數(shù)控機床進給精度典型故障維修方案設計西門子系統(tǒng)(802D)_圖文

1、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)控機床進給精度 (52.1 數(shù)控機床故障診斷與維修基礎 (52.2影響伺服系統(tǒng)進給精度原因 (52.3數(shù)控機床機械傳動結(jié)構(gòu)故障 (62.4 電氣系統(tǒng)故障診斷方法 (8第三章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) (93.1 伺服電機的分類 (93.2伺服電機的選型 (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)動器的配置 (184.1.1 SIMODRIVE 611 U通用型驅(qū)動器 (184.2伺服調(diào)試工具SimoCom U (234.2.1 SimoC

2、om U軟件的基本功能 (244.2.2 伺服驅(qū)動參數(shù)設定 (244.3伺服驅(qū)動器參數(shù)的優(yōu)化 (284.4數(shù)控機床在線診斷 (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機械傳動故障檢測和電機負載率 (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 (46前言畢業(yè)設計是學生在校期間一個重要的綜合型實驗教學環(huán)節(jié),是成的一

3、份總結(jié)性的大作業(yè)。它的目的在于培養(yǎng)學生綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程技術(shù)問題的獨立工作能力,拓寬和深化學生的知識; 幫助學生樹立正確的設計思想,設計構(gòu)思和創(chuàng)新思維,掌握工程設計的一般程序規(guī)范和方法,準確使用技術(shù)資料、國家標準等手冊、圖冊工具書進行設計計算,數(shù)據(jù)處理,編寫技術(shù)文件等方面的工作能力; 引導學生進行調(diào)查研究,面向?qū)嶋H,面向生產(chǎn),向工人和技術(shù)人員學習的基本工作態(tài)度,工作作風和工作方法。通過四年多來對數(shù)控專業(yè)知識的學習和一段時間的實習,在一定程度上積累相關驗和方法,可以實現(xiàn)基本的數(shù)控維修,利用這次畢業(yè)設計的機會可以更好的鍛煉自己的才能,鞏固所學的知識,發(fā)現(xiàn)并解決遺留下來的問題,彌補知識缺

4、陷,這樣就達到了自己預期設定的目標。本課題能使數(shù)控技業(yè)學生得到較充分的鍛煉。有利于提高畢業(yè)生的就業(yè)競爭力。畢業(yè)設計說明書是高等院校畢業(yè)生提交的一篇論文,是大學生完成學業(yè)的標志性作業(yè),是對學習成果的綜合性總結(jié)和檢閱,是我院工科學生從事工程設計的最初嘗試,是在教師指導下所取得的實際成果的文字記錄,也是檢驗學生對知識的長我程度,分析問題和解決問題基本能力的一份綜合答卷。因為是初次設計,所以其中難免會有疏漏和錯誤,懇請老師幫助指正。學生:王凱第一章緒論數(shù)控機床是機械制造業(yè)的基礎設備,自上世紀八十年代以來,我國花巨資從美、口、德等世界發(fā)達國家引進了大量的數(shù)控機床,這些機床在我國能源裝備、航空航天、國防軍

5、事、機械工業(yè)及科學研究等國民經(jīng)濟建設的諸多領域用于加工制造大型、薄壁、復雜結(jié)構(gòu)的精密零件,其應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)控機床長期在高速、變載、大位移等工況下運行,振動、沖擊、摩擦、磨損等因素都會對其傳動系統(tǒng)產(chǎn)生影響,嚴重時會導致主軸、軸承、絲杠及導軌等部件發(fā)生故障,甚至引發(fā)設備性能的異變。其結(jié)果一方面使數(shù)控機床的精度降低,影響工件的加工質(zhì)量甚至出現(xiàn)廢品;另一方面會造成機床可靠性降低、壽命縮短甚至報廢,給國家和企業(yè)將造成巨大經(jīng)濟損失。因此,開展數(shù)控機床故障診斷技術(shù)與方法研究,為數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)提供理論指導,實現(xiàn)對現(xiàn)有數(shù)控機床的預防維護和預知維修,保證其正常穩(wěn)

6、定運轉(zhuǎn),是目前急待解決的熱點和難點問題。目前數(shù)控機床日益向自動化、復雜化、大型化、連續(xù)化和高速化的方向發(fā)展,對數(shù)控機床的診斷技術(shù)的要求越來越高。開展數(shù)控機床故障診斷的應用基礎理論與基本方法研究,使我國數(shù)控機床在狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、預防維護等方面的理論方法與設計制造同步發(fā)展,對于提高我國自主研發(fā)數(shù)控機床的科技水平和國際競爭力具有重要的理論意義和實用價值,符合我國基礎裝備發(fā)展的戰(zhàn)略需求。綜上所述,應用先進的故障診斷技術(shù)(或系統(tǒng)對數(shù)控機床進行診斷,可及時發(fā)現(xiàn)機器故障,消除事故隱患和預防設備惡性事故的發(fā)生,并目,隨著高新技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)控機床故障診斷技術(shù)將不斷完善和日趨成熟。1.2 數(shù)控機床故障診斷

