數(shù)控機(jī)床進(jìn)給精度典型故障維修方案設(shè)計(jì)西門子系統(tǒng)(802D)

1、南京工程學(xué)院工業(yè)中心畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）目錄前 言1第一章 緒 論21.1課題研究的目的和意義21.2 數(shù)控機(jī)床故障診斷21.3本文主要研究內(nèi)容4第二章 什么是數(shù)控機(jī)床進(jìn)給精度52.1 數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修基礎(chǔ)52.2影響伺服系統(tǒng)進(jìn)給精度原因52.3數(shù)控機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)故障62.4 電氣系統(tǒng)故障診斷方法8第三章 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)93.1 伺服電機(jī)的分類93.2伺服電機(jī)的選型113.3伺服控制原理15第四章 伺服調(diào)試與優(yōu)化184.1 伺服驅(qū)動(dòng)器的配置184.1.1 SIMODRIVE 611 U通用型驅(qū)動(dòng)器184.2伺服調(diào)試工具SimoCom U234.2.1 SimoCom U軟件的基本

2、功能244.2.2 伺服驅(qū)動(dòng)參數(shù)設(shè)定244.3伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的優(yōu)化284.4數(shù)控機(jī)床在線診斷304.4.1伺服系統(tǒng)跟隨誤差的產(chǎn)生314.4.2 位置環(huán)增益對加工輪廓的影響31第五章 典型故障分析345.1機(jī)械傳動(dòng)故障檢測和電機(jī)負(fù)載率345.2 配重和液壓平衡缸395.3 靜摩擦力對精度的影響415.4 抱閘故障415.5 結(jié)束語42第六章 小結(jié)與展望436.1小結(jié)436.2創(chuàng)新與展望436.2.1創(chuàng)新436.2.2展望43致謝45參考文獻(xiàn)46II前 言畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生在校期間一個(gè)重要的綜合型實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，是成的一份總結(jié)性的大作業(yè)。它的目的在于培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程技術(shù)問題的獨(dú)立工

3、作能力，拓寬和深化學(xué)生的知識(shí); 幫助學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)構(gòu)思和創(chuàng)新思維，掌握工程設(shè)計(jì)的一般程序規(guī)范和方法，準(zhǔn)確使用技術(shù)資料、國家標(biāo)準(zhǔn)等手冊、圖冊工具書進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，數(shù)據(jù)處理，編寫技術(shù)文件等方面的工作能力; 引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行調(diào)查研究，面向?qū)嶋H，面向生產(chǎn)，向工人和技術(shù)人員學(xué)習(xí)的基本工作態(tài)度，工作作風(fēng)和工作方法。 通過四年多來對數(shù)控專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)和一段時(shí)間的實(shí)習(xí)，在一定程度上積累相關(guān)驗(yàn)和方法，可以實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)控維修，利用這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)可以更好的鍛煉自己的才能，鞏固所學(xué)的知識(shí)，發(fā)現(xiàn)并解決遺留下來的問題，彌補(bǔ)知識(shí)缺陷，這樣就達(dá)到了自己預(yù)期設(shè)定的目標(biāo)。本課題能使數(shù)控技業(yè)學(xué)生得到較充分的鍛煉。有利于

4、提高畢業(yè)生的就業(yè)競爭力。畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書是高等院校畢業(yè)生提交的一篇論文，是大學(xué)生完成學(xué)業(yè)的標(biāo)志性作業(yè)，是對學(xué)習(xí)成果的綜合性總結(jié)和檢閱，是我院工科學(xué)生從事工程設(shè)計(jì)的最初嘗試，是在教師指導(dǎo)下所取得的實(shí)際成果的文字記錄，也是檢驗(yàn)學(xué)生對知識(shí)的長我程度，分析問題和解決問題基本能力的一份綜合答卷。 因?yàn)槭浅醮卧O(shè)計(jì)，所以其中難免會(huì)有疏漏和錯(cuò)誤，懇請老師幫助指正。學(xué)生：王凱第一章 緒 論1.1課題研究的目的和意義數(shù)控機(jī)床是機(jī)械制造業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備，自上世紀(jì)八十年代以來，我國花巨資從美、口、德等世界發(fā)達(dá)國家引進(jìn)了大量的數(shù)控機(jī)床，這些機(jī)床在我國能源裝備、航空航天、國防軍事、機(jī)械工業(yè)及科學(xué)研究等國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的諸多領(lǐng)域用于

5、加工制造大型、薄壁、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精密零件，其應(yīng)用大大提高了我國制造業(yè)的水平和企業(yè)的生產(chǎn)效率。然而數(shù)控機(jī)床長期在高速、變載、大位移等工況下運(yùn)行，振動(dòng)、沖擊、摩擦、磨損等因素都會(huì)對其傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致主軸、軸承、絲杠及導(dǎo)軌等部件發(fā)生故障，甚至引發(fā)設(shè)備性能的異變。其結(jié)果一方面使數(shù)控機(jī)床的精度降低，影響工件的加工質(zhì)量甚至出現(xiàn)廢品;另一方面會(huì)造成機(jī)床可靠性降低、壽命縮短甚至報(bào)廢，給國家和企業(yè)將造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，開展數(shù)控機(jī)床故障診斷技術(shù)與方法研究，為數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)提供理論指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的預(yù)防維護(hù)和預(yù)知維修，保證其正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，是目前急待解決的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。目前數(shù)控機(jī)

6、床日益向自動(dòng)化、復(fù)雜化、大型化、連續(xù)化和高速化的方向發(fā)展，對數(shù)控機(jī)床的診斷技術(shù)的要求越來越高。開展數(shù)控機(jī)床故障診斷的應(yīng)用基礎(chǔ)理論與基本方法研究，使我國數(shù)控機(jī)床在狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、預(yù)防維護(hù)等方面的理論方法與設(shè)計(jì)制造同步發(fā)展，對于提高我國自主研發(fā)數(shù)控機(jī)床的科技水平和國際競爭力具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值，符合我國基礎(chǔ)裝備發(fā)展的戰(zhàn)略需求。綜上所述，應(yīng)用先進(jìn)的故障診斷技術(shù)(或系統(tǒng))對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行診斷，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)器故障，消除事故隱患和預(yù)防設(shè)備惡性事故的發(fā)生，并目，隨著高新技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床故障診斷技術(shù)將不斷完善和日趨成熟。1.2 數(shù)控機(jī)床故障診斷生產(chǎn)中影響數(shù)控機(jī)床定位精度的因素有很多，本文主要

