第4章 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的故障診斷與維修

1、第4章數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的故障診斷與維修進(jìn)給驅(qū)動(dòng)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(duì)它做好良好的維護(hù)與維修，是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵。本章主要內(nèi)容：——對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作一半的介紹；——介紹步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理和主要特性作簡(jiǎn)單介紹后，列出了步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要故障及排除，并列出相應(yīng)維修實(shí)例?！?jiǎn)介了進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，列出了進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要報(bào)警及處理、主要故障及排除，并列出了維修實(shí)例。4.1進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2、概述進(jìn)給驅(qū)動(dòng)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(jī)床的檔次，因此，在數(shù)控技術(shù)發(fā)展的歷程中，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)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(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)機(jī)械執(zhí)行部件，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)床精確的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種位置隨動(dòng)與定位系統(tǒng)，它的作用是快速、準(zhǔn)確地執(zhí)行由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的運(yùn)動(dòng)命令，精確地控制機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)。它的性能決定了數(shù)控機(jī)床的許多性能，如最高移動(dòng)速度、輪廓跟隨

3、精度、定位精度等。4.1.1數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求1.調(diào)速范圍要寬調(diào)速范圍rn是指進(jìn)給電動(dòng)機(jī)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(jī)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(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須具有足夠?qū)挼臒o級(jí)調(diào)速范圍（通常大于1∶10000）。尤其在低速（如0.1rmin）時(shí)，要仍能平滑運(yùn)動(dòng)而無爬行現(xiàn)象。脈沖當(dāng)量為

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

5、樣，可隨時(shí)用手動(dòng)操作來調(diào)整和補(bǔ)償各種因素對(duì)加工精度的影響。因此，要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)特性和較高的剛度，從而達(dá)到較高的定位精度，以保證機(jī)床具有較小的定位誤差與重復(fù)定位誤差（目前進(jìn)給伺服系統(tǒng)的分辨率可達(dá)1μm或0.1μm，甚至0.01μm）；同時(shí)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還要具有較好的動(dòng)態(tài)性能，以保證機(jī)床具有較高的輪廓跟隨精度。3.快速響應(yīng)，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(yīng)特性，即要求跟蹤指

6、令信號(hào)的響應(yīng)要快。一方面，在啟、制動(dòng)時(shí)，要求加、減加速度足夠大，以縮短進(jìn)給系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間，減小輪廓過渡誤差。一般電動(dòng)機(jī)的速度從零變到最高轉(zhuǎn)速，或從最高轉(zhuǎn)速降至零的時(shí)間在200ms以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒。這就要求進(jìn)給系統(tǒng)要快速響應(yīng)，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(dāng)負(fù)載突變時(shí)，要求速度的恢復(fù)時(shí)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(fù)載力矩有關(guān)，故無法補(bǔ)償。由制造與安

7、裝所引起的重復(fù)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(bǔ)償。因此要進(jìn)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(jìn)給控制框圖。全閉環(huán)方式直接從機(jī)床的移動(dòng)部件上獲取位置的實(shí)際移動(dòng)值，因此其檢測(cè)精度不受機(jī)械傳動(dòng)精度的影響。但不能認(rèn)為全閉環(huán)方式可以降低對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求。因閉環(huán)環(huán)路包括了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它的閉環(huán)動(dòng)態(tài)特性不僅與傳動(dòng)部件的剛性、慣性有關(guān)，而且還取決于阻尼、油的粘度、滑動(dòng)

8、面摩擦系數(shù)等因素。這些因素對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響在不同條件下還會(huì)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(dǎo)致調(diào)整閉環(huán)環(huán)路時(shí)必須要降低位置增益，從而對(duì)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(shí)必須增大機(jī)床的剛性，改善滑動(dòng)面的摩擦特性，減小傳動(dòng)間隙，這樣才有可能提高位置增益。全閉環(huán)方式廣泛應(yīng)用在精度要求較高的大型數(shù)控機(jī)床上。由于全閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，它對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)以及傳動(dòng)系統(tǒng)的要求比半閉環(huán)更高，傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、間隙、導(dǎo)

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(yán)重時(shí)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(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行器件。采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以完全取消傳動(dòng)系統(tǒng)中將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的環(huán)節(jié)，大大簡(jiǎn)化機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了所謂的“零傳動(dòng)”。它從根本上消除了傳動(dòng)環(huán)節(jié)對(duì)精度、剛度、快速性、穩(wěn)定性的影響，故可以獲得比傳統(tǒng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更高的定位精度、快進(jìn)速度和加速度圖43：全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)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?；旌祥]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(dá)到的高位置增益，從而獲得了較高的速度與良好的動(dòng)態(tài)特性。它又利用全閉環(huán)補(bǔ)償半閉環(huán)無法修正的傳動(dòng)誤差，從而提高了系統(tǒng)的精度。混合閉環(huán)方式適用于重型、超重型數(shù)控機(jī)床，因?yàn)檫@些機(jī)床的移動(dòng)部件很重，設(shè)計(jì)時(shí)提高剛性較困難。4.2步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)常見故障及排除步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單來說，包括有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。4.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理簡(jiǎn)介及分類1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理簡(jiǎn)介步進(jìn)電動(dòng)機(jī)流行于7

11、0年代，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)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(diǎn)，能跟蹤一定頻率范圍的脈沖列，可作同步電動(dòng)機(jī)使用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動(dòng)電路之外，其它部分均可由軟件實(shí)現(xiàn)，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。因此，至今國(guó)內(nèi)外對(duì)這種系統(tǒng)仍在進(jìn)一步開發(fā)。但是，①由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)基本上是用開環(huán)系統(tǒng)，精度不高，不能應(yīng)用于中高