7、生產(chǎn)中影響數(shù)控機床定位精度的因素有很多,本文主要對伺服進給系統(tǒng)、生產(chǎn)現(xiàn)場、熱誤差、機床設計、工藝及導軌幾何精度等幾個方而對精度的影響進行分析。近年來數(shù)控機床得到了廣泛的應用,越來越多的加工任務由普通加床轉(zhuǎn)到高速、高精度的數(shù)控機床上來完成。數(shù)控機床在生產(chǎn)過程中逐步起到了主導的作用,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鍵設備。一旦數(shù)控機床在使用過程中出現(xiàn)問題,導致停機,勢必影響生產(chǎn),不僅更換備件需要費用,更重要的是停機造成停產(chǎn)而帶來的直接經(jīng)濟損失。如何快速診斷并排除故障,減少停機時間,已成為在數(shù)控機床使用過程中被普遍關注的問題。數(shù)控機床使用過程中,通常出現(xiàn)故障包括機械故障

8、和電氣故障,有些故障可以恢復,而有些則不可恢復。當出現(xiàn)故障時,需要快速、準確地診斷、定位并解決故障。盡管數(shù)控系統(tǒng)具備診斷功能,并且機床制造廠也為機床關鍵部件設計了診斷功能,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,要確診故障部位,往往更為復雜。數(shù)控機床出現(xiàn)了故障,檢查機床的機械、電氣系統(tǒng),維修或更換機械、電氣部件,使數(shù)控機床恢復運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

9、供的文字報警信息;還有機床制造廠設計的用戶報警信息。在上述各種線索中,感官信息的分析需要機床維護人員的實踐經(jīng)驗。數(shù)控系統(tǒng)提供的報警信息只覆蓋了數(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)動器的電流、坐標軸的急速信息等。機床制造廠設計的診斷可覆蓋機床各個電氣部件,如接觸器、繼電器等。數(shù)控機床是一個精密的機電一體化產(chǎn)品。它是一個由精密機械部件,如滾珠絲杠、高精度導軌、精密軸承、主軸以及復雜電氣部件(包括數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動裝置和伺服電機及精密測量系統(tǒng)。數(shù)控機床的誕生經(jīng)歷了設計、調(diào)試、樣機的試制、定型設計、批量生產(chǎn)等過程,在上述每一個過程中,如果考慮不周,都有可能埋下故障隱患。而當機床

10、在用戶的生產(chǎn)現(xiàn)場投入運行后,現(xiàn)場使用環(huán)境,如高溫高濕、粉塵、電網(wǎng)質(zhì)量、接地等環(huán)節(jié),同樣會產(chǎn)生故障隱患。所以,全面了解機床的技術(shù)參數(shù)、各種故障隱患的生成條件,就可以更加主動地避免故障的發(fā)生,確保數(shù)控機床能夠最大限度地發(fā)揮其經(jīng)濟效益,使之創(chuàng)造更多的價值。本文在汲取國內(nèi)外數(shù)控機床故障診斷研究成果的基礎上,從以下幾個方面進行了深入的研究:(1研究數(shù)控機床(西門子系統(tǒng)的進給的機械結(jié)構(gòu),位置控制原理,精度相關因素。(2學習伺服軟件,調(diào)試和優(yōu)化,分析傳動鏈故障分析,伺服參數(shù)故障。(3提出數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)的總體設計方案,典型故障的模擬,設計診斷框圖。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

11、析數(shù)控機床故障診斷,提出本文的主要研究內(nèi)容。第二章介紹數(shù)控機床機械和電氣系統(tǒng)等產(chǎn)生精度故障分析。第三章伺服原理,伺服電動機選型,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 軟件進行診斷。第五章典型進給精度故障診斷、維修實例。第六章總結(jié)全文工作。第二章什么是數(shù)控機床進給精度2.1 數(shù)控機床故障診斷與維修基礎數(shù)控機床作為一種典型機電液一體化的產(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計者的角度去思考,才會由一個故障現(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。數(shù)控車床加工數(shù)控機床主軸運轉(zhuǎn)過程中,因主軸潤滑不足、潤滑油太粘稠以及主軸加工

12、、安裝等因素,都會引起主軸軸承溫度升高.主軸軸承溫度過高,會引起材料膨脹,導致機械間隙變小而出現(xiàn)噪音和機械損傷。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,應立即停機檢查。在機床的進給傳動中總是存在有間隙,有間隙而未做補償,會直接影響進給的伺服精度。在機床的進給傳動中,NC指令移動值和運動部件的實際移動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、滾動絲杠付間的間隙及絲杠的彎曲振動。在數(shù)控車床加工出廠前,廠家都會仔細的測量進給系統(tǒng)的間隙值,并進行補償,但是,機床在經(jīng)長期使用后,由于磨損等原因,補償量就不適當了。

13、當其影響到加工精度時,就需要用戶自己重新進行間隙補償量的設定。間隙補償量可以根據(jù)記錄在數(shù)控裝置中的參數(shù)進行再設定,關于變更參數(shù)的詳細說明,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、使運動部件從停留位置向負方向快速移動50mm;2、把百分表觸頭對準移動部件的正側(cè)一方,并使表針對零;3、使運動部件從停留位置再向負方向快速移動50mm;4、使運動部件從新的停留位置再向正方向快速移動50mm;5、數(shù)控車床加工讀出此時百分表的值,此值叫做反向偏差,包括了傳動鏈中的總間隙,反映了其傳動系統(tǒng)的精度。反向間隙誤差與絲杠螺距誤差數(shù)控機床基本都是以伺服電機直接驅(qū)動滾珠絲杠進行位置控制,因此滾珠

