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 數控機床故障診斷 (21.3本文主要研究內容 (4第二章什么是數控機床進給精度 (52.1 數控機床故障診斷與維修基礎 (52.2影響伺服系統進給精度原因 (52.3數控機床機械傳動結構故障 (62.4 電氣系統故障診斷方法 (8第三章數控機床的伺服系統 (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第四章伺服調試與優化 (184.1 伺服驅動器的配置 (184.1.1 SIMODRIVE 611 U通用型驅動器 (184.2伺服調試工具SimoCom U (234.2.1 SimoC

2、om U軟件的基本功能 (244.2.2 伺服驅動參數設定 (244.3伺服驅動器參數的優化 (284.4數控機床在線診斷 (304.4.1伺服系統跟隨誤差的產生 (314.4.2 位置環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 結束語 (42第六章小結與展望 (436.1小結 (436.2創新與展望 (436.2.1創新 (436.2.2展望 (43致謝 (45參考文獻 (46前言畢業設計是學生在校期間一個重要的綜合型實驗教學環節,是成的一

3、份總結性的大作業。它的目的在于培養學生綜合分析和解決本專業的一般工程技術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,設計構思和創新思維,掌握工程設計的一般程序規范和方法,準確使用技術資料、國家標準等手冊、圖冊工具書進行設計計算,數據處理,編寫技術文件等方面的工作能力; 引導學生進行調查研究,面向實際,面向生產,向工人和技術人員學習的基本工作態度,工作作風和工作方法。通過四年多來對數控專業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,可以實現基本的數控維修,利用這次畢業設計的機會可以更好的鍛煉自己的才能,鞏固所學的知識,發現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。本課題能使數控技業學生得到較充分的鍛煉。有利于提高畢業生的就業競爭力。畢業設計說明書是高等院校畢業生提交的一篇論文,是大學生完成學業的標志性作業,是對學習成果的綜合性總結和檢閱,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:王凱第一章緒論數控機床是機械制造業的基礎設備,自上世紀八十年代以來,我國花巨資從美、口、德等世界發達國家引進了大量的數控機床,這些機床在我國能源裝備、航空航天、國防軍

5、事、機械工業及科學研究等國民經濟建設的諸多領域用于加工制造大型、薄壁、復雜結構的精密零件,其應用大大提高了我國制造業的水平和企業的生產效率。然而數控機床長期在高速、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產生影響,嚴重時會導致主軸、軸承、絲杠及導軌等部件發生故障,甚至引發設備性能的異變。其結果一方面使數控機床的精度降低,影響工件的加工質量甚至出現廢品;另一方面會造成機床可靠性降低、壽命縮短甚至報廢,給國家和企業將造成巨大經濟損失。因此,開展數控機床故障診斷技術與方法研究,為數控機床故障診斷系統的開發提供理論指導,實現對現有數控機床的預防維護和預知維修,保證其正常穩

6、定運轉,是目前急待解決的熱點和難點問題。目前數控機床日益向自動化、復雜化、大型化、連續化和高速化的方向發展,對數控機床的診斷技術的要求越來越高。開展數控機床故障診斷的應用基礎理論與基本方法研究,使我國數控機床在狀態監測、故障診斷、預防維護等方面的理論方法與設計制造同步發展,對于提高我國自主研發數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展的戰略需求。綜上所述,應用先進的故障診斷技術(或系統對數控機床進行診斷,可及時發現機器故障,消除事故隱患和預防設備惡性事故的發生,并目,隨著高新技術的快速發展,數控機床故障診斷技術將不斷完善和日趨成熟。1.2 數控機床故障診斷

7、生產中影響數控機床定位精度的因素有很多,本文主要對伺服進給系統、生產現場、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到高速、高精度的數控機床上來完成。數控機床在生產過程中逐步起到了主導的作用,特別是在汽車工業,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。一旦數控機床在使用過程中出現問題,導致停機,勢必影響生產,不僅更換備件需要費用,更重要的是停機造成停產而帶來的直接經濟損失。如何快速診斷并排除故障,減少停機時間,已成為在數控機床使用過程中被普遍關注的問題。數控機床使用過程中,通常出現故障包括機械故障

