第4章 數(shù)控機床進給系統(tǒng)的故障診斷與維修

1、第4章數(shù)控機床進給系統(tǒng)的故障診斷與維修進給驅(qū)動系統(tǒng)的性能在一定程度上決定了數(shù)控系統(tǒng)的性能，直接影響了加工工件的精度。對它做好良好的維護與維修，是數(shù)控機床的關(guān)鍵。本章主要內(nèi)容：——對數(shù)控機床進給驅(qū)動系統(tǒng)作一半的介紹；——介紹步進驅(qū)動系統(tǒng)的原理和主要特性作簡單介紹后，列出了步進驅(qū)動系統(tǒng)的主要故障及排除，并列出相應維修實例?！喗榱诉M給伺服驅(qū)動系統(tǒng)，列出了進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)的主要報警及處理、主要故障及排除，并列出了維修實例。4.1進給驅(qū)動系統(tǒng)

2、概述進給驅(qū)動系統(tǒng)的性能在一定程度上決定了數(shù)控系統(tǒng)的性能，決定了數(shù)控機床的檔次，因此，在數(shù)控技術(shù)發(fā)展的歷程中，進給驅(qū)動系統(tǒng)的研制和發(fā)展總是放在首要的位置。數(shù)控系統(tǒng)所發(fā)出的控制指令，是通過進給驅(qū)動系統(tǒng)來驅(qū)動機械執(zhí)行部件，最終實現(xiàn)機床精確的進給運動的。數(shù)控機床的進給驅(qū)動系統(tǒng)是一種位置隨動與定位系統(tǒng)，它的作用是快速、準確地執(zhí)行由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的運動命令，精確地控制機床進給傳動鏈的坐標運動。它的性能決定了數(shù)控機床的許多性能，如最高移動速度、輪廓跟隨

3、精度、定位精度等。4.1.1數(shù)控機床對進給驅(qū)動系統(tǒng)的要求1.調(diào)速范圍要寬調(diào)速范圍rn是指進給電動機提供的最低轉(zhuǎn)速nmin和最高轉(zhuǎn)速nmax之比，即：rn=nminnmax。在各種數(shù)控機床中，由于加工用刀具、被加工材料、主軸轉(zhuǎn)速以及零件加工工藝要求的不同，為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求進給驅(qū)動系統(tǒng)必須具有足夠?qū)挼臒o級調(diào)速范圍（通常大于1∶10000）。尤其在低速（如0.1rmin）時，要仍能平滑運動而無爬行現(xiàn)象。脈沖當量為

4、1μmP情況下，最先進的數(shù)控機床的進給速度從0~240mmin連續(xù)可調(diào)。但對于一般的數(shù)控機床，要求進給驅(qū)動系統(tǒng)在0~24mmin進給速度下工作就足夠了。2.定位精度要高使用數(shù)控機床主要是為了：保證加工質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性，減少廢品率；解決復雜曲面零件的加工問題；解決復雜零件的加工精度問題，縮短制造周期等。數(shù)控機床是按預定的程序自動進行加工的，避免了操作者的人為誤差，但是，它不可能應付事先沒有預料到的情況。就是說，數(shù)控機床不能像普通機床那

5、樣，可隨時用手動操作來調(diào)整和補償各種因素對加工精度的影響。因此，要求進給驅(qū)動系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)特性和較高的剛度，從而達到較高的定位精度，以保證機床具有較小的定位誤差與重復定位誤差（目前進給伺服系統(tǒng)的分辨率可達1μm或0.1μm，甚至0.01μm）；同時進給驅(qū)動系統(tǒng)還要具有較好的動態(tài)性能，以保證機床具有較高的輪廓跟隨精度。3.快速響應，無超調(diào)為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指

