伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將控制指令放大，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械按要求運(yùn)動(dòng)；測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)位置或速度，并反饋到控制系統(tǒng)，來(lái)修正控制指令。這三部分有機(jī)結(jié)合，組成完整的閉環(huán)控制的數(shù)控系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)主要由總線、CPU、電源、存貯器、操作面板和顯示屏、位控單元、可編程序控制器邏輯控制單元以及數(shù)據(jù)輸入/輸出接口等組成。最新一代的數(shù)控系統(tǒng)還包括一個(gè)通訊單元，它可完成 CNC、PLC 的內(nèi)部數(shù)據(jù)通訊和外部高次網(wǎng)絡(luò)的連接。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括伺服驅(qū)動(dòng)裝置和電機(jī)。位置測(cè)量系統(tǒng)主要是采用長(zhǎng)光柵或圓光柵的增量式位移編碼器。數(shù)控系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：可靠性要求高：因?yàn)橐坏?shù)控系統(tǒng)發(fā)生故障，即造成巨大經(jīng)濟(jì)損失；有較高的環(huán)境適應(yīng)能力，因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)一般為工業(yè)控制機(jī)，其工作環(huán)境為車間環(huán)境，要求它具有在震動(dòng)，高溫，潮濕以及各種工業(yè)干擾源的環(huán)境條件下工作的能力；接口電路復(fù)雜，數(shù)控系統(tǒng)要與各種數(shù)控設(shè)備及外部設(shè)備相配套，要隨時(shí)處理生產(chǎn)過(guò)程中的各種情況，適應(yīng)設(shè)備的各種工藝要求，因而接口電路復(fù)雜，而且工作頻繁。畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 15 頁(yè) 第 5 頁(yè)第二章 數(shù)控機(jī)床中伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀2.1 伺服系統(tǒng)的概述伺服系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求。具體在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的位移、速度指令，經(jīng)變換、放調(diào)與整大后，由電動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)床坐標(biāo)軸、主軸等，帶動(dòng)工作臺(tái)及刀架，通過(guò)軸的聯(lián)動(dòng)使刀具相對(duì)工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而加工出用戶所要求的復(fù)雜形狀的工件。2.2 伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及分類從基本結(jié)構(gòu)來(lái)看，伺服系統(tǒng)主要由三部分組成：控制器、功率驅(qū)動(dòng)裝置、反饋裝置和電動(dòng)機(jī)?？刂破靼凑諗?shù)控系統(tǒng)的給定值和通過(guò)反饋裝置檢測(cè)的實(shí)際運(yùn)行值的差，調(diào)節(jié)控制量；功率驅(qū)動(dòng)裝置作為系統(tǒng)的主回路，一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用到電動(dòng)機(jī)之上，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，另一方面按電動(dòng)機(jī)的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)所需的交流電或直流電；電動(dòng)機(jī)則按供電大小拖動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。伺服系統(tǒng)不同的結(jié)構(gòu)形式，主要體現(xiàn)在檢測(cè)信號(hào)的反饋形式上，以帶編碼器的伺服電動(dòng)機(jī)為例：1. 方式一（見附圖 2-1）轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)與位置反饋信號(hào)處理分離，驅(qū)動(dòng)裝置與數(shù)控系統(tǒng)配接有通用性。圖 2-1 為 SINUMERIK800 系列數(shù)控系統(tǒng)與 SIMODRIVE611A 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)模塊和 IFT5 伺服電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的進(jìn)給伺服系統(tǒng)。