7、對伺服進(jìn)給系統(tǒng)、生產(chǎn)現(xiàn)場、熱誤差、機(jī)床設(shè)計(jì)、工藝及導(dǎo)軌幾何精度等幾個(gè)方而對精度的影響進(jìn)行分析。近年來數(shù)控機(jī)床得到了廣泛的應(yīng)用，越來越多的加工任務(wù)由普通加床轉(zhuǎn)到高速、高精度的數(shù)控機(jī)床上來完成。數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)過程中逐步起到了主導(dǎo)的作用，特別是在汽車工業(yè)，航天航空制造以及磨具制造中已成為必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。一旦數(shù)控機(jī)床在使用過程中出現(xiàn)問題，導(dǎo)致停機(jī)，勢必影響生產(chǎn)，不僅更換備件需要費(fèi)用，更重要的是停機(jī)造成停產(chǎn)而帶來的直接經(jīng)濟(jì)損失。如何快速診斷并排除故障，減少停機(jī)時(shí)間，已成為在數(shù)控機(jī)床使用過程中被普遍關(guān)注的問題。數(shù)控機(jī)床使用過程中，通常出現(xiàn)故障包括機(jī)械故障和電氣故障，有些故障可以恢復(fù)，而有些則不可恢復(fù)。

8、當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，需要快速、準(zhǔn)確地診斷、定位并解決故障。盡管數(shù)控系統(tǒng)具備診斷功能，并且機(jī)床制造廠也為機(jī)床關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)了診斷功能，但要正確地解決某些故障，還是有一定的難度，需要具備較高的技術(shù)背景及綜合分析能力，特別是當(dāng)電氣部件出現(xiàn)故障，數(shù)控系統(tǒng)的診斷功能不能發(fā)揮作用時(shí)，要確診故障部位，往往更為復(fù)雜。數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)了故障，檢查機(jī)床的 機(jī)械、電氣系統(tǒng)，維修或更換機(jī)械、電氣部件，使數(shù)控機(jī)床恢復(fù)運(yùn)行是通常采用的故障診斷過程。在診斷過程中，各種線索對于確定故障的部位、分析故障的原因都是十分有益的。這些線索包括視覺觀察的現(xiàn)象，如工件的表面粗糙度；測量的結(jié)果；數(shù)控系統(tǒng)提供的文字報(bào)警信息；還有機(jī)床制造廠設(shè)計(jì)的用戶報(bào)警

9、信息。在上述各種線索中，感官信息的分析需要機(jī)床維護(hù)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。數(shù)控系統(tǒng)提供的報(bào)警信息只覆蓋了數(shù)控系統(tǒng)中的智能部件，以及能夠通信的電氣部件，如編碼器的位置、驅(qū)動(dòng)器的電流、坐標(biāo)軸的急速信息等。機(jī)床制造廠設(shè)計(jì)的診斷可覆蓋機(jī)床各個(gè)電氣部件，如接觸器、繼電器等。數(shù)控機(jī)床是一個(gè)精密的機(jī)電一體化產(chǎn)品。它是一個(gè)由精密機(jī)械部件，如滾珠絲杠、高精度導(dǎo)軌、精密軸承、主軸以及復(fù)雜電氣部件（包括數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置和伺服電機(jī)及精密測量系統(tǒng)）。數(shù)控機(jī)床的誕生經(jīng)歷了設(shè)計(jì)、調(diào)試、樣機(jī)的試制、定型設(shè)計(jì)、批量生產(chǎn)等過程，在上述每一個(gè)過程中，如果考慮不周，都有可能埋下故障隱患。而當(dāng)機(jī)床在用戶的生產(chǎn)現(xiàn)場投入運(yùn)行后，現(xiàn)場使用環(huán)境，如

10、高溫高濕、粉塵、電網(wǎng)質(zhì)量、接地等環(huán)節(jié)，同樣會(huì)產(chǎn)生故障隱患。所以，全面了解機(jī)床的技術(shù)參數(shù)、各種故障隱患的生成條件，就可以更加主動(dòng)地避免故障的發(fā)生，確保數(shù)控機(jī)床能夠最大限度地發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益，使之創(chuàng)造更多的價(jià)值。1.3本文主要研究內(nèi)容本文在汲取國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床故障診斷研究成果的基礎(chǔ)上，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了深入的研究：（1）研究數(shù)控機(jī)床（西門子系統(tǒng)）的進(jìn)給的機(jī)械結(jié)構(gòu)，位置控制原理，精度相關(guān)因素。（2）學(xué)習(xí)伺服軟件，調(diào)試和優(yōu)化，分析傳動(dòng)鏈故障分析，伺服參數(shù)故障。（3）提出數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，典型故障的模擬，設(shè)計(jì)診斷框圖。論文的具體安排如下：第一章 介紹本課題研究的目的和意義，分析數(shù)控機(jī)床故

11、障診斷，提出本文的主要研究內(nèi)容。第二章 介紹數(shù)控機(jī)床機(jī)械和電氣系統(tǒng)等產(chǎn)生精度故障分析。第三章 伺服原理，伺服電動(dòng)機(jī)選型， 位置控制理論。第四章 伺服調(diào)試，速度環(huán)調(diào)試，位置環(huán)調(diào)試，利用在線檢測和SIMOCOM U軟件進(jìn)行診斷。第五章 典型進(jìn)給精度故障診斷、維修實(shí)例。第六章 總結(jié)全文工作。第二章 什么是數(shù)控機(jī)床進(jìn)給精度2.1 數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修基礎(chǔ)數(shù)控機(jī)床作為一種典型機(jī)電液一體化的產(chǎn)品，要對其做到維修，必須要對其整體非常了解并且站在設(shè)計(jì)者的角度去思考，才會(huì)由一個(gè)故障現(xiàn)象很快想到最大可能引起故障的原因，從根本上解決故障。2.2影響伺服系統(tǒng)進(jìn)給精度原因數(shù)控車床加工數(shù)控機(jī)床主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，因主軸潤滑

12、不足、潤滑油太粘稠以及主軸加工、安裝等因素，都會(huì)引起主軸軸承溫度升高.主軸軸承溫度過高，會(huì)引起材料膨脹，導(dǎo)致機(jī)械間隙變小而出現(xiàn)噪音和機(jī)械損傷。數(shù)控機(jī)床可用測量法對主軸軸承溫度進(jìn)行監(jiān)測.通過測量主軸軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中的溫升，來了解主軸軸承是否正常.軸承溫度一般限制在溫度升高不超過45，監(jiān)測中若發(fā)現(xiàn)軸承的溫度超過70-80，應(yīng)立即停機(jī)檢查。在機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)中總是存在有間隙，有間隙而未做補(bǔ)償，會(huì)直接影響進(jìn)給的伺服精度。在機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)中，NC指令移動(dòng)值和運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際移動(dòng)值的差值即間隙的存在一般是由下述幾種原因造成的：1、軸承間隙；2、滾動(dòng)絲杠付間的間隙及絲杠的彎曲振動(dòng)。在數(shù)控車床加工出廠前，廠家都會(huì)仔細(xì)的