6、令信號的響應要快。一方面，在啟、制動時，要求加、減加速度足夠大，以縮短進給系統(tǒng)的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。一般電動機的速度從零變到最高轉(zhuǎn)速，或從最高轉(zhuǎn)速降至零的時間在200ms以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒。這就要求進給系統(tǒng)要快速響應，但又不能超調(diào)，否則將形成過切，影響加工質(zhì)量；另一方面，當負載突變時，要求速度的恢復時間也要短，且不能有振蕩，這樣才能得到光滑的加工表面。的扭曲變形所引起的彈性變形，因其與負載力矩有關(guān)，故無法補償。由制造與安

7、裝所引起的重復定位誤差，以及由于環(huán)境溫度與絲杠溫度的變化所引起的絲杠螺矩誤差也不能補償。因此要進一步提高精度，只有采用全閉環(huán)控制方式。3.全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)圖43所示為全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)進給控制框圖。全閉環(huán)方式直接從機床的移動部件上獲取位置的實際移動值，因此其檢測精度不受機械傳動精度的影響。但不能認為全閉環(huán)方式可以降低對傳動機構(gòu)的要求。因閉環(huán)環(huán)路包括了機械傳動機構(gòu)，它的閉環(huán)動態(tài)特性不僅與傳動部件的剛性、慣性有關(guān)，而且還取決于阻尼、油的粘度、滑動

8、面摩擦系數(shù)等因素。這些因素對動態(tài)特性的影響在不同條件下還會發(fā)生變化，這給位置閉環(huán)控制的調(diào)整和穩(wěn)定帶來了困難，導致調(diào)整閉環(huán)環(huán)路時必須要降低位置增益，從而對跟隨誤差與輪廓加工誤差產(chǎn)生了不利影響。所以采用全閉環(huán)方式時必須增大機床的剛性，改善滑動面的摩擦特性，減小傳動間隙，這樣才有可能提高位置增益。全閉環(huán)方式廣泛應用在精度要求較高的大型數(shù)控機床上。由于全閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作特點，它對機械結(jié)構(gòu)以及傳動系統(tǒng)的要求比半閉環(huán)更高，傳動系統(tǒng)的剛度、間隙、導

9、軌的爬行等各種非線性因素將直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，嚴重時甚至產(chǎn)生振蕩。解決以上問題的最佳途經(jīng)是采用直線電動機作為驅(qū)動系統(tǒng)的執(zhí)行器件。采用直線電動機驅(qū)動，可以完全取消傳動系統(tǒng)中將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動的環(huán)節(jié)，大大簡化機械傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了所謂的“零傳動”。它從根本上消除了傳動環(huán)節(jié)對精度、剛度、快速性、穩(wěn)定性的影響，故可以獲得比傳統(tǒng)進給驅(qū)動系統(tǒng)更高的定位精度、快進速度和加速度圖43：全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)進給控制框圖4.混合式閉環(huán)控制圖44所示為混

10、合閉環(huán)控制。混合閉環(huán)方式采用半閉環(huán)與全閉環(huán)結(jié)合的方式。它利用半閉環(huán)所能達到的高位置增益，從而獲得了較高的速度與良好的動態(tài)特性。它又利用全閉環(huán)補償半閉環(huán)無法修正的傳動誤差，從而提高了系統(tǒng)的精度?；旌祥]環(huán)方式適用于重型、超重型數(shù)控機床，因為這些機床的移動部件很重，設計時提高剛性較困難。4.2步進驅(qū)動系統(tǒng)常見故障及排除步進驅(qū)動系統(tǒng)簡單來說，包括有步進電動機和步進驅(qū)動器。4.2.1步進電動機原理簡介及分類1.步進電動機原理簡介步進電動機流行于7

11、0年代，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、維修方面，且控制為全數(shù)字化；是一種能將數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)化成一個步距角增量的電磁執(zhí)行元件；能很方便地將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移，具有較好的定位精度，無漂移和無積累定位誤差的優(yōu)點，能跟蹤一定頻率范圍的脈沖列，可作同步電動機使用。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其它部分均可由軟件實現(xiàn)，從而進一步簡化結(jié)構(gòu)。因此，至今國內(nèi)外對這種系統(tǒng)仍在進一步開發(fā)。但是，①由于步進電動機基本上是用開環(huán)系統(tǒng)，精度不高，不能應用于中高