2. 方式二（見附圖 2-2）圖 2-2 為 FANUC 數(shù)控系統(tǒng)與用于車床進(jìn)給控制的 a 系列 2 軸交流驅(qū)動(dòng)單元的伺服系統(tǒng)，伺服電動(dòng)機(jī)上的脈沖編碼器降檢測(cè)信號(hào)直接反饋于數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)位置處理和速度處理，輸出速度控制信號(hào)、速度反饋信號(hào)及使能信號(hào)至驅(qū)動(dòng)單元 JV1B 和JV2B 端口中。3. 方式三（見附圖 2-3）畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 15 頁(yè) 第 6 頁(yè)伺服電動(dòng)機(jī)上的編碼器同樣作為速度和位置檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)單元一方面作為速度控制，另一方面輸出至數(shù)孔系統(tǒng)進(jìn)行位置控制，驅(qū)動(dòng)裝置具有通用性。如圖 2-3 為由 MR-J2 伺服驅(qū)動(dòng)單元和伺服電動(dòng)機(jī)組成的伺服系統(tǒng)。4. 方式四（見附圖 2-4）圖 2-4 所示數(shù)字式伺服系統(tǒng)。在數(shù)字式伺服系統(tǒng)中，數(shù)控系統(tǒng)將位置控制指令以數(shù)字量的形式輸出至數(shù)字伺服系統(tǒng)，數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)單元本身具有位置反饋和位置控制功能，能獨(dú)立完成位置控制。主要成分變化多樣，其中任何部分的變化都可構(gòu)成不同種類的伺服系統(tǒng)。如根據(jù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類型，可將其分為直流伺服和交流伺服；根據(jù)控制器實(shí)現(xiàn)方法的不同，可將其分為模擬伺服和數(shù)字伺服；根據(jù)控制器中閉環(huán)的多少，可將其分為開環(huán)控制系統(tǒng)、單環(huán)控制系統(tǒng)、雙環(huán)控制系統(tǒng)和多環(huán)控制系統(tǒng)。考慮伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用，本文首先按機(jī)床中傳動(dòng)機(jī)械的不同將其分為進(jìn)給伺服與主軸伺服，然后再根據(jù)其他要素來(lái)探討不同伺服系統(tǒng)的技術(shù)特性。2.3 伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望伺服系統(tǒng)以數(shù)控機(jī)床的各坐標(biāo)為控制對(duì)象，產(chǎn)生機(jī)床的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。為此，要求進(jìn)給伺服能快速調(diào)節(jié)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)速度，并能精確地進(jìn)行位置控制。具體要求其調(diào)速范圍寬、位移精度高、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。根據(jù)系統(tǒng)使用的電動(dòng)機(jī)，進(jìn)給伺服可細(xì)分為步進(jìn)伺服、直流伺服、交流伺服和直線伺服 （一）步進(jìn)伺服系統(tǒng)步進(jìn)伺服是一種用脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的控制系統(tǒng)。其角位移與脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，通過(guò)改變脈沖頻率可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果停機(jī)后某些繞組仍保持通電狀態(tài)，則系統(tǒng)還具有自鎖能力。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，如 500 步、1000 步、50 000 步等等，從理論上講其步距誤差不會(huì)累計(jì)。（二）直流伺服系統(tǒng)直流伺服的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上。與電磁轉(zhuǎn)矩相關(guān)的是互相獨(dú)立的兩個(gè)變量主磁通與電樞電流，它們分別控制勵(lì)磁電流與電樞電流，可方便地進(jìn)行轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速控制。另一方面從控制角度看，直流伺服的控制是一個(gè)單輸入單輸出的單變量控制系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論完全適用于這種系統(tǒng)，因此，直流伺服系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，調(diào)速性能優(yōu)異，在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中曾占據(jù)著主導(dǎo)地位。畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 15 頁(yè) 第 7 頁(yè)（三）交流伺服系統(tǒng)交流伺服已占據(jù)了機(jī)床進(jìn)給伺服的主導(dǎo)地位，并隨著新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，具體體現(xiàn)在三個(gè)方面。一是系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應(yīng)用；二是基于微處理器嵌入式平臺(tái)技術(shù)的成熟，將促進(jìn)先進(jìn)控制算法的應(yīng)用；三是網(wǎng)絡(luò)化制造模式的推廣及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的成熟，將使基于網(wǎng)絡(luò)的伺服控制成為可能。（四）直線伺服系統(tǒng)直線伺服系統(tǒng)采用的是一種直接驅(qū)動(dòng)方式（Direct Drive），與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)方式相比，最大特點(diǎn)是取消了電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)間的一切機(jī)械中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，即把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零。這種“零傳動(dòng)”方式，帶來(lái)了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的性能指標(biāo)，如加速度可達(dá) 3g 以上，為傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置的 10～20 倍，進(jìn)給速度是傳統(tǒng)的 4～5 倍。畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 15 頁(yè) 第 8 頁(yè)第三章 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)性能數(shù)控機(jī)床一般由 NC 控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和反饋檢測(cè)系統(tǒng) 3 部分組成。數(shù)控機(jī)床對(duì)位置系統(tǒng)要求的伺服性能包括：定位速度和輪廓切削進(jìn)給速度；定位精度和輪廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干擾下的穩(wěn)定性。這些要求主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，總希望系統(tǒng)有較高的動(dòng)態(tài)精度，即當(dāng)系統(tǒng)有一個(gè)較小的位置誤差時(shí)，機(jī)床移動(dòng)部件會(huì)迅速反應(yīng)。下面就位置控制系統(tǒng)影響數(shù)控機(jī)床加工要求的幾個(gè)方面進(jìn)行論述。3.1 加工精度精度是機(jī)床必須保證的一項(xiàng)性能指標(biāo)。位置伺服控制系統(tǒng)的位置精度在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度。因此位置精度是一個(gè)極為重要的指標(biāo)。為了保證有足夠的位置精度，一方面是正確選擇系統(tǒng)中開環(huán)放大倍數(shù)的大小，另一方面是對(duì)位置檢測(cè)元件提出精度的要求。因?yàn)樵陂]環(huán)控制系統(tǒng)中，對(duì)于檢測(cè)元件本身的誤差和被檢測(cè)量的偏差是很難區(qū)分出來(lái)的，反饋檢測(cè)元件的精度對(duì)系統(tǒng)的精度常常起著決定性的作用。可以說(shuō)，數(shù)控機(jī)床的加工精度主要由檢測(cè)系統(tǒng)的精度決定。位移檢測(cè)系統(tǒng)能夠測(cè)量的最小位移量稱做分辨率。分辨率不僅取決于檢測(cè)元件本身，也取決于測(cè)量線路。在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床、尤其是高精度或大中型數(shù)控機(jī)床時(shí)，必須精心選用檢測(cè)元件。所選擇的測(cè)量系統(tǒng)的分辨率或脈沖當(dāng)量，一般要求比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)?？傊?，高精度的控制系統(tǒng)必須有高精度的檢測(cè)元件作為保證。例如，數(shù)控機(jī)床中常用的直線感應(yīng)同步器的精度已可達(dá)±0.0001mm，即 0.1 祄，靈敏度為 0.05祄，重復(fù)精度 0.2 祄；而圓型感應(yīng)同步器的精度可達(dá) 0.5N，靈敏度 0.05N，重復(fù)精度 0.1N。