13、測量進(jìn)給系統(tǒng)的間隙值，并進(jìn)行補(bǔ)償，但是，機(jī)床在經(jīng)長期使用后，由于磨損等原因，補(bǔ)償量就不適當(dāng)了。當(dāng)其影響到加工精度時(shí)，就需要用戶自己重新進(jìn)行間隙補(bǔ)償量的設(shè)定。間隙補(bǔ)償量可以根據(jù)記錄在數(shù)控裝置中的參數(shù)進(jìn)行再設(shè)定，關(guān)于變更參數(shù)的詳細(xì)說明，請參考數(shù)控系統(tǒng)的使用說明書。那么間隙測定的方法是怎樣的呢?1、使運(yùn)動(dòng)部件從停留位置向負(fù)方向快速移動(dòng)50mm；2、把百分表觸頭對準(zhǔn)移動(dòng)部件的正側(cè)一方，并使表針對零；3、使運(yùn)動(dòng)部件從停留位置再向負(fù)方向快速移動(dòng)50mm；4、使運(yùn)動(dòng)部件從新的停留位置再向正方向快速移動(dòng)50mm；5、數(shù)控車床加工讀出此時(shí)百分表的值，此值叫做反向偏差，包括了傳動(dòng)鏈中的總間隙，反映了其傳動(dòng)系統(tǒng)的精

14、度。2.3數(shù)控機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)故障反向間隙誤差與絲杠螺距誤差數(shù)控機(jī)床基本都是以伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠進(jìn)行位置控制，因此滾珠絲杠的傳動(dòng)誤差就成為了影響機(jī)床定位精度的重要因素。而對于大多數(shù)數(shù)控進(jìn)程采用的都是半閉環(huán)控制伺服進(jìn)給系統(tǒng)，機(jī)械傳動(dòng)裝置的剛性、摩擦阻尼等非線性因素和傳動(dòng)間隙等都屬于系統(tǒng)以外。因此，對于同一方向的各定位點(diǎn)來說，由于不存在間隙誤差的影響，他們之間的定位可以很好的反應(yīng)出絲杠本身制造精度引起的螺距不等；在絲杠向其相反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，空隙會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間的空運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)絲杠與絲杠副之間、軸承與軸承座之間的空隙稱為反向間隙誤差。在外力的作用下，傳動(dòng)、運(yùn)動(dòng)部件會(huì)發(fā)生一定的彈性變形，造成的誤差是其

15、與反向間隙的總和，由于部件受力及運(yùn)動(dòng)過程的不均勻，都會(huì)導(dǎo)致彈性間隙發(fā)生大范圍的變化，嚴(yán)重影響設(shè)備的精度。全閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)誤差理論上來講，全閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)是不存在反向間隙誤差和螺距誤差的。但在實(shí)際中，這兩種誤差依然存在，只是形式發(fā)生了轉(zhuǎn)化。在系統(tǒng)中傳動(dòng)部件的機(jī)械間隙，反應(yīng)到實(shí)際的誤差上就是使光柵等感應(yīng)原件按照造成的反向失動(dòng)，而由于滾珠絲杠制造誤差以及機(jī)床加工工件不一致而導(dǎo)致的不均勻磨損而引起的絲杠螺距不均勻，在在光柵尺的精度中得到體現(xiàn)。致使機(jī)床位置檢測回路用時(shí)過長而造成跟蹤誤差過大，從而影響定位的精度。生產(chǎn)現(xiàn)場的影響分析 在車間，各種干擾對數(shù)控機(jī)床精度的影響也是一個(gè)不容忽視的問題，而這些干擾主要

16、來自于電網(wǎng)電源的引入，主要包括如下幾點(diǎn)。 （1）電磁波干擾。在工廠中，電火花、高頻電源、震蕩電路往往容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁波，而這種電磁波所輻射的能力通過空間傳播被附近的數(shù)控機(jī)床所接收，容易造成數(shù)控系統(tǒng)或機(jī)床本身的故障。 （2）電壓波動(dòng)的干擾。數(shù)控機(jī)床都有其所對應(yīng)的電壓輸入范圍，當(dāng)超壓或欠壓時(shí)都會(huì)引起系統(tǒng)電源板中電壓監(jiān)控的報(bào)警，從而停止工作電壓。（3）大電感的干擾。電感器在斷電時(shí)要將存儲(chǔ)器的磁能釋放出來，在電網(wǎng)中形成高頻峰值脈沖，特別是高頻窄脈沖干擾嚴(yán)重，而且因?yàn)樗俣瓤觳粫?huì)引起電壓監(jiān)控的反應(yīng)，但卻容易引起系統(tǒng)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤。熱誤差對定位精度的影響 在理論上，熱誤差是影響數(shù)控機(jī)床定位精度的最重要的原

17、因之一，通過資料顯示，由于熱變形而引起的誤差可以到達(dá)整個(gè)系統(tǒng)誤差的40%70%。但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于各種溫度補(bǔ)償措施的應(yīng)用，熱誤差對定位精度的影響卻是微乎其微的。在這里簡的介紹下其影響的原理，以便在遇到類似情況時(shí)，可以做出正確的選擇。在工作中，不同部件之間發(fā)生相對位移時(shí)，會(huì)在接觸區(qū)發(fā)生摩擦以及各種電器元件會(huì)產(chǎn)生大量熱量，從而引起機(jī)床結(jié)構(gòu)的變形。主要表現(xiàn)在兩個(gè)力一面：一是構(gòu)件受熱膨脹導(dǎo)致線彈性尺寸的偏差；二是由于結(jié)構(gòu)的不對稱性而引起的機(jī)構(gòu)扭曲變形。而且這種誤差非常大，比如1600mm坐標(biāo)行程上，由于溫度變化的影響可以引起0.184mm的誤差。導(dǎo)軌精度對機(jī)床精度的影響床身導(dǎo)軌是裝在機(jī)床床身上的、是

18、測量機(jī)床各項(xiàng)幾何精度和反應(yīng)加工精度的基準(zhǔn)面。無論在任何時(shí)候，這個(gè)基準(zhǔn)面都應(yīng)保證刀具運(yùn)動(dòng)的直線性精度，使刀具獲得均勻而平穩(wěn)的直線送進(jìn)，同時(shí)還要保證其他各有關(guān)運(yùn)動(dòng)及有關(guān)安裝表面同溜板運(yùn)動(dòng)保持相對位置的準(zhǔn)確性。導(dǎo)軌的幾何精度決定運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)精度，從而影響被加工零件的幾何精度，因此，機(jī)床的許多性能都受到導(dǎo)軌精度的影響；同時(shí)，機(jī)床床身導(dǎo)軌還是承受刀架等工作部件的零件，在機(jī)床工作時(shí)，工作部件在導(dǎo)軌上來回移動(dòng)。因此，導(dǎo)軌表面的制造質(zhì)量及導(dǎo)軌副的摩擦性能，也將直接影響部件的運(yùn)動(dòng)性能，如果不能滿足要求，勢必會(huì)使運(yùn)動(dòng)部件難以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)無爬行的低速運(yùn)動(dòng)和精確定位。當(dāng)精度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)引起導(dǎo)軌誤差，誤差的項(xiàng)目包括：（

