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 第 1 頁摘 要簡要介紹了當(dāng)今世界數(shù)控伺服系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，我國數(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)國家還將數(shù)控維修列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(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)方面對我國實(shí)行封鎖和限制政策。通過在設(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 第 2 頁目 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 第 3 頁第一章 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程。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動的電機(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)動技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化的基礎(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合，機(jī)械換向器則成為直流伺服驅(qū)動技術(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)械部件所帶來的各種缺點(diǎn)，特別是交流伺服電機(jī)的過負(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)在工廠自動化（FA）等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 綜上所述，伺服系統(tǒng)將向兩個方向發(fā)展。一個是滿足一般工業(yè)應(yīng)用要求，對性能指標(biāo)要求不高的應(yīng)用場合，追求低成本、少維護(hù)、使用簡單等特點(diǎn)的驅(qū)動產(chǎn)品，如變頻電機(jī)、變頻器等。另一個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 第 4 頁的區(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。對于不同的生產(chǎn)廠家來說，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 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)的平均無故障率不斷提高。然而無論哪種系統(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)動系統(tǒng)；伺服驅(qū)動系統(tǒng)將控制指令放大，由伺服電機(jī)驅(qū)動機(jī)械按要求運(yùn)動；測量系統(tǒng)檢測機(jī)械的運(yùn)動位置或速度，并反饋到控制系統(tǒng)，來修正控制指令。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)動系統(tǒng)主要包括伺服驅(qū)動裝置和電機(jī)。位置測量系統(tǒng)主要是采用長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，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，要隨時處理生產(chǎn)過程中的各種情況，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 第 5 頁第二章 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)動的驅(qū)動設(shè)備，電動機(jī)為控制對象，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)，在自動控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動機(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)動機(jī)械的運(yùn)動要求。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，由電動機(jī)和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)床坐標(biāo)軸、主軸等，帶動工作臺及刀架，通過軸的聯(lián)動使刀具相對工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動，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)來看，伺服系統(tǒng)主要由三部分組成：控制器、功率驅(qū)動裝置、反饋裝置和電動機(jī)?？刂破靼凑諗?shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測的實(shí)際運(yùn)行值的差，調(diào)節(jié)控制量；功率驅(qū)動裝置作為系統(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機(jī)之上，調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，另一方面按電動機(jī)的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動機(jī)所需的交流電或直流電；電動機(jī)則按供電大小拖動機(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)在檢測信號的反饋形式上，以帶編碼器的伺服電動機(jī)為例：1. 方式一（見附圖 2-1）轉(zhuǎn)速反饋信號與位置反饋信號處理分離，驅(qū)動裝置與數(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)動模塊和 IFT5 伺服電動機(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)動單元的伺服系統(tǒng)，伺服電動機(jī)上的脈沖編碼器降檢測信號直接反饋于數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)位置處理和速度處理，輸出速度控制信號、速度反饋信號及使能信號至驅(qū)動單元 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 第 6 頁伺服電動機(jī)上的編碼器同樣作為速度和位置檢測，檢測信號經(jīng)伺服驅(qū)動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)動裝置具有通用性。如圖 2-3 為由 MR-J2 伺服驅(qū)動單元和伺服電動機(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)動電動機(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)?？紤]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)為控制對象，產(chǎn)生機(jī)床的切削進(jìn)給運(yùn)動。