3.2 開環(huán)放大倍數(shù)在典型的二階系統(tǒng)中，阻尼系數(shù) x=1/2（KT）-1/2，速度穩(wěn)態(tài)誤差 e（∞）＝1/K，其中 K 為開環(huán)放大倍數(shù)，工程上多稱作開環(huán)增益。顯然，系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)是影響伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)指標(biāo)的重要參數(shù)之一。一般情況下，數(shù)控機(jī)床伺服機(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)取為 20～30（1/S）。通常把 K20 的系統(tǒng)稱為高放大倍數(shù)或硬伺服系統(tǒng)，應(yīng)用于輪廓加工系統(tǒng)。假若為了不影響加工零件的表面粗糙度和精度，希望階躍響應(yīng)不產(chǎn)生振蕩，即要求是取值大一些，開環(huán)放大倍數(shù) K 就小一些；若從系統(tǒng)的快速性出發(fā)，希望 x 選擇小一些，即希望開環(huán)放大倍數(shù)～增加些，同時(shí) K 值的增大對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度也能有所提高。畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 15 頁(yè) 第 9 頁(yè)3.3 寬范圍調(diào)速在數(shù)控機(jī)床的加工中，伺服系統(tǒng)為了同時(shí)滿足高速快移和單步點(diǎn)動(dòng)，要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。單步點(diǎn)動(dòng)作為一種輔助工作方式常常在工作臺(tái)的調(diào)整中使用。伺服系統(tǒng)在低速情況下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)進(jìn)給，則要求速度必須大于“死區(qū)”范圍。所謂“死區(qū)”指的是由于靜摩擦力的存在使系統(tǒng)在很小的輸入下，電機(jī)克服不了這摩擦力而不能轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，還由于存在機(jī)械間隙，電機(jī)雖然轉(zhuǎn)動(dòng)，但拖板并不移動(dòng)，這些現(xiàn)象也可用“死區(qū)”來(lái)表達(dá)。設(shè)死區(qū)范圍為 a，則最低速度 Vmin，應(yīng)滿足Vmin≥a，由于 a≤dK，d 為脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）；K 為開環(huán)放大倍數(shù)，則Vmin≥dK 若取 d=0.01mm/脈沖，K=30×1/S，則最低速度Vmin≥a=30×0.01mm/min=18mm/min 伺服系統(tǒng)最高速度的選擇要考慮到機(jī)床的機(jī)械允許界限和實(shí)際加工要求，高速度固然能提高生產(chǎn)率，但對(duì)驅(qū)動(dòng)要求也就更高。此外，從系統(tǒng)控制角度看也有一個(gè)檢測(cè)與反饋的問(wèn)題，尤其是在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須考慮軟件處理的時(shí)間是否足夠。由于 fmax=fmax/d 式中：fmax 為最高速度的脈沖頻率，kHz；vmax 為最高進(jìn)給速度，mm/min；d 為脈沖當(dāng)量，mm。又設(shè) D 為調(diào)速范圍，D=vmax/vmin，得 fmax =Dvmin/d=DKd/d=DK 由于頻率的倒數(shù)就是兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間，對(duì)應(yīng)于最高頻率 fmax 的倒數(shù)則為最小的間隔時(shí)間 tmin，即tmin=1/DK。顯然，系統(tǒng)必須在 tmin 內(nèi)通過(guò)硬件或軟件完成位置檢測(cè)與控制的操作。對(duì)最高速度而言，vmax 的取值是受到 tmin 的約束。一個(gè)較好的伺服系統(tǒng)，調(diào)速范圍 D 往往可達(dá)到 800～1000。當(dāng)今最先進(jìn)的水平是在脈沖當(dāng)量 d=1 祄的條件下，進(jìn)給速度從 0～240m/min 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 15 頁(yè) 第 10 頁(yè)第四章 FANUC-15MB 數(shù)控伺服系統(tǒng)的故障診斷由于數(shù)控系統(tǒng)的控制核心是對(duì)機(jī)床的進(jìn)給部分進(jìn)行數(shù)字控制，而進(jìn)給是由伺服單元控制伺服電機(jī)，帶動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由旋轉(zhuǎn)編碼器做位置反饋元件，形成半閉環(huán)的位置控制系統(tǒng)。