19、1）導(dǎo)軌在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)的直線度誤差；（2）前后導(dǎo)軌在垂直而內(nèi)的平行度(扭曲度)誤差。機(jī)床的設(shè)計(jì)對于數(shù)控機(jī)床的床身設(shè)計(jì)也是關(guān)乎機(jī)床進(jìn)給進(jìn)度的重要因素。數(shù)控機(jī)床精度是指機(jī)床主要部件的形狀、相互位置及其相對運(yùn)動(dòng)的精確程度。在設(shè)計(jì)階段主要從機(jī)床的精度分配、原件材料選擇等方面來提高機(jī)床的精度。特別對于機(jī)床電機(jī)要與機(jī)床所能帶的載荷匹配等一系列機(jī)床設(shè)計(jì)。機(jī)床工藝 對于比如電機(jī)安裝位置，導(dǎo)軌位置等一系列機(jī)床工藝也是關(guān)系機(jī)床精度的重要問題。當(dāng)電機(jī)不與主軸平行時(shí)，就會(huì)在聯(lián)軸器上產(chǎn)生多余載荷是加工過程出現(xiàn)不穩(wěn)定。2.4 電氣系統(tǒng)故障診斷方法1.直觀法這是分析故障最初采用的方法,就是利用感官的檢查。 它主要是利

20、用人的感官對故障發(fā)生時(shí)的各種光、聲、味等異?，F(xiàn)象的觀察以及察看系統(tǒng)的每一處,遵循“先外后內(nèi)”的原則,診斷故障采用望、聞、問、摸等方法,由外向內(nèi)逐一檢查,往往可將故障范圍縮小到一個(gè)模塊或一塊印刷線路板。這要求維修人員具有豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),要有多學(xué)科的較寬的知識(shí)和綜合判斷的能力。 2.接口狀態(tài)檢查法現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)多將PLC集成于其中,而CNC與PLC之間則以一系列接口信號(hào)形式相互通訊聯(lián)接。有些故障是與接口信號(hào)錯(cuò)誤或丟失相關(guān)的,這些接口信號(hào)有的可以在相應(yīng)的接口板和輸入/輸出板上有指示燈顯示,有的可以通過簡單操作在CRT屏幕上顯示,而所有的接口信號(hào)都可以用PLC編程器或者相應(yīng)的PC調(diào)出。這種檢查方法要求維

21、修人員既要熟悉本機(jī)床的接口信號(hào),又要熟悉PLC編程器的應(yīng)用。 3.參數(shù)調(diào)整法眾所周知,數(shù)控參數(shù)能直接影響數(shù)控機(jī)床的性能。數(shù)控系統(tǒng)、PLC及伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都設(shè)置許多可修改的參數(shù)以適應(yīng)不同機(jī)床、不同工作狀態(tài)的要求。這些參數(shù)不僅能使各電氣系統(tǒng)與具體機(jī)床相匹配,而且更是使機(jī)床各項(xiàng)功能達(dá)到最佳化所必需的。因此,任何參數(shù)的變化甚至丟失都是不允許的;而隨機(jī)床的長期運(yùn)行所引起的機(jī)械或電氣性能的變化會(huì)打破最初的匹配狀態(tài)和最佳化狀態(tài)。此類故障多需要重新調(diào)整相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)方可排除。這種方法對維修人員的要求是很高的,不僅要對具體系統(tǒng)主要參數(shù)十分了解,既知曉其地址熟悉其作用,而且要有較豐富的電氣調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。 4.交換

22、法是一種簡單易行的方法。當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障或者不能確定是否故障板而又沒有備件的情況下,可以將系統(tǒng)中相同或相兼容的兩個(gè)板互換檢查。在交換前一定要注意所要模板是否完好,而且狀態(tài)是否一致,故不僅硬件接線要正確交換,還要將一系列相應(yīng)的參數(shù)交換,否則不僅達(dá)不到目的,反而會(huì)產(chǎn)生新的故障造成思維的混亂,一定要事先考慮周全,設(shè)計(jì)好軟、硬件交換方案,準(zhǔn)確無誤再行交換檢查。第三章 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)裝置、位置檢測裝置等組成。從控制的角度來說，一般電氣伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為三閉環(huán)控制。進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)有以下幾部分組成：位置控制單元、速度控制單元、驅(qū)動(dòng)元件（電動(dòng)機(jī)）、檢測與反饋單元和機(jī)械執(zhí)行部件

23、，如圖3-1所示。圖3-1 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服基本組成帶有數(shù)字調(diào)節(jié)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都屬于伺服系統(tǒng)。進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)不僅是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要組成部分，也是數(shù)控機(jī)床區(qū)別于一般機(jī)床的特殊部分。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)可歸納為：定位精度高，跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好。3.1 伺服電機(jī)的分類伺服電機(jī)是數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部件。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)因此驅(qū)動(dòng)也是數(shù)控機(jī)床的性能保證。伺服電機(jī)不僅具有恒定輸出轉(zhuǎn)矩的特性，即在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可輸出恒定轉(zhuǎn)矩，而且具有非常強(qiáng)的過載能力。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對應(yīng)

24、的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)?，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。無刷電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易

25、實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。交流伺服電機(jī)也是無刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，目前運(yùn)動(dòng)控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用。 伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用

26、作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。交流伺服電動(dòng)機(jī)定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)相似.其定子上裝有兩個(gè)位置互差90°的繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組Rf，它始終接在交流電壓Uf上；另一個(gè)是控制繞組L，聯(lián)接控制信號(hào)電壓Uc。所以交流伺服電動(dòng)機(jī)又稱兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)。 交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機(jī)械特性，無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能，它與普通電動(dòng)機(jī)相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小這兩個(gè)特點(diǎn)。目前應(yīng)用較

27、多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長；另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子，杯壁很薄，僅0.2-0.3mm，為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子.空心杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，反應(yīng)迅速，而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛采用。 交流伺服電動(dòng)機(jī)在沒有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)。當(dāng)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)，在負(fù)載恒定的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化，當(dāng)控制電壓的相位相反時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)將反轉(zhuǎn)。 交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與分相式單相

28、異步電動(dòng)機(jī)雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以伺服電動(dòng)機(jī)與單機(jī)異步電動(dòng)機(jī)相比，有三個(gè)顯著特點(diǎn)：1、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，由于轉(zhuǎn)子電阻大，與普通異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線2相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S01，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機(jī)械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有起動(dòng)快、靈敏度高的特點(diǎn)。2、運(yùn)行范圍較廣。3、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象正常運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電動(dòng)機(jī)，只要失去控制電壓，電機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)失去控制電壓后，它處于單相運(yùn)行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個(gè)相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個(gè)轉(zhuǎn)矩特性（T1S1、T2S2曲線）以及合成轉(zhuǎn)

29、矩特性（TS曲線）。交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率一般是0.1-100W。當(dāng)電源頻率為50Hz，電壓有36V、110V、220、380V；當(dāng)電源頻率為400Hz，電壓有20V、26V、36V、115V等多種。 交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性，并且由于轉(zhuǎn)子電阻大，損耗大，效率低，因此與同容量直流伺服電動(dòng)機(jī)相比，體積大、重量重，所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統(tǒng)。 3.2伺服電機(jī)的選型如圖3-2中描述了802D伺服電機(jī)的基本特性?？梢钥闯?，早額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)伺服電機(jī)可以輸出基本恒定的轉(zhuǎn)矩，另外， 服電機(jī)具有很強(qiáng)的過載能力。在S3（25%）的工作條件下，過載能力幾乎達(dá)到了300