8、和電氣故障,有些故障可以恢復,而有些則不可恢復。當出現故障時,需要快速、準確地診斷、定位并解決故障。盡管數控系統具備診斷功能,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背景及綜合分析能力,特別是當電氣部件出現故障,數控系統的診斷功能不能發揮作用時,要確診故障部位,往往更為復雜。數控機床出現了故障,檢查機床的機械、電氣系統,維修或更換機械、電氣部件,使數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象,如工件的表面粗糙度;測量的結果;數控系統提

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驗。數控系統提供的報警信息只覆蓋了數控系統中的智能部件,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。數控機床是一個精密的機電一體化產品。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(包括數控系統、驅動裝置和伺服電機及精密測量系統。數控機床的誕生經歷了設計、調試、樣機的試制、定型設計、批量生產等過程,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、在用戶的生產現場投入運行后,現場使用環境,如高溫高濕、粉塵、電網質量、接地等環節,同樣會產生故障隱患。所以,全面了解機床的技術參數、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生,確保數控機床能夠最大限度地發揮其經濟效益,使之創造更多的價值。本文在汲取國內外數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研究數控機床(西門子系統的進給的機械結構,位置控制原理,精度相關因素。(2學習伺服軟件,調試和優化,分析傳動鏈故障分析,伺服參數故障。(3提出數控機床故障診斷系統的總體設計方案,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、析數控機床故障診斷,提出本文的主要研究內容。第二章介紹數控機床機械和電氣系統等產生精度故障分析。第三章伺服原理,伺服電動機選型,位置控制理論。第四章伺服調試,速度環調試,位置環調試,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。第六章總結全文工作。第二章什么是數控機床進給精度2.1 數控機床故障診斷與維修基礎數控機床作為一種典型機電液一體化的產品,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。數控車床加工數控機床主軸運轉過程中,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,監測中若發現軸承的溫度超過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。在數控車床加工出廠前,廠家都會仔細的測量進給系統的間隙值,并進行補償,但是,機床在經長期使用后,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記錄在數控裝置中的參數進行再設定,關于變更參數的詳細說明,請參考數控系統的使用說明書。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,反映了其傳動系統的精度。反向間隙誤差與絲杠螺距誤差數控機床基本都是以伺服電機直接驅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。而對于大多數數控進程采用的都是半閉環控制伺服進給系統,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,空隙會出現一段時間的空運轉,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生大范圍的變化,嚴重影響設備的精度。全閉環進給系統結構誤

15、差理論上來講,全閉環進給系統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,只是形式發生了轉化。在系統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。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。生產現場的影響分析在車間,各種干擾對數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控機床所接收,容易造成數控系統或機床本身的故障。(2電壓波動的干擾。數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電源板中電壓監控的報警,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控的反應,但卻容易引起系統的數據出現錯誤。熱誤差對定位精度的影響在理論上,熱誤差是影響數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誤差的40%70%。但在實際生產中,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,不同部件之間發生相對位移時,會在接觸區發生摩擦以及各種電器元件會產生大量熱量,從而引起機床結構的變形。主要表現在兩個力一面:一是構件受熱膨脹導致線彈性尺寸的偏差;二是由于結構的不對稱性而引起的機構扭曲變形。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平穩無爬行的低速運動和精確定位。當精度發生變化時就會引起導軌誤差,誤差的項目包括:(1導軌在水平面內和垂直面內的直線度誤差;(2前后導軌在垂直而內的平行度(扭曲度誤差。機床的設計對于數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,就會在聯軸器上產生多余載荷是加工過程出現不穩定。2.4 電氣系統故障診斷方法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生時的各種光、聲、味等異常現象的觀察以及察看系統的每一處,遵循“先外后內”的原則,診斷故障采用望、聞、問、摸等方法,由外向內逐一檢

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.接口狀態檢查法現代數控系統多將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。3.參數調整法眾所周知,數控參數能直接影響數控機床的性能。數控系統、PLC及伺服驅動系統都