所以伺服系統(tǒng)的故障在數(shù)控機(jī)床上起的作用相當(dāng)重要。以下以 FANUC-15MB 數(shù)控龍門式鏜銑床為例。4.1 FANUC-15MB 數(shù)控進(jìn)給軸的伺服控制原理及故障(1)控制原理 FANUC-15MB 數(shù)控系統(tǒng)是高品質(zhì)、高性價(jià)比的 CNC 系統(tǒng)，具有豐富的控制功能，進(jìn)給伺服軸采用數(shù)字量控制，能夠?qū)崿F(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)。機(jī)床的 FANUC-15MB 數(shù)控系統(tǒng)，控制機(jī)床的 8 根進(jìn)給伺服控制軸，采用數(shù)字式全閉環(huán)伺服控制方式，其控制核心是進(jìn)給伺服軸控制系統(tǒng)的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)，機(jī)床的全閉環(huán)進(jìn)給軸伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 4-1 所示。 圖 4-1 全閉環(huán)進(jìn)給軸伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 全閉環(huán)進(jìn)給軸伺服控制系統(tǒng)是一個(gè)雙閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。速度環(huán)中用于速度反饋的檢測(cè)裝置裝在伺服電機(jī)末端，與伺服電機(jī)同軸安裝的光電式脈沖編碼器直接進(jìn)行數(shù)字測(cè)速，反饋至 CNC 系統(tǒng)的控制單元。位置控制環(huán)的位置檢測(cè)傳感器為高分辨率的金屬反射光柵尺或玻璃盤圓光柵編碼器，位置控制環(huán)主要對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸進(jìn)行高精度的位置控制，不僅對(duì)單個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)速度和位置精度的控制有嚴(yán)格的要求，而且在多軸聯(lián)動(dòng)時(shí)，要求各運(yùn)動(dòng)軸之間有很好的動(dòng)態(tài)配合，位置控制模塊除了完成理論位置(插補(bǔ)指令)與反饋的實(shí)際位置相比較的處理外，還要完成位置回路的增益調(diào)整，同時(shí)將位置偏差作為指令速度控制命令(VCMD)發(fā)往速度控制單元，由速度控制單元按 VCMD 數(shù)值大小，控制伺服電機(jī)的速度。進(jìn)給軸伺服控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)數(shù)字處理，輸出也是數(shù)字量控制，機(jī)床的進(jìn)給軸伺服控制，能夠進(jìn)行軸控制跟蹤波形的屏幕顯示，便于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)給軸伺服控制的動(dòng)態(tài)調(diào)試。 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 15 頁(yè) 第 11 頁(yè)(2) 常見故障1）工作臺(tái)振動(dòng)和爬行的故障數(shù)控龍門式鏜銑床工作臺(tái)(X 軸)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用雙蝸桿、雙齒輪和齒條驅(qū)動(dòng)，工作臺(tái)導(dǎo)軌的潤(rùn)滑采用有壓力和溫度補(bǔ)償控制組成的液壓軸承，液壓軸承的油膜厚度為 0.02～0.04mm，工作臺(tái)(X 軸)的進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)，選用海德漢(HEIDENHAIN)LB301 增量式直線金屬反射光柵尺作為 X 軸的全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的位置反饋器件，此直線光柵尺的輸出信號(hào)為 A、B 兩相的正弦波電流信號(hào)，相位差為 90°，用于產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，A、B 兩相的相位次序用以辨別 X 軸的移動(dòng)方向，并且增量式直線光柵尺全程有 1 個(gè)參考零點(diǎn)脈沖信號(hào)。當(dāng)機(jī)床在加工 50t 重(機(jī)床工作臺(tái)最大載重量為 70t)的 6 缸柴油機(jī)箱體過(guò)程中，每當(dāng)工作臺(tái)進(jìn)給啟動(dòng)時(shí)(有時(shí)在工件的加工切削過(guò)程中)，工作臺(tái)的運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)和爬行，直接影響了加工件的表面加工精度。 造成工作臺(tái)啟動(dòng)時(shí)的振動(dòng)和爬行，是與工作臺(tái)負(fù)載的變化、工作臺(tái)機(jī)械傳動(dòng)間隙、導(dǎo)軌潤(rùn)滑的液壓軸承油膜厚度、軸伺服控制系統(tǒng)的控制參數(shù)等諸多因素有關(guān)。