14、絲杠的傳動誤差就成為了影響機床定位精度的重要因素。而對于大多數(shù)數(shù)控進程采用的都是半閉環(huán)控制伺服進給系統(tǒng),機械傳動裝置的剛性、摩擦阻尼等非線性因素和傳動間隙等都屬于系統(tǒng)以外。因此,對于同一方向的各定位點來說,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動時,空隙會出現(xiàn)一段時間的空運轉(zhuǎn),此時絲杠與絲杠副之間、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、運動部件會發(fā)生一定的彈性變形,造成的誤差是其與反向間隙的總和,由于部件受力及運動過程的不均勻,都會導致彈性間隙發(fā)生大范圍的變化,嚴重影響設備的精度。全閉環(huán)進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)誤

15、差理論上來講,全閉環(huán)進給系統(tǒng)是不存在反向間隙誤差和螺距誤差的。但在實際中,這兩種誤差依然存在,只是形式發(fā)生了轉(zhuǎn)化。在系統(tǒng)中傳動部件的機械間隙,反應到實際的誤差上就是使光柵等感應原件按照造成的反向失動,而由于滾珠絲杠制造誤差以及機床加工工件不一致而導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)。致使機床位置檢測回路用時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)控機床精度的影響也是一個不容忽視的問題,而這些干擾主要來自于電網(wǎng)電源的引入,主要包括如下幾點。(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)生強烈的電磁波,而這種電

16、磁波所輻射的能力通過空間傳播被附近的數(shù)控機床所接收,容易造成數(shù)控系統(tǒng)或機床本身的故障。(2電壓波動的干擾。數(shù)控機床都有其所對應的電壓輸入范圍,當超壓或欠壓時都會引起系統(tǒng)電源板中電壓監(jiān)控的報警,從而停止工作電壓。(3大電感的干擾。電感器在斷電時要將存儲器的磁能釋放出來,在電網(wǎng)中形成高頻峰值脈沖,特別是高頻窄脈沖干擾嚴重,而且因為速度快不會引起電壓監(jiān)控的反應,但卻容易引起系統(tǒng)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤。熱誤差對定位精度的影響在理論上,熱誤差是影響數(shù)控機床定位精度的最重要的原因之一,通過資料顯示,由于熱變形而引起的誤差可以到達整個系統(tǒng)誤差的40%70%。但在實際生產(chǎn)中,由于各種溫度補償措施的應用,熱誤差對定位精

17、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,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,會在接觸區(qū)發(fā)生摩擦以及各種電器元件會產(chǎn)生大量熱量,從而引起機床結(jié)構(gòu)的變形。主要表現(xiàn)在兩個力一面:一是構(gòu)件受熱膨脹導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構(gòu)扭曲變形。而且這種誤差非常大,比如1600mm坐標行程上,由于溫度變化的影響可以引起0.184mm的誤差。導軌精度對機床精度的影響床身導軌是裝在機床床身上的、是測量機床各項幾何精度和反應加工精度的基準面。無論在任何時候,這個基準面都應保證刀具運動的直線性精度,使刀具獲得均勻而平穩(wěn)的直線送進,同時還

18、要保證其他各有關運動及有關安裝表面同溜板運動保持相對位置的準確性。導軌的幾何精度決定運動部件的運動精度,從而影響被加工零件的幾何精度,因此,機床的許多性能都受到導軌精度的影響;同時,機床床身導軌還是承受刀架等工作部件的零件,在機床工作時,工作部件在導軌上來回移動。因此,導軌表面的制造質(zhì)量及導軌副的摩擦性能,也將直接影響部件的運動性能,如果不能滿足要求,勢必會使運動部件難以實現(xiàn)平穩(wěn)無爬行的低速運動和精確定位。當精度發(fā)生變化時就會引起導軌誤差,誤差的項目包括:(1導軌在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)的直線度誤差;(2前后導軌在垂直而內(nèi)的平行度(扭曲度誤差。機床的設計對于數(shù)控機床的床身設計也是關乎機床進給進度的

19、重要因素。數(shù)控機床精度是指機床主要部件的形狀、相互位置及其相對運動的精確程度。在設計階段主要從機床的精度分配、原件材料選擇等方面來提高機床的精度。特別對于機床電機要與機床所能帶的載荷匹配等一系列機床設計。機床工藝對于比如電機安裝位置,導軌位置等一系列機床工藝也是關系機床精度的重要問題。當電機不與主軸平行時,就會在聯(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。它主要是利用人的感官對故障發(fā)生時的各種光、聲、味等異常現(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

20、查,往往可將故障范圍縮小到一個模塊或一塊印刷線路板。這要求維修人員具有豐富的實際經(jīng)驗,要有多學科的較寬的知識和綜合判斷的能力。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形式相互通訊聯(lián)接。有些故障是與接口信號錯誤或丟失相關的,這些接口信號有的可以在相應的接口板和輸入/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,而所有的接口信號都可以用PLC編程器或者相應的PC調(diào)出。這種檢查方法要求維修人員既要熟悉本機床的接口信號,又要熟悉PLC編程器的應用。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)控機床的性能。數(shù)控系統(tǒng)、PLC及伺服驅(qū)動系統(tǒng)都

21、設置許多可修改的參數(shù)以適應不同機床、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)與具體機床相匹配,而且更是使機床各項功能達到最佳化所必需的。因此,任何參數(shù)的變化甚至丟失都是不允許的;而隨機床的長期運行所引起的機械或電氣性能的變化會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)整相關的一個或多個參數(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。4.交換法是一種簡單易行的方法。當發(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板互換檢查。在交換前一定要注意所要模板是否完好