21、設置許多可修改的參數以適應不同機床、不同工作狀態的要求。這些參數不僅能使各電氣系統與具體機床相匹配,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和最佳化狀態。此類故障多需要重新調整相關的一個或多個參數方可排除。這種方法對維修人員的要求是很高的,不僅要對具體系統主要參數十分了解,既知曉其地址熟悉其作用,而且要有較豐富的電氣調試經驗。4.交換法是一種簡單易行的方法。當發現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交換,否則不僅達不到目的,反而會產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。第三章數控機床的伺服系統伺服系統由伺服電機、伺服驅動裝置、機械傳動裝置、位置檢測裝置等組成。從控制的角度來說,一般電氣伺服系統結構為三閉環控制。進給伺服驅動有以下幾部分組成:位置控制單元、速度控制單元、驅動元件(電動機、檢測與反饋單元和機械執行部件,如圖3-1所示。 圖3-1 數控機床進給伺服基本組成帶有數字調節的進給驅動系統都屬于伺服系統。進給伺服驅動不僅是數控機床的一個重要組成部分,也是數控機床區別

23、于一般機床的特殊部分。數控機床進給伺服驅動系統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,系統的穩定性要好。3.1 伺服電機的分類伺服電機是數控機床驅動坐標運動的執行部件。伺服驅動系統控制伺服電機驅動數控機床的傳動系統因此驅動也是數控機床的性能保證。伺服電機不僅具有恒定輸出轉矩的特性,即在額定轉速范圍內可輸出恒定轉矩,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1個脈沖對應的角度,從而實現位移,因為,伺服電機本身具備發出脈沖的功能,所以伺服電機每旋轉一個角度,都會發出對應數量的脈沖,這樣,和伺服電機接受的脈沖形成了呼應,或者叫

24、閉環,如此一來,系統就會知道發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動,從而實現精確的定位,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,結構簡單,啟動轉矩大,調速范圍寬,控制容易,需要維護,但維護方便(換碳刷,產生電磁干擾,對環境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業和民用場合。無刷電機體積小,重量輕,出力大,響應快,速度高,慣量小,轉動平滑,力矩穩定。控制復雜,容易實現智能化,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運行的應用。伺服電機內部的轉子是永磁鐵,驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場,轉子在此磁場的作用下轉動,同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器,驅動器根據反饋值與目標值進行比較,調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度(線數。伺服電動機又稱執行電動機,在自動控制系統中,用作執行元件,把所收到的電信號轉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現象,轉速隨著轉矩的增加而勻

26、速下降。交流伺服電動機定子的構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子通常做成鼠籠式,但為了使伺服電動機具有較寬的調速范圍、線性的機械特性,無“自轉”現象和快速響應的性能,它與普通電動機相比,應具有轉子電阻大和轉動慣量小這兩個特點。目前應用較多的轉子結構有兩種形式: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子,為了減小轉子的轉動慣量,轉子做得細長;另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉子,杯壁很

27、薄,僅0.2-0.3mm,為了減小磁路的磁阻,要在空心杯形轉子內放置固定的內定子.空心杯形轉子的轉動慣量很小,反應迅速,而且運轉平穩,因此被廣泛采用。交流伺服電動機在沒有控制電壓時,定子內只有勵磁繞組產生的脈動磁場,轉子靜止不動。當有控制電壓時,定子內便產生一個旋轉磁場,轉子沿旋轉磁場的方向旋轉,在負載恒定的情況下,電動機的轉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。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、起動轉矩大,由于轉子電阻大,與普通異步電動機的轉矩特性曲線2相