工作臺(tái)重載時(shí)，會(huì)引起伺服電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩、導(dǎo)軌動(dòng)靜摩擦的變化，因此，要消除這些擾動(dòng)力矩對(duì)啟動(dòng)時(shí)的影響和抑制工作臺(tái)運(yùn)行時(shí)的共振，必須對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的伺服控制參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，對(duì)進(jìn)給軸伺服控制系統(tǒng)的前饋擾動(dòng)力矩進(jìn)行補(bǔ)償。首先增加數(shù)控系統(tǒng)的軸伺服控制動(dòng)靜摩擦的補(bǔ)償功能(FANUC-15MB 數(shù)控系統(tǒng)的軸伺服控制動(dòng)靜摩擦補(bǔ)償功能參數(shù)是 No1883、1964、1965、1966 等)；其次是增加伺服控制傳動(dòng)間隙補(bǔ)償功能，即軸伺服控制 250μs 加速反饋功能，數(shù)控系統(tǒng)的伺服控制參數(shù)是 No1894，以盡可能地消除前饋各種擾動(dòng)力矩。調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)的軸伺服控制參數(shù)No1825 位置增益數(shù)值(此值可影響數(shù)控機(jī)床的軸控制精度，特別在多軸聯(lián)動(dòng)時(shí))，只有使每根聯(lián)動(dòng)軸伺服控制參數(shù)的位置增益數(shù)值保持一致，才能保證工件輪廓的加工精度。對(duì)軸伺服控制參數(shù) No1855 積分增益的數(shù)值和 No1875 速度增益(負(fù)載慣量比)的數(shù)值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，特別是負(fù)載慣量比的數(shù)值，對(duì)于工作臺(tái)重載啟動(dòng)時(shí)，設(shè)定較小值可以避免出現(xiàn)工作臺(tái)啟動(dòng)時(shí)的共振現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)以上數(shù)控系統(tǒng)軸控制參數(shù)的調(diào)整，工作臺(tái)啟動(dòng)時(shí)振動(dòng)和爬行狀況明顯減少。 當(dāng)對(duì)工作臺(tái)導(dǎo)軌的直線度和平行度等重新進(jìn)行了機(jī)械調(diào)整后，使機(jī)床工作臺(tái)全程的平面度達(dá) 0.04mm/8 000mm、直線度達(dá) 0.03mm/8 000mm；同時(shí)調(diào)整導(dǎo)軌潤(rùn)滑的流量控制開關(guān)，使機(jī)床工作臺(tái)液壓軸承的油膜厚度達(dá) 0.03mm，這時(shí)，機(jī)床工作臺(tái)在 70t 工件重載啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)，X 軸的伺服控制動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤曲線較好，沒(méi)有出現(xiàn)振動(dòng)和爬行的現(xiàn)象，機(jī)床工作臺(tái)的運(yùn)行滿足了機(jī)加工的切削要求。 2）萬(wàn)能附件頭 B 軸故障 數(shù)控龍門式鏜銑床萬(wàn)能附件頭 B 軸選用海德漢(HEIDENHAIN)ROD250-18000畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 15 頁(yè) 第 12 頁(yè)增量式角度圓光柵編碼器作為 B 軸全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)位置反饋器件，此增量式角度編碼器的輸出信號(hào)為 A、B 兩相的正弦波電流信號(hào)，相位差為 90°，用于產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，A、B 兩相的相位次序用以辯別 B 軸的旋轉(zhuǎn)方向，Z 相是一轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)，作為 B 軸機(jī)械參考零點(diǎn)的位置信號(hào)，位置角度編碼器與萬(wàn)能附件頭的旋轉(zhuǎn)頭同軸安裝。 萬(wàn)能附件頭主軸齒輪拆卸更換后，對(duì) B 軸的旋轉(zhuǎn)位置角度編碼器進(jìn)行了重新安裝，當(dāng)機(jī)床開機(jī)后，B 軸“回零“找不到機(jī)械參考零點(diǎn)，并且系統(tǒng)屏幕上出現(xiàn)了 B 軸脈沖編碼器沒(méi)有連接(SV015 B PULSCODER DISCONNECT)、B 軸脈編碼器零點(diǎn)返回?zé)o效(PS200 B PULSCODER INVALID ZERO RETURN)等報(bào)警信息。