22、,而且狀態(tài)是否一致,故不僅硬件接線要正確交換,還要將一系列相應的參數(shù)交換,否則不僅達不到目的,反而會產(chǎn)生新的故障造成思維的混亂,一定要事先考慮周全,設計好軟、硬件交換方案,準確無誤再行交換檢查。第三章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)由伺服電機、伺服驅(qū)動裝置、機械傳動裝置、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。進給伺服驅(qū)動有以下幾部分組成:位置控制單元、速度控制單元、驅(qū)動元件(電動機、檢測與反饋單元和機械執(zhí)行部件,如圖3-1所示。 圖3-1 數(shù)控機床進給伺服基本組成帶有數(shù)字調(diào)節(jié)的進給驅(qū)動系統(tǒng)都屬于伺服系統(tǒng)。進給伺服驅(qū)動不僅是數(shù)控機床的一個重要組成部分,也是數(shù)控機床區(qū)別

23、于一般機床的特殊部分。數(shù)控機床進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)的性能指標可歸納為:定位精度高,跟蹤指令信號的響應要快,系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好。3.1 伺服電機的分類伺服電機是數(shù)控機床驅(qū)動坐標運動的執(zhí)行部件。伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制伺服電機驅(qū)動數(shù)控機床的傳動系統(tǒng)因此驅(qū)動也是數(shù)控機床的性能保證。伺服電機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,伺服電機接收到1個脈沖,就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應的角度,從而實現(xiàn)位移,因為,伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能,所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度,都會發(fā)出對應數(shù)量的脈沖,這樣,和伺服電機接受的脈沖形成了呼應,或者叫

24、閉環(huán),如此一來,系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機,同時又收了多少脈沖回來,這樣,就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)精確的定位,可以達到0.001mm。直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低,結(jié)構(gòu)簡單,啟動轉(zhuǎn)矩大,調(diào)速范圍寬,控制容易,需要維護,但維護方便(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。無刷電機體積小,重量輕,出力大,響應快,速度高,慣量小,轉(zhuǎn)動平滑,力矩穩(wěn)定。控制復雜,容易實現(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。電機免維護,效率很高,運行溫度低,電磁輻射很小,長壽命,可用于各種環(huán)境。交流伺服電機也是無刷電機,分

25、為同步和異步電機,目前運動控制中一般都用同步電機,它的功率范圍大,可以做到很大的功率。大慣量,最高轉(zhuǎn)動速度低,且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應用。伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵,驅(qū)動器控制的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,同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器,驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較,調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度(線數(shù)。伺服電動機又稱執(zhí)行電動機,在自動控制系統(tǒng)中,用作執(zhí)行元件,把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類,其主要特點是,當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象,轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻

26、速下降。交流伺服電動機定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動機相似.其定子上裝有兩個位置互差90°的繞組,一個是勵磁繞組Rf,它始終接在交流電壓Uf上;另一個是控制繞組L,聯(lián)接控制信號電壓Uc。所以交流伺服電動機又稱兩個伺服電動機。交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式,但為了使伺服電動機具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機械特性,無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應的性能,它與普通電動機相比,應具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動慣量小這兩個特點。目前應用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式:一種是采用高電阻率的導電材料做成的高電阻率導條的鼠籠轉(zhuǎn)子,為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量,轉(zhuǎn)子做得細長;另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子,杯壁很

27、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)動慣量很小,反應迅速,而且運轉(zhuǎn)平穩(wěn),因此被廣泛采用。交流伺服電動機在沒有控制電壓時,定子內(nèi)只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場,轉(zhuǎn)子靜止不動。當有控制電壓時,定子內(nèi)便產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場,轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn),在負載恒定的情況下,電動機的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化,當控制電壓的相位相反時,伺服電動機將反轉(zhuǎn)。交流伺服電動機的工作原理與分相式單相異步電動機雖然相似,但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多,所以伺服電動機與單機異步電動機相比,有三個顯著特點:1、起動轉(zhuǎn)矩大,由于轉(zhuǎn)子電阻大,與普通異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性曲線2相

28、比,有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S0>1,這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性(機械特性更接近于線性,而且具有較大的起動轉(zhuǎn)矩。因此,當定子一有控制電壓,轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動,即具有起動快、靈敏度高的特點。2、運行范圍較廣。3、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象正常運轉(zhuǎn)的伺服電動機,只要失去控制電壓,電機立即停止運轉(zhuǎn)。當伺服電動機失去控制電壓后,它處于單相運行狀態(tài),由于轉(zhuǎn)子電阻大,定子中兩個相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個轉(zhuǎn)矩特性(T1 -S1、T2-S2曲線以及合成轉(zhuǎn)矩特性(T-S曲線。交流伺服電動機的輸出功率一般是0.1-100W。當電源頻率為50Hz,電壓有36V、110V、220、380V;當電源頻率為400Hz,電

29、壓有20V、26V、36V、115V等多種。交流伺服電動機運行平穩(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機相比,體積大、重量重,所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統(tǒng)。如圖3-2中描述了802D伺服電機的基本特性?？梢钥闯?早額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)伺服電機可以輸出基本恒定的轉(zhuǎn)矩,另外,服電機具有很強的過載能力。在S3(25%的工作條件下,過載能力幾乎達到了300%。但是過載運行的時間是有限的,就是說伺服電機過載都是短時的。圖3-2只是伺服電機特性實例。 圖3-2 伺服電機基本特性速度-功率圖(1慣量匹配一般情況下電機慣量J1與絲杠慣量J2應滿足