為此，要求進(jìn)給伺服能快速調(diào)節(jié)坐標(biāo)軸的運(yùn)動速度，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、動態(tài)響應(yīng)快。根據(jù)系統(tǒng)使用的電動機(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進(jìn)行控制，并將脈沖信號轉(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，通過改變脈沖頻率可調(diào)節(jié)電動機(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)立的兩個變量主磁通與電樞電流，它們分別控制勵磁電流與電樞電流，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)控制簡單，調(diào)速性能優(yōu)異，在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動中曾占據(jù)著主導(dǎo)地位。畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 15 頁 第 7 頁（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)在三個方面。一是系統(tǒng)功率驅(qū)動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)動方式（Direct Drive），與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)傳動方式相比，最大特點(diǎn)是取消了電動機(jī)到工作臺間的一切機(jī)械中間傳動環(huán)節(jié)，即把機(jī)床進(jìn)給傳動鏈的長度縮短為零。這種“零傳動”方式，帶來了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式無法達(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 第 8 頁第三章 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)動系統(tǒng)和反饋檢測系統(tǒng) 3 部分組成。數(shù)控機(jī)床對位置系統(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)、動態(tài)特性。對閉環(huán)系統(tǒng)來說，總希望系統(tǒng)有較高的動態(tài)精度，即當(dāng)系統(tǒng)有一個較小的位置誤差時，機(jī)床移動部件會迅速反應(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，另一方面是對位置檢測元件提出精度的要求。因?yàn)樵陂]環(huán)控制系統(tǒng)中，對于檢測元件本身的誤差和被檢測量的偏差是很難區(qū)分出來的，反饋檢測元件的精度對系統(tǒng)的精度常常起著決定性的作用。可以說，數(shù)控機(jī)床的加工精度主要由檢測系統(tǒng)的精度決定。位移檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位移量稱做分辨率。分辨率不僅取決于檢測元件本身，也取決于測量線路。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，必須精心選用檢測元件。所選擇的測量系統(tǒng)的分辨率或脈沖當(dāng)量，一般要求比加工精度高一個數(shù)量級?？傊?，高精度的控制系統(tǒng)必須有高精度的檢測元件作為保證。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 K 值的增大對系統(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 第 9 頁3.3 寬范圍調(diào)速在數(shù)控機(jī)床的加工中，伺服系統(tǒng)為了同時滿足高速快移和單步點(diǎn)動，要求進(jìn)給驅(qū)動具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。單步點(diǎn)動作為一種輔助工作方式常常在工作臺的調(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。此外，還由于存在機(jī)械間隙，電機(jī)雖然轉(zhuǎn)動，但拖板并不移動，這些現(xiàn)象也可用“死區(qū)”來表達(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，但對驅(qū)動要求也就更高。此外，從系統(tǒng)控制角度看也有一個檢測與反饋的問題，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)就是兩個脈沖的間隔時間，對應(yīng)于最高頻率 fmax 的倒數(shù)則為最小的間隔時間 tmin，即tmin=1/DK。顯然，系統(tǒng)必須在 tmin 內(nèi)通過硬件或軟件完成位置檢測與控制的操作。對最高速度而言，vmax 的取值是受到 tmin 的約束。一個較好的伺服系統(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 第 10 頁第四章 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)，帶動滾珠絲杠來實(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。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)字測速，反饋至 CNC 系統(tǒng)的控制單元。位置控制環(huán)的位置檢測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)主要對機(jī)床的運(yùn)動坐標(biāo)軸進(jìn)行高精度的位置控制，不僅對單個軸的運(yùn)動速度和位置精度的控制有嚴(yán)格的要求，而且在多軸聯(lián)動時，要求各運(yùn)動軸之間有很好的動態(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)場進(jìn)行進(jìn)給軸伺服控制的動態(tài)調(diào)試。 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 15 頁 第 11 頁(2) 常見故障1）工作臺振動和爬行的故障數(shù)控龍門式鏜銑床工作臺(X 軸)的驅(qū)動系統(tǒng)采用雙蝸桿、雙齒輪和齒條驅(qū)動，工作臺導(dǎo)軌的潤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(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為 A、B 兩相的正弦波電流信號，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 軸的移動方向，并且增量式直線光柵尺全程有 1 個參考零點(diǎn)脈沖信號。當(dāng)機(jī)床在加工 50t 重(機(jī)床工作臺最大載重量為 70t)的 6 缸柴油機(jī)箱體過程中，每當(dāng)工作臺進(jìn)給啟動時(有時在工件的加工切削過程中)，工作臺的運(yùn)行會出現(xiàn)振動和爬行，直接影響了加工件的表面加工精度。 造成工作臺啟動時的振動和爬行，是與工作臺負(fù)載的變化、工作臺機(jī)械傳動間隙、導(dǎo)軌潤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)。