30、%。但是過載運(yùn)行的時(shí)間是有限的，就是說伺服電機(jī)過載都是短時(shí)的。圖3-2只是伺服電機(jī)特性實(shí)例。圖3-2 伺服電機(jī)基本特性速度-功率圖（1）慣量匹配一般情況下電機(jī)慣量J1與絲杠慣量J2應(yīng)滿足以下關(guān)系：（2）伺服電機(jī)的端受力伺服電機(jī)對其軸端的徑向受力有嚴(yán)格地要求。如果伺服電機(jī)需要在3000r/min的速度下長時(shí)間運(yùn)行，那么在機(jī)械設(shè)計(jì)上，要考慮伺服電機(jī)軸端與絲杠的連接方式對電機(jī)軸端施加的徑向力。如果超出了伺服電機(jī)允許的范圍，伺服電機(jī)軸承的使用壽命就會(huì)縮短，而且可能導(dǎo)致伺服電機(jī)軸端損壞。圖3-3 1FK7永磁同步電機(jī)圖3-4 用于SIMODRIVE 611U的同步伺服電機(jī)1FK7 HD1FK7 電機(jī)為永

31、磁同步電機(jī)，結(jié)構(gòu)極為緊湊?，F(xiàn)有各種選件、減速器和編碼器以及擴(kuò)展的產(chǎn)品范圍，意味著 1FK7 電機(jī)能夠較為理想地適合于任何用途。因此它們同樣能滿足日益增長的、采用最先進(jìn)技術(shù)的機(jī)床要求。圖3-5 用于SIMODRIVE 611U的同步伺服電機(jī)1FK7 CT圖3-6 電機(jī)1PH7假如在應(yīng)用過程中驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)了電流過載報(bào)警，表明實(shí)際的電流已經(jīng)超過了設(shè)定的過載極限和過載時(shí)間。想要排除報(bào)警，就必須查明過載的原因。在沒有任何根根據(jù)的情況下，為了消除報(bào)警而放大過載極限和過載時(shí)間的做法是錯(cuò)誤的，結(jié)果可能導(dǎo)致伺服電機(jī)或驅(qū)動(dòng)器額損壞，因此在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)床的設(shè)計(jì)指標(biāo)選擇匹配的伺服電機(jī)，以避免伺服系統(tǒng)長期處于

32、過載狀態(tài)運(yùn)行?？傊?，伺服電機(jī)選型的依據(jù)，首先是機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)定義的性能指標(biāo)，如坐標(biāo)軸最高速度和最大加速度，加工時(shí)作用在該坐標(biāo)軸上的最大分力。其次是機(jī)械部件的數(shù)據(jù)，如伺服電機(jī)與絲杠的連接方式（直連方式，減速方式等）、工作臺(tái)的質(zhì)量和絲杠的慣量等，另外還需要考慮伺服電機(jī)的工作升溫，通常數(shù)控系統(tǒng)的供貨商會(huì)提供相應(yīng)的工具軟件，用于計(jì)算、分析，并確定合適型號(hào)的伺服電機(jī)。另外很多機(jī)床制造廠根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)選擇伺服電機(jī)，這種經(jīng)驗(yàn)建立在批量生產(chǎn)基礎(chǔ)上的。對于新型號(hào)的機(jī)床則需要精密計(jì)算，或利用系統(tǒng)提供的軟件工具選擇匹配的伺服電機(jī)。3.3伺服控制原理目前，數(shù)控機(jī)床中交流伺服系統(tǒng)一般采用三環(huán)(電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán))PID

33、 調(diào)節(jié)控制技術(shù)，傳統(tǒng)的 PID 參數(shù)整定方法存在效率低，誤差大的缺點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)性能，有必要深入研究數(shù)控伺服系統(tǒng)的 PID 參數(shù)整定及優(yōu)化問題。矢量控制的三相永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)一般是由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)組成的三環(huán)結(jié)構(gòu)，其典型的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-7所示圖3-7 交流伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖在三環(huán)結(jié)構(gòu)中，電流環(huán)和速度環(huán)為內(nèi)環(huán)，位置環(huán)為外環(huán)。三環(huán)結(jié)構(gòu)可以使伺服系統(tǒng)獲得較好的動(dòng)態(tài)跟隨性能和抗干擾性能。其中，電流環(huán)的作用是改造內(nèi)環(huán)控制對象的傳遞函數(shù)，提高系統(tǒng)的快速性，及時(shí)抑制電流環(huán)內(nèi)部的干擾；限制最大電流，使系統(tǒng)有足夠大的加速扭矩，并保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。速度環(huán)的作用是增強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)

34、的能力，抑制速度波動(dòng)。位置環(huán)的作用是保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟蹤性能，使整個(gè)伺服系統(tǒng)能穩(wěn)定、高性能運(yùn)行。為了提高系統(tǒng)的性能，各環(huán)節(jié)均有調(diào)節(jié)器，工程實(shí)踐中，電流環(huán)采用 PI 調(diào)節(jié)器(或者 P 調(diào)節(jié)器)，速度環(huán)采用 PI 調(diào)節(jié)器，位置環(huán)采用 P 調(diào)節(jié)器。三環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其控制器的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。對于多環(huán)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的過程如下：從內(nèi)環(huán)開始，先設(shè)計(jì)好內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，然后把內(nèi)環(huán)的整體當(dāng)作外環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，去設(shè)計(jì)外環(huán)的調(diào)節(jié)器，直到所有控制環(huán)的調(diào)節(jié)器都設(shè)計(jì)好為止。按照數(shù)控機(jī)床加工的運(yùn)動(dòng)方式不同，機(jī)床的伺服系統(tǒng)可分為點(diǎn)位控制、點(diǎn)位直線控制和輪廓控制三種方式

35、。對于數(shù)控車床、數(shù)控銑床而言，需要進(jìn)行輪廓插補(bǔ)加工，這就要求伺服系統(tǒng)除了能夠進(jìn)行精確定位以外，還要能夠隨時(shí)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，以保證數(shù)控加工軌跡能快速、準(zhǔn)確地跟蹤位置指令的要求。動(dòng)態(tài)誤差是這一類機(jī)床伺服系統(tǒng)的主要品質(zhì)指標(biāo)，它直接影響了機(jī)械加工的精度。引入位置環(huán)以后，位置環(huán)將和速度、電流內(nèi)環(huán)一起來保證伺服系統(tǒng)速度穩(wěn)定，跟隨誤差盡可能小，在很寬的范圍內(nèi)有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。綜上所述，無論對于哪一類控制方式的伺服系統(tǒng)，位置環(huán)都是很重要的一環(huán)，位置環(huán)的主要目標(biāo)是迅速跟蹤指令值的變化，其主要的性能指標(biāo)是穩(wěn)態(tài)位置跟蹤誤差和位置環(huán)增益。當(dāng)系統(tǒng)對輸入的瞬態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束以后，在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)伺服系統(tǒng)實(shí)際位置