30、以下關系:3/21JJ(2伺服電機的端受力伺服電機對其軸端的徑向受力有嚴格地要求。如果伺服電機需要在3000r/min的速度下長時間運行,那么在機械設計上,要考慮伺服電機軸端與絲杠的連接方式對電機軸端施加的徑向力。如果超出了伺服電機允許的范圍,伺服電機軸承的使用壽命就會縮短,而且可能導致伺服電機軸端損壞。 圖3-3 1FK7永磁同步電機 圖3-4 用于SIMODRIVE 611U的同步伺服電機1FK7 HD1FK7 電機為永磁同步電機,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展的產(chǎn)品范圍,意味著 1FK7 電機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、采用最先進技術(shù)的

31、機床要求。 圖3-5 用于SIMODRIVE 611U的同步伺服電機1FK7 CT 圖3-6 電機1PH7假如在應用過程中驅(qū)動器出現(xiàn)了電流過載報警,表明實際的電流已經(jīng)超過了設定的過載極限和過載時間。想要排除報警,就必須查明過載的原因。在沒有任何根根據(jù)的情況下,為了消除報警而放大過載極限和過載時間的做法是錯誤的,結(jié)果可能導致伺服電機或驅(qū)動器額損壞,因此在數(shù)控機床設計時,應根據(jù)機床的設計指標選擇匹配的伺服電機,以避免伺服系統(tǒng)長期處于過載狀態(tài)運行。總之,伺服電機選型的依據(jù),首先是機床設計時定義的性能指標,如坐標軸最高速度和最大加速度,加工時作用在該坐標軸上的最大分力。其次是機械部件的數(shù)據(jù),如伺服電機

32、與絲杠的連接方式(直連方式,減速方式等、工作臺的質(zhì)量和絲杠的慣量等,另外還需要考慮伺服電機的工作升溫,通常數(shù)控系統(tǒng)的供貨商會提供相應的工具軟件,用于計算、分析,并確定合適型號的伺服電機。另外很多機床制造廠根據(jù)自己的經(jīng)驗選擇伺服電機,這種經(jīng)驗建立在批量生產(chǎn)基礎上的。對于新型號的機床則需要精密計算,或利用系統(tǒng)提供的軟件工具選擇匹配的伺服電機。目前,數(shù)控機床中交流伺服系統(tǒng)一般采用三環(huán)(電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)PID 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。為了進一步提高數(shù)控機床伺服系統(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

33、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 交流伺服進給驅(qū)動系統(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)安全運行。速度環(huán)的作用是增強系統(tǒng)抗負載擾動的能力,抑制速度波動。位置環(huán)的作用是保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動態(tài)跟蹤性能,使整個伺服系統(tǒng)能穩(wěn)定、高性能運行。為了提高系統(tǒng)的性能,各環(huán)節(jié)均有調(diào)節(jié)器,工程實踐中,電流環(huán)采用 PI 調(diào)節(jié)器(或者 P

34、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)設計及其控制器的優(yōu)劣直接關系到整個伺服驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性和快速性。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,先設計好內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器,然后把內(nèi)環(huán)的整體當作外環(huán)中的一個環(huán)節(jié),去設計外環(huán)的調(diào)節(jié)器,直到所有控制環(huán)的調(diào)節(jié)器都設計好為止。按照數(shù)控機床加工的運動方式不同,機床的伺服系統(tǒng)可分為點位控制、點位直線控制和輪廓控制三種方式。對于數(shù)控車床、數(shù)控銑床而言,需要進行輪廓插補加工,這就要求伺服系統(tǒng)除了能夠進行精確定位以外,還要能夠隨時控制伺服電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速,以保證數(shù)控加工軌跡能快速、準確地跟蹤位置指令的要求。動態(tài)誤

35、差是這一類機床伺服系統(tǒng)的主要品質(zhì)指標,它直接影響了機械加工的精度。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)的主要目標是迅速跟蹤指令值的變化,其主要的性能指標是穩(wěn)態(tài)位置跟蹤誤差和位置環(huán)增益。當系統(tǒng)對輸入的瞬態(tài)響應過程結(jié)束以后,在穩(wěn)定運行時伺服系統(tǒng)實際位置與指令目標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)控機床的位置伺服系統(tǒng)中,當速度調(diào)節(jié)器采用 PI 調(diào)節(jié)器,而且位置環(huán)的截止頻率遠小于速度環(huán)的各時間常數(shù)的倒數(shù)時,速度環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)可

36、近似地等效為一階慣性環(huán)節(jié),這樣處理在理論和實際中均能真實地反映速度環(huán)的特性,并且能使得位置環(huán)的設計大大簡化,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)控機床應用中,一般采用斜坡輸入指令信號來確定系統(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,p1n p pp K K K K 為位置環(huán)增益,p K 為速度環(huán)調(diào)節(jié)器比例系數(shù),n K 為速度環(huán)增益,p1K 為光電編碼器檢測放大系數(shù)。式(3-1表明,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

37、械裝置進給速度和穩(wěn)態(tài)誤差,是伺服系統(tǒng)的基本指標之一,一般的數(shù)控機床位置伺服系統(tǒng)增益在不考慮機械環(huán)節(jié)時,取 50100s -1,考慮機械環(huán)節(jié)時一般取 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)字信號轉(zhuǎn)換成為符合預定要求的方向、速度、位置的運動。數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)性能要求包括:定位速度和輪廓切削進給速度、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。這些要求主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性,如為保證輪廓形狀精度,除了要求機床有較高的定位精度外,還要求伺服系統(tǒng)有良好的動態(tài)響應特性,

38、能穩(wěn)定而靈活地跟隨指令信號,即要求系統(tǒng)具有高的輪廓跟隨精度,這與CNC機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性有關,而這些特性取決于進給伺服系統(tǒng)的主要參數(shù),如電流環(huán)增益MD1120、電流環(huán)積分時間MD1121、速度環(huán)增益MD1407/MD1408、速度環(huán)積分時間MD1409/MD1410等。上述參數(shù)在數(shù)控系統(tǒng)出廠時就已設定,但與數(shù)控機床實際工作情況并不完全吻合,如加工時實際機械部件的拖動情況,因此需進行參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化,以提高數(shù)控機床性能。參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化分手工和自動兩種方法,手工調(diào)整和優(yōu)化對調(diào)試人員的要求較高,難以掌握。自動調(diào)整和優(yōu)化具有簡單,快速的優(yōu)點,易迅速掌握。4.1 伺服驅(qū)動器的配置4.1.