工作臺重載時，會引起伺服電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩、導(dǎo)軌動靜摩擦的變化，因此，要消除這些擾動力矩對啟動時的影響和抑制工作臺運(yùn)行時的共振，必須對數(shù)控系統(tǒng)的伺服控制參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，對進(jìn)給軸伺服控制系統(tǒng)的前饋擾動力矩進(jìn)行補(bǔ)償。首先增加數(shù)控系統(tǒng)的軸伺服控制動靜摩擦的補(bǔ)償功能(FANUC-15MB 數(shù)控系統(tǒng)的軸伺服控制動靜摩擦補(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)動時)，只有使每根聯(lián)動軸伺服控制參數(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，對于工作臺重載啟動時，設(shè)定較小值可以避免出現(xiàn)工作臺啟動時的共振現(xiàn)象。經(jīng)過以上數(shù)控系統(tǒng)軸控制參數(shù)的調(diào)整，工作臺啟動時振動和爬行狀況明顯減少。 當(dāng)對工作臺導(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)床工作臺全程的平面度達(dá) 0.04mm/8 000mm、直線度達(dá) 0.03mm/8 000mm；同時調(diào)整導(dǎo)軌潤滑的流量控制開關(guān)，使機(jī)床工作臺液壓軸承的油膜厚度達(dá) 0.03mm，這時，機(jī)床工作臺在 70t 工件重載啟動和運(yùn)行時，X 軸的伺服控制動態(tài)實(shí)時跟蹤曲線較好，沒有出現(xiàn)振動和爬行的現(xiàn)象，機(jī)床工作臺的運(yùn)行滿足了機(jī)加工的切削要求。 2）萬能附件頭 B 軸故障 數(shù)控龍門式鏜銑床萬能附件頭 B 軸選用海德漢(HEIDENHAIN)ROD250-18000畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 15 頁 第 12 頁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為 A、B 兩相的正弦波電流信號，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，作為 B 軸機(jī)械參考零點(diǎn)的位置信號，位置角度編碼器與萬能附件頭的旋轉(zhuǎn)頭同軸安裝。 萬能附件頭主軸齒輪拆卸更換后，對 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)置無誤；在手動方式下，萬能附件頭 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)生報警的原因，一是由于位置角度編碼器的反饋信號控制線中，Z 相 1 根信號控制線虛焊；二是在設(shè)定的低速旋轉(zhuǎn)位置角度(30°左右)檢測范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn) Z 相一轉(zhuǎn)零點(diǎn)脈沖信號。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)位置角度的檢測范圍內(nèi)，并將通過測試樣棒和百分表測量出的 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(主動軸和從動軸) 組成， 2 根伺服控制軸有同步激活、同步驅(qū)動的功能，一直處于激活的狀態(tài)，有同步運(yùn)動的模式，所有發(fā)送到主動軸的運(yùn)動指令，在 JOG 手輪、增量運(yùn)動、MDI 和啟動等各種方式下，都將使從動軸同步移動，在系統(tǒng)屏幕上，有伺服同步軸組的軸位置數(shù)值和軸伺服動態(tài)跟蹤數(shù)值顯示等；在同步驅(qū)動控制中，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)，如偏差超過伺服控制參數(shù)設(shè)定的允許值時，數(shù)控系統(tǒng)會停止同步軸的運(yùn)行，并發(fā)出系統(tǒng)報警信息；可以對同步軸組中的主動軸和從動軸分別進(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 第 13 頁制軸同步運(yùn)行時，A 軸為主動軸，U 軸為從動軸，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)對橫梁伺服控制軸進(jìn)行機(jī)械參考點(diǎn)的“回零“ 操作時，系統(tǒng)屏幕上經(jīng)常出現(xiàn) A 軸同步驅(qū)動超差(SV028 A SYNCHRONOUS DRIVE ERROR)的報警信息。發(fā)現(xiàn) A 軸和 U 軸的伺服電機(jī)在橫梁運(yùn)行時，伺服電機(jī)實(shí)際工作電流數(shù)值較大、機(jī)械傳動噪聲較大、機(jī)床橫梁導(dǎo)軌接觸面上的潤滑油較少。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，對橫梁導(dǎo)軌的供油時間和供油間隔進(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，系統(tǒng)無報警，并且在橫梁運(yùn)行過程中，機(jī)械傳動噪音明顯減輕。4.3 FANUC-15MB 數(shù)控的自診斷FANUC 數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床動作邏輯順序控制，通過數(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 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)床動作邏輯順序控制不能完成，系統(tǒng)屏幕上會出現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的可編程機(jī)床控制器(PMC)的各種 EX 報警信息。根據(jù)機(jī)床的電氣控制原理圖，通過現(xiàn)場數(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)的信號狀態(tài)，通過仔細(xì)的分析，找到數(shù)控機(jī)床的機(jī)械、電氣、液壓、氣動等器件的故障點(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)場故障排除，使數(shù)控機(jī)床及時地恢復(fù)生產(chǎn)，減少機(jī)床加工時的停機(jī)時間。畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 15 頁 第 14 頁第五章 結(jié)論與建議上述幾方面對數(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)動態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高，近年來發(fā)展了多種伺服驅(qū)動技術(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 第 15 頁參考文獻(xiàn)1. 秦立高主編 . 機(jī)床維修手冊 . 北京：國防工業(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 . 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