36、與指令目標(biāo)值之間的誤差被定義為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)位置跟蹤誤差。在數(shù)控機(jī)床的位置伺服系統(tǒng)中，當(dāng)速度調(diào)節(jié)器采用 PI 調(diào)節(jié)器，而且位置環(huán)的截止頻率遠(yuǎn)小于速度環(huán)的各時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)時(shí)，速度環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)可近似地等效為一階慣性環(huán)節(jié)，這樣處理在理論和實(shí)際中均能真實(shí)地反映速度環(huán)的特性，并且能使得位置環(huán)的設(shè)計(jì)大大簡化，也易于分析伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-8所示。圖3-8 位置環(huán)簡化框圖在數(shù)控機(jī)床應(yīng)用中，一般采用斜坡輸入指令信號(hào)來確定系統(tǒng)的位置跟蹤誤差，對單位斜坡函數(shù)的輸入，位置環(huán)跟蹤誤差為： （3-1）式中，為位置環(huán)增益，為速度環(huán)調(diào)節(jié)器比例系數(shù)，為速度環(huán)增益，為光電編碼器檢測放大系數(shù)。式（3-1）表明

37、，位置環(huán)增益越大，位置跟蹤誤差越小，但是過大的位置環(huán)增益容易導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生振蕩。位置環(huán)增益不僅影響伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)剛度，還影響著機(jī)械裝置進(jìn)給速度和穩(wěn)態(tài)誤差，是伺服系統(tǒng)的基本指標(biāo)之一，一般的數(shù)控機(jī)床位置伺服系統(tǒng)增益在不考慮機(jī)械環(huán)節(jié)時(shí)，取 50100s-1，考慮機(jī)械環(huán)節(jié)時(shí)一般取 4050s-1。第四章 伺服調(diào)試與優(yōu)化伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床最重要的組成部分之一，是 數(shù)控裝置與執(zhí)行部件之間的聯(lián)系鈕帶，它將數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成為符合預(yù)定要求的方向、速度、 位置的運(yùn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)性能要求包括：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)定性等

38、。這些 要求主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、 動(dòng)態(tài)特性，如為保證輪廓形狀精度，除了要求機(jī)床有較高的定位精度外，還 要求伺服系統(tǒng)有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，能穩(wěn)定而靈活地跟隨指令信號(hào)，即要求系統(tǒng)具有高的輪廓跟隨精度，這與CNC機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特性有關(guān)，而這些特性取決于進(jìn)給伺服系統(tǒng)的主要參數(shù)，如電流環(huán)增益MD1120、電流環(huán)積分時(shí)間MD1121、速度環(huán)增益MD1407/MD1408、速度環(huán)積分時(shí)間MD1409/MD1410等。上述參數(shù)在數(shù)控系統(tǒng)出廠時(shí)就已設(shè)定，但與數(shù)控機(jī)床實(shí)際工作情況并不完全吻合，如加工時(shí)實(shí)際機(jī)械部件的拖動(dòng)情況，因此需進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，以提高數(shù)控機(jī)床性能。 參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化分手

39、工和自動(dòng)兩種方法，手工調(diào)整和優(yōu)化對調(diào)試人員的要求較高，難以掌握。自動(dòng)調(diào)整和優(yōu)化具有簡單，快速的優(yōu)點(diǎn)，易迅速掌握。4.1 伺服驅(qū)動(dòng)器的配置4.1.1 SIMODRIVE 611 U通用型驅(qū)動(dòng)器SIMODRIVE 611 u是SIMODRIVE 611驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的獨(dú)立的、全數(shù)字的插入式控制模塊， 用于高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的多軸聯(lián)動(dòng)控制。它適用于以下情況的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中:§ 轉(zhuǎn)矩0.7 Nm 到 185 Nm的同步電機(jī)§ 功率3.7 kW 到 100 kW的異步電機(jī)§ 直線電機(jī)所有的模塊都有相同的尺寸:§ 高度480 mm§ 深度288 mm§ 寬度50

40、 mm 或成倍增加硬件介紹與連接、維護(hù)1. 硬件組成包括三個(gè)方面：電源模塊；功率模塊；控制卡模塊。控制卡模塊可以直接插在功率模塊上面電源模塊外部強(qiáng)電供電系統(tǒng)經(jīng)過電源模塊連接到各個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，將主電源（400/3AC，415/3AC,480/3AC）變換為直流母線上的直流電壓。另外，通過電源模塊上的設(shè)備總線提供。功率模塊和控制模塊所需要的各種電源（+/-24V, +/-15V, +/-5V等等）功率模塊的組成有單軸功率模塊和雙軸功率模塊之分。在功率模塊上可以插入相應(yīng)的控制板模塊?？刂瓶K針對各種應(yīng)用設(shè)計(jì)的不同插入式控制單元，客戶可選擇購買不同模塊得到真正需要的功能2.系統(tǒng)一覽帶有“SIMODRI

41、VE 611U 通用”控制模塊的SIMODRIVE 611 驅(qū)動(dòng)變頻器系統(tǒng)包含獨(dú)立元器件和高級(jí)控制元件。數(shù)據(jù)在主控制模塊和從控制模塊之間按照“主- 從”原則進(jìn)行傳輸，驅(qū)動(dòng)總是從屬的。4.2伺服調(diào)試工具SimoCom USimoCom U伺服調(diào)試工具是西門子公司開發(fā)的用于調(diào)試Simodrive611U的一個(gè)軟件工具， 具有直觀、快捷、易掌握的特點(diǎn)。SimoCom U伺服調(diào)試軟件主畫面 如圖4-1所示， 它能夠設(shè)定驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)和功率模塊匹配的基本參數(shù)，根據(jù)伺服電機(jī)實(shí)際拖動(dòng)的機(jī)械部件，對 611UE速度控制器的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整與優(yōu)化，能夠監(jiān)控伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)，如電機(jī)實(shí)際電流和實(shí)際扭矩等。圖4-1

42、 SimoCom U伺服調(diào)試軟件主畫面4.2.1 SimoCom U軟件的基本功能在斷電的情況下，用RS232電纜連接PC的COM接口與611U上的X471端口，再給驅(qū)動(dòng)器上電，其611UE的液晶窗口顯示“A1106”，表示驅(qū)動(dòng)器沒有數(shù)據(jù)、R/F紅燈亮、總線接口模塊上的紅燈亮。這時(shí)可從WINDOWS的“開始”中找到驅(qū)動(dòng)器調(diào)試工具SimoCom U軟件并啟動(dòng)。4.2.2 伺服驅(qū)動(dòng)參數(shù)設(shè)定使用SimoCom U進(jìn)行參數(shù)設(shè)定時(shí)，必須遵照以下步驟進(jìn)行： a啟動(dòng)SimoCom U軟件，進(jìn)入初始畫面，如圖4-2所示；b命名將要調(diào)試的驅(qū)動(dòng)器，如圖4-3所示，然后選擇“下一步”（NEXT）；c進(jìn)入聯(lián)機(jī)方式后，