39、1 SIMODRIVE 611 U通用型驅(qū)動器SIMODRIVE 611 u是SIMODRIVE 611驅(qū)動系統(tǒng)中的獨立的、全數(shù)字的插入式控制模塊,用于高動態(tài)響應的多軸聯(lián)動控制。 它適用于以下情況的驅(qū)動系統(tǒng)中:轉(zhuǎn)矩0.7 Nm 到 185 Nm的同步電機功率3.7 kW 到 100 kW的異步電機直線電機所有的模塊都有相同的尺寸:高度480 mm深度288 mm寬度50 mm 或成倍增加硬件介紹與連接、維護包括三個方面:電源模塊;功率模塊;控制卡模塊?？刂瓶K可以直接插在功率模塊上面 電源模塊外部強電供電系統(tǒng)經(jīng)過電源模塊連接到各個驅(qū)動單元,將主電源(400/3AC, 415/3AC,480/

40、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的控制板模塊。 控制卡模塊針對各種應用設計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 帶有“SIMODRIVE 611U 通用”控制模塊的SIMODRIVE 611 驅(qū)動變頻器系統(tǒng)包含獨立元器件和高級控制元件。數(shù)據(jù)在主控制模塊和從控制模塊之間按照“主- 從”原則進行傳輸,驅(qū)動總是從屬的。 4.2伺服調(diào)試工具SimoCom USimoCom U伺服調(diào)試工具

41、是西門子公司開發(fā)的用于調(diào)試Simodrive611U的一個軟件工具,具有直觀、快捷、易掌握的特點。SimoCom U伺服調(diào)試軟件主畫面如圖4-1所示,它能夠設定驅(qū)動器與電機和功率模塊匹配的基本參數(shù),根據(jù)伺服電機實際拖動的機械部件,對 611UE速度控制器的參數(shù)進行自動調(diào)整與優(yōu)化,能夠監(jiān)控伺服驅(qū)動器的運行狀態(tài),如電機實際電流和實際扭矩等。 圖4-1 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)動器上電,其611UE的液晶窗口顯示“A1106”,表示驅(qū)動器沒有數(shù)據(jù)、R/F紅燈亮

42、、總線接口模塊上的紅燈亮。這時可從WINDOWS的“開始”中找到驅(qū)動器調(diào)試工具SimoCom U軟件并啟動。4.2.2 伺服驅(qū)動參數(shù)設定使用SimoCom U進行參數(shù)設定時,必須遵照以下步驟進行:a.啟動SimoCom U軟件,進入初始畫面,如圖4-2所示;b.命名將要調(diào)試的驅(qū)動器,如圖4-3所示,然后選擇“下一步”(NEXT;c.進入聯(lián)機方式后,SimoCom U自動識別功率模塊和611U控制板的型號,然后選擇“下一步”(NEXT,如圖4-4所示;d.選擇輸入電機的型號,如1FK6063-6AF71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

43、-3 命名驅(qū)動 圖4-4 圖4-5e.根據(jù)電機的型號選擇編碼器的類型,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4-7g.SimoCom 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)動器配置”(Calculatecontrollerdata,save,reset,如圖4-8所示。注意:如果這時PLC應用程序還沒有調(diào)試,驅(qū)動器的使能信號不生效,電機不能旋轉(zhuǎn)。在PLC功能生效(即驅(qū)動器使能控制生效后,并且設定了NC進給軸參數(shù)(MD30130和MD30240,才能移動進給軸,才能對

44、進給軸的動態(tài)特性進行優(yōu)化。 圖4-8在完成伺服驅(qū)動器的設定后,需要對伺服驅(qū)動器的速度環(huán)動態(tài)特性進行調(diào)試,然后才能進行位置環(huán)調(diào)試。西門子611U/Ue的交流伺服驅(qū)動器的速度環(huán)動態(tài)特性優(yōu)化可通過SimoCom U軟件自動進行。優(yōu)化驅(qū)動器的速度給定,由PC機以數(shù)字量給出,無須CNC控制。驅(qū)動器速度環(huán)動態(tài)特性優(yōu)化的操作步驟如下:a.利用“驅(qū)動器調(diào)試電纜”,將調(diào)試計算機與611UE的X471接口連接。如果需要對帶制動的電動機進行優(yōu)化,應設定對應的NC通用參數(shù),如:對于802D, MDl4512的第2位為“1”(優(yōu)化完畢后恢復為“1”;b.接通驅(qū)動器的使能信號(電源模塊端子T48、T63和T64與T9接通