28、比,有明顯的區別。它可使臨界轉差率S0>1,這樣不僅使轉矩特性(機械特性更接近于線性,而且具有較大的起動轉矩。因此,當定子一有控制電壓,轉子立即轉動,即具有起動快、靈敏度高的特點。2、運行范圍較廣。3、無自轉現象正常運轉的伺服電動機,只要失去控制電壓,電機立即停止運轉。當伺服電動機失去控制電壓后,它處于單相運行狀態,由于轉子電阻大,定子中兩個相反方向旋轉的旋轉磁場與轉子作用所產生的兩個轉矩特性(T1 -S1、T2-S2曲線以及合成轉矩特性(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、噪音小。但控制特性是非線性,并且由于轉子電阻大,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。如圖3-2中描述了802D伺服電機的基本特性。可以看出,早額定轉速范圍內伺服電機可以輸出基本恒定的轉矩,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,結構極為緊湊。現有各種選件、減速器和編碼器以及擴展的產品范圍,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動器出現了電流過載報警,表明實際的電流已經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,結果可能導致伺服電機或驅動器額損壞,因此在數控機床設計時,應根據機床的設計指標選擇匹配的伺服電機,以避免伺服系統長期處于過載狀態運行。總之,伺服電機選型的依據,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據,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,通常數控系統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自己的經驗選擇伺服電機,這種經驗建立在批量生產基礎上的。對于新型號的機床則需要精密計算,或利用系統提供的軟件工具選擇匹配的伺服電機。目前,數控機床中交流伺服系統一般采用三環(電流環、速度環和位置環PID 調節控制技術,傳統的 PID 參數整定方法存在效率低,誤差大的缺點。為了進一步提高數控機床伺服系統性能,有必要深入研究數控伺服系統的 PID 參數整定及優化問題。矢量控制的三相永磁同步電機

33、伺服系統一般是由電流環、速度環和位置環組成的三環結構,其典型的結構框圖如圖3-7所示 圖3-7 交流伺服進給驅動系統框圖在三環結構中,電流環和速度環為內環,位置環為外環。三環結構可以使伺服系統獲得較好的動態跟隨性能和抗干擾性能。其中,電流環的作用是改造內環控制對象的傳遞函數,提高系統的快速性,及時抑制電流環內部的干擾;限制最大電流,使系統有足夠大的加速扭矩,并保障系統安全運行。速度環的作用是增強系統抗負載擾動的能力,抑制速度波動。位置環的作用是保證系統靜態精度和動態跟蹤性能,使整個伺服系統能穩定、高性能運行。為了提高系統的性能,各環節均有調節器,工程實踐中,電流環采用 PI 調節器(或者 P

34、調節器,速度環采用 PI 調節器,位置環采用 P 調節器。三環結構設計及其控制器的優劣直接關系到整個伺服驅動系統的穩定性、準確性和快速性。對于多環結構的控制系統,其調節器參數整定的過程如下:從內環開始,先設計好內環的調節器,然后把內環的整體當作外環中的一個環節,去設計外環的調節器,直到所有控制環的調節器都設計好為止。按照數控機床加工的運動方式不同,機床的伺服系統可分為點位控制、點位直線控制和輪廓控制三種方式。對于數控車床、數控銑床而言,需要進行輪廓插補加工,這就要求伺服系統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向和轉速,以保證數控加工軌跡能快速、準確地跟蹤位置指令的要求。動態誤

35、差是這一類機床伺服系統的主要品質指標,它直接影響了機械加工的精度。引入位置環以后,位置環將和速度、電流內環一起來保證伺服系統速度穩定,跟隨誤差盡可能小,在很寬的范圍內有良好的穩態和動態性能。綜上所述,無論對于哪一類控制方式的伺服系統,位置環都是很重要的一環,位置環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態位置跟蹤誤差和位置環增益。當系統對輸入的瞬態響應過程結束以后,在穩定運行時伺服系統實際位置與指令目標值之間的誤差被定義為系統的穩態位置跟蹤誤差。在數控機床的位置伺服系統中,當速度調節器采用 PI 調節器,而且位置環的截止頻率遠小于速度環的各時間常數的倒數時,速度環的閉環傳遞函數可

36、近似地等效為一階慣性環節,這樣處理在理論和實際中均能真實地反映速度環的特性,并且能使得位置環的設計大大簡化,也易于分析伺服系統的穩定性。簡化系統結構圖如圖3-8所示。 圖3-8 位置環簡化框圖在數控機床應用中,一般采用斜坡輸入指令信號來確定系統的位置跟蹤誤差,對單位斜坡函數的輸入,位置環跟蹤誤差為: (3-1式中,p1n p pp K K K K 為位置環增益,p K 為速度環調節器比例系數,n K 為速度環增益,p1K 為光電編碼器檢測放大系數。式(3-1表明,位置環增益越大,位置跟蹤誤差越小,但是過大的位置環增益容易導致系統發生振蕩。位置環增益不僅影響伺服系統的穩定性、系統剛度,還影響著機