經(jīng)檢查，數(shù)控機(jī)床內(nèi)的相關(guān)伺服控制參數(shù)設(shè)置無(wú)誤；在手動(dòng)方式下，萬(wàn)能附件頭 B 軸能夠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并顯示 B 軸角度的坐標(biāo)值。而產(chǎn)生報(bào)警的原因，一是由于位置角度編碼器的反饋信號(hào)控制線中，Z 相 1 根信號(hào)控制線虛焊；二是在設(shè)定的低速旋轉(zhuǎn)位置角度(30°左右)檢測(cè)范圍內(nèi)，沒(méi)有出現(xiàn) Z 相一轉(zhuǎn)零點(diǎn)脈沖信號(hào)。在重新調(diào)整 B 軸位置角度編碼器的Z 相一轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)位置后，使其出現(xiàn)在設(shè)定的低速旋轉(zhuǎn)位置角度的檢測(cè)范圍內(nèi)，并將通過(guò)測(cè)試樣棒和百分表測(cè)量出的 B 軸機(jī)械參考零點(diǎn)與機(jī)械垂直位置的角度誤差數(shù)值，輸入數(shù)控系統(tǒng)的 B 軸伺服控制參數(shù) No1850 內(nèi)，作為柵格偏移量(GRID SHIFT)。于是機(jī)床開機(jī)后附件頭 B 軸重新回零，其機(jī)械參考零點(diǎn)位置出現(xiàn)在機(jī)械垂直位置處，旋轉(zhuǎn)角度也滿足±100°的旋轉(zhuǎn)行程范圍，萬(wàn)能附件頭 B 軸恢復(fù)正常使用。4.2 FANUC-15MB 數(shù)控同步軸組的控制原理及故障(1)控制原理 FANUC-15MB 數(shù)控系統(tǒng)伺服同步軸組的控制軸一般由 2 根伺服控制軸(主動(dòng)軸和從動(dòng)軸) 組成， 2 根伺服控制軸有同步激活、同步驅(qū)動(dòng)的功能，一直處于激活的狀態(tài)，有同步運(yùn)動(dòng)的模式，所有發(fā)送到主動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)指令，在 JOG 手輪、增量運(yùn)動(dòng)、MDI 和啟動(dòng)等各種方式下，都將使從動(dòng)軸同步移動(dòng)，在系統(tǒng)屏幕上，有伺服同步軸組的軸位置數(shù)值和軸伺服動(dòng)態(tài)跟蹤數(shù)值顯示等；在同步驅(qū)動(dòng)控制中，數(shù)控系統(tǒng)一直檢查 2 根伺服軸的位置偏差(或坐標(biāo)位置的偏差)，如偏差超過(guò)伺服控制參數(shù)設(shè)定的允許值時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)會(huì)停止同步軸的運(yùn)行，并發(fā)出系統(tǒng)報(bào)警信息；可以對(duì)同步軸組中的主動(dòng)軸和從動(dòng)軸分別進(jìn)行功能補(bǔ)償(如間隙補(bǔ)償、螺距補(bǔ)償和位置交叉補(bǔ)償?shù)?，并持續(xù)有效保證機(jī)床伺服控制軸的運(yùn)動(dòng)精度。 。 (2)常見故障1）橫梁伺服同步控制軸組的故障數(shù)控龍門式鏜銑床的橫梁伺服控制軸(A、U 軸)為一組同步軸組的伺服控制軸，2 根伺服控制軸采用全閉環(huán)進(jìn)給軸伺服控制系統(tǒng)的控制方式進(jìn)行控制，橫梁伺服控畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 15 頁(yè) 第 13 頁(yè)制軸同步運(yùn)行時(shí)，A 軸為主動(dòng)軸，U 軸為從動(dòng)軸，全閉環(huán)進(jìn)給軸伺服控制系統(tǒng)選用海德漢(HEIDENHAIN)LS106 增量式直線金屬反射光柵尺作為橫梁進(jìn)給軸伺服控制系統(tǒng)的位置反饋器件。 當(dāng)機(jī)床開機(jī)后，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)對(duì)橫梁伺服控制軸進(jìn)行機(jī)械參考點(diǎn)的“回零“ 操作時(shí)，系統(tǒng)屏幕上經(jīng)常出現(xiàn) A 軸同步驅(qū)動(dòng)超差(SV028 A SYNCHRONOUS DRIVE ERROR)的報(bào)警信息。發(fā)現(xiàn) A 軸和 U 軸的伺服電機(jī)在橫梁運(yùn)行時(shí)，伺服電機(jī)實(shí)際工作電流數(shù)值較大、機(jī)械傳動(dòng)噪聲較大、機(jī)床橫梁導(dǎo)軌接觸面上的潤(rùn)滑油較少。根據(jù)機(jī)床的電氣控制原理圖，調(diào)用 FANUC-15MB 數(shù)控系統(tǒng)的可編程機(jī)床控制器(PMC-NA)梯形圖，對(duì)橫梁導(dǎo)軌的供油時(shí)間和供油間隔進(jìn)行了重新設(shè)定調(diào)整，使機(jī)床橫梁進(jìn)行“回零 “操作時(shí)，系統(tǒng)無(wú)報(bào)警，并且在橫梁運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)械傳動(dòng)噪音明顯減輕。