45、,并將坐標軸移動到工作臺的中間位置,因為驅(qū)動器優(yōu)化時,電動機將自動旋轉(zhuǎn)大約兩轉(zhuǎn);c.啟動工具軟件SimoCom U,選擇聯(lián)機方式,再選擇“PC”控制方式,并通過“OK”確認。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速度控制畫面d.選擇自動速度控制器優(yōu)化,彈出“參數(shù)環(huán)優(yōu)化畫面”,如圖4-10所示。選擇“14步”自動執(zhí)行優(yōu)化過程:分析機械特性一(電機正轉(zhuǎn),帶制動電機的抱閘應釋放;分析機械特性二(電機反轉(zhuǎn),帶制動電機的抱閘應釋放;電流環(huán)測算(電機靜止,帶制動電機的抱閘應夾緊;參數(shù)優(yōu)化計算。 圖4

46、-10參數(shù)優(yōu)化畫面對垂直軸的伺服參數(shù)優(yōu)化時,特別是在該軸沒有平衡裝置時,一定要注意優(yōu)化過程中對抱閘釋放和加緊的時機,避免出現(xiàn)由于坐標軸滑落導致機械的損壞! 優(yōu)化結(jié)束后,務必退出PC機控制方式。注意優(yōu)化的效果與電機和機械傳動裝置的聯(lián)接方式有關,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,對于滑動導軌的效果的不一定好;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)控機床完成參數(shù)的自動優(yōu)化,具有快速、簡單的特點,易被廣大數(shù)控機床調(diào)試人員掌握,其優(yōu)化后的參數(shù)符合數(shù)控機床實際工作情況,能有效地提高伺服驅(qū)動器的動態(tài)特性,從而提高數(shù)控機床的加

47、工精度。在802D數(shù)控系統(tǒng)中也可以通過機床的在線診斷來獲得機床的相關信息。如下圖4-11是實驗過程。 圖4-11黑色線表示實際位置,藍色是跟隨誤差,青色是位置設定,紅色是調(diào)節(jié)器輸入。通過圖形可以看出,系統(tǒng)給出實際位置,跟隨誤差先由小變大至穩(wěn)定,然后再變小。所謂跟隨誤差,是指伺服系統(tǒng)發(fā)出的指令位置與系統(tǒng)輸出的實際位置之間的穩(wěn)態(tài)誤差。當伺服系統(tǒng)發(fā)出一個按恒速v 進給的位置指令時,進給軸的實際速度并不會立即達到指令速度v ,而是從零逐漸上升到此值。在穩(wěn)態(tài)情況下,實際位置總是滯后于指令位置一個e 值,其計算公式為V K v e / (1式中v 為指令速度,e 為跟隨誤差,v K 為伺服系統(tǒng)速度增益。v

48、 K 是數(shù)控機床伺服系統(tǒng)特性的一個重要參數(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v K 越大,跟隨誤差e 越小,但v K 過大,會使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。當系統(tǒng)穩(wěn)定時,進給速度v 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)控機床通過多個坐標軸聯(lián)動合成刀具的運動軌跡,完成零件輪廓加工,由于各個坐標軸自身存在跟隨誤差,因此合成曲線輪廓時會產(chǎn)生零件的輪廓誤差。輪廓誤差是指任意位置處,實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)的動態(tài)特性和聯(lián)動軸之間的參數(shù)不匹配引起的,而且還與機床的幾何精度、熱變形等因素有關。本文結(jié)合三軸聯(lián)動數(shù)控機床,分

49、析在加工圓弧輪廓時跟隨誤差對零件加工輪廓的影響。如圖4-12所示,當數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出圓弧加工指令后,在空間三維坐標系中,各進給軸的運動應滿足下面關系式:2222R z y x =+ (2 圖4-12式中R 為圓弧半徑。對式(2求導,得x 軸、y 軸、z 軸的進給速度x v 、y v 、z v ,滿足下列約束關系: (3 設x 軸、y 軸、z 軸所采用的速度增益相同,即:v z v y v x v K K K K =,合成運動的進給速度222z y x v v v v +=。當理論輪廓位置在點A(z y x ,處時,由于跟隨誤差的影響,實際輪廓點在B(''',z y x 處,

50、B 點坐標位置, (4式中z y x e e e ,分別為x 軸、y 軸、z 軸的跟隨誤差。根據(jù)跟隨誤差的計算公式(4可知: (5設輪廓誤差為R ,則B 點到圓心的距離滿足: (6展開、整理,得: (7 將式(25、代入式(7,整理后,得: (8由于R 很小,所以上式展開后,可忽略2R 的值,即: (9式(9即為加工圓弧輪廓時的輪廓誤差表達式。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v K 值,可以減小輪廓誤差;(2對于精度要求較高的圓弧,在零件設計時,應考慮盡量加大半徑R 值;(3在加工過程中,通過適當降低進給軸的速度v 值,可以減小輪廓誤差。第五章典型故障分析在數(shù)控

51、機床的安裝調(diào)試過程中,當 CNC 安裝連接完畢,在機床維修過程中,當更換數(shù)控裝置和因為某種原因?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)進行重新調(diào)試。為了較快恢復 CNC 系統(tǒng)參數(shù)及調(diào)整,在機床各項性能正常時要注意定期對其系統(tǒng)參數(shù)進行備份。CNC 的各項功能調(diào)整及參數(shù)設置是維修人員必須掌握的技能。典型故障主要包括機械傳動方面、電機負載率、配重方面、抱閘和靜摩擦等。在第二章已經(jīng)介紹過了數(shù)控機床的機械傳動結(jié)構(gòu),很多機械故障都是通過數(shù)控系統(tǒng)或者其他電氣報警顯示出來的。易出故障大多是與運動系統(tǒng)或者液壓氣動系統(tǒng)有關的機械部件。對于其他常見一般故障在此不予過多分析,以典型精度故障為主。當