37、械裝置進給速度和穩態誤差,是伺服系統的基本指標之一,一般的數控機床位置伺服系統增益在不考慮機械環節時,取 50100s -1,考慮機械環節時一般取 4050s -1。第四章伺服調試與優化伺服系統是數控機床最重要的組成部分之一,是數控裝置與執行部件之間的聯系鈕帶,它將數控裝置發出的數字信號轉換成為符合預定要求的方向、速度、位置的運動。數控機床對進給伺服系統性能要求包括: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、在外界干擾下的穩定性等。這些要求主要取決于伺服系統的靜態、動態特性,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,還要求伺服系統有良好的動態響應特性,

38、能穩定而靈活地跟隨指令信號,即要求系統具有高的輪廓跟隨精度,這與CNC機床伺服驅動系統的穩態、動態特性有關,而這些特性取決于進給伺服系統的主要參數,如電流環增益MD1120、電流環積分時間MD1121、速度環增益MD1407/MD1408、速度環積分時間MD1409/MD1410等。上述參數在數控系統出廠時就已設定,但與數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,因此需進行參數的調整和優化,以提高數控機床性能。參數的調整和優化分手工和自動兩種方法,手工調整和優化對調試人員的要求較高,難以掌握。自動調整和優化具有簡單,快速的優點,易迅速掌握。4.1 伺服驅動器的配置4.1.

39、1 SIMODRIVE 611 U通用型驅動器SIMODRIVE 611 u是SIMODRIVE 611驅動系統中的獨立的、全數字的插入式控制模塊,用于高動態響應的多軸聯動控制。 它適用于以下情況的驅動系統中:轉矩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。控制卡模塊可以直接插在功率模塊上面 電源模塊外部強電供電系統經過電源模塊連接到各個驅動單元,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 驅動變頻器系統包含獨立元器件和高級控制元件。數據在主控制模塊和從控制模塊之間按照“主- 從”原則進行傳輸,驅動總是從屬的。 4.2伺服調試工具SimoCom USimoCom U伺服調試工具

41、是西門子公司開發的用于調試Simodrive611U的一個軟件工具,具有直觀、快捷、易掌握的特點。SimoCom U伺服調試軟件主畫面如圖4-1所示,它能夠設定驅動器與電機和功率模塊匹配的基本參數,根據伺服電機實際拖動的機械部件,對 611UE速度控制器的參數進行自動調整與優化,能夠監控伺服驅動器的運行狀態,如電機實際電流和實際扭矩等。 圖4-1 SimoCom U伺服調試軟件主畫面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,再給驅動器上電,其611UE的液晶窗口顯示“A1106”,表示驅動器沒有數據、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”中找到驅動器調試工具SimoCom U軟件并啟動。4.2.2 伺服驅動參數設定使用SimoCom U進行參數設定時,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.命名將要調試的驅動器,如圖4-3所示,然后選擇“下一步”(NEXT;c.進入聯機方式后,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 命名驅動 圖4-4 圖4-5e.根據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列出所選擇的數據,如果數據無誤,選擇“接收該軸驅動器配置”(Calculatecontrollerdata,save,reset,如圖4-8所示。注意:如果這時PLC應用程序還沒有調試,驅動器的使能信號不生效,電機不能旋轉。在PLC功能生效(即驅動器使能控制生效后,并且設定了NC進給軸參數(MD30130和MD30240,才能移動進給軸,才能對