43、SimoCom U自動(dòng)識(shí)別功率模塊和611U控制板的型號(hào)，然后選擇“下一步”（NEXT），如圖4-4所示；d選擇輸入電機(jī)的型號(hào)，如1FK60636AF71然后選擇“下一步”（NEXT），如圖4-5所示；圖4-2 SimoCom U后的初始畫面圖4-3 命名驅(qū)動(dòng)圖4-4圖4-5e根據(jù)電機(jī)的型號(hào)選擇編碼器的類型，如圖4-6所示；圖4-6選擇編碼器的類型f選擇速度控制方式（Speed/torquesetpoint），然后選擇“下一步”（NEXT），如圖4-7所示；圖4-7gSimoCom U列出所選擇的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)無誤，選擇 “接收該軸驅(qū)動(dòng)器配置”（Calculatecontrollerdata，

44、save，reset），如圖4-8所示。注意：如果這時(shí)PLC應(yīng)用程序還沒有調(diào)試，驅(qū)動(dòng)器的使能信號(hào)不生效，電機(jī)不能旋轉(zhuǎn)。在PLC功能生效（即驅(qū)動(dòng)器使能控制生效）后，并且設(shè)定了NC進(jìn)給軸參數(shù)（MD30130和MD30240），才能移動(dòng)進(jìn)給軸， 才能對進(jìn)給軸的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行優(yōu)化。圖4-84.3伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的優(yōu)化在完成伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)定后，需要對伺服驅(qū)動(dòng)器的速度環(huán)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行調(diào)試，然后才能進(jìn)行位置環(huán)調(diào)試。西門子611U/Ue的交流伺服驅(qū)動(dòng)器的速度環(huán)動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化可通過SimoCom U軟件自動(dòng)進(jìn)行。優(yōu)化驅(qū)動(dòng)器的速度給定，由PC機(jī)以數(shù)字量給出，無須CNC控制。驅(qū)動(dòng)器速度環(huán)動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化的操作步驟如下： a利用

45、“驅(qū)動(dòng)器調(diào)試電纜”，將調(diào)試計(jì)算機(jī)與611UE的X471接口連接。如果需要對帶制動(dòng)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)設(shè)定對應(yīng)的NC通用參數(shù)，如：對于802D，MDl4512的第2位為“1”（優(yōu)化完畢后恢復(fù)為 “1”）；b接通驅(qū)動(dòng)器的使能信號(hào)（電源模塊端子T48、T63和T64與T9接通），并將坐標(biāo)軸移動(dòng)到工作臺(tái)的中間位置，因?yàn)轵?qū)動(dòng)器優(yōu)化時(shí)，電動(dòng)機(jī)將自動(dòng)旋轉(zhuǎn)大約兩轉(zhuǎn)； c啟動(dòng)工具軟件SimoCom U，選擇聯(lián)機(jī)方式，再選擇“PC”控制方式，并通過“OK”確認(rèn)。在彈出的對話框中選擇“控制器子目錄（Controller）”，之后再選擇“NoneOfthese”，彈出“速度控制畫面”，如圖4-9所示；圖4-9速度控制

46、畫面d選擇自動(dòng)速度控制器優(yōu)化，彈出“參數(shù)環(huán)優(yōu)化畫面”，如圖4-10所示。選擇“14步”自動(dòng)執(zhí)行優(yōu)化過程：分析機(jī)械特性一（電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶制動(dòng)電機(jī)的抱閘應(yīng)釋放）；分析機(jī)械特性二（電機(jī)反轉(zhuǎn)， 帶制動(dòng)電機(jī)的抱閘應(yīng)釋放）；電流環(huán)測算（電機(jī)靜止，帶制動(dòng)電機(jī)的抱閘應(yīng)夾緊）；參數(shù)優(yōu)化計(jì)算。圖4-10參數(shù)優(yōu)化畫面對垂直軸的伺服參數(shù)優(yōu)化時(shí)，特別是在該軸沒有平衡裝置時(shí)，一定要注意優(yōu)化過程中對抱閘釋放和加緊的時(shí)機(jī)，避免出現(xiàn)由于坐標(biāo)軸滑落導(dǎo)致機(jī)械的損壞！優(yōu)化結(jié)束后，務(wù)必退出PC機(jī)控制方式。注意優(yōu)化的效果與電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)裝置的聯(lián)接方式有關(guān)，剛性連軸方式效果最好。彈性連軸方式，如彈性連軸節(jié)，或齒形帶，對于滑動(dòng)導(dǎo)軌的效果的不一

47、定好；齒輪連接方式，由于齒輪之間存在間隙，效果不好。SimoCom U軟件在幾分種內(nèi)，控制數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床完成參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化，具有快速、簡單的特點(diǎn)，易被廣大數(shù)控機(jī)床調(diào)試人員掌握，其優(yōu)化后的參數(shù)符合數(shù)控機(jī)床實(shí)際工作情況，能有效地提高伺服驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)特性，從而提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。4.4數(shù)控機(jī)床在線診斷在802D數(shù)控系統(tǒng)中也可以通過機(jī)床的在線診斷來獲得機(jī)床的相關(guān)信息。如下圖4-11是實(shí)驗(yàn)過程。圖4-11黑色線表示實(shí)際位置，藍(lán)色是跟隨誤差，青色是位置設(shè)定，紅色是調(diào)節(jié)器輸入。通過圖形可以看出，系統(tǒng)給出實(shí)際位置，跟隨誤差先由小變大至穩(wěn)定，然后再變小。4.4.1伺服系統(tǒng)跟隨誤差的產(chǎn)生所謂跟隨誤差，是指

48、伺服系統(tǒng)發(fā)出的指令位置與系統(tǒng)輸出的實(shí)際位置之間的穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)伺服系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)按恒速進(jìn)給的位置指令時(shí)，進(jìn)給軸的實(shí)際速度并不會(huì)立即達(dá)到指令速度，而是從零逐漸上升到此值。在穩(wěn)態(tài)情況下，實(shí)際位置總是滯后于指令位置一個(gè)值，其計(jì)算公式為 (1)式中為指令速度，為跟隨誤差，為伺服系統(tǒng)速度增益。是數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)特性的一個(gè)重要參數(shù)，它反映了伺服系統(tǒng)速度變化快慢的程度。從式（1）中可以看出，速度增益越大，跟隨誤差越小，但過大，會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)給速度越小，跟隨誤差越小。4.4.2 位置環(huán)增益對加工輪廓的影響數(shù)控機(jī)床通過多個(gè)坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)合成刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡，完成零件輪廓加工，由于各個(gè)坐標(biāo)軸自身存在跟

49、隨誤差，因此合成曲線輪廓時(shí)會(huì)產(chǎn)生零件的輪廓誤差。輪廓誤差是指任意位置處，實(shí)際輪廓軌跡與理論輪廓軌跡之間的最短距離。輪廓誤差不僅僅是由伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和聯(lián)動(dòng)軸之間的參數(shù)不匹配引起的，而且還與機(jī)床的幾何精度、熱變形等因素有關(guān)。本文結(jié)合三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，分析在加工圓弧輪廓時(shí)跟隨誤差對零件加工輪廓的影響。如圖4-12所示，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出圓弧加工指令后，在空間三維坐標(biāo)系中，各進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)應(yīng)滿足下面關(guān)系式： （2）圖4-12式中R為圓弧半徑。對式（2）求導(dǎo)，得x軸、y軸、z軸的進(jìn)給速度、，滿足下列約束關(guān)系： （3）設(shè)x軸、y軸、z軸所采用的速度增益相同，即：合成運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給速度。當(dāng)理論輪廓位置在點(diǎn)A()處