52、Z軸立柱出現(xiàn)電機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。都會使得電機的電流過大。當Z軸電機正常運行時,平滑后的電流值應該是小于50%的。如出現(xiàn)過大現(xiàn)象當是要排除可能出現(xiàn)故障的上述原因。 圖5-1 Z軸靜止時的平滑后的實際電流值 圖5-2 Z軸下降時平滑后的實際電流值 圖5-3 Z軸上升時平滑后的實際電流值以上圖1圖3是一機床平滑后的實際電流值,與下圖4圖6可以對比。 圖5-4 Z軸靜止時平滑后的實際電流值 圖5-5 Z軸下降時平滑后的實際電流值 圖5-6 Z軸上升時平滑后的實際電流值通過對比可以發(fā)現(xiàn)前兩臺機床(以802D為例前者電流大于后者電流,那么就是說前者存在一

53、定的問題需要一一排除。電機負載率的修正如果電機工作環(huán)境溫度過高,電機散熱困難,其溫升加劇,就有可能超過電機絕緣材料的允許溫度,使電機燒毀。因此,在這種情況下我們要把電機的額定功率減少來使使用,以保電機不超過允許溫度。相反,如果電機工作環(huán)境溫度較低,電機散熱容易,工作時電機的溫度比允許溫度低許多,那么我們還可以把電機的額定功率擴大米使用,以保證電機的容量能得到充分的利用、表1列出了電機在不同環(huán)境溫度下,電動機額定功率的修正情況,以利于我們使用時參考。應該說明,如果環(huán)境溫度低于30,電機的額定功率還可以以擴大使用,但擴大的比例要減少;如果環(huán)境溫度高于55.電機的額定功率還要減少使用,且減少的比例要

54、增加。電機所處位置的海拔高度對電機的溫升也有影響,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。如果電機所處位置海拔高于1000m,散熱條件惡化的程度就會大干低溫帶來的效益,因此電機要減少其額定功率來使用。表1 5.2 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)控機床上是非常重要的,當機床垂直進給軸(Z軸作為主軸時,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(采用鏈條連接時存在和進給軸不同步

55、,當主軸到位時而重錘還要運動,如果進給軸電機的力量較小,進給軸電機會被向上提的現(xiàn)象。若Z軸頻繁的上升下降(提刀進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。重錘的重量計算受影響的因素較多,如鑲條的松緊,潤滑的充分成度,導軌面的粗糙度等。在重錘做成后對其重量的調(diào)整不易,如何把重錘,鑲條,導軌,絲杠調(diào)在一個合適的范圍內(nèi)比較難,檢測的手段也有限;重錘上下運動時會左右擺動,雖有導向裝置效果不太明顯對Z軸影響較大。若采用液壓和氣壓配重,氣壓和液壓單獨的作一個控制部分,同樣也存在重錘配重的問題,當Z軸上升下降時氣缸或油缸跟隨運動,但是配重總是滯后于Z軸的進給

56、運動,當上升時氣缸或油缸跟隨上升,若氣缸或油缸跟隨上升中跟不上Z軸的進給運動反而成為Z軸的負載,Z軸下降時同樣存在這樣的問題。雖然通過機床參數(shù)可作適當?shù)恼{(diào)整,但是不能從根本上解決這個問題。Z軸進給運動和液壓配重機構(gòu)要做到同步,必須由同一個CNC系統(tǒng)同時發(fā)指令控制協(xié)調(diào)它們,并且Z軸進給驅(qū)動和液壓控制驅(qū)動在插補中要匹配(快慢協(xié)調(diào),才能保證一致。5.3 靜摩擦力對精度的影響在導軌運動中,靜摩擦力對精度的影響也是很大的,目前國外已大量研究出并使用滾珠導軌?；瑒訉к売衅洫毺貎?yōu)勢就是可以承受非常大的載荷,但其靜摩擦力有著無法避免的缺點,如處理不好會打打影響機床加工精度的誤差。而滾珠導軌的靈敏性和現(xiàn)在發(fā)展形

57、勢來看已漸漸以自身的優(yōu)勢取代滑動導軌。 圖5-9滾珠導軌5.4 抱閘故障在數(shù)控銑床、斜床身數(shù)控車床中,為了鎖住與伺服電機相連的垂直或傾斜工作臺,防止機床工作臺下滑,須對伺服電機進行抱閘控制。一般來說,伺服電機采用帶制動器的伺服電機。但在實際應用中,在機床上電、下電、伺服報警時,偶爾會出現(xiàn)工作臺下滑的現(xiàn)象。抱閘故障主要有接線方法不正確、參數(shù)設置不合理、電機選型不當(制動器額定力矩偏小等原因引起。參數(shù)設置不合理、電機選型不當?shù)仍蛞鸬膯栴}比較好處理?？傮w要求:機床上電后正常工作時,伺服電機抱閘釋放;機床斷電或伺服報警后,伺服電機制動并保持工作臺。而且,在機床上電、下電、伺服報警時,不允許工作臺出現(xiàn)瞬時下滑的現(xiàn)象。因此,在機床上電、下電、伺服報警等情況時,還必須滿足:機床上電:伺服電機先激勵,延時后再松開抱閘。運行時報警或突然掉電:高速運轉(zhuǎn)下的電機先減速(由于在高速下制動會嚴重影響制動器的壽命,甚至會損壞電機,此點在下文“失電控制器”原理介紹時會給予說明后再抱緊電機,延時后再關閉電機激勵。機床下電:先抱緊電機,由于制動器動作需要時間,因此,