44、進給軸的動態特性進行優化。 圖4-8在完成伺服驅動器的設定后,需要對伺服驅動器的速度環動態特性進行調試,然后才能進行位置環調試。西門子611U/Ue的交流伺服驅動器的速度環動態特性優化可通過SimoCom U軟件自動進行。優化驅動器的速度給定,由PC機以數字量給出,無須CNC控制。驅動器速度環動態特性優化的操作步驟如下:a.利用“驅動器調試電纜”,將調試計算機與611UE的X471接口連接。如果需要對帶制動的電動機進行優化,應設定對應的NC通用參數,如:對于802D, MDl4512的第2位為“1”(優化完畢后恢復為“1”;b.接通驅動器的使能信號(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,因為驅動器優化時,電動機將自動旋轉大約兩轉;c.啟動工具軟件SimoCom U,選擇聯機方式,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化,彈出“參數環優化畫面”,如圖4-10所示。選擇“14步”自動執行優化過程:分析機械特性一(電機正轉,帶制動電機的抱閘應釋放;分析機械特性二(電機反轉,帶制動電機的抱閘應釋放;電流環測算(電機靜止,帶制動電機的抱閘應夾緊;參數優化計算。 圖4

46、-10參數優化畫面對垂直軸的伺服參數優化時,特別是在該軸沒有平衡裝置時,一定要注意優化過程中對抱閘釋放和加緊的時機,避免出現由于坐標軸滑落導致機械的損壞! 優化結束后,務必退出PC機控制方式。注意優化的效果與電機和機械傳動裝置的聯接方式有關,剛性連軸方式效果最好。彈性連軸方式,如彈性連軸節,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,控制數控系統和數控機床完成參數的自動優化,具有快速、簡單的特點,易被廣大數控機床調試人員掌握,其優化后的參數符合數控機床實際工作情況,能有效地提高伺服驅動器的動態特性,從而提高數控機床的加

47、工精度。在802D數控系統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,紅色是調節器輸入。通過圖形可以看出,系統給出實際位置,跟隨誤差先由小變大至穩定,然后再變小。所謂跟隨誤差,是指伺服系統發出的指令位置與系統輸出的實際位置之間的穩態誤差。當伺服系統發出一個按恒速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。在穩態情況下,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 為伺服系統速度增益。v

48、 K 是數控機床伺服系統特性的一個重要參數,它反映了伺服系統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,會使系統穩定性變差。當系統穩定時,進給速度v 越小,跟隨誤差越小。4.4.2 位置環增益對加工輪廓的影響數控機床通過多個坐標軸聯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的動態特性和聯動軸之間的參數不匹配引起的,而且還與機床的幾何精度、熱變形等因素有關。本文結合三軸聯動數控機床,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,當數控系統發出圓弧加工指令后,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。根據式(9可以得出如下結論:(1在保證伺服系統穩定的前提下,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控

51、機床的安裝調試過程中,當 CNC 安裝連接完畢,在機床維修過程中,當更換數控裝置和因為某種原因導致系統的 PLC 程序丟失或參數丟失,都需要對CNC 系統進行重新調試。為了較快恢復 CNC 系統參數及調整,在機床各項性能正常時要注意定期對其系統參數進行備份。CNC 的各項功能調整及參數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。在第二章已經介紹過了數控機床的機械傳動結構,很多機械故障都是通過數控系統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或者液壓氣動系統有關的機械部件。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。如出現過大現象當是要排除可能出現故障的上述原因。 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現前兩臺機床(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整不易,如何把重錘,鑲條,導軌,絲杠調在一個合適的范圍內比較難,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。雖然通過機床參數可作適當的調整,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要做到同步,必須由同一個CNC系統同時發指令控制協調它們,并且Z軸進給驅動和液壓控制驅動在插補中要匹配(快慢協調,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。滑動導軌有其獨特優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在發展形

57、勢來看已漸漸以自身的優勢取代滑動導軌。 圖5-9滾珠導軌5.4 抱閘故障在數控銑床、斜床身數控車床中,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,偶爾會出現工作臺下滑的現象。抱閘故障主要有接線方法不正確、參數設置不合理、電機選型不當(制動器額定力矩偏小等原因引起。參數設置不合理、電機選型不當等原因引起的問題比較好處理。總體要求: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,不允許工作臺出現瞬時下滑的現象。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,