4.3 FANUC-15MB 數(shù)控的自診斷FANUC 數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床動(dòng)作邏輯順序控制，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置的 PLC(又稱為可編程機(jī)床控制器 PMC)來(lái)完成，數(shù)控龍門式鏜銑床配置的 FANUC-15MB 數(shù)控系統(tǒng)，內(nèi)置 PLC 為 FANUC PMC-NA 控制器，數(shù)控系統(tǒng)的可編程機(jī)床控制器 (PMC-NA)最大梯形圖的步數(shù)為 16 000 步，最大 DI/DO 點(diǎn)數(shù)為 1 024/1 024 點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床ATC 裝置的控制、AAC 站附件頭更換和主軸變速齒輪更換等，均通過(guò) CNC 控制PMC 完成。 在日常的機(jī)床運(yùn)行維護(hù)中，由于相關(guān)的機(jī)床動(dòng)作邏輯順序控制不能完成，系統(tǒng)屏幕上會(huì)出現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的可編程機(jī)床控制器(PMC)的各種 EX 報(bào)警信息。根據(jù)機(jī)床的電氣控制原理圖，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控機(jī)床的顯示屏幕，調(diào)用可編程機(jī)床控制器(PMC)的梯形圖(LADDER)，查找機(jī)床相關(guān)的輸入(X)和輸出(Y)的信號(hào)狀態(tài)，調(diào)用 FANUC 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制器(CNC)輸入(G)和輸出(F)的信號(hào)狀態(tài)，通過(guò)仔細(xì)的分析，找到數(shù)控機(jī)床的機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)等器件的故障點(diǎn)，熟練地使用數(shù)控系統(tǒng)強(qiáng)大的自診斷監(jiān)控功能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)故障排除，使數(shù)控機(jī)床及時(shí)地恢復(fù)生產(chǎn)，減少機(jī)床加工時(shí)的停機(jī)時(shí)間。畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 15 頁(yè) 第 14 頁(yè)第五章 結(jié)論與建議上述幾方面對(duì)數(shù)控機(jī)床位置伺服系統(tǒng)所要求的伺服性能進(jìn)行了分析，并提出了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性指標(biāo)，該研究結(jié)果可用于伺服數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，也可用于現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的改造以提高其工作精度。作為數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，伺服系統(tǒng)的特性一直是影響系統(tǒng)加工性能的重要指標(biāo)。圍繞伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高，近年來(lái)發(fā)展了多種伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)?？梢灶A(yù)見隨著超高速切削、超精密加工、網(wǎng)絡(luò)制造等先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，具有網(wǎng)絡(luò)接口的全數(shù)字伺服系統(tǒng)、直線電動(dòng)機(jī)及高速電主軸等將成為數(shù)控機(jī)床行業(yè)的關(guān)注的熱點(diǎn)，并成為伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向。畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 15 頁(yè) 第 15 頁(yè)參考文獻(xiàn)1. 秦立高主編 . 機(jī)床維修手冊(cè) . 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，19972. 張世瑩等編 . 加工中心應(yīng)用與維修 . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19923. 劉希金主編 . 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)故障檢測(cè)與維修 . 北京. 兵器工業(yè)出版社，19954. 李世綜等編 . 機(jī)床現(xiàn)代診斷技術(shù) . 北京 . 機(jī)械工業(yè)出版社，19975. 王侃夫主編 . 數(shù)控機(jī)床故障診斷及維護(hù) . 北京 . 機(jī)械工業(yè)出版社，2000