50、時(shí)，由于跟隨誤差的影響，實(shí)際輪廓點(diǎn)在B()處，B點(diǎn)坐標(biāo)位置， （4）式中分別為x軸、y 軸、z 軸的跟隨誤差。根據(jù)跟隨誤差的計(jì)算公式（4）可知： (5)設(shè)輪廓誤差為，則B點(diǎn)到圓心的距離滿足： （6）展開、整理，得： （7）將式（25）、代入式（7），整理后，得： （8）由于很小，所以上式展開后，可忽略的值，即： （9） 式（9）即為加工圓弧輪廓時(shí)的輪廓誤差表達(dá)式。根據(jù)式（9）可以得出如下結(jié)論：（1）在保證伺服系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，增大值，可以減小輪廓誤差；（2）對于精度要求較高的圓弧，在零件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮盡量加大半徑R值；（3）在加工過程中，通過適當(dāng)降低進(jìn)給軸的速度值，可以減小輪廓誤差。第五章 典

51、型故障分析在數(shù)控機(jī)床的安裝調(diào)試過程中，當(dāng) CNC 安裝連接完畢，在機(jī)床維修過程中，當(dāng)更換數(shù)控裝置和因?yàn)槟撤N原因?qū)е孪到y(tǒng)的 PLC 程序丟失或參數(shù)丟失，都需要對CNC 系統(tǒng)進(jìn)行重新調(diào)試。為了較快恢復(fù) CNC 系統(tǒng)參數(shù)及調(diào)整，在機(jī)床各項(xiàng)性能正常時(shí)要注意定期對其系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行備份。CNC 的各項(xiàng)功能調(diào)整及參數(shù)設(shè)置是維修人員必須掌握的技能。典型故障主要包括機(jī)械傳動(dòng)方面、電機(jī)負(fù)載率、配重方面、抱閘和靜摩擦等。在第二章已經(jīng)介紹過了數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，很多機(jī)械故障都是通過數(shù)控系統(tǒng)或者其他電氣報(bào)警顯示出來的。易出故障大多是與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)或者液壓氣動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)的機(jī)械部件。對于其他常見一般故障在此不予過多分析，以典型

52、精度故障為主。5.1機(jī)械傳動(dòng)故障檢測和電機(jī)負(fù)載率當(dāng)Z軸立柱出現(xiàn)電機(jī)法端面與絲杠不垂直、或是配重（也有的是液壓平衡杠）不對、潤滑有問題時(shí)。都會(huì)使得電機(jī)的電流過大。當(dāng)Z軸電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，平滑后的電流值應(yīng)該是小于50%的。如出現(xiàn)過大現(xiàn)象當(dāng)是要排除可能出現(xiàn)故障的上述原因。圖5-1 Z軸靜止時(shí)的平滑后的實(shí)際電流值圖5-2 Z軸下降時(shí)平滑后的實(shí)際電流值圖5-3 Z軸上升時(shí)平滑后的實(shí)際電流值以上圖1圖3是一機(jī)床平滑后的實(shí)際電流值，與下圖4圖6可以對比。圖5-4 Z軸靜止時(shí)平滑后的實(shí)際電流值圖5-5 Z軸下降時(shí)平滑后的實(shí)際電流值圖5-6 Z軸上升時(shí)平滑后的實(shí)際電流值通過對比可以發(fā)現(xiàn)前兩臺(tái)機(jī)床（以802D為例）

53、前者電流大于后者電流，那么就是說前者存在一定的問題需要一一排除。電機(jī)負(fù)載率的修正如果電機(jī)工作環(huán)境溫度過高，電機(jī)散熱困難，其溫升加劇，就有可能超過電機(jī)絕緣材料的允許溫度，使電機(jī)燒毀。因此，在這種情況下我們要把電機(jī)的額定功率減少來使使用，以保電機(jī)不超過允許溫度。相反，如果電機(jī)工作環(huán)境溫度較低，電機(jī)散熱容易，工作時(shí)電機(jī)的溫度比允許溫度低許多，那么我們還可以把電機(jī)的額定功率擴(kuò)大米使用，以保證電機(jī)的容量能得到充分的利用、表1列出了電機(jī)在不同環(huán)境溫度下，電動(dòng)機(jī)額定功率的修正情況，以利于我們使用時(shí)參考。應(yīng)該說明，如果環(huán)境溫度低于30，電機(jī)的額定功率還可以以擴(kuò)大使用，但擴(kuò)大的比例要減少；如果環(huán)境溫度高于55電

54、機(jī)的額定功率還要減少使用，且減少的比例要增加。電機(jī)所處位置的海拔高度對電機(jī)的溫升也有影響，海拔高度大，環(huán)境溫度低，但空氣稀薄，散熱條件惡化，在海拔低于1000m以下這兩方面的因素可以互補(bǔ)。如果電機(jī)所處位置海拔高于1000m，散熱條件惡化的程度就會(huì)大干低溫帶來的效益，因此電機(jī)要減少其額定功率來使用。表15.2 配重和液壓平衡缸圖5-7 采用配重5-8 采用液壓平衡缸圖7圖8是立柱上面的配重和液壓平衡缸。配重在數(shù)控機(jī)床上是非常重要的，當(dāng)機(jī)床垂直進(jìn)給軸（軸）作為主軸時(shí)，例如在大型龍門鏜銑加工中心中，若主軸過重必須采用配重來平衡，而采用配重的方式有多種多樣，常見的有重錘配重，液壓和氣壓配重。用重錘配重

55、（采用鏈條連接）時(shí)存在和進(jìn)給軸不同步，當(dāng)主軸到位時(shí)而重錘還要運(yùn)動(dòng)，如果進(jìn)給軸電機(jī)的力量較小，進(jìn)給軸電機(jī)會(huì)被向上提的現(xiàn)象。若軸頻繁的上升下降（提刀進(jìn)刀）由于重錘的滯后作用，使得刀子在工件表面留下間斷的凸凹小面，影響工件的表面粗糙度和加工質(zhì)量。重錘的重量計(jì)算受影響的因素較多，如鑲條的松緊，潤滑的充分成度，導(dǎo)軌面的粗糙度等。在重錘做成后對其重量的調(diào)整不易，如何把重錘，鑲條，導(dǎo)軌，絲杠調(diào)在一個(gè)合適的范圍內(nèi)比較難，檢測的手段也有限；重錘上下運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)左右擺動(dòng)，雖有導(dǎo)向裝置效果不太明顯對軸影響較大。若采用液壓和氣壓配重，氣壓和液壓單獨(dú)的作一個(gè)控制部分，同樣也存在重錘配重的問題，當(dāng)Z軸上升下降時(shí)氣缸或油缸跟隨運(yùn)動(dòng)，但是配重總是滯后于Z軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，當(dāng)上升時(shí)氣缸或油缸跟隨上升，若氣缸或油缸跟隨上升中跟不上軸的進(jìn)給